用顺序控制指令实现十字路口交通信号灯 的 的PLC控制.doc

学 号 天津城建大学现代电气控制及PLC应用技术课程设计说明书 用顺序控制指令实现十字路口交通信号灯的的PLC控制起止日期： 2014 年 月 日 至 2014 年 月 日学生姓名班级成绩指导教师(签字)控制与机械工程学院2014年 月 日天津城建大学课程设计任务书2013 2014学年第 1 学期 控制与机械工程 学院 电气工程及其自动化 专业班课程设计名称： 现代电气控制及PLC应用技术课程设计 设计题目： 用顺序控制指令实现十字路口交通信号灯的plc控制 完成期限：自 2014 年 月 日至 2014年 月 日共 周设计依据、要求及主要内容：一、课程设计的目的（1） 能够根据功能要求选择PLC的类型及其根据I/O点的要求选择该类PLC的型号。（2） 根据所选的PLC的类型，掌握该PLC的编程软件并能够利用该软件绘制设计课题的梯形图。（3） 根据I/O点的定义，绘制PLC外部电气接线图。二、课程设计的基本要求 要求每位同学独立完成设计任务。设计任务要完成内容的基本要求如下：（1）电气原理图设计：根据设计课题的工艺流程，绘制系统的电气原理图（主电路图）。原理图设计要符合项目的工作原理，。原理图要完整，连线要正确。（2）硬件选型：根据要实现的功能要求，确定PLC的型号和所需I/O点数。所选PLC型号应能满足设计要求，如所选PLC型号I/O点不满足设计需要，则还需进行I/O口扩展模块选型。（3）PLC外部接线图设计：根据设计要求，自行分配I/O点，列I/O分配表；根据I/O点的分配情况，绘制PLC外部电气接线图。（4）软件流程图设计：根据要求，将总体项目分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特定的功能。根据总体要求及分解功能模块，确定各功能模块之间的关系，设计出完整的程序流程图。（5）梯形图设计：根据所绘制流程图，利用相应PLC编程软件编写出梯形图。（6）书写设计说明书：课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图标正确，书写工整。1）电气原理图设计说明：简要说明设计目的，原理图中所使用的器件功能及作用。2）PLC选型和I/O口分配说明：对PLC选型过程进行说明，给出I/O口分配表和PLC外部接线图。3）程序设计说明：对程序设计总体功能进行说明，对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较详细的描述，给出程序流程图，并给出相应的程序清单，选择比较有难度的程序段进行详细说明。三、课程设计控制要求（1）接通交通灯工作开关（X000）后，南北红灯亮60s时间（同时东西绿灯亮55s后闪烁3s停止，而后东西黄灯亮2s停止）停止；（2）南北红灯结束点亮后，东西红灯亮60s时间（同时南北绿灯亮55s后闪烁3s停止，而后南北黄灯亮2s停止）停止；（3）再循环到南北红灯点亮60s时间停止，如此循环；（4）甲指示灯模拟东西向行驶车，乙指示灯模拟南北向行驶车。指导教师（签字）： 系（教研室）主任（签字）： 批准日期： 年 月 日目 录一、绪论11.1 设计目的与意义11.2 设计要求1二、设备选择12.1 PLC的产生和定义12.2 PLC的基本组成22.3 PLC的基本工作原理22.4 PLC的特点22.5 本次设计的plc型号及其优点2三、设计方案33.1 十字路口交通灯布置图33.2 十字路口交通灯接线图33.3 PLC的I/O地址分配43.3 系统硬件图设计43.4 系统流程控制图53.5 顺序功能图63.6 系统梯形图6四、总结9五、参考文献10一、绪论1.1 设计目的与意义随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。根据交通灯工艺控制要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制。 1.2 设计要求本次设计任务是用顺序功能指令实现十字路口交通信号灯的plc控制。具体要求如下：（1）接通交通灯工作开关（X000）后，南北红灯亮60s时间（同时东西绿灯亮55s后闪烁3s停止，而后东西黄灯亮2s停止）停止；（2）南北红灯结束点亮后，东西红灯亮60s时间（同时南北绿灯亮55s后闪烁3s停止，而后南北黄灯亮2s停止）停止；（3）再循环到南北红灯点亮60s时间停止，如此循环；（4）甲指示灯模拟东西向行驶车，乙指示灯模拟南北向行驶车。二、设备选择 2.1 PLC的产生和定义1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年有美国数字设备公司（DEC）研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为PLC（programmable logic controller）。 80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。被称为PC（programmable controller）即可编程控制器。国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下： “可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计”。2.2 PLC的基本组成目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的PLC以及同一家生产的不同型号的PLC其结构个不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的支持。PLC的主机由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、ROM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。下图为PLC各组成部分及作用。图1 PLC硬件结构组成框图2.3 PLC的基本工作原理 PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编好程序后，编程器将程序键入PLC的用户存储器中存储。PLC的控制功能就是运用用户程序来实现的。PLC运行程序的方式与微型机算计相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0000存储地址所存放的第一条拥护指令开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址好递增的方向顺序执行拥护程序，直到END指令结束。然后再从头开始，并周而复始的重复，直至到停机或运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。我们把PLC这种执行程序的方式成为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输出，输出信号的处理与微型机算机不同 。微型机算机对输出、输出信号实时处理。而PLC对输出、输出信号是集中批处理。PLC扫描工作方式分为三个阶段：输出采样、程序执行、输出刷新。2.4 PLC的特点PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的特点而设计制造和发展的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的优点：（1) 可靠性高，抗干扰能力强；（2）通用性强，使用方便；（3) 采用模块化结构，使系统组合灵活方便；（4) 编程语言简单、易学，便于掌握；（5) 系统设计周期短；（6) 对生产工艺改变适应性强；（7) 安装简单、调试方便、维护工作量小；(8）体积小、重量轻、功耗低。2.5 本次设计的plc型号及其优点 根据交通灯工艺控制要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制。本系统采用PLC是基于以下四个原因：1）PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；2）编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；3）抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能4）够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。三、设计方案 3.1 十字路口交通灯布置图在十字路口的东、西、南、北方向主的干道装有“红绿黄”灯。交通灯闪亮表和十字路口交通灯示意图具体布置如下。 表1 交通灯闪亮表东西 信号 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 红灯亮 时间 55S 3S 2S 60S 南北 信号 红灯亮 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 时间 60S 55S 3S 2S图2 十字路口交通灯示意图 3.2 十字路口交通灯接线图根据十字路口交通灯的实际连线，画出如图3所示的十字路口交通灯的接线图。图3 十字路口交通灯接线图 3.3 PLC的I/O地址分配I/O地址分配采用自动分配的方式，输入地址分配和输出地址分配分别如下表表2 I/O口分配表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输入点编号启动按钮SB1I0.0南北红灯HL1Q0.0南北绿灯HL2Q0.1停止按钮SB2I0.1南北黄灯HL3Q0.2东西绿灯HL4Q0.3东西黄灯HL5Q0.4东西红灯HL6Q0.5 3.3 系统硬件图设计 S7-200 CPU222系统有8个输入信号和6个输出信号。1个模拟量电位器，最多可扩展10AI/AO点。4KB用户程序区和2KB数据存储区。有4路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接2个相位差为90度的A/B相增量编码器。可以进行一定模拟量的控制和2个模块的扩展，对于比较适合小型的控制系统。所以在这个设计中选用了S7-200 CPU222。 在硬件接线图中，输入口I0.0接收启动按钮SB1的输入，输入口I0.1接收停止按钮SB2的输入；输出口Q0.0接收南北红灯(HL1)，输出口Q0.1接收南北绿灯(HL2)，输出口Q0.2接收南北黄灯(HL3)，输出口Q0.3接收东西绿灯(HL4)，输出口Q0.4接收东西黄灯(HL5)，输出口Q0.5接收东西红灯(HL6)。图4 交通信号灯PLC控制硬件接线图3.4 系统流程控制图本系统的设计流程图如下。图5 系统流程图系统流程控制图采用线性程序设计。线性程序设计就是把工程中需要的控制任务按照工艺要求书写在主程序中。线性程序设计结构简单，分析起来一目了然、这种结构适用于一些规模较小、运行过程比较简单的控制程序。对于一些控制规模较大，运行过程比较复杂的控制程序，特别对于分支较多的控制程序，则不宜选用这种结构。 3.5 顺序功能图 通过对控制系统进行分析，可用如下的顺序功能图来表示，其中初始步为顺序控制继电器S0.0，其他顺序继电器代表各个工作步。 图6 顺序功能图 3.6 系统梯形图根据顺序功能图设计梯形图，在此程序设计过程中采用了使用顺序控制继电器的设计方法。具体梯形图如下所示： 四、总结 通过本系统的设计，我对于西门子S7-200系列PLC的特点有了更深的了解。十字路口交通灯控制系统利用了西门子S7-200系列PLC的特点，对按钮、开关、交通等输入/输出点进行控制，实现了十字路口交通灯控制中的自动化。这只是一个简单的控制系统，并不能十分有效的改变交通的现状，不过可以根据现实中某一方向车流量的大小来对程序进行改变，使之更适合交通的现实状况。 通过此次课程