基于西門子PLC交通燈論文設(shè)計

1、目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 前言1 HYPERLINK l bookmark4 中文摘要2英文摘要3可編程序控制器PLC的概況5PLC的定義5PLC的工作原理5PLC的應(yīng)用領(lǐng)域6PLC的發(fā)展趨勢7控制要求9交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計要求和工作過程9交通燈的時序波形圖10硬件介紹和選取11交通燈系統(tǒng)的設(shè)計與控制14順序圖14I/O分配及接線圖15編制程序16調(diào)試程序22參考文獻23謝辭錯誤!未定義書簽。綜述錯誤!未定義書簽。封底錯誤!未定義書簽。 1前言我國是一個人口大國，許多城市都存在交通擁堵現(xiàn)象。特別是近十幾年，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市人口與機動車輛

2、的增多，城市交通問題越來越受到人們的關(guān)注。特別是那些大城市，情況尤為嚴重，如上海、北京、南京、武漢等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況。因此，如何改善與人們密切相關(guān)的交通問題也成為政府交通部門工作中的一個重要部分。交通擁堵問題的原因在道路的交叉口，堵車先堵交叉口，如何能夠控制好十字路口車輛的通行，可以有效地解決交通擁堵問題。所以交通燈設(shè)計的合理與否，就顯得尤為重要，對解決交通擁堵問題具有重要意義。能完成交叉路口交通信號燈系統(tǒng)的控制方法有很多，可以用標準邏輯器件、可編程序控制器PLC、單片機等方法來實現(xiàn)。其中用標準邏輯器件來實現(xiàn)，電路在很大程度上要受到邏輯器件門電路等的影響，調(diào)試工作極為不易；單片機雖然

3、成本低廉、專用性強，但其可靠性差、抗干擾能力弱、通用性差、擴展能力也不強；PLC雖然成本高，但其組成靈活、可靠性好、通用性強、控制功能強、操作方便、抗干擾能力強。因此，考慮到實際現(xiàn)場工作環(huán)境，我最終選擇了可靠性好、抗干擾能力強、通用性好等諸多優(yōu)點的PLC來實現(xiàn)對十字路口交通燈的控制，完成本次課程設(shè)計的任務(wù)。中文摘要傳統(tǒng)的交通燈控制系統(tǒng)大多是由數(shù)字電路來實現(xiàn)的，交通燈控制系統(tǒng)穩(wěn)定性可靠性與抗干擾能力較差，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，數(shù)字電路交通燈越來越不能滿足日益增長的交通壓力，因此必須尋求一種新的方法來取代這種復(fù)雜而工作不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展，可編程控制器(PLC)的功能日益完善，可編程控制

4、器已作為一種以微電腦技術(shù)為核心的自動控制裝置，已被廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、化工、能源等各種行業(yè)。它可靠性高、功能完善、抗干擾能力強，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等優(yōu)點，是一種用于工業(yè)環(huán)境及過程控制的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。采用PLC控制交通信號燈，主要是考慮其具有對使用環(huán)境適應(yīng)性強的特性，同時其內(nèi)部定時器資源十分豐富，可對目前普遍使用的“漸進式”信號燈進行精確控制，特別是方便地實現(xiàn)多岔路口的控制。由于PLC本身具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可將同一條道路上的信號燈組成一局域網(wǎng)進行統(tǒng)一調(diào)度管理，可縮短車輛通行等候時間，實現(xiàn)科學化管理。在實際應(yīng)用中，采用PLC控制城市交通信號燈，能根據(jù)不同的路況要求，隨時修改控制程

5、序，以改變各信號燈的工作時間和工作狀況。與繼電器或邏輯電路控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)具有更高的可靠性、靈活性和經(jīng)濟實用性。本論文就是運用PLC原理來實現(xiàn)對十字路口的交通燈的控制，介紹了基于PLC在交通系統(tǒng)的運用，系統(tǒng)介紹了PLC的基本原理。關(guān)鍵詞交通燈控制系統(tǒng)；可編程控制器(PLC)；十字路口；科學化管理；穩(wěn)定性；可靠性ABSTRACTThetraditionaltrafficcontrolsystemismostlybydigitalcircuit,trafficcontrolsystemstabilityreliabilityandanti-interferenceabilityisba

6、d,Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,anddigitalcircuittrafficlightstomeetthegrowingtrafficpressure,therefore,mustseekanewmethodtoreplacethecomplexandworkingstabilityofthecontrolsystem.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theprogrammablelogiccontroller(PLC)function,theprogrammablecontrollerhas

7、,asakindofmicrocomputertechnologyasthecoreinautomaticcontrolequipment,hasbeenwidelyusedinmechanicalmanufacturing,metallurgy,chemical,energy,etc.Ithashighreliability,completefunctions,stronganti-jammingcapability,withsimplestructure,lightweight,itisakindofprocesscontrolforindustrialenvironmentandthen

8、umberofoperatingsystem.PLCcontroltrafficlights,mainlyisforusewiththeconsiderationofthecharacteristicsofstrongadaptabilitytoenvironment,anditsinternaltimerresourcesareveryrich,butfornowthewidespreaduseofprogressivelightaccuratelycontrol,particularlyeasilyrealizemorecontrolofthecross-roads.BecauseofPL

9、Cnetworkcommunicationfunction,hasthesamepathcanbecomposedofaLANforsignalunifieddispatchingmanagement,canshortenthetimeofwaitingvehicles,scientificmanagement.InactualapplicationofPLCcontrol,urbantrafficlights,canaccordingtodifferentconditions,modifiedatanytimetochangecontrolprocedures,thesignalofwork

10、ingtimeandworkingconditions.Andrelayorlogiccircuitcontrolsystem,PLCcontrolsystemhashigherreliabilityandflexibilityandeconomicandpractical.ThispaperistheapplicationoftheprincipleofPLCtocontrolthetrafficintersection,introducedintrafficsystembasedonPLCisintroduced,andtheapplicationofPLCsystemofbasicpri

11、nciple.KeywordsCrossroads；Trafficcontrolsystem；Programmablelogiccontroller(PLC)；Scientificmanagemen；Stabilization；reliability基于PLC交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計1可編程序控制器PLC的概況PLC的定義早期的可編程控制器是為了取代繼電器控制線路，采用存儲器程序指令完成順序控制而設(shè)計的。它僅有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，采用開關(guān)量控制，實際只能進行邏輯運算，所以稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC(ProgrammableLogicController)。進入20世紀80年代后，采用

12、了16位和少數(shù)32位微處理器構(gòu)成PLC，使得可編程邏輯控制器在概念、設(shè)計、性能上都有了新的突破。采用微處理器之后，這種控制器的功能不再局限于當初的邏輯運算，增加了數(shù)值運算、模擬量的處理、通信等功能，成為真正意義上的可編程控制器(ProgrammableController)，簡稱為PC。但是為了與個人計算機PC(PersonalComputer)相區(qū)別，長將可編程控制器仍成為PLC。隨著可編程控制器的不斷發(fā)展,其定義也在不斷變化。國際電工委員會(IEC)曾于1982年11月頒布了可編程控制器標準草案第一稿，1985年1月發(fā)表了第二稿，1987年2月又頒布了第三稿。1987年頒布的可編程控制器的

13、定義如下：“可編程邏輯控制器是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種數(shù)字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器、可以編制程序的控制器。它能夠存儲和執(zhí)行命令，進行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入、輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其相關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原則設(shè)計。”PLC的工作原理PLC實質(zhì)上是一種專用與工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相近，在結(jié)構(gòu)上分為固定式和組合式(模塊式)兩種，固定式PLC包括CPU板，I/O板，顯示面板，內(nèi)存塊，電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包

14、括CPU模塊，I/O模塊，內(nèi)存模塊，電源模塊，底板或機架。這些模塊可以按照一定的規(guī)則組合配置。圖1PLC操作過程按照可編程控制器系統(tǒng)的構(gòu)成原理，可編程控制器系統(tǒng)由傳感器，可編程控制器和執(zhí)行器組成，可編程控制器通過循環(huán)掃描輸入端口的狀態(tài)，執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制任務(wù)，其操作過程如上圖1所示。PLC輸入模塊的輸入信號狀態(tài)與傳感器信號相對應(yīng)，為傳感器信號經(jīng)過隔離和濾波后的有效信號。開關(guān)量輸入電路通過識別傳感器0、1電平，識別開關(guān)的通斷。CPU在每個掃描周期的開始掃描輸入模塊的信號狀態(tài)，并將其狀態(tài)送入到輸入映像寄存器區(qū)域；CPU根據(jù)用戶程序中的程序指令來處理傳感器信號，并將其處理的結(jié)果送到輸出映像寄存器

15、?，F(xiàn)代的PLC已經(jīng)具備了處理模擬量的功能，但是相對于開關(guān)量的處理較復(fù)雜一些。PLC輸出模塊具有一定的負載驅(qū)動能力，在額定負載以內(nèi)，直接和負載相連，可以驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為以下幾類：開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可用它取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，又可用于多機群控制及自動化流水線。如電梯控

16、制、高爐上料、注塑機、印刷機、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使PLC能處理模擬信號，PLC廠家生產(chǎn)有配套的A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，使PLC可用于模擬量控制。運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在可使用專門的運動控制模塊。廣泛的運用于各種機床、機械、機器人、電器等場合。過程控制這是對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。PLC能編制各種控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID控制時一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中常用的控制方法

17、。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較。一般用于大型系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造業(yè)。通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信包含PLC之間的通信以及PLC與其他智能設(shè)備間的通信。在工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展加快前提下，廠家都十分重視PLC的通訊功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通訊十分方便。PLC的發(fā)展趨勢1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)首先研制出第一臺符合要求的控制器，即可編程邏輯控制器，并在美國GE公司的汽車

18、自動裝配上試用獲得成功。此后,這項技術(shù)迅速發(fā)展，從美國、日本、歐洲普及到全世界?？偟膩碚f發(fā)展趨勢如下：向高速度、大容量方向發(fā)展為了提高PLC的處理能力，要求PLC具有更好的響應(yīng)速度和更大的儲存容量。向超大型、超小型兩個方向發(fā)展。以適應(yīng)不同類型的自動控制系統(tǒng)的需要。PLC大力開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網(wǎng)通信功能。為了擴大適用范圍，廠家還制定了通用的通信彼岸準，已構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。增強外部故障的檢測與處理能力。外部故障的幾率很大，因此，PLC廠家致力于研制、發(fā)展用于檢測外部故障的專用智能模塊，進一步提高系統(tǒng)的可靠性編程語言多樣化。PLC結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時,PLC的編程語言也越來越豐富。多種語言并存、互

19、補與發(fā)展是PLC進步的一種趨勢?？刂埔?.1交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計要求和工作過程主要程序要求如下：信號燈受啟動開關(guān)控制。當啟動開關(guān)接同時，信號燈系統(tǒng)開始工作，先南北綠燈亮，后東西綠燈亮。當啟動開關(guān)斷開時，所有信號燈都熄滅。東西方向紅燈亮維持30s期間，南北方向綠燈亮維持25s，然后綠燈閃亮3s后熄滅，同時南北方向黃燈亮，維持2s后熄滅，這時南北方向紅燈亮,東西方向綠燈亮。南北方向紅燈亮維持30s期間，東西方向綠燈亮維持25s，然后綠燈閃亮3s后熄滅，同時東西方向黃燈亮，維持2s后熄滅，這時南北方向綠燈亮,東西方向紅燈亮。上述動作循環(huán)進行。十字路口交通燈的簡單示意圖如圖2所示：北(XX)00南圖

20、2十字路口示意圖2.2交通燈的時序波形圖根據(jù)以上描述可簡單繪制交通燈的時序波形圖，如圖3所示，南北方向綠燈和東西方向紅燈先亮。南北綠燈南北黃燈南北紅燈東西綠燈東西黃燈東西紅燈硬件介紹和選?。?）PLC的類型PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。（2）輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時間較長等特點；

21、可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致。（3）CPU的構(gòu)成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU,它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制

22、及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。（4）I/O的分配PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/

23、O模塊集了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反I/O分為開關(guān)量輸入（DI）,開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI）,模擬量輸出（A0）等模塊。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I

24、/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。（5）電源的選擇根據(jù)PLC輸出端所帶的負載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及PLC輸出點動作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或品閘管輸出。不同的負載選用不同的輸出方式，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是很重要的。電源模塊的選擇主要考慮電源輸出額定電流和電源輸入電壓.電源模塊的輸出額定電流必須大于CPU模塊、I/O模塊和其它特殊模塊等消耗電流的總和，同時還應(yīng)考慮今后I/O模塊的擴展等因素；電源輸入電壓一般根據(jù)現(xiàn)場的實際需要而定。直流輸入電源對于輸入電壓一般都

25、是寬范圍：如5V為4.5-9V,12V為9-18V,24V為18-36V,48V為36-72V,110V為60-160V。交流輸入電源一般為220VAC（176-264V）和三相三線（四線），并帶有PFC功率因數(shù)校正功能。（6）存儲器的選擇由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應(yīng)用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。經(jīng)濟性的考慮，選擇PLC時，應(yīng)考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入

26、輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。（7）PLC接地良好的接地是PLC安全可靠運行的重要條件。為了抑制干擾，PLC般最好單獨接地，與其它設(shè)備分別使用各自的接地裝置，PLC的接地線應(yīng)盡量短，使接地點盡量靠近PLC。同時，接地電阻要小于100Q，接地線的截面應(yīng)大于2mm。另外，PLC的CPU單元必須接地，若使用了I/O擴展單元等，則CPU單元應(yīng)與它們具有共同的接地體，而

27、且從任一單元的保護接地端到地的電阻都不能大于100Q。（8）底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。本設(shè)計決定選用S7-200系列PLC。交通燈系統(tǒng)的設(shè)計與控制4.1順序圖分析系統(tǒng)控制要求，可繪制系統(tǒng)功能順序圖如下圖4所示圖4交通燈的功能順序圖4.2I/O分配及接線圖硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計必須了解各個對象的控制要求,分析對象的控制要求,確定輸入/輸出(I/O)接口的數(shù)量，確定所控制參數(shù)的精度及類型。如對開關(guān)量，模擬量的控制,用戶存儲器的存儲容量等。選擇合適的PLC機型及外設(shè)，以完成

28、PLC的硬件結(jié)構(gòu)配置。根據(jù)上述選型及控制要求，繪制PLC控制交通燈的電路接線原理圖，編制I/O接口功能表，I/O分配及其接線原理圖分別如下表1和圖5所示。表1PLCI/O端口分配表輸入功能輸出功能I0.0啟動Q0.0南北紅燈I0.1停止Q0.1南北黃燈Q0.2南北綠燈Q0.4東西紅燈Q0.5東西黃燈Q0.6東西綠燈LJ100Q00QDIQ0.210,1ILQ04tMQG5Q0.62LGND+24VLINSB2LU220V圖5電路原理圖4.3編制程序根據(jù)控制要求和I/O口分配，用STEP7-Micro/WIN軟件編制程序如下圖6所示:Network1NetworkTitle110S0.0I|(5)1Network2S0.0Network3Network430.1SCR*Network5T42S0.4scrt)（5匚FSE）Network10$0.4SCRNetwork11SMO.OT43Q0.6T45sa.5(50=1T)l5CRE)9C日OOt)9(HOOSLOI（3H35）丄皿）OOS9V1suJOOLIdNOL聞an；)900sOOHSEL屮呻叩sobHZI5SOSZL甲呵日N 4.4調(diào)試程序按圖5將PLC與對應(yīng)輸入輸出的設(shè)備連接起來。用STEP7