课程设计-交通灯的PLC控制系统设计.doc
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武汉理工大学《机电传动及控制》课程设计--交通灯的PLC控制
学号：
0121018700318
课程设计
题目
交通灯的PLC控制系统设计
学院
物流工程学院
专业
物流工程
班级
物流zy1001
姓名
宋金龙
指导教师
刘有源教授
2013
年
7
月
5
日
课程设计任务书
学生姓名：
宋金龙专业班级：
物流卓越1001班
指导教师：
刘有源教授工作单位：
物流工程学院
题目:
交通灯的PLC控制系统设计
初始条件：
1）PLC型号：
西门子公司S7系列，S7-300
2）编程环境：
SIMATICManager/Step7V5.4或更高版本
3）根据控制要求分配PLCI/O地址，画出PLC与控制对象的接线图，设计控制流程，按照模块化的方式设计程序，既可以采用LAD编程，也可以采用STL编程，还可以采用组合方式编程。
4）编写的需要输入PLC，调试通过。
要求完成的主要任务:
1）十字路口交通信号灯，共有两组信号灯，其中一组控制直行，一组控制转弯。
当轮到一个方向开始直行时，控制该方向直行的绿灯亮，指示该方向可以直行，并维持20s，当通行时间即将结束时，绿灯闪烁3s以作提示。
2）随后，该方向的黄灯亮2s，熄灭，通行时间结束，该方向的红灯亮，禁止该方向通行。
同时控制该方向转弯的绿灯亮，指示该方向转弯，转弯时，绿灯维持15s，当转弯时间即将结束时，绿灯闪烁3s以作提示。
3）紧接着，该方向的黄灯亮2s，熄灭，转弯时间结束。
4）接下来，该方向的红灯亮，禁止该方向转弯。
同时另一方向直行的绿灯亮，轮到另一方向直行了。
如此周而复始。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
城市规模不断扩大，城市的交通问题也变的日益突出，如堵车问题，城市交通问题也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。
为了解决交叉口混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，我们可以合理的设置交叉路口的红绿灯系统，帮助疏导交通流，从而有效的减少交通阻塞等问题，并为行人的安全提供强有力地保障。
现在，城市的红绿灯基本上都是程序控制，在实际使用中采用可编程序控制器（PLC）控制占很大比例，其主要原因是因为PLC具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。
本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。
通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过仿真实验证明该系统的实用性，利用PLC对十字路口交通灯进行模拟控制，从而能够对真正的十字路口交通灯控制系统有更深入的了解。
关键词：
十字路口，交通灯，PLC控制
目录
摘要 I
第一章绪论 1
1.1PLC的基本知识 1
1.1.1PLC的概念 1
1.1.2PLC的基本组成 1
1.1.3PLC基本工作原理 3
1.2研究目的和意义 4
第二章十字路口交通灯设计 6
2.1设计任务 6
2.2设计要求 7
第三章系统硬件设计 8
3.1I/O分配表 8
3.2交通信号灯PLC控制硬件接线图 8
第四章系统软件设计 10
4.1十字路口交通灯的控制时序表及时序图 10
4.2交通灯正常循环运行流程图 11
4.3交通灯PLC控制系统的LAD图 12
4.4交通灯的控制过程分析 18
第五章系统调试与仿真 19
5.1硬件组态调试 19
5.2系统仿真 20
总结 25
参考文献：
26
第一章绪论
1.1PLC的基本知识
1.1.1PLC的概念
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。
”
1.1.2PLC的基本组成
在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。
PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
1.中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）一般由控制器运算器和寄存器组成。
它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它是按照PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不序地进行工作。
用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU的主要任务如下：
（1）按PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。
（2）用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。
（3）诊断电源或PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。
（4）在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。
完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。
根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。
2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。
（1）系统存储器
系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器。
它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。
它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
其主要内容包括3个部分：
系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。
（2）用户存储器
用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。
PLC使用的存储器有3种类型：
随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和可擦除可编程只读存储器（EEPRO）。
3.输入/输出接口单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分：
一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。
4.扩展接口和通信接口
PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：
（1）扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。
（2）通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。
5.电源部分
PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位PLC的中央处理器、存储器等。
电路提供5V、+-12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。
6.编程设备
编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
7.其他部件
有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展功能。
PLC的硬件结构组成如下图1.1所示：
编程器
输出电路
输
入
电
路
中央处理器（CPU）
系统程序存储器
用户程序存储器
电源
图1.1PLC硬件结构组成框图
1.1.3PLC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。
（1）输入采样阶段PLC：
在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。
此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。
在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。
（2）用户程序执行阶段：
根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。
当指令中涉及输入/输出时，PLC从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。
然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。
对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。
（3）输出刷新阶段：
在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。
对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
1.2研究目的和意义
在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。
但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。
如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。
传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：
事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。
然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。
即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：
绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。
这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。
目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。
由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。
为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。
另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。
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