基于PLC的交通信号灯控制.doc
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XX技术学院
毕业设计
题目
基于PLC的交通信号灯控制
系别
专业
班级
姓名
学号
指导教师
日期
.
XX学院毕业设计
设计任务书
设计题目：
基于PLC的交通信号灯控制
设计要求：
在综合掌握PLC控制交通灯理论的基础上，自主灵活的利用这些知识去分析设计，使其设计的结果最终能够实现：
（1）东西和南北方向各有一组红、黄、绿灯用于指挥交通,红、黄、绿三灯的持续时间分别为36s,6s,30s。
（2）当东西方向为红灯时，南北方向为绿灯。
当南北方向为红灯时，东西方向为绿灯。
红灯倒计36s后，黄灯闪烁3次，然后绿灯亮。
（3）东西和南北各有两组数码管，以倒计时方式显示两个方向允许通行或禁止通行的时间。
设计进度要求：
第一周：
查阅收集相关的资料确定设计题目。
第二周：
根据设计要求分析西门子PLC的工作原理。
第三周：
到图书馆,电子阅览室等相关地方查找资料。
第四周：
写出控制交通灯工作的梯形图。
第五-六周：
进行软、硬件设计并画出相关的电路图。
第七周：
调试修改，找出问题，改进设计。
第八周：
撰写论文,准备答辩。
指导教师（签名）：
孙海燕
29
摘要
目前对交通灯的控制有很多种，但是往往都存在着故障率高、可靠性差、抗扰性差等众多缺点。
但是PLC控制系统克服了这些缺点，它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便、抗干扰能力强，受到众多设计者的青睐。
因此，我这次的设计是以PLC为基础来实现对交通信号灯的控制。
此次设计我首先对交通信号灯的原理进行分析；然后根据分析确定设计的输入、输出点数；进而确定所要选用的PLC的型号；以及需要扩展的模块的数量并对扩展的模块数量进行I/O编址；最后利用输入、输出点数确定I/O接线图、程序流程图和梯形图。
并通过了系统调试，最终达到了交通信号灯自动控制的目的。
因些利用PLC控制交通灯不仅可以实现交通灯的作用，而且还使交通灯的设计更加方便，实现的功能更加强大。
关键词：
可编程控制器，交通灯，梯形图
目 录
设计任务书 I
摘要 II
目 录 I
1PLC的概述 1
1.1PLC控制交通灯的背景 1
1.2PLC控制交能灯的优点 1
1.3PLC的工作原理 2
2交通灯控制系统的总体设计 3
2.1设计总体要求 3
2.2设计总框图 3
2.3硬件设计总思路 4
2.4软件设计总思路 4
3硬件设计 5
3.1PLC的硬件系统组成 5
3.2PLC的选型 6
3.3输入、输出点的估算 7
3.4主机型号的选择 7
3.5模块的扩展 8
3.6输入、输出点的分配 9
3.7PLC外部接线示意图 10
3.8七段数码管的显示工原理 11
4软件设计 14
4.1编程软件的概述 14
4.2编程语言的选择 14
4.3程序梯形图 15
5PLC的调试与分析 21
总结 25
致 谢 26
参考文献 27
1PLC概述
1.1PLC控制交通灯的背景
随着现代科学技术的发展，对于交通灯的控制不断地在工艺、性能等各方面进行改进，使交通灯的控制变得更加方便，实现的功能更加的强大。
我国早期对交通灯的控制有二种：
电子线路控制系统、继电器控制系统。
电子线路控制系统虽然能实现交通灯的基本要求，但是因为是电子线路比较复杂，容易出现问题并且查找问题比较困难，早在继电器控制系统出现之时已销声匿迹了。
继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。
而我国目前交通灯控制系统主要有二种控制方式：
PLC控制系统和智能化控制系统。
智能化控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握维修技术等缺陷。
而PLC控制系统本着运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，已成为人们的新宠。
1.2PLC控制交能灯的优点
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，语言编程简单，采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
还是一种用于自动化控制的专用计算机，因此它使用的非常广泛。
PLC是工业专用计算机，这种计算机采用面向用户的指令，因而编程方便。
它能完成“逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作”，还具有“数字量,模拟量输入/输出控制”的能力。
并且容易与“工业控制系统连为一体”，易于扩充。
因而可以说PLC是近乎理想的工业控制计算机。
随着人们生活水平的不断提高和交通问题的日益严重，发展PLC控制交通灯已成为必然，并且会受到越来越多人的关注。
S7—200系列可编程控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程控制
器。
它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便，输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈，抗干扰能力强。
因此，能够满足交通灯对电气控制系统的要求。
且西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
这里我们采用S7-200系列，S7-200系列PLC具有可靠性高、运算速度快、产品成本低等优点。
1.3PLC的工作原理
众所周知，继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，采用的工作方式为并行工作方式，而可编程控制器是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各点起的动作，所以它属于串行工作方式。
PLC采用自左到右、自上而下的逐行循环扫描的方式，RUN的工作方式下，CPU从用户等程序第一条指令开始执行，直到最后一条指令结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
PLC把用户程序执行一次所经过的时间称为PLC的一个机器扫描周期，它分内部处理、通迅服务、输入采样、用户程序执行、输出刷新五大步骤。
PLC运行状态按输入采样、用户程序执行、输出刷新等步骤周而复始地循环工作。
而具体的工作过程如下图1.1所示。
图1.1PLC的工作过程
2交通灯控制系统的总体设计
2.1设计总体要求
本设计是以PLC为核心再加上数码管等外接器件来实现交通灯的控制的。
（1）当按下起动按钮时，东西方向的红灯开始亮，数码管从36开始递减。
（2）当按下起动按钮时，南北路口的绿灯开始亮，数码管从30开始递减，当30S时间到时，南北路口的黄灯开始闪烁，共闪烁3次。
（3）东西方向红灯的时间到，黄灯开始闪烁，黄灯闪烁3次后东西方向的绿灯开始亮并倒计30s。
（4）南北方向的红灯开始亮，数码管从36开始倒计数。
（5）东西路口的绿灯开始亮，数码管从30开始递减，当30S时间到时，东西路口的黄灯开始闪烁，共闪烁3次。
（6）南北方向的红灯时间到时，黄灯开始闪烁，闪烁3次后南北方向的绿灯开始亮并倒计30s。
（7）东西方向的红灯开始亮，数码管从36开始倒计数。
（8）当按下停止按钮时，南北方向和东西方向的红、黄、绿三灯和4组数码管都不亮。
而具体的控制要求如表2.1所示。
表2.1交通灯的控制要求
东
西
路
口
红灯
黄灯
绿灯
亮36s
闪烁3次
亮30s
南
北
路
口
绿灯
黄灯
红灯
亮30s
闪烁3次
亮36s
2.2设计总框图
PLC控制交通灯系统的组成有核心控制元件PLC、起动按钮、停止按钮、红黄绿三灯、数码管等元件组成。
因此交通灯系统控制框图如图2.1所示。
图2.1设计总框图
2.3硬件设计总思路
根据可编程控制器设计交通灯硬件部分的设计步骤，本设计的具体设计步骤如下所示：
（1）PLC的选型；
（2）输入、输出点的估算；
（3）主机型号的选择；
（4）模块的扩展及I/O编址；
（5）输入、输出端子的分配；
（6）画出I/O接线图；
（7）数码管的显示原理。
2.4软件设计总思路
硬件设计设计的是外部电路，是需要外接的器件。
而软件设计是来驱动硬件电路工作的，是设计的核心所在，硬件电路能否正常的工作就要看软件设计的是否合理，故软件设计很重要的。
本设计的软件设计是按以下的步骤进行的。
（1）编程语言的选择；
（2）编写程序的梯形图。
3硬件设计
3.1PLC的硬件系统组成
PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成。
各部分之间通过内部系统总线进行连接。
CPU是PLC的核心部分，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作，它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。
PLC的对外功能主要是通过各类接口模块，实现对工业设备和生产过程的检测和控制。
PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好。
一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。
PLC的硬件组成与微型计算机相似，主要是由CPU、存储器、输入/输出接口、电源等几部分组成。
具体如图3.1所示。
图3.1PLC的硬件结构组成
（l）CPU
CPU也称为中央处理器，是PLC的核心，对PLC的整机性能有决定性的影响。
一般由控制电路、运算器和寄存器组成。
（2）存储器
存储器是用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量等信息的。
分为ROM和RAM两种类型。
系统程序是用来控制PLC完成各种控制功能的程序。
这些程序是由PLC制造厂家用相应CPU的指令编写的，并固化到ROM中。
用户程序是根据生产过程和工艺要求编写的控制程序，存储在RAM中。
（3）输入/输出部件
这是PLC与用户设备和被控设备相连接的接口电路。
输入接口电路一般由光电耦合电路组成，用来接收PLC的各种输入信号。
如开关量、传感器等信号。
输出接口电路一般采用继电器、晶闸管或晶体管输出，将CPU的弱电信号转换成现场需要的强电信号，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。
（4）电源
电源的作用是将交流电转换为直流电提供给PLC。
为了提高可靠性，大部分PLC采用开关式稳压电源。
3.2PLC的选型
当今的PLC厂商琳琅满目，产品性能各不相同。
常用的PLC有很多种：
德国西门子（SIEMENS）公司：
它有SS系列和S7系列，S7系列包括有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400机（大型）。
日本欧姆龙（OMRON）公司：
CPM1A型机，P型机，H型机，CQM1、CVM、CV型机。
日本三菱公司的PLC的小型机FI机和FXZ机，它的中、大型机为A系列。
日本东芝公司的EX小型机及EX－PLUS小型机。
日本日立公司E系列，它的基本箱体有E-20、E-28、E－40、E－64系列等。
以上的众多的厂家为我们提供了多种选择的机会，但是除此之外我们还要注意CPU的功能要强、结构要合理、I/O控制规模要适当；输入、输出功能级、及负载能力要匹配以及对通信、系统响应速度的要求。
还要考虑电源的匹配等问题。
输入、输出点数多少是选择PLC规模大小的依据。
如果是单机自动化或机电一体化产品可选用小型机；若控制系统较大，输入、输出点数较多，控制要求比较复杂，则可选用中或大型机。
在选择PLCI/O点数的同时，还要考虑用户存储的存储容量。
一般厂家提供1KB、2KB、4KB、8KB、13KB、16KB、26KB等容量的存储器，选择的方法主要是根据经验估算。
常用估算方法是PLC内存容量要等于I/O点数的10～15倍。
对于以开关量控制为主的系统，PLC响应时间无须考虑。
一般的机型都能满足要求。
对于有模拟量控制的系统，特别是闭环控制系统，则要注意PLC响应时间，根据控制的时时性要求，选择合适的高速PLC。
有时也可选用快速影响模块和中断输入模块来提高相应的速度。
通过对以上各个厂家的PLC的比较以及选择主机时所要注意的事项。
我最终选用的是德国西门子公司生产的S7系列的S7-200PLC。
S7-200PLC是德国西门子公司生产的超小型化PLC。
它结构紧凑，扩展性能好，指令性能强大，它的强大功能使其无论是单机运行，或是连成网络都能实现复杂的控制功能，并且它有EM221、EM231等丰富的扩展模块。
3.3输入输出点的估算
根据被控对象对PLC控制系统的技术指标和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。
在估算系统的I/O点数和种类时，要全面考虑输入、输出信号的个数，I/O信号类型（数字量/模拟量），电流、电压等级，是否有其它控制要求等因数。
以上统计的数据是一台PLC完成系统功能所必须满足的，但具体要确定I/O点数时，则要按实际I/O点数再向上附加20%～30%的备用量。
在选择PLCI/O点数的同时，还要考虑用户存储的存储容量。
根据本设计的控制要求，本设计有起动停止两个输入点，南北方向和东西方向的红、黄、绿三灯6个输出点，4组数码管的段码显示共28个输出点。
所以本设计总共有34个输出点。
3.4主机型号的选择
CPU是PLC的核心部分，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作，它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。
交通灯能否正常的工作就取决于CPU选取的是否合理，故CPU的选择是很重要的。
而S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种基本型号。
I/O点数及可扩展的模块数见表3.1。
根据输入输出的点数选取的主机类型为CPU224。
CPU224的输入输出点比较多，它有I0.0-I0.7,I1.0-I1.514个输入点和Q0.0-Q0.7,Q1.0-Q1.110个输出点。
CPU224的14个输入点可以满足本设计两输入点的需求，但是10个输出点不能满足本设计34个输出点的需求，因此需要再扩展28个输出点。
3.1S7-200系列中CPU22X的基本单元
型号
主机输入点数
主机输出点数
可扩展模块
CPU221
6
4
无
CPU222
8
6
2个扩展模块
78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点
CPU224
14
10
7个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
CPU226
24
16
7个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
3.5模块的扩展
PLC系列目前总共可以提供三大类共9种数字量I/O模块；三大类5种模拟量I/O模块，具体的扩展模块和种类如表3.2所示。
因为本设计需要扩展的是数字量输出点，所以我着重看了EM222、EM223，但是EM223不仅包括输入点还包括输出点，本设计不需要扩展输入点，为了节省资源我选取了EM222，没有选择EM223。
因为需要扩展28个数字量输出点，所以选择了4块EM222（8路数字量直流输出），4块EM222总共有28个数字量输出点，正好满足设计所需要的输出点数。
表3.2常用的模块扩展型号及用途
分类
型号
I/O规格
功能及其用途
数字量扩展模块
EM221
DI8
8路数字量直流输入
EM222
DO8
8数字量直流输出
EM223
DI4/DO4
4路数字量直流输入、输出
DI8/DO8
8路数字量直流输入、输出
DI16/DO16
16路数字量直流输入、输出
模拟量扩展模块
EM231
AI4
4路模拟量输入
EM232
AQ2
2路模拟量输出
EM235
AI4/AQ1
4路模拟量输入、1路模拟量输出
其主机和各扩展模板的I/O接链图如下图3.2所示。
图3.2I/O扩展连接链示意图
根据图3.2主机和模板的扩展连接链所示各模块对应的I/O编址如表3.3所示。
表3.3模块的I/O编址
主机
模块0
模块1
模块2
模块3
I0.0Q0.0
Q2.0
Q3.0
Q4.0
Q5.0
I0.1Q0.1
Q2.1
Q3.1
Q4.1
Q5.1
I0.2Q0.2
Q2.2
Q3.2
Q4.2
Q5.2
I0.3Q0.3
Q2.3
Q3.3
Q4.3
Q5.3
I0.4Q0.4
Q2.4
Q3.4
Q4.4
Q5.4
I0.5Q0.5
Q2.5
Q3.5
Q4.5
Q5.5
I0.6Q0.6
Q2.6
Q3.6
Q4.6
Q5.6
I0.7Q0.7
Q2.7
Q3.7
Q4.7
Q5.7
I1.0Q1.0
I1.1Q1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
3.6输入、输出点的分配
输入、输出点的I/O分配如表3.4所示。
表3.4I/O分配
SB1
I0.0
起动按钮
SB2
I0.1
停止按钮
HL1
Q0.0
东西方向红灯
HL2
Q0.1
东西方向黄灯
HL3
Q0.2
东西方向绿灯
HL4
Q0.4
南北方向红灯
HL5
Q0.5
南北方向黄灯
HL6
Q0.6
南北方向绿灯
七段数码管
数码管段码
东西数码管个位
东西数码管十位
南北数码管个位
南北数码管十位
a
Q2.0
Q3.0
Q4.0
Q5.0
b
Q2.1
Q3.1
Q4.1
Q5.1
c
Q2.2
Q3.2
Q4.2
Q5.2
d
Q2.3
Q3.3
Q4.3
Q5.3
e
Q2.4
Q3.4
Q4.4
Q5.4
f
Q2.5
Q3.5
Q4.5
Q5.5
g
Q2.6
Q3.6
Q4.6
Q5.6
3.7PLC外部接线示意图
根据上面主机类型的选择，各扩展模块的确定以及I/O点的分配，再加上交通灯控制系统的控制要求。
具体的红、黄、绿三灯、各扩展模块和数管I/O连线图如图3.3所示。
但应注意PLC实际接线时，还应考虑到以下几个方面：
（1）应有电源输入线，通常为220V、50HZ交流电源，允许电源电压有一定的浮动范围。
并且必须有保护装置，如熔断器等。
若是干扰较强或对可靠性要求很高的场合，应在PLC的电源输入端加装带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。
（2）输入和输出端子共用一个COM端。
PLC应单独接地，不要和其他电器元件公共接地，接地面积应大于2平方毫米，并尽可能靠近PLC。
（3）PLC输入端接有线圈和电磁阀等感应性元件时必须加保护电路，例如并接阻容吸收回路（对于交流电源）或续流二极管（对于支流电源）。
图3.3PLC外部连线示意图
3.8七段数码管的显示工作原理
七段数码管是用扩展模块的输出点来控制的，当红绿灯开始亮的时候，数码管就开始计数。
数码管有两种类型,一种是共阴极的,一种是共阳极的,共阴极数码管输出的是高电平有效，而共阳极则是低电平有效。
具体电路如下图3.4所示。
图3.4共阴极和共阳极数码管
本设计采用的是共阴极数码管，当输入为高电平的时候数码管就开始显示。
二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+24V的电压。
一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。
当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。
为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。
本设计用数码管显示的主要原因是，半导体数码管的工作电压比较低，体积小、寿命长、工作可靠性高、响应速度快、亮度高，是交通上数字显示的最佳器件，因此本设计采用数码管显示。
众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。
本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。
所谓软件译码，即由软件完成从数字到显示码的转换。
从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。
各段码位与显示段的对应关系如下表3.5所示。
表3.5LED显示段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
0
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
B
83H
7CH
3
BOH
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
84H
71H
7
F8H
07H
空白
FFH
00H
8
80H
7FH
P
8CH
73H
（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。
（2）“空白”字符即没有任何显示。
4软件设计
用PLC系统控制一个任务或过程，是通过CPU在RUN方式下循环扫描用户程序来实现的，用户程序决定了一个系统的功能。
因此PLC用户程序的设计是PLC控制系统的软件设计中最关键的一个环节。
4.1编程软件的概述
SIMATICS7-200编程软件是指西门子公司为S7-200系列PLC编制的工业编程软件的集合，其中STEP7-Micro/WIN32软件是基于Windows的应用软件。
具有简单易学、高效、节省时间，可解决复杂的自控任务。
S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。
STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。
加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。
STEP7-Micro/WIN32软件包括有MICROWIN3.1软件；MICROWIN3.1的升级版本软件MICROWIN3.1SP1；TOOLBOX[TOOLBOX包括USS协议指令和TPO70的组态软件TPDESIGNERV1.0设计师]工具箱；以及M
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