大工19春《可编程控制器》大作业题目及要求题目五答案.docx

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大工19春《可编程控制器》大作业题目及要求题目五答案

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《可编程控制器》大作业

题目：

十字路口交通灯控制设计

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题目五：

十字路口交通灯控制设计

起动后，南北红灯亮并维持30s。

在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，东西绿灯亮25s后闪亮，3s后熄灭，东西黄灯亮，黄灯亮2s后，东西红灯亮，与此同时，南北红灯灭，南北绿灯亮。

南北绿灯亮25s后闪亮，3s后熄灭，南北黄灯亮，黄灯亮2s后，南北红灯亮，东西红灯灭，东西绿灯亮。

依次循环。

十字路口交通灯控制示意图及时序图如下图所示。

设计要求：

（1）首先对可编程序控制器（PLC）的产生与发展、主要性能指标、分类、特点、功能与应用领域等进行简要介绍；

（2）设计选用西门子S7－200系列PLC，对其I/O口进行分配，并使用STEP7-MicroWIN编程软件设计程序梯形图（梯形图截图后放到作业中）；

（3）总结：

需要说明的问题以及设计的心得体会。

十字路口交通灯控制设计

1设计背景

1.1背景概述

本文对十字路口交通信号灯控制系统，运用可编程逻辑器件PLC做了软件与硬件的设计，能基本达到控制要求。

系统仅实现了小型PLC系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析、研究和调试工作。

如果进一步结合工业控制的要求，形成一个较为成型的产品，则需要作更多、更深入的研究。

1.2可编程逻辑控制器简介

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,简称PLC）根据国际电工委员会（IEC）在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。

2十字路口交通信号灯PLC控制系统简介

2.1控制对象及要求

2.1.1控制对象

本系统的控制对象有八个，分别是：

东西方向红灯（R—EW）两个；

南北方向红灯（R—SN）两个；

东西方向黄灯（Y—EW）两个；

南北方向黄灯（Y—SN）两个；

东西方向绿灯（G—EW）两个；

南北方向绿灯（G—SN）两个；

东西方向左转弯绿灯（L—EW）两个；

南北方向左转弯绿灯（L—SN）两个。

2.1.2控制要求

1、系统工作受开关控制，起动开关ON则系统工作；起动开关OFF则系统停止工作；

2、交通信号灯按高峰时段、正常时段及晚上时段进行控制，这三个时段的的时序分配如图1所示；

3、在高峰时段，交通信号灯按图2所示时序控制；

4、在正常时段，交通信号灯按图3所示时序控制；

5、晚上时段按提示警告方式运行，规律为：

东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。

2.2系统简介

本系统是一个十字路口交通灯的PLC控制系统，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯进行控制。

本系统具有一定的智能性，即它可以对交通灯按高峰期、正常期及晚间几个时段进行分段控制。

高峰期的控制方案为：

（1）南北方向左转弯灯和南北南北方向红灯同时亮10秒，同时东西方向红灯亮；

（2）南北方向绿灯亮35秒，东西方向红灯继续亮；

（3）南北方向黄灯闪烁5秒；东西方向红灯继续亮；

（4）东西方向左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮；

（5）东西方向绿灯亮25秒，南北方向红灯继续亮；

（6）东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第

（1）步依次循环。

正常期的控制方案为：

（1）南北方向左转弯灯和南北南北方向红灯同时亮10秒，同时东西方向红灯亮；

（2）南北方向绿灯亮30秒，东西方向红灯继续亮；

（3）南北方向黄灯闪烁5秒；东西方向红灯继续亮；

（4）东西方向左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮；

（5）东西方向绿灯亮30秒，南北方向红灯继续亮；

（6）东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第

（1）步依次循环。

晚间的控制方案为：

东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。

2.3硬件选型

城市道路交通信号控制是典型的开关量顺序控制，采用PLC能充分利用它的优点。

在这里我们采用德国西门子公司的S7-200可编程控制器，它是积木式结构，安装比较方便，中央处理单元和信号模板有多种类型，另外还具有如位控单元、PD调节等特殊功能模块。

根据本系统输入点数及控制要求，中央处理单元可选用CPU224，该CPU板上本身具有10个数字量输入点，6个非隔离数字量输出点，最多能够带8个数字量信号模板。

电源模块将交流电源转换成供CPU，存储器等所有扩展模块使用的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心，它的好坏直接影响到PLC的稳定性和可靠。

S7-200属于小型PLC，电源模块与CPU模块封装在一起，通过连接总线为本机和扩展模块提供+5V（DC）电源。

同时，还可通过端子向外输出一个+24V（DC）电源，供本机输入点和扩展模块继电器线圈使用。

需注意的是，从资料中我们了解到，外部电源不可与S7-200的传感器电源并联使用。

否则，交会导致两个电源的竟争而影响它们各自的输出，缩短其使用寿命，使得一个或两个电源同时失效，使PLC系统产生不正确的操作。

正确的使用方法是S7-200的传感器电源和外部电源应该在不同的点上提供电源，而两者之间只能有一个会共连接点。

由于根据控制要求所确定的输入输出点分别人二个和九个，由于我们是以一个路口信号单独控制为例，考虑到够用为准。

所以我们选择了CPU224这一具有较强控制功能的控制器。

另外，在硬件选型时，不要忘记完成现场测试及软件编程时所需的一些设备。

综上，得到系统硬件配置如表1所示：

表1硬件配置表

名称数量

DC24V电源1

CPU2241

PC/PPI编程电缆1

STEP7编程软件1

PC机1

3系统I/O分配

分析PLC的输入和输出信号,在满足控制要求的前提下,要尽量减少占用PLC的I/O点。

由系统控制要求可见，由控制开关输入的启、停信号是输入信号。

由PLC的输出信号控制各指示灯的亮、灭。

在交通灯布置图中，南北方向的三色灯共六盏，同颜色的灯在同一时间亮、灭；所以，可将同色灯两两并联，用一个输出信号控制。

同理，东西方向的三色灯也依次设计。

再加上东西方向左转的三色灯共九盏，所以其占9个输出点。

由此可得系统I/O分配如表2所示：

表2系统I/O分配表

输入/输出设备/器件名称I/O地址符号名数据类型

输入校正当前时钟I0.0SB0BOOL

程序启停按钮I0.1SB1BOOL

输出东西方向绿灯Q0.0Q1DINT

东西方向黄灯Q0.1Q2DINT

东西方向红灯Q0.2Q3DINT

南北方向绿灯Q0.3Q4INT

南北方向黄灯Q0.4Q5INT

南北方向红灯Q0.5Q6INT

东西方向左转弯灯Q0.6Q7INT

南北方向左转弯灯Q0.7Q8INT

4软件设计

本控制系统的控制原理是：

用一路数字量的不同输入状态来判定是否对时钟进行初始化，用一路数字量的不同输入状态分别用作程序的启动和停止控制，每一方向有红、黄、绿及转弯四种信号灯，分别对应四位数字量输出，两个方向共有8位数定量输出；在某一方向用两个延时脉冲定时器分别控制该方向黄灯闪烁的亮、灭时间，根据道路人车流量多少，分别设置各信号灯亮灭时间的长短，通过6个定时器依次交替工作，就可实现各方向交通信号灯的顺序工作。

本文所设计的软件由一个主程序和四个子程序（时钟初始化子程序，晚间时段交通灯控制子程序，正常时段交通灯控制子程序和高峰时段交通灯控制子程序）组成。

主程序主要任务包括：

读取两个开关状态，根据开关的不同状态做出相应的处理，当开关SB0闭合时则对时钟进行初始化，反之则不对时钟进行初始化；当开关SB1闭合时，则读取时钟值，并做处理，根据处理后的时钟值的大小判定当前时间是属于哪个时间段，并调用相应的交通灯控制子程序，反之，则停止程序的运行主程序流程图如图5所示。

晚间时段的控制规律为：

两个方向的四个黄灯均按亮0.4秒灭0.6秒的规律闪烁，其余的交通灯全灭程序中将用到两个定时器T37和T38，各定时器的功能如表3所示。

正常时段的控制方案结构图如图6所示，程序中将用到8个定时T37-T44，各定时器的功能如表4所示。

高峰时段的控制方案结构图如图7所示，程序中将用到8个定时T37-T44，各定时器的功能如表5所示。

该程序实现了信号由东西左转、东西直行、南北直行依次循环变化。

其优势思路简单，容易理解，对时钟的校正以及各时段的起始时间和终止时间的修改方便。

如路口要求在晚上10：

00以后实行各方向黄色信号灯闪烁功能，只需要将实时采集PLC的时钟信号作为一个子程序的跳转条件，再增加一段闪光程序即可。

如果需要将几个路口集中到一台PLC控制，根据实际需要的I/O点数，硬件上再增加相应的数字量输出模板即可。

需要指出的是，用PLC实现城市道路关通信号控制，最好几个路口共用一套PLC，这样可以大大降低工程成本。

表3晚间时段各定时器一个循环中的功能明细表

定时器t0t1T2

T37

定时0.4秒开始定时，黄灯亮定时到，输出ON且保持；黄灯灭开始下一次循环的定时

T38

定时1秒开始定时继续定时定时到，输出ON，随即复位开始下一次循环的定时，黄灯亮。

表4正常时段各定时器一个循环中的功能明细表

定时器t0t1t2t3t4t5t6

T37

定时10秒开始定时,南北转弯灯、南北红灯、东西红灯亮。

定时到，输出ON且保持；南北转弯灯灭，南北绿灯亮，东西红灯继续亮。

ONONONON开始下一个循环定时

T38

定时40秒开始定时继续定时定时到，输出ON且保持；南北绿灯灭，南北黄灯闪烁，东西红灯继续亮。

ONONON开始下一个循环定时

T39

定时45秒开始定时继续定时继续定时定时到，输出ON且保持；南北黄灯灭，东西转弯灯、南北红灯亮，东西红灯继续亮。

ONON开始下一个循环定时

T40

定时55秒开始定时继续定时继续定时继续定时定时到，输出ON且保持；东西转弯、东西红灯灭，东西绿灯亮，南北红灯继续亮。

ON开始下一个循环定时

T41

定时85秒开始定时继续定时继续定时继续定时继续定时定时到，输出ON且保持；东西绿灯灭，东西黄灯闪烁，南北红灯继续亮。

开始下一个循环定时

T42

定时90秒开始定时继续定时继续定时继续定时继续定时继续定时定时到，输出ON，随即复位开始下一次循环定时；东西黄灯、南北红灯灭，南北转弯灯、南北红灯、东西红灯亮。

表5高峰时段各定时器一个循环中的功能明细表

定时器t0t1t2t3t4t5t6

T37

定时10秒开始定时,南北转弯灯、南北红灯、东西红灯亮。

定时到，输出ON且保持；南北转弯灯灭，南北绿灯亮，东西红灯继续亮。

ONONONON开始下一个循环定时

T38

定时45秒开始定时继续定时定时到，输出ON且保持；南北绿灯灭，南北黄灯闪烁，东西红灯继续亮。

ONONON开始下一个循环定时

T39

定时50秒开始定时继续定时继续定时定时到，输出ON且保持；南北黄灯灭，东西转弯灯、南北红灯亮，东西红灯继续亮。

ONON开始下一个循环定时

T40

定时60秒开始定时继续定时继续定时继续定时定时到，输出ON且保T41

定时85秒开始定时继续定时继续定时继续定时继续定时定时到，输出ON且保持；东西绿灯灭，东西黄灯闪烁，南北红灯继续亮。

开始下一个循环定时

T42

定时90秒开始定时继续定时继续定时继续定时继续定时继续定时定时到，输出ON，随即复位开始下一次循环定时；东西黄灯、南北红灯灭，南北转弯灯、南北红灯、东西红灯亮。

持；东西转弯、东西红灯灭，东西绿灯亮，南北红灯继续亮。

5程序编辑

附录源程序-STL语句

ORGANIZATION_BLOCK主:

OB1

TITLE=程序注解

VAR

T:

BYTE;//时钟值缓冲区

H:

INT;//小时数存储单元

M:

INT;//分钟数存储单元

SEC:

INT;//秒钟数存储单元

Tim:

WORD;//小时数乘100加分钟数乘10加秒钟数所得结果存储单元

END_VAR

BEGIN

Network1//网络标题

//网络注解

LDI0.0

CALLSBR0//开关SB0闭合,调用SBR0（INIT）对时钟进行初始化

Network2

LDNI0.1//起动/停止开关SB1断开,则停止程序

STOP

Network3

LDI0.1

TODRLB0//起动/停止开关SB1闭合,则起动程序,读取时钟

Network4

LDI0.1

INCBLB0

Network5

LDI0.1

INCBLB0

Network6

LDI0.1

INCBLB0//T加3指向小时存储单元

Network7

LDI0.1

BTILB0,LW1//将小时由字节型转换为整型

Network8

LDI0.1

MOVWLW1,VW16

*I+100,VW16//将小时的数值乘以100

Network9

LDI0.1

INCBLB0//将T指向分钟存储单元

Network10

LDI0.1

BTILB0,LW3//将分钟由字节型转换为整型

Network11

LDI0.1

MOVWLW3,VW18

*I+10,VW18//将分钟的数值乘以10

Network12

LDI0.1

MOVWVW16,VW20

+IVW18,VW20//将小时数乘100与分钟数乘10相加

Network13

LDI0.1

INCBLB0//将T指向秒钟存储单元

Network14

LDI0.1

BTILB0,LW5//将秒钟由字节型转换为整型

Network15

LDI0.1

MOVWVW14,LW7

+ILW5,LW7//将小时数乘100与分钟数乘10相加所得的结果与秒钟数相//加得Tim

Network16

LDW<=LW7,630序

CALLSBR1//Tim小于630时,则调用SBR1（SUBE）子程

Network17

LDW

CALLSBR2//Tim大于630小于700时,则调用SBR2（SUBN）子程序

Network18

6总结

可编程控制器（PLC）是现代工业控制的三大支柱（即PLC，机器人和CAD／CAM）之一，为了适应当前科学技术的发展，PLC已成为电工学课程中必学的知识。

为了更好地学习和掌握PLC的原理和应用，以上已鼠笼型三相异步电动机“Y--△”转换起动为例，结合实验操作，对继电、交流接触器控制电路和梯形图关系，基本指令的功能，PLC应用控制系统设计的一般方法进行了探讨和简单阐述。

通过本次电路的设计，我对PLC控制三相异步电动机的控制系统原理有了进一步的了解，在三相异步电动机的PLC控制分析中对PLC产生了浓厚的兴趣，提高了理论结合实际的能力。

由于学术水平有限，时间紧促，对其中的原理和实际操作方法不是很娴熟，以后还得有待努力研究，所以在此次作业完成过程中参考了《可编程控制器》、《PLC编程及应用》等众多文献，此次作业有不对或者欠缺的地方敬请老师指导纠正。