交通信号灯PLC控制设计毕业论文.docx

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交通信号灯PLC控制设计毕业论文

交通信号灯PLC控制设计毕业论文

第一章绪论1

1.1课题背景1

1.2研究目的和意义1

第二章控制系统分析4

2.1控制要求4

2.2交通信号灯工作界面4

2.3设计方案分析5

第三章控制系统硬件设计7

3.1可编程控制器7

3.2硬件选型9

3.3PLC的地址分配12

3.4PLC的接线形式12

第四章控制系统下位机程序设计13

4.1STEP7-Micro/WIN编程软件简介13

4.2顺序功能图（SFC）14

4.3梯形图程序16

4.4下位机程序分析20

4.5下位机程序调试21

第五章控制系统上位机程序设计23

5.1MCGS组态软件介绍23

5.2交通灯组态监控界面设计23

第六章控制系统联机调试25

6.1准备工作25

6.2联机调试25

6.3调试中出现的问题26

第七章总结27

参考文献29

致谢30

附录１S7-200PLC的CPU的I/O规31

附录２S7-200PLC的CPU的输入规32

附录３S7-200PLC的CPU的输出规33

第一章绪论

1.1课题背景

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行，这是世界上最早的交通信号灯。

1868年，英国机械师德·哈特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯，它由以旋转式方形的红绿两种颜色玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。

1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，煤气红绿灯遂被取消。

1914年，电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。

红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。

带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。

红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。

红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定：

绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行、左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向，左右转弯车辆都必须让合法地正在路口行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行；红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车；黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

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。

随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多，城市道路交通问题显得越来越重要。

马路上经常会看到这种现象：

一旦整个路口的交通信号灯出现故障，若没有交警的及时疏导，该路口就会塞得一塌糊涂，甚至造成严重的交通事故。

原交通信号灯控制大多采用继电器或单片机实现，存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点,越来越不能适应城市道路交通路口高速发展的要求。

另外，根据人车流量的多少，可能随时增加路口的交通信号，比如增加转弯或人行道交通信号，原有系统的制约性就更加明显了。

为了弥补原交通信号灯控制系统存在的缺点，我们引入了基于PLC控制的交通信号灯控制系统。

本文针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，基本能达到控制要求。

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。

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。

可编程控制器交通灯控制系统是集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中式控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。

可编程控制器交通灯控制系统的特点：

1脱机手动工作；

2联机自动工作；

3上位机控制的单周期运行方式；

4由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；

5自动启动、自动停止的控制方式。

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。

本系统采用PLC是基于以下四个原因[1]：

1PLC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，可编程控制器指令丰富；

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，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC。

根据交通信号灯控制系统的要求与特点，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，可以连接各种输出、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）对十字路口交通信号灯实现控制。

第二章控制系统分析

2.1控制要求

交通灯控制系统的控制要求如下：

①信号灯受两个按钮控制，当启动按钮动作时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。

当停止按钮动作时，所有信号灯都熄灭。

②南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。

③南北红灯亮维持25S。

在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。

到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。

在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。

到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。

同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。

④东西红灯亮维持30S。

南北绿灯亮维持25S。

然后闪烁3S，熄灭。

同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。

⑤回到①，循环执行。

2.2交通信号灯工作界面

交通信号灯工作界面见图2-1。

图2-1交通信号灯工作界面

2.3设计方案分析

按照交通灯系统控制的要求，结合西门子S7-200系列可编程控制器的特性（见附录），设计思想分析如下：

给一个启动的输入信号，要配合一个SB1的按钮，当SB1启动按钮动作时，系统工作；同样，给一个停止的输入型号，要配合一个SB2的按钮，当SB2停止按钮动作时，系统停止工作。

首先，南北方向道路处于禁止通行的状态，东西方向道路处于允许通行的状态。

南北方向道路亮红灯状态过程中，南北红灯亮25S,需计时器设定延时25S秒，才会转入下一状态南北绿灯亮；同时，东西方向道路的绿灯也一起亮20S,需计时器设定延时20S，才会转下一状态东西绿灯闪烁；东西绿灯闪烁3S，需脉冲源（秒/次）动作使东西绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3S，才会转下一状态东西黄灯亮；东西黄灯亮2S,需计时器设定延时2S，才会转入下一状态东西红灯亮。

其次，东西方向道路处于禁止通行的状态，南北方向道路处于允许通行的状态。

东西方向道路亮红灯状态过程中，东西红灯亮30S,需计时器设定延时30S，才会转入下一状态东西绿灯亮；同时，南北方向道路绿灯也一起亮25S,需计时器设定延时25S，才会转下一状态南北绿灯闪烁；南北绿灯闪烁3S，需脉冲源（秒/次）动作使南北绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3S，才会转下一状态南北黄灯亮；南北黄灯亮2S,需计时器设定延时2S，才会转入下一状态南北红灯亮。

如此循环下去。

另外，当断开系统时，所有信号灯熄灭，需要按钮SB2动作断开系统，使可编程控制器停止动作，那么肯定无信号输出。

如果出现南北、东西绿灯同时亮的情况，系统报警。

可编程控制器要输出一个信号，驱动一个报警灯。

综上所述，可编程控制器要满足两个信号输入（分别起系统启动、停止作用），七个信号输出，即十字路口有十二个交通信号灯，但南北、东西两个为一组用一个输出信号控制，也就是六个输出信号，再加上一个报警信号驱动的报警灯输出。

通过将如下的十字路口交通灯状态分析表见表2-1、十字路口交通灯时序图见图2-2、程序流程图见图2-3一一展开，将十字路口交通灯控制系统设计思路逐渐理清。

表2-1十字路口交通灯状态分析表

交通灯方向

灯的状态

南北方向

红灯亮25S

绿灯亮25S

绿灯闪3S

黄灯亮2S

东西方向

绿灯亮20S

绿灯闪3S

黄灯亮2S

红灯亮30S

图2-2时序图

图2-3流程图

第三章控制系统硬件设计

3.1可编程控制器

⑴PLC结构

从结构上，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置[2]。

其结构基本上与微型计算机相同，见图3-1[3]。

图3-1PLC的结构图

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。

⑵PLC的工作原理

PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式—扫描技术。

这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段[4]，完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存