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十字路口的交通灯指挥信号灯
摘要
可编程控制器是一种为工业机械控制所设计的专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用，它是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品，逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。
早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。
随着技术的发展，其控制功能不断增强，可编程程序控制器还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并通过数字，模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。
长期以来，PLC及其网络控制系统始终战斗在工业自动化控制行业的主战场，其提供的安全和完善的解决方案，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，在电力、冶金、化工、机械等行业发挥了重大作用，被公认为现代工业自动化三大支柱之一。
同时PLC也能用来控制物流自动化系统，在本次课程设计中我们用PLC来编写程序设计港口物流运输车辆十字路口的交通灯自动控制系统。
我们的PLC用西门子S7-300，编程软件为SIMATICManagerSTEPV5.5，加入适当的I/O接口达到所需要的控制要求，然后进行程序的调试与仿真，最后进行硬件的调试。
关键词：
可编程程序逻辑控制器（PLC）交通灯控制西门子S7-300软件仿真
目录
第一章PLC简介
1.1PLC的基本结构····························································2
1.2可编程控制器的基本工作原理···············································4
1.3输入输出（I/O）点数的估算·················································4
1.4存储容量的估算···························································4
1.5PLC编程步骤······························································4
1.6PLC编程语言······························································5
第二章十字路口的交通信号灯设计说明
2.1控制要求·································································7
2.2设计要求·································································8
2.3控制系统分析·····························································8
2.4输入/输出分配表··························································8
2.5I/O接线图·······························································9
第三章十字路口的交通信号灯PLC控制设计
3.1功能图分析······························································10
3.2程序设计································································11
3.3程序符号表······························································17
3.4程序设计说明····························································17
第四章十字路口交通信号灯程序调试及分析
4.1项目创建································································18
4.2硬件组态································································18
4.3程序仿真································································19
4.4硬件调试································································20
4.5硬件调试结果分析························································21
结束语·····································································22
参考文献···································································22
附录1十字路口交通信号灯电路图
附录2十字路口交通信号灯功能图
第一章PLC简介
1.1PLC的基本结构
用可编程控制器作为控制器的自动控制系统，就是工业计算机控制系统，它即可进行开关量的控制，也可实现模拟量的控制。
它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。
可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。
1.1.1CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。
CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。
它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：
（1）输入处理：
将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。
（2）程序执行：
逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。
（3）输出处理：
将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。
1.1.2存储器
可编程控制器存储器中配有两种存储系统，即用于存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户程序存储器。
表1-1存储器分类
存储器
存储内容
系统程序存储器
系统监控程序
用户程序存储器
程序存储区用户程序（如梯形图，指令语句表等）
数据存储区I/O及内部器件的状态
只读存储器：
只读存储器中的内容由PLC制造厂家写入，并永久固化，PLC掉电后，ROM中的内容不会丢失，用户只能读取，不能改写。
因此，ROM是用于存放系统程序的，系统程序具有开机自检、键盘驶入处理、用户程序翻译、信息传递、工作方式选择等功能。
随机存储器：
随机存储器又称为可读写存储器。
信息读出时，RAM中的内容保持不变；写入时，新写入的信息覆盖原来的内容。
RAM常用来存放既要读出，又要经常修改的内容，因此常用来存入用户程序、逻辑变量和其他的一些信息。
掉电后，RAM中的内容不再保留，为了防止掉电后RAM中的内容丢失，PLC使用锂电池作为RAM的备用电源，在PLC掉电后,RAM由电池供电，保持存储在RAM中的信息。
1.1.3I/O模块
I/O模块是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。
输入信号有两类：
一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。
从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。
I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。
1.1.4编程器
编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。
编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运行。
一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。
1.1.5电源
PLC的外部工作电源一般为单相85～260V50/60Hz交流电源，也有采用24～26V直流电源的。
使用单相交流电源的PLC，往往还能同时提供24V直流电源，供直流输入使用。
PLC对其外部电源的稳定度要求不高，一般可允许±15%左右。
对于在PLC的输出端子上接的负载所需的负载工作电源，必须由用户提供。
PLC的内部电源系统一般有三类：
第一类是提供PLC中的TTL芯片和集成运算放大器使用的基本电源（＋5V和±15V直流电源）；第二类电源是供输出接口使用的高压大电流的功率电源；第三类电源是锂电池及其充电电源。
考虑到系统的可靠性及光电隔离器的使用，不同类电源具有不同的地线。
此外，根据PLC的规模及所允许扩展的接口模板数，各种PLC的电源种类和容量往往是不同的。
1.2可编程控制器的基本工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的，即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存放于用户程序存储器中的程序，按指令步序号做周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。
这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。
1.3输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
1.4存储容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
1.5PLC编程步骤
具体编制一个PLC控制程序的基本步骤如下：
图1-1PLC编程步骤
1.6PLC编程语言
1.6.1梯形图
PLC梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。
它的连线有两种：
一为母线，另一为内部横竖线。
内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般是从装载（LD）指令开始，必要时在即以若干个输入指令以建立逻辑条件。
最后为输出指令，实现输出控制或为流程控制已进行相应的工作。
母线用来连接指令组的。
1.6.2指令语句表
指令语句就是用助记符来表达PLC的各种功能。
它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因此也是应用很广泛的一种编程语言。
这种编程语言可使用简易编辑器编程，尤其是在未能编辑图形编辑器时，就只能将已编好的梯形图程序转换成指令语句表的形式，再通过简易编辑器将用户程序逐条的输入到PLC的存储器中进行编程。
通常每条指令由地址、操作码（指令）和操作数（数据或器件编号）三部分组成。
编程设备简单，逻辑紧凑、系统化，连接范围不受限制，但比较抽象，一般与梯形图语言配合使用，互相补充。
目前，大多数PLC都有指令语句编程功能。
1.6.3逻辑功能图
这是一种由逻辑功能符号组成的功能块来表达命令的图形语言，这种编辑语言基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图。
对每一种功能都使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号确定。
常用与、或、非等逻辑功能表达控制逻辑。
和功能方块有关的输入画在方块的左边，输出画在方块的右边。
采用这种编程语言，不仅能简单明确地表现逻辑功能，还能通过对各种功能块的组合，实现加法、乘法、比较等高级功能，所以，它也是一种功能较强的图形编程语言，对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的人来说是非常方便的。
第二章十字路口的交通信号灯设计说明
该系统的目的是实现港口物流运输车辆十字路口的交通灯的智能控制，在控制过程程中，根据站点的不同进行往复，是按照顺序进行运送的设计，并通过对交通灯的控制实现一定的循环，以实现在不同的情况下红绿灯交替工作，保障港口交通的有序进行。
十字路口的交通灯指挥信号灯布置如图2-1所示：
图2-1十字路口交通灯示意图
2.1控制要求
2.1.1信号灯系统由一个启动开关控制，当启动开关接通时，该信号灯系统开始工作，当启动开关关断时，所有信号灯都熄灭。
2.1.2南北绿灯和东西绿灯不能同时亮。
如果同时亮应关闭信号灯系统，并立刻报警。
2.1.3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，东西绿灯闪亮，闪亮3s后熄灭，此时，东西黄灯亮，并维持2s。
到2s时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮。
同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。
2.1.4东西红灯亮维持30s。
南北绿灯亮维持25s，然后闪亮3s后熄灭。
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。
2.1.5以上南北、东西信号灯周而复始地交替工作状态，指挥着十字路口的交通，其时序图如图2-2所示：
图2-2交通信号灯时序图
2.2设计要求：
2.2.1PLC型号：
西门子公司S7系列，S7-300
2.2.2编程环境：
SIMATICManager/Step7V5.4或更高版本
2.2.3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。
2.2.4编写的需要输入PLC，调试通过
2.3控制过程分析
根据控制要求可知，当按下启动按钮时，南北红灯亮东西绿灯亮，到达规定时间20S后绿灯开始闪烁3S，然后东西黄灯亮。
为实现闪烁电路我采用了两个通电延时的计时器，然后整个电路是用计时器串联起来的。
整个过程是个顺序设计过程，而报警是突发状况，通常情况下不会发生。
2.4输入/输出分配表
根据控制要求分析可知，该设计需要2个输入和7个输出端子，PLC控制十字路口交通灯的输入/输出分配表如表2-1所示：
表2-1输入/输出分配表
输入端子
功能
元件
PLC地址
启动按钮
SQ1
I0.0
停止按钮
SQ2
I0.1
输出端子
功能
元件
PLC地址
南北绿灯
HL1
Q4.0
南北黄灯
HL2
Q4.1
南北红灯
HL3
Q4.2
东西绿灯
HL4
Q4.3
东西黄灯
HL5
Q4.4
东西红灯
HL6
Q4.5
报警器
HA
Q5.0
2.5I/O接线图
PLC控制十字路口交通信号灯的I/O接线图如图2-3所示。
图2-3I/O接口图
第三章十字路口交通灯系统程序设计
3.1功能图分析
根据前述的若干要求我们可以得出，该PLC系统是个顺序控制系统，功能图也就是个顺序功能图。
通过绘制功能图我们能更直观的得出该系统的流程，方便编写程序。
功能图如图3-1所示。
图3-1交通信号灯顺序功能图
根据该图我们可以很清楚的知道整个控制过程的流程，首先为按下开关I0.0，整个系统启动，首先是由Q4.2控制的南北红灯亮25s，同时Q4.3控制东西的绿灯也亮20s，然后东西绿灯闪烁3s，Q4.4控制的黄灯亮两秒，完成半个周期；再是由Q4.5控制的东西红灯亮30s，此时Q4.0控制得南北绿灯开始亮25s，然后南北绿灯闪烁3s,最后Q4.1控制的黄灯亮2s完成一个周期。
自动循环，实现交通灯的自动控制。
当东西南北的绿灯同时亮时，报警器报警，整个系统停止。
3.2程序设计
我用SIMATICManagerSTEPV5.5软件，采用梯形图进行编程，编写程序如下：
3.3程序符号表
在用SIMATICManager软件进行编程的过程中要给每一个添加的模块进行命名所以就得到了符号表如表3-1所示：
表3-1符号表
3.4程序设计说明
网络1为系统的起始状态，按下启动按钮SQ1系统启动并形成自锁。
网络2是南北红灯亮25S设定，我采用通电延时计时器来计时25S达到设计要求，同时加一个报警器HA的常闭按钮，以达到报警器报警时能关闭整个系统。
网络5是绿灯闪烁3S的设置，网络6和7是用来形成闪烁电路，当T4计时器3S计时时间到闪烁停止。
闪烁电路中的计时器我采用的是T4来进行复位，避免计时器一直在计时。
其余交通灯的时间设置大致一样，网络14到网络19是交通灯控制设置，通过前面的时间设置达到我们需要的控制要求。
最后网络20是报警器设置，当东西南北的绿灯同时亮时报警。
整个程序的计时器我采用的是用报警器Q5.0复位，因为报警器报警时整个系统停止，计时器全部复位。
第四章交通信号灯程序调试及分析
4.1项目创建
要将程序输入软件首先要创建项目。
创建项目的过程包括确定CPU型号和MPI地址，选择组织块和编程语言以及项目名称的确定。
我们创建的项目如图4-1所示：
图4-1项目创建
4.2硬件组态
项目创建完成后，我们开始进行调试工作，首先就是进行硬件组态。
硬件组态就是构建PLC的硬件系统，是在PLC中模拟真实的PLC硬件配置，将电源模块，CPU模块，信号模块，通信模块等设备安装到模拟的参数进行设置和修改的过程。
硬件组态的条件是必须创建一个带有SIMATIC工作站的项目。
硬件组态的步骤：
（1）生成站点；
（2）生成机架；（3）在机架中放置模块；（4）设置模块参数；（5）保存硬件和参数设置；（6）将硬件和参数设置下载到PLC中。
根据以上步骤我们完成的交通信号灯控制系统的硬件组态如图4-2所示：
图4-2硬件组态图
4.3程序仿真
硬件组态完毕后，将程序输入OB1块中，打开仿真开关，将程序下载到PLC中开始监控并进行仿真。
S7-PLCSIM的使用与操作步骤如下：
1、在STEP7编程软件中生成项目，编写用户程序。
2、打开S7-PLCSIM窗口，在SIMAITICMANAGER（管理器）的工具栏点击仿真器
图标，或执行菜单
“Options”中的“SimulateModules”命令，自动建立STEP7与仿真CPU的连接。
仿真PLC的电源处于接通状态，CPU处于STOP模式，扫描方式为连续扫描，如图4-3所示。
图4-3S7-PLCSIM仿真窗口
3、在管理器中打开要仿真的项目，选中“SIMATIC300
（1）”站，将所有的块下载到仿真PLC中。
4、生成视图对象，点击S7-PLCSIM窗口中的工具图标生成如上图所示的视图对象。
其中：
生成IB字节视图对象；
生成QB字节视图对象；
生成MB字节视图对象；
生成定时器视图对象；
生成计数器视图对象。
5、使S7-PLCSIM处于运行状态，用视图对象来模拟实际PLC的输入/输出信号，并且对程序进行监控，检查下载的用户程序是否正确，如图4-4所示。
图4-4S7-PLCSIM仿真运行情况
6、视图对象与仿真软件的设置与存档
用S7-PLCSIM仿真时自动生成LAY文件和PLC文件，退出仿真软件时将会询问是否保存LAY文件或PLC文件，一般选择不保存。
LAY文件用于保存仿真时各视图对象的信息；PLC文件用于保存上次仿真运行时设置的数据和动作等。
在仿真过程中不仅可以观察CPU模拟面板的运行情况还可以观察OB1中的程序的通断情况，绿色的线路表示接通，虚线部分表示未得电。
通过这样观察程序可以看出哪些地方出现问题并进行调试。
4.4硬件调试
程序仿真实现之后，在实验室的PLC上面进行硬件调试，需要将程序下载到PLC里面通过观察PLC的输入输出以达到我们所需要的设计要求。
首先根据实验室的PLC建立好组态，PLC上面有各个模块的型号说明，根据每个的说明找到正确的模块，组态建立完成后选择总线地址2号并将总线拉出，因为在2号PLC上面下载程序。
然后保存并调试，无错误之后将程序下载到PLC内，建立链接，打开监视器观察程序的运行情况。
我们设计的交通信号灯系统的部分OB1监控图如图4-5所示：
图4-5监控图
4.5硬件调试结果分析
启动按钮I0.0被按下时，整个系统启动。
线圈Q4.2，Q4.3得电，南北的红灯和东西的绿灯亮。
计时器T1，T3开始计时，T3计时到20S时东西绿灯闪烁。
T4计时器计时3S，T5，T6计时器形成闪烁电路。
之后线圈Q4.4得电，东西黄灯亮。
计时器T7计时2S后，线圈Q4.5和Q4.0得电，东西红灯和南北绿灯亮。
T8计时器开始计时25S之后，南北绿灯闪烁。
T9计时器计时3S，T10，T11计时器形成闪烁电路。
之后线圈Q4.1得电，南北黄灯亮。
计时器T12计时2S，之后开始循环，使东西南北的信号灯能够周而复始的交替工作。
通过仿真器是无法得到报警器报警的情况，因为报警器报警一般是硬件上出现问题，通过软件是无法实现的，但是Q5.0得电可以使所有计时器重置。
结束语
本课程设计主要设计了PLC控制技术在港口物流运输车辆十字路口的交通灯系统中的应用。
从课设的提出到系统控制要求的分析和控制方案的论证，到控制系统的硬、软件的选择，到后面的控制系统的监控，都采用了合理的设计方法，简单、方便，易操作，目的就是为了达到广泛的推广和应用，让其具有一定的使用价值。
在控制器件的选择上采用了技术成熟的西门子公司小型PLCS7—300，具有运行稳定可靠、价格低廉、服务优良等特点。
本系统输入端和输出端都少，又无需扩展模块，因此，选择小型PLC就可满足要求。
该型号PLC具有设计简单，编程方便，易维护，外部元件兼容性强，减除了以前使用继电器的诸多麻烦。
其采用的编程软件STEP7Micro／WIN32，具有简单易懂，编程方便等优点。
程序编写完成之后先用仿真软件进行仿真，以确定程序能够达到设计要求，最后进行上机调试，通过将程序下载到PLC内，观察PLC的运行情况。
整个系统设计过程中要考虑到硬件要求需要，由于本电路中计时器使用数量较多，还要考虑到计时器的设置问题，同时闪烁电路的设计，自锁环节的设计都是我们要重点注意的部分
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