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1、4 4 .184 5 .194 6 .23.24 . .25 .26第一章 绪论1.1 引言十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行 ,实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善 ,也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。可编程序控制器 （PLC） 是一种新型的通用的自动控制装置 ,它将传统的继电器控制技术、 计算机技术和通讯技术融为一体 ,是专能加强、 编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。因此 ,本文介绍了三菱公司的 PLC 产品来实现交通灯的自动控制。1.2 毕业设计研究背景可变成序控制器（ PLC）是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，在日常生活中得到了广泛

2、的应用。PLC是一种数字式运算操作的电子系统， 专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点， PLC的平均无故障运行时间（又称平均故障间隔时间 MTBF）已经高达几十万小时。其次， PLC具有通用性强，使用方便的特点。由于 PLC产品的系列化和模块化， PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定 PLC的硬件配置和

3、 IO 的外部接线。一个控制对象的硬件配置确定以后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。PLC还具有功能强，适应面广的特点，现代 PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制，既可控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。 PLC 还具有通信联网的功能，可与上位计算机构成分布式控制系统。用户只需根据控制的规模和要求，适当选择 PLC的型号和硬件配置，就可以组成所需的控制系统。随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。交

4、通问题不仅的发展中国家，就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路， 不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。因此，不可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。早在 19 世纪，人们就开始研究交通信号，用信号指挥车通行，控制车辆进出交叉口的次序。据文献记述，早在1868年，英国

5、伦敦的威斯特明斯特 （Westminster）街就安装了红、绿色两色的交通信号灯。到1917 年，美国的盐湖城开始使用由人工控制的红、黄、绿3色的信号灯。 1925 年，这种由人工控制的 3 色信号灯也首次出现在英国伦敦的皮克的时路口。次年，英国人研制出了自己的自动控制信号机。道路通交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。在这一系统中，道路不仅仅是易变化的部分，而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。只有对这一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，对能制定出科学有效的管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。1

6、.3 现在城市路口交通灯控制技术现状随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，自 80 年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高澎路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法， 最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。1.4 毕业设计主要研究

7、内容（1）信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。（2）南北红灯亮维持 25 秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持 20 秒。到 20 秒时，东西绿灯闪亮，闪亮 3 秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持 2 秒。到 2 秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持 30 秒。南北绿灯亮维持 20 秒，然后闪亮 3 秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持 2 秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯，循环下去。如图：图： 1.1 交通灯示意图第二章 PLC 功能简介2.1 PL

8、C 的定义PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器， PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。2.2 PLC 的基本机构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分， PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC包括

9、 CPU板、IO 板、显示面板、内存块、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、 IO 模块、内存、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。 2.2 PLC的机构图2.3 PLC 的应用1.PLC 的工作方式（1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。（2） 程序执行阶段： plc 对用户程序扫描。（3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端

10、子向外界输出控制信号驱动外部负载。2.4 PLC 的发展趋势目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可以归纳为如下几类。（ 1）开关量的逻辑控制这是 PLC 最基本最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理处理模拟量和数字量之间的 AD

11、转换及 DA转换。 PLC厂家都生产配套的 AD和 DA转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（ 3）运动控制PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。 从控制机构配置来说， 早期直接用于开关量 IO 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。 PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方

12、法。大中型 PLC都有 PID 模块，目前许多小型 PLC也具有此功能模块。 PID 处理一般是运行专用的 PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（5）数据处理现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据穿送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置， 或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（6）通信及联网PLC 通

13、信含 PLC间的通信及 PLC与其他智能设备间的通信。 随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展的很快，各 PLC厂商都十分重视 PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。 新近生产的 PLC都具有通信借口，通信非常方便。25 PLC 的基本工作原理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

14、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、输出刷新第三章 S7-200 编程软件 STEP 7 - MicroWIN SP63.1 如何控制程序作业S7-200 在程序的控制逻辑中不断循环， 读取和写

15、入数据。当您将程序下载至 PLC并将 PLC放置在 RUN（运行）模式时， PLC的中央处理器 （CPU）按下列顺序执行程序：S7-200 读取输入状态。存储在 S7-200 中的程序使用这些输入评估（或执行）控制逻辑。当程序经过评估， S7-200 将程序逻辑结果存储在称作进程图像输出寄存器的输出内存区中。在程序结束时， S7-200 将数据从进程图像输出寄存器写入至域输出。重复任务循环。S7-200 反复执行一系列任务。 该循环执行任务被称作扫描循环。如下所示， S7-200在扫描循环过程中执行大多数或全部下列任务：1、 读取输入： S7-200 将实际输入状态复制至进程图像输入寄存器。2

16、、 在程序中执行控制逻辑： S7-200 执行程序的指令，并将数值存储在不同的内存区。3、 处理所有通讯请求： S7-200 执行点至点或网络通讯要求的所有任务。4、 执行 CPU自测试诊断程序： S7-200 保证固件、程序内存和所有扩充模块均正常作业。5、 向输出写入：存储在进程图像输出寄存器中的数值被写入实际输扫描循环的执行取决于 S7-200 是位于 STOP（停止）模式还是 RUN（运行）模式。在 RUN（运行）模式中，程序被执行；在 STOP（停止）模式中，程序不被执行。在程序执行过程中，最好使用进程图像寄存器，而不要直接存取输入或输出。使用图像寄存器共同扫描开始的所有输入取样会使

17、扫描循环的程序执行阶段的输入数值同步化，并冻结这些数值。3.2 STEP7 程序的使用1、 创建一个项目结构，项目就象一个文件夹，所有数据都以分层的结构存在于其中，任何时候你都可以使用。在创建一个项目之后，所有其他任务都在这个项目下执行。2、 组态一个站，组态一个站就是指定你要使用的可编程控制器，例如 S7300、 S7400等。3、 组态硬件，组态硬件就是在组态表中指定你的控制方案所要使用的模板以及在用户程序中以什么样的地址来访问这些模板，地址一般不用修改由程序自动生成。模板的特性也可以用参数进行赋值。4、 组态网络和通讯连接，通讯的基础是预先组态网络，也就是要创建一个满足你的控制方案的子网

18、，设置网络特性、设置网络连接特性以及任何联网的站所需要的连接。网络地址也是程序自动生成如果没有更改经验一定不要修改。5、 定义符号，可以在符号表中定义局部或共享符号，在你的用户程序中用这些更具描述性的符号名替代绝对地址。符号的命名一般用字母编写不超过 8个字节，最好不要使用很长的汉字进行描述，否则对程序的执行有很大的影响。6、 创建程序，用梯形图编程语言创建一个与模板相连结或与模板无关的程序并存储。创建程序是我们控制工程的重要工作之一，一般可以采用线形编程（基于一个块内， OB1）、分布编程（编写功能块 FB,OB1组织调用）、结构化编程（编写通用块）。我们最常采用的是结构化编程和分布编程配合

19、使用，很少采用线形编程。7、 下载程序到可编程控制器，完成所有的组态、参数赋值和编程任务之后，可以下载整个用户程序到可编程控制器。在下载程序时可编程控制器必须在允许下载的工作模式下（ STOP或RUN-P） ,RUN-P模式表示，这个程序将一次下载一个块，如果重写一个旧的 CPU程序就可能出现冲突，所以一般在下载前将 CPU切换到 STOP模式。3.3 Step 7 MicroWin V4.0 文件的新建1、在 Step 7 MicroWin V4.0 中新建一个项目。（软件界面如图2.1 ）2、输入程序，编译正确后在文件菜单中导出为AWL 文件。3、打开仿真软件，点“配置” - “CPU型号

20、” （ 或在已有的 CPU图案上双击）。4、在弹出的对话框中选择 CPU型号，要与你项目中的型号相同。5、点击“程序” - “载入程序” （ 或工具条中的第 2个按钮 ） 。6、会有个对话框，只选择“逻辑块（ L）”并选择 Step 7 MicroWin V4.0的版本，点击“确定”。7、将先前导出的 AWL 文件打开。若第 6步选择全部，则此时会提示无法打开文件，这里出现错误的原因是无法打数据块和 CPU配置文件，不要管它，直接确定。8、点击“查看（ E）”“内存监视（ M）” （ 或工具条中的第 12个按钮 ） 输入想要监视的地址。9、点“ PLC” - “运行” （ 或工具栏上的绿色三角

21、按钮 ） ，程序已经开始模拟运行3.4 PLC 程序的下载如果您已经成功地在运行 STEP 7-MicroWIN的个人计算机和 PLC之间建立通讯，可以将程序下载至该 PLC。请遵循下列步骤。1、下载至 PLC之前，必须核实 PLC位于“停止”模式。检查 PLC上的模式指示灯。如果 PLC未设为“停止”模式，单击工具条中的“停止” 按钮，或选择 PLC 停止。2、单击工具条中的“下载” 按钮，或选择文件 下载。出现“下载”对话框 .3、根据默认值，在初次发出下载命令时，“程序代码块”、“数据块”和“ CPU配置”（系统块）复选框被选择。如果不需要下载某一特定的块，清除该复选框。4、单击“确定”

22、，开始下载程序。5、如果下载成功，一个确认框会显示以下讯息：下载成功。6、如果 STEP 7-MicroWIN中用于的 PLC类型的数值与实际使用的 PLC不匹配，会显示以下警告讯息：“为项目所选的 PLC类型与远程 PLC类型不匹配。继续下载吗？”7、欲纠正 PLC类型选项，选择“否”，终止下载程序。8、从菜单条选择 PLC 类型，调出“ PLC类型”对话框。9、可以从下拉列表方框选择纠正类型，或单击“读取 PLC”按钮，由STEP 7-MicroWIN自动读取正确的数值。10、单击“确定”，确认 PLC类型，并清除对话框。11、单击工具条中的“下载” 按钮，重新开始下载程序，或从菜单条选择

23、文件 12、一旦下载成功， 在PLC中运行程序之前， 必须将 PLC从 STOP（停止）模式转换回 RUN（运行）模式。单击工具条中的 “运行” 按钮，或选择 PLC运行，转换回 RUN（运行）模式。 3.1 PLC Step 7 MicroWin 软件界面第四章 程序的设计4.1 交通灯时序图 4.1 正常时序流程图 4.2 十字路口交通灯正常时序控制时序图4.2 IO 分配表与外部接线图1画出交通灯 IO 分配表。IO 分配表输入输出I0.0（SB1）启动按钮Q0.0东西方向绿灯I0.1（SB2）停止按钮Q0.1东西方向黄灯Q0.2东西方向红灯Q0.3南北方向红灯Q0.5南北方向绿灯Q0.

24、7南北方向黄灯PLC的 IO 接线图4.3 PLC 主机的选择S7-200系列 PLC可提供 4种不同的基本单元和 6种型号的扩展单元。S7-200系列 PLC中可提供 4种不同的基本型号的 8种 CPU供选择使用，（其输入输出点数的分配见表 3.3 S7-200 系列 PLC中CPU22X的基本单元）：表 3.4 S7-200 系列 PLC中 CPU22X的基本单元输入 输出型 号 可带扩展模块数点 点S7-200CPU221 6 4 无S7-200CPU22282 个扩展模块 78 路数字量 IO 点6或 10 路模拟量 IO 点S7-200CPU224147 个扩展模块168 路数字量

25、IO10点或 35 路模拟量 IO 点S7-200CPU226242 个扩展模块248 路数字量 IO16S7-200CPU226X 2 个扩展模块 248 路数字量 IO24 16M 点或 35 路模拟量 IO 点这次设计中，我使用了两个开关，且输出只有六个，对于这个设计而言，输入和输出较为简单，并且不需要扩展模块，对比了表 3.3 中各 CPU的输入和输出可知，选用 CPU224的 PLC的主机比较适合本人的设计。4.4 顺序功能图SM0.1I0.0东西方向南北方向37T39T38T40T41T42 3.3 顺序功能图4.5 程序梯形图4.6 程序的调试顺序（1） 对于比较复杂的控制系统，

26、需要绘制系统流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。由于本控制系统简单就可以省略这一步。（2） 设计梯形图。 这是程序设计的关键一步， 也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。（3） 将程序输入到 PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。（4） 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。结 论本组设计的是十字路口交通灯 PLC控制系统设计与调试，由于这个课题和我们的生活联系很紧密，所以这让我们做起来相对简单一点。俗话说万事开头难，一开始我们没有头绪，但是在老师的指导下，我们慢慢的就理解了，然后就开始了设计。首先我们自己研究普通的十字交通灯，

27、在了解透彻的情况下，老师又跟我们具体讲解这次设计的思想。把具体的要求给我们，然后又给我们提出了可能会遇到的问题让我们加以注意。分析这些问题之后，我们就开始做准备软件的设计了，在编写程序之前，我们先对基本的电路进行了分析，在理解之后，我们通过上网查询相关资料，再结合自己写的程序，起初我们的程序出现了错误，该亮的灯没亮，该灭的等没灭，而且不能进行跳转，在我们一次又一次的分析下，我们对程序进行修改、试验，最后终于成功了。在这几周的忙碌中，我学到了许多，虽然以前学过 PLC，由于时间关系有些遗忘，这次设计正好加以温习，并且对于 PLC有了进一步的了解。在老师、同学的帮助下，我们很快完成了设计，我认为本次设计不仅仅学到了许多知识，也很好的锻炼了我们的合作意识。最后希望我们每个人都能够顺利的通过答辩，顺利的毕业。致 谢能够顺利完成这次 PLC控制十字交通灯的毕业设计，首先要感谢我们的指导教师何伟等老师是他们传授我们知识，在我们身边默默奉献。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立