基于交通灯的PLC控制系统设计.doc

武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的plc控制学 号： 0121018700318课 程 设 计题 目交通灯的plc控制系统设计学 院物流工程学院专 业物流工程班 级物流zy1001姓 名宋金龙指导教师刘有源教授2013年7月5日课程设计任务书学生姓名： 宋金龙 专业班级：物流卓越1001班 指导教师： 刘有源教授 工作单位：物流工程学院 题目: 交通灯的plc控制系统设计 初始条件： 1)plc型号：西门子公司s7系列，s7-300 2)编程环境：simatic manager /step7 v5.4或更高版本 3)根据控制要求分配plc i/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。 4)编写的需要输入plc，调试通过。要求完成的主要任务: 1) 十字路口交通信号灯，共有两组信号灯，其中一组控制直行，一组控制转弯。当轮到一个方向开始直行时，控制该方向直行的绿灯亮，指示该方向可以直行，并维持20s，当通行时间即将结束时，绿灯闪烁3s以作提示。2) 随后，该方向的黄灯亮2s，熄灭，通行时间结束，该方向的红灯亮，禁止该方向通行。同时控制该方向转弯的绿灯亮，指示该方向转弯，转弯时，绿灯维持15s，当转弯时间即将结束时，绿灯闪烁3s以作提示。3) 紧接着，该方向的黄灯亮2s，熄灭，转弯时间结束。 4)接下来，该方向的红灯亮，禁止该方向转弯。同时另一方向直行的绿灯亮，轮到另一方向直行了。如此周而复始。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要城市规模不断扩大，城市的交通问题也变的日益突出，如堵车问题，城市交通问题也越来越引起人们的关注，人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。为了解决交叉口混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，我们可以合理的设置交叉路口的红绿灯系统，帮助疏导交通流，从而有效的减少交通阻塞等问题，并为行人的安全提供强有力地保障。 现在，城市的红绿灯基本上都是程序控制，在实际使用中采用可编程序控制器（plc）控制占很大比例，其主要原因是因为plc具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。 本设计介绍了应用plc实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对plc控制系统进行了软、硬件设计，并通过仿真实验证明该系统的实用性，利用plc对十字路口交通灯进行模拟控制，从而能够对真正的十字路口交通灯控制系统有更深入的了解。关键词：十字路口，交通灯， plc控制目录摘要i第一章 绪论11.1 plc的基本知识11.1.1 plc的概念11.1.2 plc的基本组成11.1.3 plc基本工作原理31.2研究目的和意义4第二章 十字路口交通灯设计62.1 设计任务62.2 设计要求7第三章 系统硬件设计83.1 i/o分配表83.2 交通信号灯plc控制硬件接线图8第四章 系统软件设计104.1 十字路口交通灯的控制时序表及时序图104.2 交通灯正常循环运行流程图114.3 交通灯plc控制系统的lad图124.4 交通灯的控制过程分析18第五章 系统调试与仿真195.1 硬件组态调试195.2 系统仿真20总结25参考文献：26第一章 绪论1.1 plc的基本知识1.1.1 plc的概念 国际电工委员会（iec）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。”1.1.2 plc的基本组成在种类繁多的plc中，其组成结构和工作原理都基本相同。用plc实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。plc专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由cpu、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。1.中央处理器(cpu)中央处理器(cpu)一般由控制器运算器和寄存器组成。它们都集成在一个芯片内，cpu通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。与一般计算机一样，cpu是plc的核心，它是按照plc中系统程序赋予的功能指挥plc有条不序地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当plc处于运行方式时，cpu按循环扫描方式执行用户程序。cpu的主要任务如下：(1)按plc系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。(2)用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。(3)诊断电源或plc内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。(4)在plc进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。2.存储器plc的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。(1)系统存储器 系统存储器是指用来存放plc的系统程序的存储器。它由plc生产厂家编写并固化在rom内，用户不能直接更改。它使plc具有基本的功能，能够完成plc设计者规定的各项工作。其主要内容包括3个部分：系统管理程序、 用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。(2)用户存储器用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的plc编程语言编写的各种用户程序。plc使用的存储器有3种类型：随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)和可擦除可编程只读存储器(eepro)。3.输入/输出接口单元plc的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分：一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。4.扩展接口和通信接口plc具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是plc的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。(2)通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，plc或计算机相连从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。5.电源部分plc一般使用220交流电源，内部的开关电源位plc的中央处理器、存储器等。电路提供5v、+-12v、24v等直流电源使plc能正常工作。6.编程设备编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。7.其他部件有些plc还可以有errom写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强plc的存储容量和扩展功能。plc的硬件结构组成如下图1.1所示：编程器输出电路输入电路中央处理器（cpu）系统程序存储器用户程序存储器电源 图1.1 plc硬件结构组成框图1.1.3 plc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。(1)输入采样阶段plc：在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。(2)用户程序执行阶段：根据plc梯形图程序扫描规则，plc以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。当指令中涉及输入/输出时，plc从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。(3)输出刷新阶段：在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。对于小型plc，i/o点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。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了强有力的保障。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。 传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的plc是必要的。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：脱机手动工作；联机自动就地工作；上机控制的单周期运行方式；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；自动启动、自动停机控制方式。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：plc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；编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；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)对十字路口交通控制灯实现控制。第二章 十字路口交通灯设计2.1 设计任务图1为十字路口交通信号灯示意图，共有两组信号灯，其中一组控制直行（大圆），一组控制转弯（小圆）。当轮到一个方向开始直行时，控制该方向直行的绿灯亮，指示该方向可以直行，并维持20s，当通行时间即将结束时，绿灯闪烁3s以作提示；随后，该方向的黄灯亮2s，熄灭，通行时间结束，该方向的红灯亮，禁止该方向通行。同时控制该方向转弯的绿灯亮，指示该方向转弯，转弯时，绿灯维持15s，当转弯时间即将结束时，绿灯闪烁3s以作提示；紧接着，该方向的黄灯亮2s，熄灭，转弯时间结束；接下来，该方向的红灯亮，禁止该方向转弯。同时另一方向直行的绿灯亮，轮到另一方向直行了。如此周而复始。2.2 设计要求1.plc型号：西门子公司s7系列，s7-300。2.编程环境：simatic manager /step7 v5.4或更高版本。3.根据控制要求分配plc i/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。4.编写的需要输入plc，调试通过。第三章 系统硬件设计3.1 i/o分配表为了将十字路口交通灯的控制关系用plc控制器实现，plc需要2个输入点（启动开关、停止开关），12个输出点。为了使用方便，所以选择了西门子型的plc。输入输出表如下图3.1所示。图3.1输入输出点分配表输入输出名称符号输入点名称符号输出点启动按钮sb1i0.0东西直行绿灯h1q4.0停止按钮sb2i0.1东西直行黄灯h2q4.1东西直行红灯h3q4.2东西转向绿灯h4q4.3东西转向黄灯h5q4.4东西转向红灯h6q4.5南北直行绿灯h7q5.0南北直行黄灯h8q5.1南北直行红灯h9q5.2南北转向绿灯h10q5.3南北转向黄灯h11q5.4南北转向红灯h12q5.53.2 交通信号灯plc控制硬件接线图根据十字路口交通灯的输入输出点分配表，画出如图3.2所示的plc控制系统i/o接线图。其中,s7-300 cpu313系统有16个输入信号和24个输出信号。图3.2 plc控制系统i/o接线图在硬件接线图中，输入口i0.0接收启动按钮sb1的输入，输入口i0.1接收停止按钮sb2的输入；输出口q4.0控制东西直行绿灯(h1)，q4.1控制东西直行黄灯（h2），q4.2控制东西直行红灯（h3）,q4.3控制东西转向绿灯（h4），q4.4控制东西转向黄灯（h5），q4.5控制东西转向红灯（h6），q5.0控制南北直行绿灯(h7)，q5.1控制南北直行黄灯(h8)，q5.2控制南北直行红灯(h9)，q5.3控制南北转向绿灯(h10)，q5.4控制南北转向黄灯(h11)，q5.5控制南北转向红灯(h12)。第四章 系统软件设计4.1 十字路口交通灯的控制时序表及时序图代码/方向东西直行东西转弯南北直行南北转弯绿黄红绿黄红绿黄红绿黄红s0100001001001s1010001001001s2001100001001s3001010001001s4001001100001s5001001010001s6001001001100s7001001001010s8100001001001注：0表示灯不亮，1表示灯亮图4.1 交通灯控制时序表图4.2时序图4.2 交通灯正常循环运行流程图编写程序流程图是编写一个好的程序之前，所必须要求认真做的一步。只有先按照系统的控制要求，一步一步地写出程序控制流程图，才能够在编写程序的时候，不至于出现思维上的混乱，导致编写的程序出现较大的错误。所以，在编写十字路口交通灯控制系统之前我们也编写了程序控制流程如下图所示。 图4.3 交通灯流程图注：括号内为各灯点亮时间4.2.1 控制思路 将控制过程分为十二个步骤，分别为每个过程设置一个定时周期，从t0到t11，通过控制每个过程的时间来实现各灯的点亮顺序。4.3 交通灯plc控制系统的lad图1.启动与停止2. 对交通灯各灯进行定时3. 对交通灯进行plc控制4.4 交通灯的控制过程分析当按下开始开关sb1时，系统开始工作，中间继电器m0.0通电自锁，t14和t15开始产生占空比为50%的方波信号，此时东西转向红灯，南北直行红灯，南北转向红灯均显示点亮，显示红灯，东西直行为绿色，同时东西直行绿灯定时器t0开始定时，定时17s。当定时时间到，定时器t0的常闭出点断开，常开触点闭合东西直行绿灯闪烁定时器t1开始定时，定时时间为3s。当定时时间到，t1常开触点闭合，东西直行黄灯点亮，同时东西黄灯定时器t2开始定时，定时2s，此时东西黄灯亮，东西转向红灯，南北直行红灯，南北转向红灯点亮。当t2定时时间到，t2常开触点闭合，东西转向绿灯定时器t3开始定时，转向绿灯点亮，持续时间为12s，当定时时间到，t3的常开触点闭合，东西转向绿灯闪烁定时器t4开始定时，绿灯闪烁时间持续3s，t4定时时间到，其常开触点闭合，转向黄灯定时器t5接通开始定时，黄灯点亮，持续时间2s。t5时间到，东西方向直行和转向全部变为红灯，南北转向也为红灯，此时南北直行绿灯被点亮，定时器t6开始定时，定时时间17s，当t6定时时间到，南北直行绿灯开始闪烁，闪烁定时器t7定时3s，闪烁结束后，t7常开触点闭合，南北直行黄灯定时器t8接通开始定时，黄灯点亮2s。当黄灯时间到时，t8常开触点闭合，t9开始定时，南北转向绿灯开始定时，定时时间有t9决定，点亮12s，12s后，t9敞开触点闭合，南北转向绿灯闪烁定时器开始定时，定时器t10开始工作，定时3s，定时时间到时，t10常开触点闭合，南北转向黄灯定时器t11接通定时时间2s，此时东西方向直行转向都为红灯，南北直行也为红灯。当t11定时时间到时，与t0串联的t11的常闭触点断开，t0失电，定时器置零，同时由于t0置零，其常开触点复位，t1也置零，同样从t0一直到t11全部复位，t11复位后，其常闭触点闭合，t0开始计时，新的一个周期便由此开始，如此反复循环。当按下停止按钮sb2时，中间继电器断电，各个定时器均断电，系统停止工作。第五章 系统调试与仿真5.1 硬件组态调试根据plc选择对应的地址和相应的电源、cpu、输入、输出等的型号，配置如下：5.2 系统仿真将程序编写好、保存以后，打开仿真s7-plcsim软件，将程序下载到plc中，对程序进行仿真。图1 按下启动按钮i0.0 系统开始工作东西绿灯亮20s图2 东西直行黄灯亮2s图3 东西转弯绿灯亮15s图4 东西转弯黄灯2s图5 南北直行绿灯亮20s图6 南北直行黄灯亮2s图7 南北转弯绿灯亮15s图8 南北转弯黄灯亮2s图9 按下停止按钮sb2，系统停止工作总结通过本系统的设计，对于西门子s7-300系列plc的特点有了更深的了解。十字路口交通灯控制系统利用了西门子s7-300系列plc的特点，对按钮、开关、交通等输入/输出点进行控制，实现了十字路口交通灯控制中的自动化。这个实验进一步巩固和加深我们对自己所学的可编程控制器、电工基础、电子技术、维修电工等基础理论知识、基本技能的掌握，使之更系统化，而且增强我们通过所学的基础理论