plc交通灯控制系统.doc

目 录

1 题目背景意义 1
1.1交通灯的研究背景及意义 1
1.2交通灯控制系统设计意义 2
2 设计题目介绍 2
2.1设计内容及要求 2
2.2交通灯控制系统设计意义 2
3 系统设计方案 3
3.1设计方案 3
3.2设计思路流程图 3
4 硬件系统设计 4
4.1控制系统的模块配置 5
4.2 PLC I/O口设置 5
4.3硬件接线图 6
5 软件系统设计 6
6 系统仿真调试 8
6.1 软件调试 9
6.2 运行调试 10
7 结论 10
参考文献 11
附录 11

I

1 题目背景意义
1.1交通灯的研究背景及意义
随着我国经济的飞速发展，城市人口越来越多，居民出行次数和机动车拥有量不断增加，城市道路拥挤、车流量不均衡等问题日趋严重。人们经常会为道路拥挤、交通秩序混乱、出行时间过长等城市交通问题倍感苦恼，例如：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。因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫，如何才能保持城市交通的安全便捷、高效畅通和绿色环保，已成为政府政策规划的一个重点问题。
通过对十字路口交通灯控制系统的设计与制作，使我们进一步巩固和加深了对所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识掌握。同时也培养自身综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，更使我们受到了PLC系统开发的综合训练，从而能够使我们进行PLC系统设计和实施，并且掌握典型自动控制系统的工作原理和设计思路。更重要的是：通过对十字路口交通灯系统的每个环节的实际制作，锻炼了自身的刻苦钻研、勇于探索、实事求是、善于与他人合作的工作作风，这为我们将来的上岗实习做好了充分的准备。
1.2交通灯控制系统设计意义
随着城市汽车数量的增多和汽车进入家庭步伐的加快，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，该路口会塞得一塌糊涂，甚至造成严重的交通事故。原交通信号控制大都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高速发展的要求。
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做了软件和硬件的设计，能基本达到控制要求。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，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
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，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。因此，交通灯的设计是十分重要且迫在眉睫的。随着社会的发展，一个城市的交通是否便捷是衡量其是否具有发展潜力的重要指标，目前，我国大中小城市都出现了交通拥堵的现象，特别是大城市，随着城市机动车量的不断增加，如北京、上海、南京等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。
2 设计题目介绍
2.1设计内容及要求
利用西门子S7-300PLC ，组态软件Wincc Flexible， 触摸屏，交换机及外围的相关低压电器，组成控制系统，根据项目要求，编写相关程序，完成相应的功能，组态人机界面，能够进行模拟仿真。具体要求：
（1）制作画面模板，在模板画面中显示“交通灯控制模拟项目”和日期时钟。
（2）先组态两个画面，一个为主画面，一个为系统画面。两画面之间能进行切换。
（3）在系统画面中作出交通灯控制的系统图。
（4）交通灯绿灯亮的时间模拟量数值0～100进行设置。
（5）按下启动键时,交通灯开始按如下的时序图运行：
东西向绿灯亮25s后，闪烁3次（1s/次），接着东西向黄灯亮，2s后东西向红灯亮，25s后东西向绿灯又亮……如此不断循环，直至停止工作。
南北向红灯亮30s后，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁3次（1s/次），接着南北向黄灯亮，2s后南北向红灯又亮……如此不断循环，直至停止工作。
按下停止键时，所有灯都灭。
（6）交通灯亮灭的剩余时间可动画显示。
（7）交通灯亮时间数值高于90时产生一个交通拥堵的报警。
（8）组态报警画面，并能实现系统画面之间的切换。
（9）组态一个用户组“班组长”和一个用户名“user1“，“user1”属于“班组长”用户组，“user1”的密码为“000”。“班组长”用户组的权限为操作和“绿灯亮的时间”。然后在系统画面中的绿灯亮设定安全权限。即一般用户不能进行绿灯亮设定值的设定，用户“user1”可以进行设定。
（10）组态一个用户视图画面，要求该用户名作登录按钮与注销按钮，能显示当前用户名。能与系统画面进行切换。
2.2交通灯控制系统设计意义
交通灯控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。随着我国城市现代化进程的不断推进，交通是影响我国社会经济发展的严重问题，而城市交通问题的核心就是对十字路口交通信号的控制。随着我国城市现代化进程的不断推进，交通是影响我国社会经济发展的严重问题，而城市交通问题的核心就是对十字路口交通信号的控制。现在大多数城市都经常会出现交通拥堵现象，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。
十字路口交通灯的路况画出模拟图如图1所示：

图1交通灯模拟图
3 系统设计方案
3.1设计方案
(1)完成控制系统PLC的硬件组态，网络组态。编写程序流程图，完成系统的梯形图并仿真调试成功，下装到PLC,完成在线的调试。
(2)完成外部阀门，电机，行程开关等低压电器的选择，及系统的IO清单，系统接线图。
(3)按照任务书要求完成人机界面的组态画面,并下装触摸屏，连接PLC与触摸屏，调试相关的任务。
3.2设计思路流程图
根据课程设计任务书的任务要求，我初步定下了本次课程设计的大体设计方案。基于越简单越可靠的考虑，强调设计的实用性，利用简单顺序控制，逐步定时逐步执行，以实现对交通信号灯的基本控制。
由于本次设计涉及到两个软件的配合，本图只给出大致的设计思路流程，在具体设计的过程中再进行不同软件承担的功能的分配。
东西向绿灯亮25s后，闪烁3次（1s/次），接着东西向黄灯亮，2s后东西向红灯亮，25s后东西向绿灯又亮……如此不断循环，直至停止工作。
南北向红灯亮30s后，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁3次（1s/次），接着南北向黄灯亮，2s后南北向红灯又亮
Step7设计思路流程图如图2所示：
东西黄灯亮2s
东西绿灯亮25s，
闪烁3次

启动

东西红灯亮30s

南北绿灯亮25s，闪烁3次

南北红灯亮30s

南北黄灯亮2s

图2 Step7设计思路流程图

WINCC设计思路流程图如图3所示：

图3 wincc流程图
4 硬件系统设计
4.1控制系统的模块配置
模块配置的基本步骤：
（1）选择SIMATIC 300里的RACK300的Rail ；
（2）1号槽里选择电源模块（PS）:PS-300选PS 307 5A；
（3）2号槽选CPU模块：CPU 300里选CPU 315F-2PN/OP里最后一个选V3.1；
（4）3号槽空；
（5）4号槽信号模块（SM）：SM-300里的DI/DO-300里的第一个；
（6）5号槽选SM-300里的AI/AO-300里的第四个；
（7）选好后Save and Compile。
控制系统使用西门子S7-300PLC，相应的模块见图4所示：

图4 S7-300PLC相应的模块
4.2 PLC I/O口设置
PLC的数字量输入类型一般常见的都是DC型号的，就是直流输入，当然也有交流输入。直流输入一般都是24V，外接的信号一般都为无源的开关量信号。所谓开关量信号或者是数字量信号，就是表现出的信号只有两种状态，象开关一样：或者是开或者是关，没有第三种状态。在计算机中表现的是：0或者是1；电气电路中表现的是：接通或者是切断等等。因为输入的外接信号通常都是无源的信号，所以在接入PLC端子时，要提供电源形成合适的电流回路，在PLC上为方便输入信号的电源供取，提供有24VDC（250MA）直流电源引出端子。
PLC I/O口分配地址如表1所示：
表1 I/O清单
输入设备

输出设备

元件名称
地址

元件名称
地址

启动按钮SB1
M0.1

南北向红灯H1
Q1.0

停止按钮SB2
M0.2

南北向绿灯G1
Q1.7

南北向黄灯Y1
Q1.3

东西向红灯H2
Q0.0

东西向绿灯G2
Q0.7

东西向黄灯Y2
Q0.3
4.3硬件接线图
PLC硬件接线图如图5所示：

图5 S7-300PLC硬件接线图
5 软件系统设计
软件设计主要是PLC梯形图的设计，包括符号编辑，I/O口的编排等。
按下启动键时,交通灯开始按如下的时序图运行：东西向绿灯亮25s后，闪烁3次（1s/次），接着东西向黄灯亮，2s后东西向红灯亮，25s后东西向绿灯又亮……如此不断循环，直至停止工作。南北向红灯亮30s后，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁3次（1s/次），接着南北向黄灯亮，2s后南北向红灯又亮……如此不断循环，直至停止工作。按下停止键时，所有灯都灭。
由任务要求可知，交通灯系统的东西方向，南北方向输出电信号如图6所示。

图6 东西南北方向交通灯的时序图
符号表如图7所示：

图7 符号表定义
6 系统仿真调试
6.1 软件调试
打开Step7软件，按要求输入梯形图，看软件是否与PLC可编程控制器正常连接，下载此梯形图到PLC可编程控制器，进行下一步的运行调试。
6.2 运行调试
在硬件调试和软件调试的基础上，运行此程序并进行调试直至程序可按照系统要求运行。
按要求运行后，我的打开画面分为4个部分，分别是主界面，系统界面，报警界面，用户界面。
主画面如图8所示：

图8 主画面

（1）制作画面模板，在模板画面中显示“交通灯控制模拟项目”和日期时钟。
（2）先组态两个画面，一个为主画面，一个为系统画面。两画面之间能进行切换。
（3）在系统画面中作出交通灯控制的系统图
（4）组态报警画面，并能实现系统画面之间的切换。
（5）组态一个用户视图画面，要求该用户名作登录按钮与注销按钮，能显示当前用户名。能与系统画面进行切换。
系统画面如图9所示

图9 系统画面
用户画面如图10所示：

图10用户画面

报警画面如图11所示：

图11报警画面
7总结
对于这次PLC课程设计，我设计了交通红绿灯PLC控制系统。经过将近两个周的设计制作，我完成了以下内容：
1. 使用Step7软件，在Step中按照要求编写了梯型图并且梯形图实现了红灯、绿灯、黄灯亮灭的切换。
2. 使用Wincc软件，在Wincc中掌握了添加画面与画面之间的切换，添加I/O域、按钮，I/O域属性的设定。I/O域属性选择对应的变量。
3. 组和用户，用户User1设置密码。
4. 模拟量报警，上升沿有效，超过90报警，报警界面亮。
5. 然后在Wincc中集成到Step7，点击设备相连接。
设计的步聚和基本方法。通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
PLC课程设计是学习电厂开关量控制技术的重要实践环节，其目的是通过课程设计的实践，使学生巩固和深化对相关专业理论知识的理解；培养学生运用所学知识和技能，配合相关技术资料的查阅，独立分析和解决生产实际中有关工业控制实际问题的能力；进一步提高学生对PLC控制系统分析、设计的能力。要求学生了解可编程控制器的原理、硬件结构；掌握基本的编程语言；掌握系统硬件配置的方法与步骤；掌握PLC软件编程与调试的操作方法与步骤。
参考文献
[1]刘华波，王雪，何文雪.组态软件WINCC及其应用.北京: 机械工业出版社，2010
[2]阳胜峰，吴志敏.图解西门子S7-300/400PLC编程技术.北京：中国电力出版社，2010
[3]吴作明，杜明星.深入浅出西门子STEP7.北京：北京航空航天大学出版社，2012
[4]柳春生. 电器控制与PLC:西门子S7-300机型.北京: 机械工业出版社，2015
[5]胡健. 西门子S7-300 PLC应用教程.北京: 机械工业出版社，2014
附录：

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