基于SPLC十字路口交通灯的控制新版专业系统设计.doc

基于s7-200 plc十字路口交通信号灯控制系统设计
1 设计关键内容及要求
1.1 设计目标：
编程序控制器（PLC）于20世纪60年代在美国诞生，在中国发展和应用已经有30多年历史，现在它已经广泛应用于国民经济各个工业生产领域，成为提升工业装备电气自动化水平关键设备和强大支柱。所以，PLC技术已成为电气自动化专业技能型人才必不可少关键技能，经过实践，能够帮助学生加深对理论知识消化吸收，提升PLC编程技能。
1.2 基础要求
信号灯受一个开启开关控制，当开启开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当开启开关断开时，全部信号灯全部熄灭。
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮同时东西绿灯也亮，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25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，东西绿灯亮，周而复始。要求完成以下项目：
1、画出交通信号灯时序状态示意图
2、画出交通灯控制步骤图
3、完成可编程控制器I/O端口分配和外部接线图
4、完成十字路口交通信号灯PLC控制梯形图编程
1.3 发挥部分
自由发挥
2 设计过程及论文基础要求：
2.1 设计过程基础要求
（1）基础部分必需完成，发挥部分可任选；
（2）符合设计要求汇报一份，其中包含总体设计框图、电路原理图各一份；
（3）汇报电子档需全班统一存盘上交。
2.2 课程设计论文基础要求
（1）参考毕业设计论文规范打印，包含附录中图纸。项目齐全、不许涂改，不少于4000字。图纸为A4，全部插图不许可复印。
（2）装订次序：封面、任务书、成绩评审意见表、汉字摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思绪、设计框图、各部分电路及对应具体功效分析和关键参数计算、工作过程分析、元器件清单、关键器件介绍）、小结、参考文件、附录（总体设计框图和电路原理图）。
3 时间进度安排
次序
阶段日期
计 划 完 成 内 容
备注
1
.9.1
讲解关键设计内容，安排学生查阅资料
打分
2
.9.2
检验整个设计总体设计概况
打分
3
.9.3
指导学生进行传感器选择和plc应用注意事项
打分
4
.9.4
检验学生关键内容设计情况
打分
5
.9.5
答辩、写汇报
打分
-9-1
沈 阳 工 程 学 院
基于s7-200 plc十字路口交通信号灯控制系统设计 课程设计成绩评定表
系（部）： 班级： 学生姓名：
指 导 教 师 评 审 意 见
评价
内容
具 体 要 求
权重
评 分
加权分
调研
论证
能独立查阅文件,搜集资料；能制订课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2

工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
5
4
3
2

工作量
按期圆满完成要求设计任务，工作量饱满，难度适宜。
0.2
5
4
3
2

说明书质量
说明书立论正确，叙述充足，结论严谨合理，文字通顺，技术用语正确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
5
4
3
2

指导老师评审成绩
（加权分累计乘以12）
分
加权分累计

指 导 教 师 签 名：
年 月 日
评 阅 教 师 评 审 意 见
评价
内容
具 体 要 求
权重
评 分
加权分
查阅
文件
查阅文件有一定广泛性；有综合归纳资料能力
0.2
5
4
3
2

工作量
工作量饱满，难度适中。
0.5
5
4
3
2

说明书质量
说明书立论正确，叙述充足，结论严谨合理，文字通顺，技术用语正确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.3
5
4
3
2

评阅老师评审成绩
（加权分累计乘以8）
分
加权分累计

评 阅 教 师 签 名：
年 月 日
课 程 设 计 总 评 成 绩
分

摘要

可编程控制器是一个数字运算操作电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采取能够编制程序存放器，用来在实施存放逻辑运算和次序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并经过数字或模拟输入(I)和输出(O)接口，控制多种类型机械设备或生产过程。可编程序控制器(PLC)作为一个以微电脑技术为关键自动控制装置，它将传统继电器-接触器控制技术和计算机和通信技术融为一体，在工业自动化，机电一体化和传统工业控制方面，得到了广泛应用， 发挥着越来越大作用。已被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源等多种行业。它可靠性高、功效完善、抗干扰性好，含有结构简单、重量轻等优点。是一个专门用于工业环境及过程控制数字运算操作电子系统。城市交通信号控制是经过对交通流调整、警告和诱导以达成改善人和货物安全运输，提升运行效率。采取PLC控制交通信号灯，关键是考虑其含有对使用环境适应性强特征，同时其内部定时器资源十分丰富。
现在，PLC已广泛应用于工业控制中，不过在交通控制方面应用方面还不是很广泛。PLC应用于交通控制还有很大潜能，PLC以其可方便操作、可方便编程调试等特点，使得其有逐步替换以往单片机在交通灯中地位趋势。
利用德国西门子企业S7—200 PLC来实现交通信号灯自动控制。经过对交通信号灯控制要求分析，结合西门子S7-200控制性能，经过系统时序图分析，对交通灯系统进行了软、硬件设计，实现了十字路口交通灯合理控制功效，经过试验证实该方法设计系统简单、经济实用、远行可靠，含有很高实用价值。

关键字：PLC 交通灯控制 设计 调试

目录
基于s7-200 plc十字路口交通信号灯控制系统设计 I
摘要 III
目录 4
1 设计任务描述 5
1.2 设计要求. 5
1.2.2 基础要求 5
1.2.3 发挥部分 5
2 设计思绪 6
3 设计和分析 7
3.1设计框图 7
3.2设计分析 7
4 硬件部分 9
4.1 PLC I/O分配 9
4.2系统硬件结构图 10
4.3 PLC接线形式 11
5软件设计部分 12
5.1 梯形图 13
5.2语句表 16
6 PLC概述 19
6.1PLC硬件结构 19
6.2中央处理单元(CPU) 19
6.3存放器 20
6.4输入/输出模块 21
图6.4.1 23
图6.4.2 23
7元件清单 24
小结 25
致 谢 26
参考文件 27

1 设计任务描述

1.1 设计题目：基于s7-200 plc十字路口交通信号灯控制系统设计

1.2 设计要求.

1.2.1 设计目标
可编程控制器是一个数字式电子装置，它使用可编程序存放器来存放指令，并实现逻辑运算、次序运算、记数和算术运算等功效。用来对多种机械或生产过程进行控制。
自1969年第一台可控编程控制器问世以来，现在可编程控制器已经成为一个最关键、最普及、应用场所最多工业控制器。编程序控制器（PLC）于20世纪60年代在美国诞生，在中国发展和应用已经有30多年历史，现在它已经广泛应用于国民经济各个工业生产领域，成为提升工业装备电气自动化水平关键设备和强大支柱。所以，PLC技术已成为电气自动化专业技能型人才必不可少关键技能，经过实践，能够帮助学生加深对理论知识消化吸收，提升PLC编程技能。

1.2.2 基础要求

信号灯受一个开启开关控制，当开启开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当开启开关断开时，全部信号灯全部熄灭。
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮同时东西绿灯也亮，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25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，东西绿灯亮，周而复始。要求完成以下项目：
1、画出交通信号灯时序状态示意图
2、画出交通灯控制步骤图
3、完成可编程控制器I/O端口分配和外部接线图
4、完成十字路口交通信号灯PLC控制梯形图编程

1.2.3 发挥部分
2 设计思绪

根据交通灯系统控制要求下，结合西门子S7-200系列可编程控制器特征（见附录），
选择适合型号。设计思想分析以下：给一个开启输入信号，要配合一个SB1按钮，当SB1开启按钮动作，系统工作。
首先，南北方向道路处于严禁通行状态，东西方向道路处于许可通行状态。
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25秒，才会转入下一状态南北绿灯亮；同时，东西方向道路也一起亮绿灯20S,需计时器设定延时20秒，才会转下一状态东西绿灯闪烁；东西绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使东西绿灯闪烁，还需要计时器设定延时3秒，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2秒，才会转入下一状态东西红灯亮。
其次，东西方向道路处于严禁通行状态，南北方向道路处于许可通行状态。
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30秒，才会转入下一状态东西绿灯亮；同时，南北方向道路也一起亮绿灯25S,需计时器设定延时25秒，才会转下一状态南北绿灯闪烁；南北绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使南北绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3秒，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2秒，才会转入下一状态南北红灯亮。
如此循环下去。

3 设计和分析

3.1设计框图

开始

南北红灯亮，东西绿灯亮

南北红灯亮，东西绿灯闪

南北红灯亮，东西绿灯亮

东西红灯亮，南北绿灯亮

东西红灯亮，南北绿灯闪

东西红灯亮，南北绿灯亮

开始

3.2设计分析

图1 十字路口交通示意图

这12个交通灯共有6个状态：

南北红灯（1 7）亮 东西绿灯（6 12）亮
南北红灯（1 7）继续亮 东西绿灯（6 12）闪
南北红灯（1 7）继续亮 东西绿灯（5 11）亮
东西红灯（4 10）亮 南北绿灯（3 9）亮
东西红灯（4 10）继续亮 南北绿灯（3 9）闪
东西红灯（1 7） 继续亮 南北绿灯（2 8）亮

4 硬件部分
4.1 PLC I/O分配

交通灯控制系统共有一个输入点：开启按钮。输出信号有东西方向、南北方向两组指示灯驱动信号和东西方向、南北方向车辆运行指示灯驱动信号甲、乙。因为每一方向指示灯中，同种颜色指示灯运行情况相同，为节省输出点数，采取并联输出法。由此确定，系统所需输入点数为1，输出点数为8，全部为开关量。PLC I／O点分配如表一所表示。

表一PLC I/O口分配

输入元件 输入地址 输出元件 输出地址

开启按钮 I0.0 南北红灯 Q0.0
南北黄灯 Q0.1
南北绿灯 Q0.2
东西红灯 Q0.3
东西黄灯 Q0.4
东西绿灯 Q0.5
南北车灯（乙） Q0.6
东西车灯（甲） Q0.7

4.2系统硬件结构图

依据系统对I／O口量需求，选择s7—200来完成设计，系统硬件结构图2所表示。

检测装置

PLC

计数器

CPU

定时器

交通灯

图2 系统硬件结构

4.3 PLC接线形式

图3所表示

图3 PLC接线图

端口I0.0为接入系统开关传送信号，端口Q0.0接起报警作用信号灯，端口Q0.1接南北红灯，端口Q0.2接东西绿灯，端口Q0.3接东西黄灯，端口Q0.4接东西黄灯，Q0.5接南北绿灯，Q0.6接南北黄灯。

5软件设计部分

控制系统程序可分为两个模块：开始模块和十字路口信号灯控制模块。其中十字路口信号灯控制模块是主模块。时间设定由定时器(T)完成，经过不一样定时器交替触发和定时来控制各个车道每个信号灯亮灭时间。时间设定可依据实际情况分时设置。依据控制任务要求，利用step7一micro／win32软件设计交通灯系统梯形图程序，

图4。

5.1 梯形图

5.2语句表

5.3 时序图

图4 十字路口交通灯时序

6 PLC概述
6.1PLC硬件结构
PLC实质是一个专用于工业控制计算机，其硬件结构基础上和微型计算机相同，中央处理单元(CPU)，以下图2-1所表示。

4-1 PLC硬件结构
6.2中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。它PLC系统程序给予功效接收并存放从编程器键入用户程序和数据；检验电源、存放器、I/O和警戒定时器状态，并能诊疗用户程序中语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描方法接收现场各输入装置状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存放器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令要求实施逻辑或算数运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等全部用户程序实施完成以后，最终将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到对应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
深入提升PLC可靠性，多年来对大型PLC还采取双CPU组成冗余系统，或采取三CPU表决式系统。这么，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
6.3存放器
存放系统软件存放器称为系统程序存放器。存放应用软件存放器称为用户程序存放器。
1、PLC常见存放器类型
（1）RAM （Random Assess Memory） 这是一个读/写存放器(随机存放器)，其存取速度最快，由锂电池支持。
（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一个可擦除只读存放器。断电情况下，存放器内全部内容保持不变。紫外线连续照射下可擦除存放器内容)。
（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一个电可擦除只读存放器。使用编程器就能很轻易对其所存放内容进行修改。[3]
2、PLC存放空间分配
多种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存放空间通常包含以下三个区域：
（1）系统程序存放区
（2）系统RAM存放区（包含I/O映象区和系统软设备等）
（3）用户程序存放区[4]
系统程序存放区：系统程序存放区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。包含监控程序、管理程序、命令解释程序、功效子程序、系统诊疗子程序等。由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC性能。
系统RAM存放区：系统RAM存放区包含I/O映象区和各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存放器。[5]
（1）I/O映象区：PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至对应外设。它需要一定数量存放单元(RAM)以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存放单元中一个位（bit），一个模拟量I/O占用存放单元中一个字（16个bit）。整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。
（2）系统软设备存放区 ：I/O映象区区以外，系统RAM存放区还包含PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存放区。该存放区又分为含有失电保持存放区域和无失电保持存放区域，前者PLC断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。
用户程序存放区：关键用来存放用户应用程序。所谓用户程序时指使用户依据工程现场产生过程和工艺要求编写控制程序。次程序由使用者经过编程器输入到PLC机RAM存贮器中，方便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。
6.4输入/输出模块
输入/输出模块是可编程控制器和工业生产设备或工业生产过程连接借口。现场输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关和传感输出开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，全部要经过输入模块送到PLC。因为这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接收和处理数字信号。输入模块作用是接收中央处理器处理过数字信号，并把它转换成现场实施部件所能接收控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等实施机构。可编程控制器有多个输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不一样参数等级，关键有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上全部设有接线端子排，为了滤除信号噪声和便于PLC内部对信号处理，这些模块上全部带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有广电耦合电路，其目标是把PLC和外部电路隔离起来，以提升PLC抗干扰能力。数字两输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方法。模拟量输入/输出模块关键用来实现模拟量和数字量之间转换，即A/D或D/A转换。因为工业控制系统中有传感器或实施机构有部分信号是连续改变模拟量，所以这些模拟量必需经过模拟量输入/输出模块和PLC中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换后二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC1/0总线挂接。现在标准量程模拟电压关键是0—5伏和0—10伏两种。另外还有：0—somV、0—IV、—5—+SV、—10—+10V，0—10mA等。模拟量输入模块接收标准量程模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器二进制数字信号转换成标准量程电压或电流输出信号，提供给实施机构。

图6.4.1

图6.4.2

7元件清单

名称

型号

数量

备注

计算机

1

可编程控制器

S7-200

1
西门子

数据线

1

STEP7-Micro/WIN

1

小结
    PLC课程结束了，又到了课程设计时候，我们组分到了：基于S7-200 PLC十字路口交通信号灯系统设计
面对这个题目依据老师课堂讲内容很快就确定了设计方向，并和同学们合作处理碰到问题。经过这次设计，我意识到了PLC编程技术在现实中广泛应用，并了解到自己学习中不足之处，看到了理论和实践差距。 
     经过一周PLC设计实践。我学会了PLC基础编程方法，对PLC工作原理和使用方法也有了更深刻了解。在对理论利用中，提升了我们工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道撑握全部是思想上，对部分细节不加重视，当我们把自己想出来程序和到PLC中时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行结果和要求结果不相符合。能过处理一个个在调试中出现问题，我们对PLC 了解得到加强，看到了实践和理论差距。 
      经过合作，我们合作意识得到加强。合作能力得到提升。上大学后，很多同学全部没有过深入交流，在设计过程中，我们用了分工和合作方法，每个人互责一定部分，同时在一定阶段共同讨论，以处理分工中个人不能处理问题，在交流中大家主动讲话，和提出意见，同时我们还向别同学请教。在此过程中，每个人全部想自己方案得到实现，主动向同学说明自己想法。能过比较选出最好方案。在这过程也提升了我们表过能力。 
     经过此次课设，让我了解了PLC梯形图、指令表、次序功效图有了愈加好了解，也让我了解了相关PLC设计原理。有很多设计理念起源于实际，从中找出最适合设计方法。实践不一样于理论，理论上可行设计，在考虑实际条件种种影响下，必需有所取舍，有侧重，才能事半功倍，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。

致 谢

在设计过程中我们还得到了老师帮助和意见。在学习过程中，不是每一个问题全部能自己处理，向老师请教或向同学讨论是一个很好方法，不是有句话叫做学而不思则怠,做事要学思结合。PLC不仅需要编程能力，更是要求设计者了解控制电路时序关系，作用原理，在接到题目以后，经过查询资料对题目标所需要编程器件，设计思绪有了一定准备，但还是碰到了很多问题，感谢祝老师给立即指导和帮助，能够跳出我们思维不足，从更高，宏观层面和维度来分析问题，给出中肯和针对性提议，经过和同学讨论，更是使我完善了自己能力不足之处，并能使我们一起提升。感谢学校老师给我们提供实践机会和条件，能够锻炼自己实际动手能力，不仅停留在理论层面学习，更要将所学转化为一个能力和素质，培养自己工程实践经验，从最基础课程设计做起，为实际动手操作，打实基础，因为只有实践，才能出真知。

参考文件

[1] 王永华 .现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，
[2] 赵景波等.零基础学西门子S7-200 PLC.北京：机械工业出版社，
[3] 龚威，张树臣，王瀛. 实例解读西门子PLC.北京：中国电力出版社,
[4] 李国丽，朱维勇电子技术试验指导书合肥：中国科技大学出版社，