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1机电工程学院课程设计说明书设计题目：多时段十字路口交通信号灯PLC控制系统设计学生姓名：学号：20094805专业班级：机制F09指导教师：2012年12月12日1内容摘要本课程设计以“多时段十字路口交通信号灯PLC控制系统设计”为题目，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯进行控制，同时系统具有一定的智能性，可以对交通灯实现高峰期、正常期及晚间三个时段进行分段控制。它们分别和各自的时序图相对应，从而控制交通灯的信号。本系统采用主程序调用子程序的设计方案，通过主程序调用当前时间，对时间段的判别而调用相关的子程序，达到设计要求。为了达到时间一致性的目的，时钟的校对是不可缺少的，所以我设计了校对时间的子程序SBR_0。主程序使用了调用子程序，设定实时时钟指令，读实时时钟指令，移位指令，BCD码与整数转换指令，乘法指令，加法指令，比较指令等等。子程序尽管比较长，但是相对来说指令简单些，它主要使用了定时器，触点和输出线圈等等。关键词：多时段；交通信号灯；PLC；设定实时时钟2目录第1章引言1第2章系统总体方案分析与设计32.1控制要求32.2方案分析52.3硬件选型52.4方案设计62.5元器清单6第3章PLC控制系统设计73.1控制要求分析及设计73.1.1主电路设计73.1.2确定I/O点数量及PLC类型73.2控制程序流程图93.3控制程序编制103.3.1梯形图（见附录I）103.3.2指令表（见附录II）103.4程序调试10结论14设计总结15致谢16附录17参考文献331第1章引言社会的发展使汽车进入家庭的步伐不断加快，城市汽车的数量越来越多，城市道路交通问题显得异常重要。解决好十字路口交通信号灯控制问题是保障交通安全、有序、快速运行的重要组成部分。由于人们工作、作息的特点，使得城市总是存在早、晚高峰的问题，为了更好地解决交通拥堵问题，我在老师的指导下并查阅了很多资料进行了这次以“多时段十字路口交通信号灯PLC控制系统设计”为题目的课程设计。我的设计方案利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯进行控制，同时系统具有一定的智能性，可以对交通灯实现高峰期、正常期及晚间三个时段进行分段控制。它们分别和各自的时序图相对应，从而控制交通灯的信号，能很好的满足控制要求。系统仅实现了小型PLC系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析、研究和调试工作。如果进一步结合工业控制的要求，形成一个较为成型的产品，则需要作更多、更深入的研究。可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,简称PLC)根据国际电工委员会(IEC)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。PLC作为一种专用于工业环境的、具有特殊结构的计算机，有其显著的特点。(1)可靠性高，抗干扰能力强。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故2障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。(2)硬件配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。(4)安装方便，扩展灵活。PLC采用标准的整体式和模块式硬件结构，现场安装简便，接线简单，工作量相对较小；而且能根据应用的要求扩展输入—输出模块或插件，系统集成方便灵活。各种控制功能通过软件编程完成，因而能适应各种复杂情况下的控制系统，也便于控制系统的改进和修正，特别适应各种工艺流程变更较多的场合。(5)系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。(6)体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3第2章系统总体方案分析与设计2.1控制要求1、系统工作受开关控制，起动开关ON则系统工作；起动开关OFF则系统停止工作；2、控制对象：东西方向红灯（R—EW）两个，南北方向红灯(R—SN)两个，东西方向黄灯（Y—EW）两个，南北方向黄灯(Y—SN)两个，东西方向绿灯（G—EW）两个，南北方向绿灯(G—SN)两个，东西方向左转弯绿灯(L—EW)两个，南北方向左转弯绿灯(L—SN)两个。3、控制规律：（1）高峰时段，交通信号灯按时序图2-2运行；正常时段，交通信号灯按时序图2-3运行；晚上时段按提示警告方式运行，规律为：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。（2）高峰时段、正常时段及晚上时段的时序分配按时序图2-1运行；图2-1时段分配时序图42.2硬件选型图2-2高峰时段信号灯时序控制图图2-3正常时段信号灯时序控制图52.2方案分析本系统是一个十字路口交通灯的PLC控制系统，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯进行控制。本系统具有一定的智能性，即它可以对交通灯按高峰期、正常期及晚间几个时段进行分段控制。高峰期的控制方案为：（1）南北方向左转弯灯和南北方向红灯同时亮10秒，同时东西方向红灯亮；（2）南北方向绿灯亮35秒，东西方向红灯继续亮；（3）南北方向黄灯闪烁5秒；东西方向红灯继续亮；（4）东西方向左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮；（5）东西方向绿灯亮25秒，南北方向红灯继续亮；（6）东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第（1）步依次循环。正常期的控制方案为：（1）南北方向左转弯灯和南北方向红灯同时亮10秒，同时东西方向红灯亮；（2）南北方向绿灯亮30秒，东西方向红灯继续亮；（3）南北方向黄灯闪烁5秒；东西方向红灯继续亮；（4）东西方向左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮；（5）东西方向绿灯亮30秒，南北方向红灯继续亮；（6）东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第（1）步依次循环。晚间的控制方案为：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。2.3硬件选型由于根据控制要求所确定的输入点为三个、输出点为八个，控制开关输入的启、停信号和时钟初始化信号是输入信号；在交通灯布置图中，南北方向的三色灯，共六盏，同颜色的灯在同一时间亮、灭；所以，可将同色灯两两并联，用一个输出信号控制。同理，东西方向的三色灯也依此设计。再加上东西方向左转的三色灯，共八盏，所以其占8个输出点。由于我是以一个路口信号单独控制为例，考虑到够用为准。所以我选择了CPU224这一具有较强控制功能的控制器。在这里我采用德国西门子公司的S7-200可编程控制器，它是积木式结构，安装比较方便，中央处理单元和信号模板有多种类型。根据本系统输入点数及控制要求，中央处理单元可选用CPU224，该CPU板上本身具有10个数字量输入点，6个非隔离数字量6输出点，最多能够带8个数字量信号模板，使用内部24V直流电源为输入回路供电，输出为晶体管式的硬件连接方式。电源模块将交流电源转换成供CPU，存储器等所有扩展模块使用的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心，它的好坏直接影响到PLC的稳定性和可靠。S7-200属于小型PLC，电源模块与CPU模块封装在一起，通过连接总线为本机和扩展模块提供+5V（DC）电源。同时，还可通过端子向外输出一个+24V（DC）电源，供本机输入点和扩展模块继电器线圈使用。需注意的是，从资料中我了解到，外部电源不可与S7-200的传感器电源并联使用。否则，将会导致两个电源的竟争而影响它们各自的输出，缩短其使用寿命，使得一个或两个电源同时失效，使PLC系统产生不正确的操作。正确的使用方法是S7-200的传感器电源和外部电源应该在不同的点上提供电源，而两者之间只能有一个会共连接点。2.4方案设计系统采用主程序调用子程序的设计方案，通过主程序读取、计算并比较当前时间，根据对时间段的判断和分析来确定所调用得子程序段。子程序段分别是正常时间段、高峰时间段和晚间时间段，它们分别和各自的时序图相对应，从而控制交通灯的信号。2.5元器清单表2-1多时段十字路口交通信号灯元器件目录表序号文字符号名称数量1HL7-1,2HL7-1,2转弯灯42HL3-1,HL6-1,2红灯43HL2-1,2HL5-1,2黄灯44HL1-1,2HL4-1,2绿灯45SB1时钟初始化开关16SB2启动按钮17SB3停止按钮18LPCS7-200可编程序控制器17第3章PLC控制系统设计3.1控制要求分析及设计3.1.1主电路设计主电路主要采用比较指令判断时间的范围，近而调用子程序，从而实现控制要求。3.1.2确定I/O点数量及PLC类型分析PLC的输入和输出信号,在满足控制要求的前提下,要尽量减少占用PLC的I/O点。由系统控制要求可见，由控制开关输入的启、停信号是输入信号。由PLC的输出信号控制各指示灯的亮、灭。在交通灯布置图中，南北方向的三色灯共六盏，同颜色的灯在同一时间亮、灭；可将同色灯两两并联，用一个输出信号控制。同理，东西方向的三色灯也依次设计。再加上东西方向左转的灯共16盏，所以其占8个输出点。选择PLC型号：CPU224DC，内部电源供电，继电器输出形式。1.I/O点的