西门子PLC交通灯设计

安徽国防科技职业学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目西门子PLC交通灯设计系别机电工程系专业（班级）08机电一体化技术学生姓名张纬国学号指导教师章飞西门子PLC交通灯设计2摘要随着社会经济的发展，城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，城市交通问题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。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。其中用标准逻辑器件来实现电路在很大程度上要受到逻辑器件如门电路等的影响，调试工作极为不易，而笔者对单片机运用来进行系统的设计开发也不是很熟悉，因此，最终笔者选择了用西门子PLC来实现系统功能的设计，完成本次设计的题目。关键字：西门子S7-200，交通灯，PLC，梯形图。西门子PLC交通灯设计3目录1引言............................................................41.1PLC概述...................................................41.2PLC的功能.................................................41.3PLC的工作原理和结构.......................................51.3.1PLC的工作原理：.......................................51.3.2结构：................................................51.4PLC的硬件介绍和选型.......................................51.5西门子S7-200系列PLC的基本指令............................81.5.1逻辑取及输出线圈指令（LD、LDI、OUT）.................81.5.2单个触点串联指令（AND、ANI）..........................91.5.3S7-200系列PLC的定时器指令..........................101.6西门子S7-200系列的编程软件...............................111.6.1编程准备.............................................111.6.2程序的调试和监控.....................................122交通灯控制要求.................................................132.1路况示意图................................................132.2工作要求和过程............................................132.3根据交通灯示意图模拟控制实验..............................143交通灯控制的设计...............................................143.1顺序图...................................................143.2I/O分配及接线图..........................................153.3编制程序..................................................173.4交通灯时序波形图..........................................213.5PLC系统调试..............................................214致谢...........................................................225参考文献.......................................................22西门子PLC交通灯设计41引言1.1PLC概述PLC是ProgrammableLogicController的缩写，即可编程逻辑控制器。它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，所以现在仍然将可编程逻辑控制器简称plc。它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。1.2PLC的功能1：控制功能逻辑控制，包括（定时，计数，顺序，逻辑）控制2：数据采集、存储与处理功能数学运算功能3：输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。4：通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。如西门子S7-200的Profibus现场总线口，其通信速率可以达到12Mbps。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。5：人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。西门子PLC交通灯设计56：编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。1.3PLC的工作原理和结构1.3.1PLC的工作原理：采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。注意：由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。1.3.2结构：plc实质上是一种专用与工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机再结构上分为固定式和组合式（模块式）两种，固定式plc包括CPU板，I/O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，I/O模块，内存模块，电源模块，底板或机架。这些模块可以按照一定的规则组合配置。PLC的基本结构框图1.4PLC的硬件介绍和选型（一）PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室接口部件输出输入接口部件件中央处理单元CPU板电源部件西门子PLC交通灯设计6安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。（二）输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。（三）CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。（四）I/O的分配PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存西门子PLC交通灯设计7器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（五）电源的选择根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压.电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和,同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素;电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。直流输入电源对于输入电压一般都是宽范围:如5V为4.5-9V,12V为9-18V,24V为18-36V,48V为36-72V,110V为60-160V。交流输入电源一般为220VAC(176-264V)和三相三线(四线),并带有PFC功率因数校正功能。（六）存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。经济性的考虑，选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩西门子PLC交通灯设计8展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格