9A文基于PLC交通灯设计.docx

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9A文基于PLC交通灯设计

学院

学生毕业设计（论文）报告

系别：

专业：

班号：

学生姓名：

学生学号：

设计（论文）题目：

基于PLC交通灯设计

指导教师：

设计地点：

起迄日期：

20KK.10.01-20KK.6.03

毕业设计（论文）任务书

专业班级姓名

一、课题名称：

基于PLC交通灯设计

二、主要技术指标（或基本要求）：

1、采用西门子的S7-300PLC对东西南北的红、黄、绿、灯实现有规律的循环闪亮

2、采用了顺序控制设计法用了六个计数器自动实现对八个控制对象的控制

3、采用了组态软件对交通灯进行仿真

三、主要工作内容：

1、熟悉题目要求，通过查阅相关科技文献，初步拟定的方案；

2、对所选方案论证与确定，并分析其可行性；

3、通过计算，初步完成交通灯方案设计；

4、对交通灯进行硬件设计；

5完成软件设计，并进行仿真；

6、整理资料，撰写毕业设计论文；

7、准备答辩。

四、主要参考文献：

[1]廖常初.PLC编程及应用（第三版）[M].北京：

机械工业出版社，20KK

[2]田淑珍.S7-300PLC原理及应用[M].北京：

机械工业出版社，20KK

[3]张运刚等.PLC技术与应用[M].北京：

人民邮电出版社，20KK

[4]苏昆哲.深入浅出西门子WINCCV6[M].北京：

北京航空航天大学出版社，20KK.

学生（签名）20KK年9月30日

指导教师（签名）20KK年9月30日

教研室主任（签名）20KK年9月30日

系主任（签名）20KK年9月30日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

基于PLC交通灯设计

一．选题的背景和意义：

PLC具有对使用环境适应性强的特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制,特别对多岔路口的控制可方便地实现。

因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。

同时,PLC本身还具有通讯联网功能,将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理,可缩短车辆通行等候时间,实现科学化管理.

2．课题研究的主要内容：

1、PLC控制交通灯与其他软件控制相比较的优势；

2、PLC控制交通灯的整体设计方案；

3、硬件设计：

系统的硬件设计；

4、软件设计：

交通灯梯形图程序设计；

5、方案验证：

利用组态仿真软件验证方案的正确性

三．主要研究（设计）方法论述：

1、文献研究法：

在开题初期，通过网络，图书，期刊收集资料；

2、市场调查法：

在设计前，对各种交通灯进行市场调查；

3、对比法：

对各种交通灯设计方案的优缺点进行比较，优化设计方案；

4、软件仿真法：

利用组态仿真软件验证方案的正确性、合理性和有效性

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

20KK.10.01~20KK.10.05

确立研究课题，初拟毕业设计纲要

20KK.10.05~20KK.10.08

查阅相关资料并进行分析、归纳、总结

20KK.10.08~20KK.10.15

认真研究课题，确定设计方案

20KK.10.15~20KK.10.16

撰写中期检查报告

20KK.10.16~20KK.10.23

完成交通灯硬件设计

20KK.10.23~20KK.10.25

编译程序并进行时序仿真

20KK.10.25~20KK.11.17

撰写毕业设计论文

20KK.11.18~20KK.05.31

修改论文完成初稿，并提交电子稿于老师审阅

20KK.05.31~20KK.06.03

准备毕业答辩

五、指导教师意见

指导教师签名：

年月日

六、系部意见：

　系主任签名：

年月日

基于PLC交通灯设计

摘要

Abstract

第1章前言1

第2章可编程程序控制器（PLC）2

2.1PLC的硬件结构2

2.2PLC的工作原理2

第3章方案设计4

3.1设计要求4

3.2系统设计方案分析4

3.3PLC选型6

第4章系统硬件设计7

4.1设计原则7

4.2PLC外部连接设计7

4.3设计要点及注意事项8

第5章系统程序设计10

5.1系统程序分析10

5.2梯形图软件设计10

5.3梯形图所对应的语句表15

第6章系统检测与调试17

6.1组态软件的介绍17

6.2组态画面的建立18

6.3变量的定义18

6.4仿真并调试19

6.5调试要点及注意事项22

第7章结束语24

参考文献25

答谢辞26

摘要

PLC可编程序控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

本设计是用PLC来实现对十字路口交通信号灯的控制，其控制方法是采用西门子的S7-300PLC对东西南北的红、黄、绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。

控制过程中采用了顺序控制设计法用了六个计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的控制。

控制程序包括有顺序功能图（SFC）、梯形图（LAD）、指令表（STL）。

系統调试运行是用组态软件进行仿真的，最终经过多次调试实现了我们所需的全部设计要求。

关键字：

PLC、交通灯、控制系统、组态设计

Abstract

PLCprogrammablelogiccontrollerisamicroprocessor-based,integratedcomputertechnology,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnologyevolvedanewtypeofindustrialcontroldevices.Ithasasimplestructure,convenientprogramming,highreliability,hasbeenwidelyusedinindustrialprocessesandautomaticcontroloftheposition.ThisdesignisrealizeswithPLCtotheintersectionstreet-trafficcontrollights'control,itscontrolmethodisusesSimens'sS7-300PLCtotheEast,West,SouthandNorthred,yellow,green,theleftgreenlighttorealizetheorderlycirculationtoglisten,achievestostreet-trafficcontrollights'control.Inthecontrolledprocessusedthesequentialcontroldesignlawtouseeighttimersixcounterstodividethetimeintervalfrequencydivisionratetorealizeautomaticallytoeightcontrolledmembercontrol.Thecontrolprocedureincludesthesmoothfunctionaldiagram（SFC）,trapezoidalchart（LAD）,instructionlist（STL）.Systemcommissioningisconfigurationsoftwaresimulation,finallyafterseveraldebuggingallweneedtoachievethedesignrequirements.

Keywords:

PLC,trafficlights,controlsystems,configurationdesign

第1章前言

可变程序控制器（PLC）是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。

自60年代问世以来，PLC得到了突飞猛进的发展，尤其在数据处理、网络通信及与DCS等集散系统融合方面有了很大的进展，可变程序控制器已经成为工业自动化强有力的工具，得到了广泛的普及和推广应用。

交通十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。

靠什么来实现这井然秩序呢?

靠的是交通信号灯的自动指挥系统。

那么控制系统是如何实现红、绿、黄三种颜色信号灯有条不紊工作的呢?

交通信号灯控制方式很多，可以用电子电路来实现，也可以用单片机编程控制来实现。

本文主要介绍如何利用PLC来实现十字路口交通灯的控制。

第2章可编程程序控制器（PLC）

2.1PLC的硬件结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC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、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

其结构如图2-1所示。

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。

如图2-1PLC的结构图：

图2-1PLC的结构图

2.2PLC的工作原理

它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。

用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。

PLC的硬件系统结构如下图2-2所示：

图2-2PLC的硬件结构图

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段.PLC在输入采样阶段：

首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。

随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：

当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

第3章方案设计

3.1设计要求

交通灯控制系统的控制要求如下：

1:

信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。

当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。

2:

南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。

3:

南北红灯亮维持25S。

在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。

到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。

在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。

到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。

同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。

4:

东西红灯亮维持30S。

南北绿灯亮维持25S。

然后闪烁3S，熄灭。

同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。

5：

周而复始。

如图3-1所示：

图3-1交通信号图

3.2系统设计方案分析

十字路口交通灯状态的分析：

十字路口交通灯如下图3-1所示，将12个交通灯进行编号

这12个交通灯共有四个状态：

状态1：

南北红灯（1、7）亮，东西绿灯（6、12）亮。

状态2：

南北红灯（1、7）继续亮，东西绿灯（6、12）闪。

状态3：

南北红灯（1、7）继续亮，东西黄灯（5、11）亮。

状态4：

东西红灯（4、10）亮，南北绿灯（3、9）亮。

状态5：

东西红灯（4、10）继续亮，南北绿灯（3、9）闪。

状态6：

东西红灯（1、7）继续亮，南北黄灯（2、8）亮。

如图3-2所示:

图3-2交通红绿灯分布图

交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制要求按一定时序进行，如图3-3所示:

3.3PLC选型

S7-300PLC的选型原则是据生产工艺所需的功能和容量进行选型，并考虑维护的方便性、备件的通用性，以及是否易于扩展和有无特殊功能等要求。

选型时具体注意以下几方面：

（1）有关参数确定。

一是输入/输出点数（I/O点数）确定。

这是确定PLC规模的一个重要依据，一定要根据实际情况留出适当余量和扩展余地。

二是PLC存储容量确定。

注意当系统有模拟量信号存在或要进行大量数据处理时，其存储容量应选大一些。

（2）系统软硬件选择。

一是扩展方式选择，S7-300PLC有多种扩展方式，实际选用时，可通过控制系统接口模块扩展机架、Profibus-DP现场总线、通信模块、运程I/O及PLC子站等多种方式来扩展PLC或预留扩展口；二是PLC的联网，包括PLC与计算机联网和PLC之间相互联网两种方式。

因S7-300PLC的工业通信网络淡化了PLC与DCS的界限，联网的解决方案很多，用户可根据企业的要求选用；三是CPU的选择，CPU的选型是合理配置系统资源的关键，选择时必须根据控制系统对CPU的要求包括系统集成功能、程序块数量限制、各种位资源、MPI接口能力等。

（3）PROFIBUS-DP主从接口、RAM容量、温度范围等，并最好在西门子公司的技术支持下进行，以获得合理的选型；四是编程软件的选择，这主要考虑对CPU的支持状况，我们的体会是：

STEP7V4.0对有些型号的CPU不支持，硬件组态时会发生故障出错，而STEP7V5.0则不存在这种问题。

第4章系统硬件设计

4.1设计原则

（1）满足被控设备或生产过程的控制要求；

（2）在满足控制要求的前提下，力求简单、经济，操作方便；

（3）保证控制系统工作安全可靠；

（4）考虑到今后的发展改进，应适当留有进一步扩展的余地。

4.2PLC外部连接设计

交通灯的硬件设计包括输入/输出PLC地址编号、输入/输出分配。

根据交通灯的控制要求，该系统要求有一个启动开关，1个停止开关，共两个输入点，12盏灯，东西方向、南北方向的同一类灯可以共用1个点，故用6个输出就可以。

交通输入/输出信号与PLC地址编号对照表如3-4所示，输入/输出分配线图如图3-5所示。

表4-1输入/输出信号与PLC地址编号对照表

输入信号

输出信号

名称

编号

南北绿灯

Q0.0

启动开关

M2.0

南北红灯

Q0.1

停止开关

M2.1

南北黄灯

Q0.2

东西绿灯

Q1.0

东西红灯

Q1.1

东西黄灯

Q1.2

图4-2交通灯输入/输出接线图

4.3设计要点及注意事项

1.设计要点

（1）抗干扰设计。

来自电源线的杂波，能造成系统电压畸变，导致系统内电气设备的过电压、过负荷、过热甚至烧毁元器件，造成PLC等控制设备误动作。

所以，在电源入口处最好应设置屏蔽变压器或电源滤波等防干扰设施。

其中，电源滤波器的地要以最短线路接到中央保护地。

对于直流电源，则可加装微分电容加以干扰抑制。

应合理配置PLC的使用环境，提高系统抗干扰能力。

具体采取的措施有：

远离高压柜、高频设备、动力屏以及高压线或大电流动力装置；通信电缆和模拟信号电缆尽量不与其他屏（盘）或设备共用电缆沟；PLC柜内不用荧光灯等。

另外，PLC虽适合工业现场，但使用中也应尽量避免直接震动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等；不要在有腐蚀性气体、灰尘过多、发热体附近应用；避免导电性杂物进入控制器。

（2）保护接地设计。

可采取用不小于10mm2的保护导线接好配电板的保护地；相邻的控制柜也应良好接触并与地可靠连接。

同时要做好防雷保护接地，通常可采取总线电缆使用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地，或模拟信号电缆采取两层屏蔽，外层屏蔽两端接地等措施。

另外，为防止感应雷进入系统，可采用浪涌吸收器。

（3）信号屏蔽设计。

信号的屏蔽非常关键，一般可采取屏蔽电缆传送模拟信号。

注意对多个模拟信号共用一根多芯屏蔽电缆或用两种屏蔽电缆传送时，信号间一定要做好屏蔽。

而且电缆的屏蔽层一端（一般在控制柜端）要可靠接地。

当现场没有或无法设置硬点时，可在操作界面上采取软按键的方法解决走向选择或控制方式选择等问题。

此外，与变频器、智能仪表等的连接，最好还是采用信号线直接相连的方式。

2.设计注意事项

（1）PLC输出电路中没有保护，因此在外部电路中应设置串联熔断器等保护装置，以防止负载短路造成PLC损坏。

熔断器容量一般为0.5A。

（2）PLC存在I/O响应延迟问题，因此在快速响应设备中应加以注意。

MPI通信协议虽简单易行，但响应速度较慢。

（3）编制控制程序时，最好用模块式结构程序。

这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作；又能使数据库结构统一，方便WinCC组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一显示。

（4）硬件资源。

要合理配置硬件资源，以提高系统可靠性。

如PLC电源配电系统要配备冗余的UPS不间断电源，以排除停电对全线运行的不利影响。

又如对电机的控制回路要进行继电器隔离，以消除外部负载对I/O模块的可能损坏。

另外，系统设备要采用独立的接地系统，以减少杂波干扰。

第5章系统程序设计

5.1系统程序分析

根据设计要求，分析出交通灯的正常时序流程图如图5-1所示：

图5-1正常时序流程图

5.2梯形图软件设计

当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。

当按下停止按钮时，所有信号灯都熄灭。

交通灯控制系统的控制要

根据程序分析，设计梯形图程序如图5-2所示：

图5-2交通灯程序梯形图

5.3梯形图所对应的语句表

下面对程序的器件号功能进行描述，梯形图对应的语句表如表5-2所示：

表5-2梯形图语句表

步序

器件号

说明

0

M2.0

启动按钮

1

M2.1

停止按钮

2

M3.0

介质

3

T10

0.5s脉冲

4

T11

0.5s脉冲

5

Q0.0

南北绿灯输出

6

Q0.1

南北黄灯输出

7

Q0.2

南北红灯输出

8

Q1.0

东西绿灯输出

9

Q1.1

东西黄灯输出

11

Q1.2

东西红灯输出

12

T0

南北红灯东西绿灯时间定时器

13

T1

南北绿灯东西红灯时间定时器

14

T2

东西黄灯时间定时器

15

T3

南北黄灯时间定时器

16

（SD）

通电延时定时器

17

（SE）

断电延时定时器

18

（P）

上升沿脉冲

19

（N）

下降沿脉冲

第6章系统检测与调试

6.1组态软件的介绍

组态软件是数据采集监控系统SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。

它具有丰富的设置项日，使用方式灵活，功能强大。

组态软件由早先单一的人机界面向数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。

随着组态软件自身以及控制系统的发展，监控组态软件部分地与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台。

OPC（OLEforProcessControl）的出现，以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间互连，降低了开发I/O设备驱动软件的工作量。

I/O驱动软件也逐渐向标准化的方向发展。

实时数据库的作用进一步加强。

实时数据库是SCADA系统的核心技术。

从软件技术上讲，SCADA系统的实时数据库，实质上就是一个可统一管理酌、支持变结构的、支持实时计算的数据结构模型。

在实时数据库技术中，还有对工业标准的支持（如OPC规范等），对分布式计算的支持和对实时数据库系统冗余的支持，等等。

组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；处理数据报警及系统报警；提供多种数据驱动程序；各类报表的生成和打印输出；使用脚本语言提供二次开发的功能；存储历史数据并支持历史数据的查询，等等。

西门子视窗控制中心SIMATICWinCC（WindowsControlCenter）是HMI／SCADA软件中的后起之秀，1996年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国ControlEngnieering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统；而在欧洲，它无可争议地成为第一。

在设计思想上，SIMATICWinCC秉承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的HMI/SCADA软件是WinCC开发者的追求。

Wincc是按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合于世界上各主要制造商生产的控制系统，如A—B，Modicon，GE等，并且通讯驱动程序的种类还在不断地增加。

通过OPE的方式，WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通讯。

WinCCV6．O采用标准MicrosoftSQLServer20KK（WinCCV6.0以前版本采用Sybase）数据库进行生产数据的归档，同时具有web浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是工业企业中MES和ERP系统首选的生产实时数据平台软件。

作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成都分，WinCC确保与SIMATICS5，S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。

此外，WinCC还有对SIMATICPLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。

组态

6.2组态画面的建立

系统的调试是采用组态进行仿真的，首先打开组态软件，建立以下画面trffic.Pdl，如图6-1所示：

图6-1建立交通灯画面

6.3变量的定义

首先对系统的各个变量进行定义。

各变量定义如表6-2所示：

表6-2变量名定义表

变量名

变量类型

初始值

注释

ng

开关量

0

南北路绿灯信号

ny

开关量

0

南北路黄灯信号

nr

开关量