网络教育学院可编程控制器大作业题 目：十字路口交通灯控制设计学习中心:层次:专业:年级:学号:学生姓名:高中起点专科年 春/秋季题目五：十字路口交通灯控制设计起动后，南北红灯亮并维持30s。在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，东 西绿灯亮25s后闪亮，3s后熄灭，东西黄灯亮，黄灯亮2s后，东西红灯亮，与 此同时，南北红灯灭，南北绿灯亮。南北绿灯亮25s后闪亮，3s后熄灭，南北黄灯亮，黄灯亮2s后，南北红灯亮，东西红灯灭，东西绿灯亮。依次循环。十字路口交通灯控制示意图及时序图如下图所示。E杵按fH眾料绿灯I iiur东西黄灯 衆曲红划 _府北绿灯 ILIWL南黄灯 L南北红灯I,(H4 i30首i25s j 3 s t 2j* I设计要求：（1）首先对可编程序控制器（PLC的产生与发展、主要性能 指标、分类、特点、功能与应用领域等进行简要介绍；（2）设计选用西门子S7 200系列PLC对其I/O 口进行分配, 列出PLC控制程序（梯形图进行截图，语句表可直接拷贝） 并对程序作出解释；（3）总结：需要说明的问题以及设计的心得体会。1 设计背景1.1 背景概述随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多， 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， 该路口就会塞得一塌糊涂， 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。另外，根据人 车流量的多少，可能随时增加路口的交通信号， 比如增加转弯或人行道交通信号， 原有系统的制约性就更加明显了。为了弥补原交通信号灯系统存在的以上缺点， 我们引入了基于PLC控制的交通信号灯控制系统。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做了软件与 硬件的设计，能基本达到控制要求。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。1.2 可编程逻辑控制器简介可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller, 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。2十字路口交通信号灯PLC控制系统简介2.1 控制对象及要求2.1.1 控制对象本系统的控制对象有八个，分别是：东西方向红灯(R Evy两个;南北方向红灯 (R SN) 两个；东西方向黄灯(丫一Evy两个；南北方向黄灯 (Y SN) 两个；东西方向绿灯(g- Evy两个； 南北方向绿灯 (GSN) 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。2.1.2 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、交通信号灯按高峰时段、 正常时段及晚上时段进行控制， 这三个时段的 的时序分配如图 1 所示；3、在高峰时段，交通信号灯按图 2 所示时序控制；4、在正常时段，交通信号灯按图 3 所示时序控制；5、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。2.2 系统简介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(1y 南北方向左转弯灯和南北南北方向红灯同时亮 10秒，同时东西方向 红灯亮；(2y 南北方向绿灯亮 35 秒，东西方向红灯继续亮；(3y 南北方向黄灯闪烁 5 秒；东西方向红灯继续亮；(4y 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；(5y 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 硬件选型城市道路交通信号控制是典型的开关量顺序控制，采用PLC能充分利用它的 优点。在这里我们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， 另外还具有如位控单 元、PD调节等特殊功能模块。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个非隔离数字量输 出点，最多能够带 8 个数字量信号模板。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莫块封装在一起，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， 从资料中我们了解 到，外部电源不可与S7-200的传感器电源并联使用。否则，交会导致两个电源 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由于根据控制要求所确定的输入输出点分别人二个和九个， 由于我们是以一 个路口信号单独控制为例，考虑到够用为准。所以我们选择了CPU22也一具有较强控制功能的控制器。另外，在硬件选型时，不要忘记完成现场测试及软件编程时所需的一些设备 。 综上，得到系统硬件配置如表 1 所示：表 1 硬件配置表名 称 数 量DC24VI 源 1CPU2241PC/PPI 编程电缆 1STEP7编程软件1PC机13 、系统 I/O 分配分析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；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次设计。 再加上东西方向左转的三色 灯共九盏，所以其占 9个输出点。由此可得系统 I/O 分配如表 2所示：表 2 系统 I/O 分配表输入/输出 设备/ 器件名称 I/O 地址 符号名 数据类型输入 校正当前时钟 I0.0 SB0BOOL程序启停按钮 I0.1 SB1BOOL输出 东西方向绿灯 Q0.0 Q1 DINT东西方向黄灯Q0.1Q2 DINT东西方向红灯Q0.2Q3 DINT南北方向绿灯Q0.3Q4 INT南北方向黄灯Q0.4Q5 INT南北方向红灯 Q0.5 Q6 INT 东西方向左转弯灯 Q0.6 Q7 INT 南北方向左转弯灯 Q0.7 Q8 INT4、PLC端子接线图根据I/O表及PLC的配置图很容易就可以得到 PLC端子接线图4如下所示：5、软件设计本控制系统的控制原理是： 用一路数字量的不同输入状态来判定是否对时钟 进行初始化， 用一路数字量的不同输入状态分别用作程序的启动和停止控制， 每 一方向有红、黄、绿及转弯四种信号灯，分别对应四位数字量输出，两个方向共 有 8 位数定量输出； 在某一方向用两个延时脉冲定时器分别控制该方向黄灯闪烁 的亮、灭时间，根据道路人车流量多少，分别设置各信号灯亮灭时间的长短，通 过 6 个定时器依次交替工作， 就可实现各方向交通信号灯的顺序工作。 本文所设 计的软件由一个主程序和四个子程序 （时钟初始化子程序， 晚间时段交通灯控制 子程序，正常时段交通灯控制子程序和高峰时段交通灯控制子程序） 组成。主程 序主要任务包括： 读取两个开关状态， 根据开关的不同状态做出相应的处理， 当 开关SBO闭合时则对时钟进行初始化，反之则不对时钟进行初始化；当开关 SB1 闭合时， 则读取时钟值， 并做处理， 根据处理后的时钟值的大小判定当前时间是 属于哪个时间段， 并调用相应的交通灯控制子程序， 反之， 则停止程序的运行主 程序流程图如图 5 所示。晚间时段的控制规律为：两个方向的四个黄灯均按亮 0.4秒灭0.6秒的规律闪烁，其余的交通灯全灭程序中将用到两个定时器 T37和 T38,各定时器的功能如表3所示。正常时段的控制方案结构图如图 6所示，程 序中将用到8个定时T37-T44,各定时器的功能如表4所示。高峰时段的控制方 案结构图如图7所示，程序中将用到8个定时T37-T44,各定时器的功能如表5 所示。该程序实现了信号由东西左转、 东西直行、 南北直行依次循环变化。 其优势 思路简单， 容易理解， 对时钟的校正以及各时段的起始时间和终止时间的修改方 便。如路口要求在晚上 10： 00以后实行各方向黄色信号灯闪烁功能，只需要将 实时采集PLC的时钟信号作为一个子程序的跳转条件，再增加一段闪光程序即 可。如果需要将几个路口集中到一台 PLC控制，根据实际需要的I/O点数，硬件上再增加相应的数字量输出模板即可。 需要指出的是，用PLC实现城市道路关通 信号控制，最好几个路口共用一套 PLC，这样可以大大降低工程成本。表 3 晚间时段各定时器一个循环中的功能明细表定时器 t0 t1 T2T37定时0.4秒开始定时，黄灯亮 定时到，输出ON且保持；黄灯灭 开始下- 次循环的定时T38定时1秒 开始定时 继续定时 定时到，输出ON随即复位开始下一次循环 的定时，黄灯亮。表 4 正常时段各定时器一个循环中的功能明细表定时器 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6T37定时 10 秒 开始定时 , 南北转弯灯、南北红灯、东西