安徽礦業職業技術學院 畢業設計（論文）任務書 （ 20 13 屆） 題 目 PLC 控制十字路口交通燈 指導教師 院 系 機電工程系 專 業 班 級 學 號 姓 名 2013 年 3 月 5 日至 2013 年 6 月 3 日共 10 周 一、 論文（設計）方向： PLC 控制十字路口交通燈 二、 主要參考資料： 1 王曙光 . S7-200PLC 應用基礎與實例 . 人民郵電出版社 , 2007 2 嚴盈富 .西門子 S7-200PLC 入門 .人民郵電出版社 , 2007 3 龍志文 .SIMATIC 子 S7-200PLC 原理及應用 .機械工業出版社 , 2007 4 劉永華 .電氣控制與 PLC，北京航空航天大學出版社 , 2007 5 羅宇航 .流行 PLC 實用程序及設計（西門子 S7-200PLC 系列） .西安電子科技大學出版社 , 2007 6 伊宏業 . PLC 可編程控制器教程 . 航空工業出版社 , 1997 7 劉洪濤，黃海編 . PLC 應用開發從基礎到實踐 .電子工業出版社 , 2007 三、 課題的內容和任務要求： 自從交通燈誕生以來，其內部的電路控制系統就不斷的被改進。設計方法也開始多種 多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。 可編程控制器 (PLC)以微處理器為核心，普遍采用依據繼電接觸器控制系統電氣原理圖編制的梯形圖語言進行程序設計，編程容易，功能擴展方便，修改靈活 ,而且結構簡單，抗干擾能力強。西門子可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴充設備，有豐富的特殊擴展設備，其中的模擬輸入設備和通信設備更是符合交通燈控制系統的要求與特點，能夠方便地聯網通信。 本文選擇西門子可編程控制器 S7-200 為核心部件，著重進行硬件接口設計，利用梯形圖和語句表進行編程，實現了十字路口交通燈控制系統的自動 化。 關鍵詞： PLC；交通控制；自動化 四、 畢業論文（設計）進度安排： 起 訖 日 期 工 作 內 容 備 注 3 月 5 日 -4 月 20 日 分析任務、進行現狀調查和資料收集工作 4 月 21 日 -4 月 25日 完成畢業論文任務書與畢業論文開題報告 前期檢查 4 月 26 日 -4 月 30日 資料研究、 抑制干擾原理研究 ，論文構思，羅列方法 5 月 1 日 -5 月 4 日 提出觀點，方法論證，形成初稿 中期檢查 5 月 5 日 -5 月 9 日 規范格式，形成論文全稿 5 月 10 日 -5 月 14日 修改論文，撰寫答辯報告（提綱）、準備答辯 答辯資格審查 學生（簽名）： 年 月 日 指導教師（簽名）： 年 月 日 系畢業設計（論文）工作指導小組意見： 組長（簽名） 年 月 日 系畢業論文工作領導小組審核意見： 主管領導（簽名） 年 月 日 安徽礦業職業技術學院 畢業設計（論文） 開 題 報 告 （ 20 13 屆） 題 目 PLC 控制十字路口交通燈 指導教師 院 系 機電工程系 班 級 學 號 姓 名 二 13 年 6 月 3 日 一、 選題的意義 在十字路 口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強有力的保障。但是隨著社會、經濟的快速發展，原先的交通燈控制系統已經不能適應現在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統，使其適應現在的交通狀況，成為研究的課題。 傳統的十字路口交通控制燈，通常的做法是：事先經過車輛流量的調查，運用統計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好。然而，實際上車輛流量的變化往往是不確定的，有的路口在不同的時段甚至可能產生很大的差異。即使是經過長期運行、較適用的方案，仍然會發生這樣的現象：綠燈方向幾乎沒有 什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準確模型的，統計的方法已不能適應迅猛發展的交通現狀，更為現實的需要是能有一種能夠根據流量變化情況自適應控制的交通燈。 目前，大部分城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉換時間間隔的控制方法。由于十字路口不同時刻車輛的流量是復雜的、隨機的和不確定的，采用固定時間的控制方法，經常造成道路有效利用時間的浪費，出現空等現象，影響了道路的暢通。為此，采用不依賴數學模型的模糊控制方法設計交通燈控制器，能較好地解決這個問題。 二、研究的主要內容，擬 解決的主要問題（闡述的主要觀點） 文選擇西門子可編程控制器 S7-200 為核心部件，著重進行硬件接口設計，利用梯形圖和語句表進行編程，實現了十字路口交通燈控制系統的自動化。 關鍵詞： PLC；交通控制；自動化 三、研究（工作）步驟、方法及措施（思路） 1. 可編程程序控制器（ PLC） 2. 系統設計 3. 系統檢測與調試 四、 主要參考文獻 1 王曙光 . S7-200PLC 應用基礎與實例 . 人民郵電出版社 , 2007 2 嚴盈富 .西門子 S7-200PLC 入門 .人民郵電出版社 , 2007 3 龍志文 .SIMATIC 子 S7-200PLC 原理及應用 .機械工業出版社 , 2007 4 劉永華 .電氣控制與 PLC，北京航空航天大學出版社 , 2007 5 羅宇航 .流行 PLC 實用程序及設計（西門子 S7-200PLC 系列） .西安電子科技大學出版社 , 2007 6 伊宏業 . PLC 可編程控制器教程 . 航空工業出版社 , 1997 7 劉洪濤，黃海編 . PLC 應用開發從基礎到實踐 .電子工業出版社 , 2007 指導教師意見： 簽名： 年 月 日 系畢業設計（論 文）工作指導小組意見： 簽名： 年 月 日 系畢業設計（論文）工作領導小組意見： 簽名： 年 月 日 安徽礦業職業技術學院 畢業設計（論文） （ 20 13 屆） 題 目 PLC 控制十字路口交通燈 指導教師 院 系 機電工程系 班 級 學 號 姓 名 二 13 年 6 月 3 日 目 錄 第 一 章 前言 1.1 課題背景 1.2 研究目的和意義 第 二 章 可編程程序控制器（ PLC） 2.1 PLC 概述 2.1.1 PLC 的發展歷程 2.1.2 PLC 的發展趨勢 2 .1.3 PLC 的應用 2.2 PLC 的硬件結構 2.3 PLC 的工作原理 2.4 本章小結 第 三 章 系統設計 3.1 控制要求 3.2 系統設計方案分析 3.3 硬件設計 3.3.1 PLC 的選型 3.3.2 PLC 的地址分配 3.3.3 PLC 的接線形式 3.4 系統程序設計 3.4.1 系統的梯形圖 3.4.2 語句表 3.4.3 系統程序分析 3.5 本章小結 第 四 章 系統檢測與調試 4.1 檢測與調試 4.2 本章小結 結論 致謝 參考文獻 附錄 S7-200PLC 的 CPU 的 I/O 規范 附錄 S7-200PLC 的 CPU 的輸入規范 附錄 S7-200PLC 的 CPU 的輸出規范 1 第一章前言 1.1 課題背景 1858 年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅， 綠 兩色的機械扳手式信號燈，用以指 揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。 1868 年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示 “停止 ”，綠色表示 “注意 ”。 1869 年 1 月 2 日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。1914 年，電氣啟動的紅綠燈出現在美國。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市 5 號大街的一座高塔上。紅燈亮表示 “停止 ”，綠燈亮表示 “通行 ”。 1918 年，又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在 地下，車輛一接近紅燈便變為綠燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變為綠燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發生交通事故。信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。 1968 年，聯合國道路交通和道路標志信號協定對各種信號燈的含義作了規定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都 必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。 1.2 研究目的和意義 在十字路口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強有力的保障。但是隨著社會、經濟的快速發展，原先的交通燈控制系統已經不能適應現在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統，使其適應現在的交通狀況，成為研究的課題。 傳統的十字路口交通控制燈，通常的做法是：事先經過車輛流量的調查，運用統計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好。然而，實際上車輛流量的變化往往是不確定的，有的路口在不同的時段甚至可能產生很大的差異。即使是經過長期運行、較適用的方案，仍然會發生這樣的現象：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準確模型的，統計的方法已不能適應迅猛發展的交通現狀，更為現實的需要是能有一種能夠根據流量變化情況自適應控制的交通燈。 目前，大部分城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉 換時間間隔的控制方法。由于十字路口不同時刻車輛的流量是復雜的、隨機的和不確定的，采用固定時間的控制方法，經常造成道路有效利用時間的浪費，出現空等現象，影響了道路的暢通。為此，采用不依賴數學模型的模糊控制方法設計交通燈控制器，能較好地解決這個問題。 第 2 章 可編程程序控制器（ PLC） 2.1 PLC 概述 可編程序控制器（ Programmabie Logic Controller,縮寫 PLC）是以微處理器為基礎，綜 合計算機、通信、聯網以及自動控制技術而開發的新一代工業控制裝置。可編程序控制器是隨著技術的進步與現代社會生產方式的轉變，為適應多品種 .小批量生產的需要，生產 .發展起來的一種新型的工業控制裝置。 PLC 從 1969 年問世以來，雖然至今還不到 40 年，但由于其具有通用靈活的控制性能 .簡單方便的使用性能，可以適應各種工業環境的可靠性，因此在工業自動化各領域取得了廣泛的應用。有人將它與數控技術、 CAD/CAM 技術工業機械人技術并稱為現代工業自動化技術的四大支柱。可編程序控制器在我國的發展與應用已有 30 多年的歷史，現在它已 經廣泛應用于國民經濟的各個工業生產領域，成為提高傳統工業裝備水平和技術能力的重要設備和強大支柱。隨著全球一體化經濟的發展，努力發展可編程序控制器在我國的大規模應用，形成具有自主知識產權的可編程序控制器技術，應該是廣大技術人員努力的方向。 2.1.1 PLC 的發展歷程 在可編程控制器出現前，在工業電氣控制領域中，繼電器控制占主導地位，應用廣泛。但是電器控制系統存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點，特別是其接線復雜、不易更改，對生產工藝變化的適應性差。 1968 年美國通用汽車公司 （ G.M）為了適應汽車型號的不斷更新，生產工藝不斷變化的需要，實現小批量、多品種生產，希望能有一種新型工業控制器，它能做到盡可能減少重新設計和更換電器控制系統及接線，以降低成本，縮短周期。于是就設想將計算機功能強大、靈活、通用性好等優點與電器控制系統簡單易懂、價格便宜等優點結合起來，制成一種通用控制裝置，而且這種裝置采用面向控制過程、面向問題的 “自然語言 ”進行編程，使不熟悉計算機的人也能很快掌握使用。 1969 年美國數字設備公司（ DEC）根據美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器， 并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項技術迅速發展起來。 早期的可編程控制器僅有邏輯運算、定時、計數等順序控制功能，只是用來取代傳統的繼電器控制 ,通常稱為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller ）。隨著微電子技術和計算機技術的發展， 20 世紀 70 年代中期微處理器技術應用到 PLC 中，使 PLC 不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術運算、數據傳送和數據處理等功能。 20 世紀 80 年代以后，隨著大規模、超大規模集成電路等微電子技術的迅速發展， 16 位和 32 位微處 理器應用于 PLC 中，使PLC 得到迅速發展。 PLC 不僅控制功能增強，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯網、數據處理和圖象顯示等功能，使 PLC 真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數據處理、聯網通信等功能的名符其實的多功能控制器。 PLC 的發展過程大致可以分為如下幾個階段： 19701980 年： PLC 的結構定型階段。在這一階段，由于 PLC 剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現（如邏輯電路型、 1 位機型、通用計算機型、單板機型等），但迅速被淘汰。 最終以微處理器為核心的現有 PLC 結構形成，取得了市場的認可，得以迅速發展 .推廣。 PLC 的原理、結構、軟件、硬件趨向統一與成熟， PLC 的應用領域由最初的小范圍、有選擇使用、逐步向機床、生產線擴展。 19801990 年： PLC 的普及階段。在這一 3 階段， PLC 的生產規模日益擴大，價格不斷下降， PLC 被迅速普及。各 PLC 生產廠家產品的價格 .品種開始系列化，并且形成了固定 I/O 點型、基本單元加擴展塊型、模塊化結構型這三種延續至今的基本結構模型。 PLC 的應用范圍開始向順序控制的全部領域擴展。比如三菱公司本階段的主要產品有 F.F1.F2 小型 PLC 系列產品 ,K/A 系列中、大型 PLC 產品等。 19902000 年， PLC 的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術的進步， PLC 的功能日益增強， PLC 的 CPU 運算速度大幅度上升、位數不斷增加，使得適用于各種特殊控制的功能模塊不斷被開發， PLC 的應用范圍由單一的順序控制向現場控制拓展。此外， PLC 的體積大幅度縮小，出現了各類微型化 PLC。三菱公司本階段的主要產品有 FX 小型 PLC系列產品， AIS/A2US/Q2A系列中，大型 PLC系列產品等。 2000年至今： PLC 的高性能 與網絡化階段。在本階段，為了適應信息技術的發展與工廠自動化的需要，PLC 的各種功能不斷進步。一方面， PLC 在繼續提高 CPU 運算速度，位數的同時，開發了適用于過程控制，運動控制的特殊功能與模塊，使 PLC 的應用范圍開始涉及工業自動化的全部領域。與此同時， PLC 的網絡與通信功能得到迅速發展， PLC 不僅可以連接傳統的編程與通入 /輸出設備，還可以通過各種總線構成網絡，為工廠自動化奠定了基礎。三菱公司本階段的主要產品有 FX 小型 PLC 系列產品（包括最新的 FX3u 系列產品）， Qn,QnPH 系列中，大型 PLC 系列產品等。 2.1.2 PLC 的發展趨勢 從當前產品技術性能來看， PLC 發展趨勢仍然主要體現在體積的縮小與性能的提高兩大方面。 體積小型化。電子產品體積的小型化是微電子技術發展的必然結果。現代 PLC 無論從內部元件組成還是硬件、軟件結構都已經與早期的 PLC 有了很大的不同， PLC 體積被大幅度縮小。 性能的提高。 PLC 的性能主要包括 CPU 性能與 I/O 性能兩大方面。 可編程序控制器在我國的發展狀況如下： (1) 我國可編程序控制器的發展與國際上的發展有所不同，國際上可編程序控制器的發展是從研 制、開發、生產到應用，而我國則是從成套設備引進、可編程序控制器引進應用、消化移植、合資生產到廣泛應用。大致可劃分為下述三個階段： 可編程序控制器的初級認識階段（ 70 年代后期到 80 年代初期）國際上可編程序控制器的發展，首先引起了國內工程技術界的極大興趣，所以我國對可編程序控制器的認識始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套設備引進中，當時的上海寶鋼一期工程中有多項工程引進了十幾種機型約 200 多臺可編程序控制器。這些可編程序控制器用于原料碼頭到高爐、軋鋼、鋼管等整個鋼鐵冶煉以及加工生產線上， 取代了傳統的繼電器邏輯系統，并部分取代了模擬量控制和小型 DDC 系統。繼寶鋼一期工程后，國內許多廠家陸續引進的設備和生產線大都配備了可編程序控制器，其應用范圍包括電站、石油化工、汽車制造、港口和碼頭等各領域。正是在成套設備引進過程中，我們打開了眼界，了解認識了可編程序控制器，這也促進了可編程序控制器在我國的發展。 可編程序控制器的引進應用和消化移植階段（ 80 年代初期到 90 年代初期） 80 年代初期開始，隨著我國改革開放的不斷深入，在成套設備引進的同時，國外原裝的可編程序控制器開始涌入國內市場。許多部門和 單位相繼引進可編程序控制器并自己設計組成控制系統，其應用范圍也擴大到建材、輕工、煤炭、水處理、食品、制藥、造紙、橡膠和精細化工等工業領域。 可編程序控制器的廣泛發展階段（ 90 年代初期到現在） 進入 90 年代，我國的可編程序控制器進入了廣泛發展階段，主要表現在以下幾個方面： (2) 政府重視 可編程序控制器的發展得到了政府的高度重視，在當時機械電子工業部的領導下，于 1991 年成立了可編程序控制器行業協會。可編程序控制器行業協會在政府和企事業之間起到了橋梁作用，溝通了情況，為做出決策提供了依據。 同時可編程序控制器的標準化工作也受到了有關部門的重視，于 1993 年成立了可編程序控制器標準化技術委員會，為我國可編程序控制器的進一步發展打下了基礎。 2.1.3 PLC 的應用 1 PLC 的應用領域 PLC 的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其應用受到限制。但最近十多年來， PLC 的應用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于微處理器芯片幾有關元件的價格大大下降，使得 PLC 的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增強，它也能解決復雜的計算和通信問題。目前 PLC 在國內外已廣泛應用于鋼鐵、采礦 、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環保和娛樂等行業。 PLC 的應用范圍通常可分成以下 5 種類型： （ 1）順序控制 這是 PLC 應用最廣泛的領域，也是最適合 PLC 使用的領域。它用來取代傳統的 繼電器順序控制。PLC 應用于單機控制、多機群控、生產自動線控制等。例如：注塑機械、印刷機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產線、電鍍流水線及電梯控制等。 (2)運動控制 PLC 制造商目前已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，在多數情況下， PLC 把描述目標位置的數據送 給模塊，其輸出移動一軸或數據到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當的位置和加速度，確保運動平滑。 （ 3）過程控制 PLC 還能控制大量的過程參數，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度。 PID 模塊提供了使 PLC 具有閉環控制的功能，即一個具有 PID 控制能力的 PLC 可用于過程控制。當過程控制中某個變量出現偏差時， PID 控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設定植上。 （ 4）數據處理 在機械加工中， PLC 作為主要的控制和管理系統用于 CNC和 NC 系統中，可以完成大量的數據處理工作。 （ 5）通信網絡 PLC 的通信包括主機與遠程 I/O之間的通信、多臺 PLC 之間的通信、 PLC 和其他智能控制設備（如計算機、變頻器、數控裝置）之間的通信。 PLC 與其他智能控制設備一起，可以組成 “集中管理、分散控制 ”的分布式控制系統。 2 PLC 在我國的應用 雖然我國在 PLC 生產方面比較弱，但在 PLC 應用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入 10 萬臺套 PLC 產品，年銷售額 30 多億人民幣，應用的行業也很廣。 在我國，一般按 I/O 點數將 PLC 分為以下級別（但不絕對，國外分類有些區別）： 微型： 32 I/O 小型：256 I/O 中型： 1024 I/O 大型： 4096 I/O 巨型： 8192 I/O 在我國應用的 PLC 系統中， I/O64點以下 PLC 銷售額占整個 PLC 的 47%， 64 點 256 點的占 31%，合計占整個 PLC 銷售額的 78%。 2.2 PLC 的硬件結構 PLC 實質是一種專用于工業控制的計算機其硬件結構基本上與微型計算機從結構上分， PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。其結構如圖 2-1 所示。 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞，它按照 PLC 系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據、檢查電源、存儲器 I/O 以及警戒定時器的狀態；并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當 PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入 I/O 映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后，按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入 5 I/O 映象區或數據寄 存器內，等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將 I/O 映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行直到停止運行。圖 2-1 PLC 的結構圖 圖 2-1 PLC 的結構圖 2.3 PLC 的工作原理 PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點 (包括其常開或常閉觸點 )不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。 考慮到繼電器控制裝置各 類觸點的動作時間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時間一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式 -掃描技術。這樣在對于 I/O響應要求不高的場合， PLC 與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區別了。 當 PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。 1 輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀 態和數據，并將它們存入I/O 映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化， I/O 映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 2 用戶程序執行階段 在用戶程序執行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖 )。在 包頭鋼鐵職業技術學院畢業實踐任務書 8 掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線 路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統 RAM 存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。 3 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后， PLC 就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU 按照 I/O 映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。 PLC 的掃描工作過程如圖 2-2、圖 2-3 所示 圖 2-3 PLC 的掃描周期圖 2.4 本章小結 本章介紹的是 PLC 的產生、發展及應用，通過這些基礎知識，更好地理解 PLC 的控制， 基于 PLC 在交通燈控制系統上應用這一范疇，使下一步 PLC 的程序設計開發和實際需要有機地融合在一起。 7 第 3 章 系統設計 3.1 控制要求 交通燈控制系統的控制要求如下： 1 信號燈受一個起動開關控制，當起動開關接通時，信號系統開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。當起動開關斷開時，所有信號燈都熄滅。 2 南北綠燈和 東西綠燈不能同時亮，如果同時亮時應關閉信號燈系統，并報警。 3 南北紅燈亮維持 25S。在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持 20S。到 20S 時，東西綠燈閃爍，閃爍 3S 后熄滅。在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持 2S。到 2S 時，東西黃燈熄，東西紅燈亮。同時，南北紅燈熄滅，南北綠燈亮。 4 東西紅燈亮維持 30S。南北綠燈亮維持 25S。然后閃爍 3S，熄滅。同時南北黃燈亮，維持 2S 后熄滅，這時南北紅燈亮，東西綠燈亮。 5 周而復始。 3.2 系統設計方案分析 按照交通燈系統控制要求下，結合 西門子 S7-200 系列可編程控制器的特性（見附錄），選擇適合的型號。設計思想分析如下：給一個啟動的輸入信號，要配合一個 SB1 的按鈕，當 SB1 啟動按鈕動作，系統工作。 首先，南北方向道路處于禁止通行的狀態，東西方向道路處于允許通行的狀態。 南北方向道路亮紅燈狀態過程中，南北紅燈亮 25S,需計時器設定延時 25 秒，才會轉入下一狀態南北綠燈亮；同時，東西方向道路也一起亮綠燈 20S,需計時器設定延時 20 秒，才會轉下一狀態東西綠燈閃爍；東西綠燈閃爍 3S，需振蕩器或脈沖源（秒 /次）動作使東西綠燈閃爍，還要需計時器設定延 時3 秒，才會轉下一狀態東西黃燈亮；東西黃燈亮 2S,需計時器設定延時 2 秒，才會轉入下一狀態東西紅燈亮。 其次，東西方向道路處于禁止通行的狀態，南北方向道路處于允許通行的狀態。 東西方向道路亮紅燈狀態過程中，東西紅燈亮 30S,需計時器設定延時 30 秒，才會轉入下一狀態東西綠燈亮；同時，南北方向道路也一起亮綠燈 25S,需計時器設定延時 25 秒，才會轉下一狀態南北綠燈閃爍；南北綠燈閃爍 3S，需振蕩器或脈沖源（秒 /次）動作使南北綠燈閃爍，還要需計時器設定延時 3 秒，才會轉下一狀態南北黃燈亮；南北黃燈亮 2S,需計時器設定延 時 2 秒，才會轉入下一狀態南北紅燈亮。 如此循環下去。 另外，當斷開系統，所有信號燈熄滅；需要按鈕 SB1 動作斷開系統，停此輸入信號入可編程控制器，而最快的方法，是使可編程控制器不動作，那么肯定無信號輸出。而且，南北、東西綠燈同時亮，報警。可編程控制器要輸出一個信號，驅動一個報警燈。 綜上所述，可編程控制器要滿足一個信號輸入（作系統接通、斷開作用），七個信號 輸出，十字路口有十二個交通信號燈，但南北、東西兩個為一組用一個輸出信號控制，再加上一個報警信號驅動的報警燈。通過如下的十字路口交通燈狀態分析表、主流 程圖、十字路口交通燈時序圖一一展開，將十字路口交通燈控制系統設計思路逐漸脈絡清晰。 表 3-1 十字路口交通燈狀態分析表 十字路口交通燈狀態的分析： 十字路口交通燈如下圖 3-1 所示，將 12 個交通燈進行編號 。 圖 3-1 十字路口交通燈狀態圖 這 12 個交通燈共有四個狀態： 狀態 1：南北紅燈（ 1、 7）亮，東西綠燈（ 6、 12）亮。 狀態 2：南北紅燈（ 1、 7）繼續亮，東西綠燈（ 6、 12）閃。 南北方向 交通燈 狀態 紅燈亮 25S 綠燈亮 25S 綠燈閃 3S 黃燈亮 2S 東西方向 交通燈狀態 綠燈亮 20S 綠燈閃 3S 黃燈亮 2S 紅燈亮 30S 交通燈狀態 十字路口交通燈狀態的分析： 十字路口交通燈如下圖 3-1 所示，將 12 個交通燈進行編號 這 12 個交通燈共有四個狀態： 狀態 1：南北紅燈（ 1、 7）亮，東西綠燈（ 6、 12）亮。 狀態 2：南北紅燈（ 1、 7）繼續亮，東西綠燈（ 6、 12）閃。 狀態 3：南北紅燈（ 1、 7）繼續亮，東西黃燈（ 5、 11）亮。 狀態 4：東西紅燈（ 4、 10）亮，南北綠燈（ 3、 9）亮。 狀態 5：東西紅燈（ 4、 10）繼續亮，南北綠燈（ 3、 9）閃。 狀態 6：東西紅燈（ 1、 7）繼續亮，南北黃燈（ 2、 8）亮。 主程序流程圖：（如圖 3-2 所示） 9 11 3.3 硬件設計 3.3.1 PLC 的選型 從上面的分析可以知道，系統共有開關量輸入點 1個，開關量輸出點 7個，如果選用 CPU222 / PLC，也需要擴展單元 PLC，參照西門子 S7-200 系列特性（見附錄），選用主機為 CPU224（ 14 輸入 /10繼電器輸出）。 其外形圖 3-4 如下： 輸入電路采用了雙 向光電耦合器， 24V DC 極性可任意選擇， 1M、 2M 為輸入端子的公共端。1L、 2L 為輸出公共端。 CPU224 另有 24V、 280mA 電源供 PLC 輸入點使用。 3.3.2 PLC 的地址分配 列出交通信號燈 PLC 的輸入 /輸出點分配表，見表 3-2。 定時器 T=PT S； 定時實際時間=設定值精度 1ms: T32,T96 10ms: T33T36, T97T100 100ms: T37T63, T101T255 表 3-2 交通信號燈 PLC 的輸入 /輸出 點分配表 輸入信號 定時元件 輸出信號 名稱 代號 輸入點編號 T33:南北紅燈工作 25S 名稱 代號 輸出點編 號 工作按 鈕 SB1 I0.0 T97: 東西紅燈工作 30S 報警燈 L0 Q0.0 T98:東西綠燈工作 20S 南北紅燈 L1 Q0.1 T99:東西綠燈閃爍 3S 東西綠燈 L2 Q0.2 T100:東西黃燈工作 2S 東西黃燈 L3 Q0.3 T34:南北綠燈工作 25S 東西紅燈 L4 Q0.4 T35:南北綠燈閃爍 3S 南北綠燈 L5 Q0.5 T36:南北黃燈工作 2S 南北黃燈 L6 Q0.6 3.3.3 PLC 的接線形式 端口 I0.0 為接入系統開關的傳送信號，端口 Q0.0 接起報警作用的信號燈，端口 Q0.1 接南北紅燈，端口 Q0.2 接東西綠燈，端口 Q0.3 接東西黃燈，端口 Q0.4 接東西黃燈，端口 Q0.5 接南北綠燈，端口 Q0.6 接南北黃燈 13 3.4 系統程序設計 3.4.1 系統的梯形圖 15 17 3.4.3 系統的指令表 3.4.3 系統程序分析 當開關 SB1 合上時， I0.0 觸點接通， T33 通電待 25 秒后動作（南北紅燈熄滅）， T98 通電待 20秒后動作（東西綠燈閃爍）， Q0.1 得電，南北紅燈亮；同時 Q0.1 的動合觸點閉合， Q0.2 線圈得電，東西綠燈亮。 維持到 20 秒， T98 的動合觸點接通， T99 通電待 3 秒后動作（東西黃燈亮），與 T98 觸點串聯的 T32 動合觸點每隔 0.5 秒導通 0.5 秒，從而使東西綠燈閃爍。 又過 3秒， T100 通電待 2 秒后動作（東西黃燈滅）， T99 的動斷觸點斷開， Q0.2 線圈失電，東西綠燈滅；此時 T99 的 動合觸點閉合， Q0.3 線圈得電，東西黃燈亮。 再過 2 秒后， T100 的動斷觸點斷開，Q0.3 線圈失電，東西黃燈滅。 此時自開關閉合南北紅燈亮起累計時間達 25 秒， T33 的動斷觸點斷開， Q0.1 線圈失電，南北紅燈滅； T33 的動合觸點閉合， T97 通電待 30 秒后動作（東西紅燈熄滅），T34 通電待 25 秒后動作（南北綠燈閃爍）， Q0.4 線圈得電，東西紅燈亮， Q0.4 的動合觸點閉合， Q0.5線圈得電，南北綠燈亮。 又經過 25 秒， T34 動合觸點閉合， T35 通電待 3 秒后動作（南北黃燈亮），與 T34 觸點串聯的 T32 的觸點每 隔 0.5 秒導通 0.5 秒，從而使南北綠燈閃爍。 閃爍 3 秒， T34 動斷觸點斷開， Q0.5 線圈失電，南北綠燈滅；此時 T35 的動合觸點閉合， Q0.6 線圈得電，南北黃燈亮。 維持 2 秒后， T36 動斷觸點斷開， Q0.6 線圈失電，南北黃燈滅。 自南北紅燈滅及東西紅燈亮累計時間達 30 秒鐘， T97 的動斷觸點斷開， T33 動斷觸點復位， Q0.2 線圈失電，即維持了 30 秒的東西紅燈滅。 T33 動斷觸點復位斷開時， T97 定時器失電， T97 的動斷觸點復位閉合，只要不斷開按鈕 SB1，系統繼續循環下去。 3.5 本章小結 本章介紹 S7-200 系列 PLC 交通燈控制系統的應用設計 ,關鍵是系統總體設計 ,核心則是控制程序設計。重點要掌握 PLC 系統設計的基本原則和設計的一般流程 ,要有一個整體的概念。在滿足控制要求、環境要求和性價比等條件下，合理選擇 PLC 的機型和硬件配置，正確地進行估算，合理選擇輸入 /輸出模塊，完成 PLC 的硬件與軟件的設計。 通過這次可編程控制器的課程設計，終于發現腦海里有了工程的思想。以前單方面的學習了電子硬件知識和軟件知識。有人說只懂硬件，那是一個技術員，只懂軟件的，那是程序員。系統結合，要軟硬兼施，才能具備一個工程師綜合素質 。 19 第 4 章 系統檢測與調試 4.1 檢測與調試 大體思路流程如下： 1、硬件調試：硬件調試是利用開發系統、基本測試儀器（萬用表、示波器等），檢查用戶系統硬件中存在的故障。硬件調試可分為靜態調試與動態調試兩步進行。 靜態調試 靜態調試是在用戶系統未工作時的一種硬件檢測。 第一步：目測。檢查外部的各種元件或者是電路是否有斷點。 第二步：用萬用表測試。先用萬用表復核目測中有疑問的連接點，再檢測各種電 源線與地線之間是否有短路現象。 第三步：加電檢測。給板加電，檢測所有的插座或是器件的電源端是否符合要求的值 第四步：是聯機檢查。因為只有用可編程控制器開發系統才能完成對用戶系統的調試。 動態調試 動態調試是在用戶系統工作的情況下發現和排除用戶系統硬件中存在的器件內部故障、器件連接邏輯錯誤等的一種硬件檢查。動態調試的一般方法是由近及遠、由分到合。 由分到合是指首先按邏輯功能將用戶系統硬件電路分為若干塊，當調試電路時，與該元件無關的 器件全部從用戶系統中去掉，這樣可以將故障范圍限定在某個局部的 電路上。當各塊電路無故障后，將各電路逐塊加入系統中，在對各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯系進行調試。由分到合的調試既告完成。 由近及遠是將信號流經的各器件按照距離可編程控制器的邏輯距離進行由近及遠的分層，然后分層調試。調試時，仍采用去掉無關元件的方法，逐層調試下去，就會定位故障元件了。 2、軟件調試： 軟件調試是通過對擁護程序的匯編、連接、執行來發現程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。程序后，編輯，查看程序是否有邏輯的錯誤。如果出現故障，應返回編程環境，檢查梯形圖的錯誤并修改程序 再進行調試，如此反復直到調試成功。 4.2 本章小結 系統的檢測與調試是一個很枯燥無味的過程，要求一步一腳印地嚴謹細致進行，才能將想當然而引致錯誤的地方找出來并改正。 結 論 交通信號燈控制系統的設計 ,我們以前學過，我想這個課題是很容易的。當真正做起來的時候，還是覺得有點困難的，有些東西以前學了，但現在用起來可能又有點疑問。就如畫電氣原理圖吧，整體的構 造腦海里都有一個整體的概念。而你要畫出來的話，你可能會遇到細節上的問題，比如說按鈕開關的方向是怎樣，以及怎么劃分區域等。遇到這些問題的時候都能讓你主動去翻書，復習這些陌生的知識。我認為這是一種最好的學習方法 通過實踐去檢驗自己的知識。這個只有你自己投入進去你才能發現自己知識點的欠缺。做為一名機電專業的學生對電器原理圖的了解更應該有深刻的認識，知道它的重要性。要能看的懂，給你一張電氣原理圖，你要能夠寫出梯形圖。 查找資料也是一件繁瑣的事情，雖說網上有資料但要找到一些真正有用的資料也不是一件容易的事，需要耐 心查找。 在程序設計過程中，我對以前的編程方法做了歸納，之前我習慣用功能流程寫程序，遇到難點的時候習慣翻書，對照例子提取點精華。現在能靈活運用經驗設計法、電氣原理圖設計法、順序控制設計法。特別多順序控制設計有了一定的了解。這里面最經典我認為是單序列的編程方法、選擇序列的編程方法和并行序列的編程方法這個三個是很值得研究的，也是一種格式。只要你能熟悉掌握，靈活應用的話，那么編程對你來說將變的非常容易。一個流程圖無論多么復雜，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法編程了。當然對于簡單的流程也可以用順序設 計。這種方法也是一種固定的格式，只要按照它的格式就可以寫出正確的程序，它的優點可以說易懂，條理清晰。但結構多。對于活動步多的設計我想用這個設計比較煩瑣。 更加體會到 PLC 的可靠性高，抗干擾能力強， .通用性強，控制程序可變，使用方便等優點。更加熟悉了西門子編程軟件使用方法與各種基本指令。 這次的課程設計使我把可編程控制器的理論知識用在實踐中，實現了理論和實踐相結合，從中更懂得理論是實踐的基礎，實踐又能檢驗理論的正確性，讓我受益非淺， 對我以后工作中遇到問題或者繼續學習將會產生巨大的幫助和影響。 21 致 謝 本論文從 3 月份開題以來，到目前為止已經有快 3 個月的時間了，這次畢業設計中，雖然都沒太多的經驗， 在 張 老師的指導下 ，同學鼓勵、幫助下，相互奮勉，最終圓滿的完成了設計任務。在整個過程當中，有許多人給了我啟發和幫助，在畢業論文完成之際，我要在此表達對他們最誠摯的感謝。首先，最需要感謝的人是我的指導老師 張 老師。老師平日里工作繁多，但在我做畢業設計的每個階段，從選題 到查閱資料，方案可行的確定和論文綱領細節的修改，中期檢查，后期詳細設計等整個過程中都給予了我悉心的指導。每一次的批評和教育，使我受益非淺，值此論文完成之際 ,謹向李老師再一次向她致以衷心的謝意，感謝她為學生營造