基于西門子S7-200的交通燈控制設(shè)計(jì)—姜昆

1、 沈陽(yáng)城市學(xué)院基于西門子S7-200的交通燈控制設(shè)計(jì) 專 業(yè) 自動(dòng)化 姓 名 姜昆 班 級(jí) 13級(jí)自動(dòng)化1班 指導(dǎo)教師 衣蓮瀅 實(shí)踐時(shí)間 2014年9月2015年7月 1目錄摘要1ABSTRACT1引言2第1章：PLC的基礎(chǔ)知識(shí)31.1概念31.2 PLC的功能31.21 PLC的功能主要包含以下幾個(gè)方面：31.3 PLC的工作原理和結(jié)構(gòu)41.31 PLC的工作原理41.32 結(jié)構(gòu)41.4 PLC的硬件介紹及選型51.41硬件介紹51.42 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備71.43 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)81.5 S7-200系列PLC的基本指令81.51 邏輯取及輸出線圈指令（LD、LDI、OUT）81.5

2、2 單個(gè)觸點(diǎn)串聯(lián)指令（AND、ANI）81.53 S7-200系列PLC的定時(shí)器指令9第2章.梯形圖的設(shè)計(jì)與編程方法102.1控制要求102.2 I/O接線圖及分配表112.3梯形圖132.4 PLC系統(tǒng)調(diào)試15第3章PLC交通燈設(shè)計(jì)總結(jié)15參 考 文 獻(xiàn)161摘要 自從交通燈誕生以來(lái)，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進(jìn)，設(shè)計(jì)方法也開(kāi)始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。尤其是近幾年來(lái)，隨著電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路分析和設(shè)計(jì)方法有了很大的改進(jìn)，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化也已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的工具和手段，而現(xiàn)今PLC技術(shù)飛快發(fā)展，應(yīng)用越來(lái)越廣，在工業(yè)自動(dòng)化中的地位極為重要，廣泛的應(yīng)

3、用于各個(gè)行業(yè)。隨著科技的發(fā)展，可編程控制器的功能日益完善，加上小型化、價(jià)格低、可靠性高，在現(xiàn)代工業(yè)中的作用更加突出。同時(shí)交通控制更是趨向智能化方向發(fā)展，LED交通信號(hào)燈在持續(xù)發(fā)光、雨淋、灰塵等惡劣的氣候條件下，仍然能保持較好的工作性能，而且價(jià)格更低廉。本文主要通過(guò)西門子PLC 控制交通紅綠燈。 關(guān)鍵詞：西門子S7-200；交通燈；PLC；梯形圖 ABSTRACT Since the birth of traffic lights, the circuit in its internal control system have continually been improved, also be

4、gan to design methods varied, so that traffic lights become more intelligent. In particular, in recent years, with electronics and the rapid development of computer technology, electronic circuit analysis and design methods have greatly improved, electronic design automation has become a modern elec

5、tronic system in an indispensable tool and means now, PLC today's rapid technological development, has become an increasingly widespread applications in industrial automation position is extremely important, widely used in various industries. With the development of science and technology, progr

6、ammable controllers improvement of the function, together with the small, low-price, high reliability in the modern industry of a more prominent role, And more traffic control Trend is the development of intelligent, LED traffic lights in the continuing luminescence, rain, dust and other adverse wea

7、ther conditions, can still maintain good work performance and lower prices. In this paper, Siemens Programmable Logic Controller control traffic through the traffic lights. Key words: Siemens S7-200, traffic lights, PLC, ladder-diagram. 引言 隨著城市的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車擁有量的增長(zhǎng)，給交通帶來(lái)了許多問(wèn)題，如交通擁堵、交通事故頻發(fā)等。作為城市交通命脈的道路阻塞會(huì)使

8、整個(gè)城市交通陷入癱瘓。完善路網(wǎng)來(lái)緩解交通擁擠不是短時(shí)間所能解決的，目前急需做的是進(jìn)一步挖掘路網(wǎng)的潛力并改善交通現(xiàn)狀，特別是改善交通信號(hào)控制。可見(jiàn)，研制一種高效的智能交通控制系統(tǒng)是很必要的。因此，城市交通的智能控制目前已成為國(guó)內(nèi)外交通工程界研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，該系統(tǒng)的安裝及使用，大大緩解了城市道路堵塞現(xiàn)象，提高了道路的通行能力。減少了駕駛員違章的次數(shù)，抑制了交通事故的發(fā)生，同時(shí)能夠減輕車輛的尾氣排放，從而對(duì)降低環(huán)境污染起到了不可低估的作用1。第1章：PLC的基礎(chǔ)知識(shí)1.1概念 PLC是Programmable Logic Controller的縮寫(xiě)，即可編程邏輯控制器。它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器

9、PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC和可編程序控制器PC幾個(gè)不同時(shí)期。為與個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）相區(qū)別，所以現(xiàn)在仍然將可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱plc。它是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。1.2 PLC的功能1.21 PLC的功能主要包含以下幾個(gè)方面： 1：控制功能邏輯控制，包括（定時(shí)，計(jì)數(shù)，順序，邏輯）控制。 2：數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能數(shù)學(xué)運(yùn)算功能 3：輸入/輸出接口調(diào)理功能具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換

10、功能，通過(guò)I/O模塊完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)。位數(shù)和精度可以根據(jù)用戶要求選擇。 具有溫度測(cè)量接口，直接連接各種電阻或電偶。 4：通信、聯(lián)網(wǎng)功能現(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有RS232或RS485接口，可進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O控制，多臺(tái) PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺(tái)或多臺(tái)可編程控制器的信號(hào)處理單元之間，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。通信接口或通信處理器按標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。如西門 子S7-200的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線口，其通信速率可以達(dá)到12Mbps。 在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)PLC構(gòu)成“集中管理、分散控制

11、”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。通常所說(shuō)的SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)端和遠(yuǎn)程端也可以采用PLC作現(xiàn)場(chǎng)機(jī)。5：人機(jī)界面功能提供操作者以監(jiān)視機(jī)器/過(guò)程工作必需的信息。允許操作者和PC系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便作決策和調(diào)整。 6：編程、調(diào)試等使用復(fù)雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)視 、試驗(yàn)和記錄，并通過(guò)打印機(jī)打印出程序文件。1.3 PLC的工作原理和結(jié)構(gòu)1.31 PLC的工作原理 采用循環(huán)掃描方式。在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。注意：由于PLC是掃描工作過(guò)程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)

12、生了變化，輸入狀態(tài)映象寄存器的內(nèi)容也不會(huì)變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能改變。1.32 結(jié)構(gòu)plc實(shí)質(zhì)上是一種專用與工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)再結(jié)構(gòu)上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(nèi)存塊，電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式plc包括CPU模塊，I/O模塊，內(nèi)存模塊，電源模塊，底板或機(jī)架。這些模塊可以按照一定的規(guī)則組合配置。 1.4 PLC的硬件介紹及選型1.41硬件介紹（一）PLC的類型 PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長(zhǎng)分為1位、4位、8位、16位、

13、32位、64位等。 （二）輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開(kāi)關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致。 （三）CPU的構(gòu)成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置

14、送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。 CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。 在使用者看來(lái)，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或

15、邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 （四）I/O的分配 PLC與電氣回路的接口，是通過(guò)輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開(kāi)關(guān)量輸入（DI），開(kāi)關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。 常用的I/O分類如下： 開(kāi)關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、

16、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 （五）存儲(chǔ)器的選擇 由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲(chǔ)器容量，按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲(chǔ)器選擇。

17、需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。 （六）經(jīng)濟(jì)性的考慮 選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比?？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。 1.42 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備 編程設(shè)備：編程器是PLC開(kāi)發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機(jī)。 人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終

18、端應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。 1.43 PLC的通信聯(lián)網(wǎng) 依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來(lái)越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡(luò)就是控制器"的觀點(diǎn)說(shuō)法。 PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信現(xiàn)在主要采用通過(guò)多點(diǎn)接口（MPI）的數(shù)據(jù)通訊、PROFIBUS 或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。1.5 S7-200

19、系列PLC的基本指令1.51 邏輯取及輸出線圈指令（LD、LDI、OUT）（一）指令用法LD：取指令，用于常開(kāi)觸點(diǎn)與母線連接。LDI：取反指令，用于常閉觸點(diǎn)與母線連接。OUT：線圈驅(qū)動(dòng)指令，用于將邏輯運(yùn)算的結(jié)果驅(qū)動(dòng)一個(gè)指定線圈。1.52 單個(gè)觸點(diǎn)串聯(lián)指令（AND、ANI）1.指令用法AND：與指令。用于單個(gè)觸點(diǎn)的串聯(lián)，完成邏輯“與”運(yùn)算，助記符號(hào)為AND*，*為觸點(diǎn)地址。ANI：與反指令。用于常閉觸點(diǎn)的串聯(lián)，完成邏輯“與非”運(yùn)算，助記符號(hào)為ANI*，*為觸點(diǎn)地址。1.53 S7-200系列PLC的定時(shí)器指令 類型、編號(hào)及分辨率1.TON接通延時(shí) 2.TONR有記憶接通延時(shí) 3.TOF斷開(kāi)延時(shí)3

20、種分辨率（時(shí)基）：1ms、10ms、100ms分別對(duì)應(yīng)不同的定時(shí)器號(hào) 定時(shí)器6個(gè)要素： 指令格式（時(shí)基、編號(hào)等） 預(yù)置值PT 使能IN 復(fù)位3種定時(shí)器不同 當(dāng)前值Txxx 定時(shí)器狀態(tài)（位）可由觸點(diǎn)顯示 定時(shí)值=時(shí)基×預(yù)置值PT。由于定時(shí)器的計(jì)時(shí)間隔與程序的掃描周期并不同步，定時(shí)器可能在其時(shí)基（1ms、10ms、100ms）內(nèi)任何時(shí)間啟動(dòng)，所以，未避免計(jì)時(shí)時(shí)間丟失，一般要求設(shè)置PT預(yù)置值必須大于最小需要的時(shí)間間隔。例如：使用10ms時(shí)基定時(shí)器實(shí)現(xiàn)140ms延時(shí)（時(shí)間間隔），則PT應(yīng)設(shè)置為15（10ms×15=150ms）第2章.梯形圖的設(shè)計(jì)與編程方法2.1控制要求根據(jù)圖示分析

21、如下：(1) 東西紅燈與南北紅燈不能同時(shí)亮；同樣，東西綠燈和南北綠燈不能同時(shí)亮。(2) 系統(tǒng)工作后，首先南北紅燈亮并維持25秒；與此同時(shí)，東西綠燈亮，并維持20秒，到20秒時(shí)，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅。(3) 在東西綠燈熄滅時(shí)，東西黃燈亮并維持2秒；到2秒時(shí)，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時(shí)南北紅燈熄滅，南北綠燈亮。(4) 東西紅燈亮，并維持25秒；與此同時(shí)，南北綠燈亮，并維持20秒，然后南北綠燈閃亮3秒后熄滅。(5) 南北綠燈熄滅時(shí)，南北黃燈亮維持2秒后熄滅；同時(shí)南北紅燈亮，東西綠燈亮。至此，結(jié)束一個(gè)工作循環(huán)。 (6) 兩個(gè)方向的信號(hào)燈，應(yīng)按上面的要求周而復(fù)始地進(jìn)行工作。2.2 I/O接線

22、圖及分配表序號(hào)PLC地址電氣符號(hào)功能說(shuō)明1I0.0SD啟動(dòng)2Q0.0東西燈G3Q0.1東西燈Y4Q0.2東西燈R5Q0.3南北燈G6Q0.4南北燈Y7Q0.5南北燈R8主機(jī)輸入1M接電+24V； 電源正端9主機(jī)1L、2L、3L、面板2.3梯形圖2.4 PLC系統(tǒng)調(diào)試(1)常規(guī)檢查。在通電之前要耐心細(xì)致地作一系列的常規(guī)檢查(包括接線檢查、絕緣檢查、接地電阻檢查、保險(xiǎn)檢查等)，避免損壞PLC模塊(用STEP7的診斷程序?qū)λ心K進(jìn)行檢查)。(2)系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試可按離線調(diào)試與在線調(diào)試兩階段進(jìn)行。其中離線調(diào)試主要是對(duì)程序的編制工作進(jìn)行檢查和調(diào)試，采用STEP7能對(duì)用戶編制程序進(jìn)行自動(dòng)診斷處理，用戶也可通過(guò)各種邏輯關(guān)系判斷編制程序的正誤。而在線調(diào)試是一個(gè)綜合調(diào)試過(guò)程，包括程序本身、外圍線路、外圍設(shè)備以及所控設(shè)備等的調(diào)試。在線調(diào)試過(guò)程中，系統(tǒng)在監(jiān)控狀態(tài)下運(yùn)行，可隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、隨時(shí)解決問(wèn)題，從而使系統(tǒng)逐步完善。因此，一般系統(tǒng)所存在的問(wèn)題基本上可在此過(guò)程中得到解決。 第3章PLC交通燈設(shè)計(jì)總結(jié)在此首先要特別感謝衣蓮瀅老師以及謝瑩老師對(duì)我的編程設(shè)計(jì)給出了很多建議與指導(dǎo)，讓我能夠考慮的更加完善。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到