plc在交通燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計.題目：PLC在交通燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 班 級 機(jī)修1004班 專 業(yè) 機(jī)電工程系 學(xué)生姓名 廖永能 指導(dǎo)教師 楊聚慶 日 期 2012年10月10日 設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：基于PLC的交通信號燈控制設(shè)計要求：在綜合掌握PLC控制交通燈理論的基礎(chǔ)上，自主靈活的利用這些知識去分析設(shè)計，使其設(shè)計的結(jié)果最終能夠?qū)崿F(xiàn)：（1） 東西和南北方向各有一組紅、黃、綠燈用于指揮交通,紅、黃、綠三燈的持續(xù)時間分別為36s,6s,30s。（2） 當(dāng)東西方向為紅燈時，南北方向為綠燈。當(dāng)南北方向為紅燈時，東西方向為綠燈。紅燈倒計36s后，黃燈閃爍3次，然后綠燈亮。（3） 東西和南北各有

2、兩組數(shù)碼管，以倒計時方式顯示兩個方向允許通行或禁止通行的時間。設(shè)計進(jìn)度要求：第一周：查閱收集相關(guān)的資料確定設(shè)計題目。第二周：根據(jù)設(shè)計要求分析西門子PLC的工作原理。第三周：到圖書館,電子閱覽室等相關(guān)地方查找資料。第四周：寫出控制交通燈工作的梯形圖。第五-六周：進(jìn)行軟、硬件設(shè)計并畫出相關(guān)的電路圖。第七周：調(diào)試修改，找出問題，改進(jìn)設(shè)計。第八周：撰寫論文,準(zhǔn)備答辯。指導(dǎo)教師（簽名）： 摘 要目前對交通燈的控制有很多種，但是往往都存在著故障率高、可靠性差、抗擾性差等眾多缺點(diǎn)。但是PLC控制系統(tǒng)克服了這些缺點(diǎn)，它工作可靠，功能強(qiáng)，存儲容量大，編程方便、抗干擾能力強(qiáng)，受到眾多設(shè)計者的青睞。因此，我這次的設(shè)

3、計是以PLC為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)對交通信號燈的控制。此次設(shè)計我首先對交通信號燈的原理進(jìn)行分析；然后根據(jù)分析確定設(shè)計的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)；進(jìn)而確定所要選用的PLC的型號；以及需要擴(kuò)展的模塊的數(shù)量并對擴(kuò)展的模塊數(shù)量進(jìn)行I/O編址；最后利用輸入、輸出點(diǎn)數(shù)確定I/O接線圖、程序流程圖和梯形圖。并通過了系統(tǒng)調(diào)試，最終達(dá)到了交通信號燈自動控制的目的。因些利用PLC控制交通燈不僅可以實(shí)現(xiàn)交通燈的作用，而且還使交通燈的設(shè)計更加方便，實(shí)現(xiàn)的功能更加強(qiáng)大。關(guān)鍵詞：可編程控制器，交通燈，梯形圖 目錄設(shè)計任務(wù)書I摘要II目錄I1 PLC的概述1 1.1 PLC簡介 11.2 PLC的國內(nèi)外狀況及未來展望2 1.3 PLC未來展望

4、41.4 PLC控制交通燈的背景51.5 PLC控制交能燈的優(yōu)點(diǎn)51. PLC的工作原理62 交通燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計72.1設(shè)計總體要求72.2設(shè)計總框圖72.3硬件設(shè)計總思路82.4軟件設(shè)計總思路83 硬件設(shè)計93.1 PLC的硬件系統(tǒng)組成93.2 PLC的選型103.3輸入、輸出點(diǎn)的估算113.4主機(jī)型號的選擇113.5模塊的擴(kuò)展123.6輸入、輸出點(diǎn)的分配133.7 PLC外部接線示意圖143.8七段數(shù)碼管的顯示工原理154 軟件設(shè)計184.1編程軟件的概述184.2編程語言的選擇184.3程序梯形圖195 PLC的調(diào)試與分析27總結(jié)31致謝32參考文獻(xiàn)331 PLC概述1.1 PLC

5、簡介可編程控制器簡稱PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動控制中。據(jù)統(tǒng)計，可編程控制器是工業(yè)自動化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認(rèn)為，可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，PLC、機(jī)器人、CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱?？删幊炭刂破鳎≒LC）是用來取代控制系統(tǒng)中的繼電器的一種設(shè)備，它通過檢測輸入端口，并根據(jù)輸入端口的狀態(tài)，按照程序控制輸出口，可編程控制器的程序一般要使用一定的軟件編寫，使用人員通過輸入預(yù)先編寫的程序，使可編程控制器按

6、預(yù)定的控制方案執(zhí)行控制任務(wù)。目前大多數(shù)城市采用的交通信號燈指揮控制系統(tǒng)，采用電子線路加繼電器構(gòu)成，也有少數(shù)采用單片機(jī)構(gòu)成。對信號燈的要求也越來越高，采用電子線路加繼電器的控制方式，則需要加入大量的中間繼電器，時間繼電器，計數(shù)器等器件。而且交通控制智能化需要按實(shí)際情況而改變參數(shù)，如使用繼電器控制，則很難實(shí)現(xiàn)。如使用單片機(jī)控制，則需要引入大量I/O接口電路、硬件設(shè)計，而且這兩種控制方式的抗干擾能力十分有限。采用可編程控制器對交通信號燈進(jìn)行管理，技能滿足控制要求，又具有高的抗干擾和穩(wěn)定性。PLC是在繼電器控制邏輯基礎(chǔ)上，與3C技術(shù)相結(jié)合，不斷發(fā)展完善的。目前已從小規(guī)模單機(jī)順序控制，發(fā)展到包括過程控制

7、、位置控制等場合的所有控制領(lǐng)域。PLC早期主要應(yīng)用于工業(yè)控制，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大下面就其在公路交通領(lǐng)域的應(yīng)用做一簡單介紹：PLC型交通燈控制器：將PLC用于對交通信號燈的控制，主要是考慮其具有對使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特性，同時其內(nèi)部定時器資源十分豐富，可對目前普遍使用的“漸進(jìn)式”信號燈進(jìn)行精確控制，特別對多岔路口的控制可方便的實(shí)現(xiàn)。目前大多品牌的PLC內(nèi)部均配有實(shí)時時鐘，通過編程控制可對信號燈實(shí)施全天候無人化管理。由于PLC本身具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能，將同一條道路上的信號燈組成一局域網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，可縮短車輛通行等候時間，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。德國西門子有限公司生產(chǎn)的S7-200系列

8、可編程控制器（如圖1-1）具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時特性、強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊等特點(diǎn)。它是一種集成式控制器，集成了電源、輸入模塊、輸出模塊和CPU于一身，輸入輸出狀態(tài)由LED指示，內(nèi)裝RS-485通訊接口，可連接計算機(jī)直接編制梯形圖程序，通過EM 277 PROFIBUS-DP擴(kuò)展從站模塊，可將S7-200 CPU連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。EM 277經(jīng)過串行I/O總線連接到S7-200 CPU。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過其DP通信端口，連接到EM 277 PROFIBUS-DP模塊。這個端口可運(yùn)行于9600波特和12M波特

9、之間的任何PROFIBUS波特率。圖1-1 S7-200系列可編程控制器1.2 PLC的國內(nèi)外狀況及未來展望隨著我國城市化建設(shè)的發(fā)展，人民的生活水平日漸提高，越來越多的汽車進(jìn)入了尋常老百姓的家庭，再加上政府大力發(fā)展公交車、出租車，使得道路上車輛越來越多，許多大城市如北京、上海、南京等均出現(xiàn)了道路交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況。因此，自80年代后期以來，很多城市紛紛擴(kuò)建城市道路，在道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對道路的系統(tǒng)研究和控制，擴(kuò)建道路并沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特點(diǎn)，也決定了城市道路的交通狀況必然受這種路況的制約。所

10、以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的多車道城市道路，緩解城區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門丞待解決的主要問題。在這種情況下，道路交通信號燈開始發(fā)揮了越來越重要的作用，并已成為交管部門管理交通的重要工具之一。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣

11、控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認(rèn)的第一臺PLC。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個人計算機(jī)（簡稱P

12、C）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控

13、制器已步入成熟階段。上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編

14、程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機(jī)廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PL

15、C在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。1.3 PLC未來展望21世紀(jì)，PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機(jī)技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運(yùn)算速度更快、存儲容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技

16、術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。1.4 PLC控制交通燈的背景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于交通燈的控制不斷地在工藝、性能等各方面進(jìn)行改進(jìn)，使交通燈的控制變得更加方便，實(shí)現(xiàn)的功能更加的強(qiáng)大。我國早期對交通燈的控制有二種：電子線路控制系統(tǒng)、繼電器控制系統(tǒng)。電子線路控制系統(tǒng)雖然能實(shí)現(xiàn)交通燈的基本要求，但是因為是電子線路比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)問題并且查找問題比較困難，早在繼電器控

17、制系統(tǒng)出現(xiàn)之時已銷聲匿跡了。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、可靠性差、控制方式不靈活以及消耗功率大等缺點(diǎn)，目前已逐漸被淘汰。而我國目前交通燈控制系統(tǒng)主要有二種控制方式：PLC控制系統(tǒng)和智能化控制系統(tǒng)。智能化控制系統(tǒng)雖在智能控制方面有較強(qiáng)的功能，但也存在抗擾性差，系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，一般維修人員難以掌握維修技術(shù)等缺陷。而PLC控制系統(tǒng)本著運(yùn)行可靠性高，使用維修方便，抗干擾性強(qiáng)，設(shè)計和調(diào)試周期較短等優(yōu)點(diǎn)，已成為人們的新寵。1.5 PLC控制交能燈的優(yōu)點(diǎn)PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處

18、理器的優(yōu)點(diǎn)，語言編程簡單，采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯也都很方便。還是一種用于自動化控制的專用計算機(jī)，因此它使用的非常廣泛。PLC是工業(yè)專用計算機(jī)，這種計算機(jī)采用面向用戶的指令，因而編程方便。它能完成“邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作”，還具有“數(shù)字量,模擬量輸入/輸出控制”的能力。并且容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)連為一體”，易于擴(kuò)充。因而可以說PLC是近乎理想的工業(yè)控制計算機(jī)。隨著人們生活水平的不斷提高和交通問題的日益嚴(yán)重，發(fā)展PLC控制交通燈已成為必然，并且會受到越來越多人的關(guān)注。S7200系列可編程控制器是德國西門子公司研制

19、的一種新型可編程控制器。它工作可靠，功能強(qiáng)，存儲容量大，編程方便，輸出端可直接驅(qū)動2A的繼電器或接觸器的線圈，抗干擾能力強(qiáng)。因此，能夠滿足交通燈對電氣控制系統(tǒng)的要求。且西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。這里我們采用S7-200 系列， S7-200 系列PLC 具有可靠性高、運(yùn)算速度快、產(chǎn)品成本低等優(yōu)點(diǎn)。1.6 PLC的工作原理眾所周知，繼電器控制系統(tǒng)是一種“硬件邏輯系統(tǒng)”，采用的工作方式為并行工作方式，而

20、可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機(jī)，故它的工作原理是建立在計算機(jī)工作原理基礎(chǔ)之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)的，但CPU是以分時操作方式來處理各項任務(wù)的，計算機(jī)在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各點(diǎn)起的動作，所以它屬于串行工作方式。PLC采用自左到右、自上而下的逐行循環(huán)掃描的方式，RUN的工作方式下， CPU從用戶等程序第一條指令開始執(zhí)行，直到最后一條指令結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。PLC把用戶程序執(zhí)行一次所經(jīng)過的時間稱為PLC的一個機(jī)器掃描周期，它分內(nèi)部處理、通迅服務(wù)、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出

21、刷新五大步驟。PLC運(yùn)行狀態(tài)按輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等步驟周而復(fù)始地循環(huán)工作。而具體的工作過程如下圖1-1所示。圖1-2 PLC的工作過程2 交通燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1設(shè)計總體要求本設(shè)計是以PLC為核心再加上數(shù)碼管等外接器件來實(shí)現(xiàn)交通燈的控制的。（1）當(dāng)按下起動按鈕時，東西方向的紅燈開始亮，數(shù)碼管從36開始遞減。（2）當(dāng)按下起動按鈕時，南北路口的綠燈開始亮，數(shù)碼管從30開始遞減，當(dāng)30S時間到時，南北路口的黃燈開始閃爍，共閃爍3次。（3）東西方向紅燈的時間到，黃燈開始閃爍，黃燈閃爍3次后東西方向的綠燈開始亮并倒計30s。（4）南北方向的紅燈開始亮，數(shù)碼管從36開始倒計數(shù)。（5）東

22、西路口的綠燈開始亮，數(shù)碼管從30開始遞減，當(dāng)30S時間到時，東西路口的黃燈開始閃爍，共閃爍3次。（6）南北方向的紅燈時間到時，黃燈開始閃爍，閃爍3次后南北方向的綠燈開始亮并倒計30s。（7）東西方向的紅燈開始亮，數(shù)碼管從36開始倒計數(shù)。（8）當(dāng)按下停止按鈕時，南北方向和東西方向的紅、黃、綠三燈和4組數(shù)碼管都不亮。而具體的控制要求如表2-1所示。表2-1 交通燈的控制要求 東西路口紅燈黃燈綠燈亮36s閃爍3次亮30s南北路口綠燈黃燈紅燈亮30s閃爍3次亮36s2.2設(shè)計總框圖PLC控制交通燈系統(tǒng)的組成有核心控制元件PLC、起動按鈕、停止按鈕、紅黃綠三燈、數(shù)碼管等元件組成。因此交通燈系統(tǒng)控制框圖如

23、圖2-1所示。 圖2-1 設(shè)計總框圖2.3硬件設(shè)計總思路根據(jù)可編程控制器設(shè)計交通燈硬件部分的設(shè)計步驟，本設(shè)計的具體設(shè)計步驟如下所示：（1）PLC的選型；（2）輸入、輸出點(diǎn)的估算；（3）主機(jī)型號的選擇；（4）模塊的擴(kuò)展及I/O編址；（5）輸入、輸出端子的分配；（6）畫出I/O接線圖；（7）數(shù)碼管的顯示原理。2.4軟件設(shè)計總思路硬件設(shè)計設(shè)計的是外部電路，是需要外接的器件。而軟件設(shè)計是來驅(qū)動硬件電路工作的，是設(shè)計的核心所在，硬件電路能否正常的工作就要看軟件設(shè)計的是否合理，故軟件設(shè)計很重要的。本設(shè)計的軟件設(shè)計是按以下的步驟進(jìn)行的。（1）編程語言的選擇；（2）編寫程序的梯形圖。3 硬件設(shè)計3.1 PLC

24、的硬件系統(tǒng)組成PLC的硬件系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)、輸入輸出擴(kuò)展部件及外部設(shè)備組成。各部分之間通過內(nèi)部系統(tǒng)總線進(jìn)行連接。CPU是PLC的核心部分，由它實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作，它的運(yùn)行是按照系統(tǒng)程序所賦予的任務(wù)進(jìn)行的。PLC的對外功能主要是通過各類接口模塊，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)過程的檢測和控制。PLC的電源一般采用開關(guān)電源，其特點(diǎn)是輸入電壓范圍寬、體積小、質(zhì)量輕、效率高、抗干擾性能好。一旦某模塊出現(xiàn)故障，進(jìn)行在線插拔、調(diào)試時不會影響各機(jī)的正常運(yùn)行。PLC的硬件組成與微型計算機(jī)相似，主要是由CPU、存儲器、輸入/輸出接口、電源等幾部分組成。具體如圖3-1所示。 圖3-1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)

25、組成（l）CPUCPU也稱為中央處理器，是PLC的核心，對PLC的整機(jī)性能有決定性的影響。一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成。（2）存儲器存儲器是用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量等信息的。分為ROM和RAM兩種類型。 系統(tǒng)程序是用來控制PLC完成各種控制功能的程序。這些程序是由PLC制造廠家用相應(yīng)CPU的指令編寫的，并固化到ROM中。用戶程序是根據(jù)生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序，存儲在RAM中。（3）輸入/輸出部件這是PLC與用戶設(shè)備和被控設(shè)備相連接的接口電路。輸入接口電路一般由光電耦合電路組成，用來接收PLC的各種輸入信號。如開關(guān)量、傳感器等信號。輸出接口電路一般采用繼電器、晶閘管或晶

26、體管輸出，將CPU的弱電信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號，以驅(qū)動電磁閥、接觸器等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。（4）電源電源的作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電提供給PLC。為了提高可靠性，大部分PLC采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源。3.2 PLC的選型當(dāng)今的PLC廠商琳瑯滿目，產(chǎn)品性能各不相同。常用的PLC有很多種：德國西門子（SIEMENS）公司：它有SS系列和S7系列，S7系列包括有S7-200（小型）、 S7-300（中型）及S7-400機(jī)（大型）。日本歐姆龍（OMRON）公司：CPM1A型機(jī)，P型機(jī)，H型機(jī)，CQM1、CVM、CV型機(jī)。日本三菱公司的PLC的小型機(jī)FI機(jī)和 FXZ機(jī)，它的中、大型機(jī)為A系列。日本東芝公

27、司的EX小型機(jī)及EXPLUS小型機(jī)。 日本日立公司E系列，它的基本箱體有E-20、E-28、E40、E64系列等。以上的眾多的廠家為我們提供了多種選擇的機(jī)會，但是除此之外我們還要注意CPU的功能要強(qiáng)、結(jié)構(gòu)要合理、I/O控制規(guī)模要適當(dāng)；輸入、輸出功能級、及負(fù)載能力要匹配以及對通信、系統(tǒng)響應(yīng)速度的要求。還要考慮電源的匹配等問題。輸入、輸出點(diǎn)數(shù)多少是選擇PLC規(guī)模大小的依據(jù)。如果是單機(jī)自動化或機(jī)電一體化產(chǎn)品可選用小型機(jī)；若控制系統(tǒng)較大，輸入、輸出點(diǎn)數(shù)較多，控制要求比較復(fù)雜，則可選用中或大型機(jī)。在選擇PLC I/O點(diǎn)數(shù)的同時，還要考慮用戶存儲的存儲容量。一般廠家提供1KB、2KB、4KB、8KB、13

28、KB、16KB、26KB等容量的存儲器，選擇的方法主要是根據(jù)經(jīng)驗估算。常用估算方法是PLC內(nèi)存容量要等于I/O點(diǎn)數(shù)的1015倍。對于以開關(guān)量控制為主的系統(tǒng)，PLC響應(yīng)時間無須考慮。一般的機(jī)型都能滿足要求。對于有模擬量控制的系統(tǒng)，特別是閉環(huán)控制系統(tǒng)，則要注意PLC響應(yīng)時間，根據(jù)控制的時時性要求，選擇合適的高速PLC。有時也可選用快速影響模塊和中斷輸入模塊來提高相應(yīng)的速度。通過對以上各個廠家的PLC的比較以及選擇主機(jī)時所要注意的事項。我最終選用的是德國西門子公司生產(chǎn)的S7系列的S7-200PLC。S7-200PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的超小型化PLC。它結(jié)構(gòu)緊湊，擴(kuò)展性能好，指令性能強(qiáng)大，它的強(qiáng)大

29、功能使其無論是單機(jī)運(yùn)行，或是連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，并且它有EM221、EM231等豐富的擴(kuò)展模塊。3.3輸入輸出點(diǎn)的估算根據(jù)被控對象對PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和要求，確定用戶所需的輸入、輸出設(shè)備，據(jù)此確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。在估算系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)和種類時，要全面考慮輸入、輸出信號的個數(shù)，I/O信號類型（數(shù)字量/模擬量），電流、電壓等級，是否有其它控制要求等因數(shù)。以上統(tǒng)計的數(shù)據(jù)是一臺PLC完成系統(tǒng)功能所必須滿足的，但具體要確定I/O點(diǎn)數(shù)時，則要按實(shí)際I/O點(diǎn)數(shù)再向上附加20%30%的備用量。在選擇PLC I/O點(diǎn)數(shù)的同時，還要考慮用戶存儲的存儲容量。根據(jù)本設(shè)計的控制要求，本設(shè)計有起動停

30、止兩個輸入點(diǎn)，南北方向和東西方向的紅、黃、綠三燈6個輸出點(diǎn)，4組數(shù)碼管的段碼顯示共28個輸出點(diǎn)。所以本設(shè)計總共有34個輸出點(diǎn)。3.4主機(jī)型號的選擇CPU是PLC的核心部分，由它實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作，它的運(yùn)行是按照系統(tǒng)程序所賦予的任務(wù)進(jìn)行的。交通燈能否正常的工作就取決于CPU選取的是否合理，故CPU的選擇是很重要的。而S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X兩代產(chǎn)品，其中CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種基本型號。I/O點(diǎn)數(shù)及可擴(kuò)展的模塊數(shù)見表3.1。根據(jù)輸入輸出的點(diǎn)數(shù)選取的主機(jī)類型為CPU224。 14個輸入點(diǎn)和Q0

31、.0-Q0.7,Q1.0-Q1.1 10個輸出點(diǎn)。CPU224的14個輸入點(diǎn)可以滿足本設(shè)計兩輸入點(diǎn)的需求，但是10個輸出點(diǎn)不能滿足本設(shè)計34個輸出點(diǎn)的需求，因此需要再擴(kuò)展28個輸出點(diǎn)。3-1 S7-200系列中CPU22X的基本單元型號主機(jī)輸入點(diǎn)數(shù)主機(jī)輸出點(diǎn)數(shù)可擴(kuò)展模塊CPU22164無CPU222862個擴(kuò)展模塊78路數(shù)字量I/O點(diǎn)或10路模擬量I/O點(diǎn)CPU22414107個擴(kuò)展模塊168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)CPU22624167個擴(kuò)展模塊248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)3.5模塊的擴(kuò)展PLC系列目前總共可以提供三大類共9種數(shù)字量I/O模塊；三大類5種模擬量I

32、/O模塊，具體的擴(kuò)展模塊和種類如表3-2所示。因為本設(shè)計需要擴(kuò)展的是數(shù)字量輸出點(diǎn)，所以我著重看了EM222、EM223，但是EM223不僅包括輸入點(diǎn)還包括輸出點(diǎn)，本設(shè)計不需要擴(kuò)展輸入點(diǎn)，為了節(jié)省資源我選取了EM222，沒有選擇EM223。因為需要擴(kuò)展28個數(shù)字量輸出點(diǎn)，所以選擇了4塊EM222（8路數(shù)字量直流輸出），4塊EM222總共有28個數(shù)字量輸出點(diǎn)，正好滿足設(shè)計所需要的輸出點(diǎn)數(shù)。表3-2 常用的模塊擴(kuò)展型號及用途分類型號I/O規(guī)格功能及其用途數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM221DI88路數(shù)字量直流輸入EM222DO88數(shù)字量直流輸出EM223DI4 /DO44路數(shù)字量直流輸入、輸出DI8/DO88路

33、數(shù)字量直流輸入、輸出DI16/DO1616路數(shù)字量直流輸入、輸出模擬量擴(kuò)展模塊EM231AI44路模擬量輸入EM232AQ22路模擬量輸出EM235AI4/AQ14路模擬量輸入、1路模擬量輸出其主機(jī)和各擴(kuò)展模板的I/O接鏈圖如下圖3-2所示。 圖3-2 I/O擴(kuò)展連接鏈?zhǔn)疽鈭D根據(jù)圖3.2主機(jī)和模板的擴(kuò)展連接鏈所示各模塊對應(yīng)的I/O編址如表3-3所示。表3-3 模塊的 I/O編址主機(jī)模塊0模塊1模塊2模塊3I0.0 Q0.0Q2.0Q3.0Q4.0Q5.0I0.1 Q0.1Q2.1Q3.1Q4.1Q5.1I0.2 Q0.2Q2.2Q3.2Q4.2Q5.2I0.3 Q0.3Q2.3Q3.3Q4.3

34、Q5.3I0.4 Q0.4Q2.4Q3.4Q4.4Q5.4I0.5 Q0.5Q2.5Q3.5Q4.5Q5.5I0.6 Q0.6Q2.6Q3.6Q4.6Q5.6I0.7 Q0.7Q2.7Q3.7Q4.7Q5.7I1.0 Q1.0I1.1 Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.53.6輸入、輸出點(diǎn)的分配輸入、輸出點(diǎn)的I/O分配如表3-4所示。表3-4 I/O分配SB1I0.0起動按鈕SB2I0.1停止按鈕HL1Q0.0東西方向紅燈HL2Q0.1東西方向黃燈HL3Q0.2東西方向綠燈HL4Q0.4南北方向紅燈HL5Q0.5南北方向黃燈HL6Q0.6南北方向綠燈七 段 數(shù) 碼 管數(shù)碼管段碼東西數(shù)碼管個

35、位東西數(shù)碼管十位南北數(shù)碼管個位南北數(shù)碼管十位aQ2.0Q3.0Q4.0Q5.0bQ2.1Q3.1Q4.1Q5.1cQ2.2Q3.2Q4.2Q5.2dQ2.3Q3.3Q4.3Q5.3eQ2.4Q3.4Q4.4Q5.4fQ2.5Q3.5Q4.5Q5.5gQ2.6Q3.6Q4.6Q5.63.7 PLC外部接線示意圖根據(jù)上面主機(jī)類型的選擇，各擴(kuò)展模塊的確定以及I/O點(diǎn)的分配，再加上交通燈控制系統(tǒng)的控制要求。具體的紅、黃、綠三燈、各擴(kuò)展模塊和數(shù)管I/O連線圖如圖3-3所示。但應(yīng)注意PLC實(shí)際接線時，還應(yīng)考慮到以下幾個方面：(1) 應(yīng)有電源輸入線，通常為220V、50HZ交流電源，允許電源電壓有一定的浮動

36、范圍。并且必須有保護(hù)裝置，如熔斷器等。若是干擾較強(qiáng)或?qū)煽啃砸蠛芨叩膱龊?，?yīng)在PLC的電源輸入端加裝帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器。(2) 輸入和輸出端子共用一個COM端。PLC應(yīng)單獨(dú)接地，不要和其他電器元件公共接地，接地面積應(yīng)大于2平方毫米，并盡可能靠近PLC。(3) PLC輸入端接有線圈和電磁閥等感應(yīng)性元件時必須加保護(hù)電路，例如并接阻容吸收回路(對于交流電源)或續(xù)流二極管(對于支流電源)。圖3-3 PLC外部連線示意圖3.8七段數(shù)碼管的顯示工作原理 七段數(shù)碼管是用擴(kuò)展模塊的輸出點(diǎn)來控制的，當(dāng)紅綠燈開始亮的時候，數(shù)碼管就開始計數(shù)。數(shù)碼管有兩種類型,一種是共陰極的,一種是共陽極的,共陰極數(shù)

37、碼管輸出的是高電平有效，而共陽極則是低電平有效。具體電路如下圖3-4所示。圖3-4 共陰極和共陽極數(shù)碼管本設(shè)計采用的是共陰極數(shù)碼管，當(dāng)輸入為高電平的時候數(shù)碼管就開始顯示。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+24V的電壓。一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個筆劃（段）ag，另一個小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護(hù)各段LED不被損壞，需外加限流電阻。本設(shè)計用數(shù)碼管顯示的主要原因是，半導(dǎo)體數(shù)碼管的工作電壓比較低，體積小、壽命長、工作可靠性高、響應(yīng)速

38、度快、亮度高，是交通上數(shù)字顯示的最佳器件，因此本設(shè)計采用數(shù)碼管顯示。眾所周知，LED顯示數(shù)碼管通常由硬件7段譯碼集成電路，完成從數(shù)字到顯示碼的譯碼驅(qū)動。本系統(tǒng)采用軟件譯碼，以減小體積，降低成本和功耗，軟件譯碼的另一優(yōu)勢還在于比硬件譯碼有更大的靈活性。所謂軟件譯碼，即由軟件完成從數(shù)字到顯示碼的轉(zhuǎn)換。從LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理可知，為了顯示字符，要為LED顯示數(shù)碼管提供顯示段碼，組成一個“8”字形字符的7段，再加上1個小數(shù)點(diǎn)位，共計8段，因此提供給LED數(shù)碼管的顯示段碼為1個字節(jié)。各段碼位與顯示段的對應(yīng)關(guān)系如下表3-5所示。表3-5 LED顯示段碼字型共陽極段碼共陰極段碼字型共陽極段碼共陰極段碼0C0

39、H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3BOH4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H（1） 本表所列各字符的顯示段碼均為小數(shù)點(diǎn)不亮的情況。（2）“空白”字符即沒有任何顯示。4 軟件設(shè)計用PLC系統(tǒng)控制一個任務(wù)或過程，是通過CPU在RUN方式下循環(huán)掃描用戶程序來實(shí)現(xiàn)的，用戶程序決定了一個系統(tǒng)的功能。因此PLC用戶程序的設(shè)計是PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計中最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。4.1編程軟件的概述SIMATIC S7-200編程軟件是指西門子公

40、司為S7-200系列PLC編制的工業(yè)編程軟件的集合，其中STEP7-Micro/WIN32軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件。具有簡單易學(xué)、高效、節(jié)省時間，可解決復(fù)雜的自控任務(wù)。S7-200可編程控制器使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進(jìn)行編程。STEP7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，功能強(qiáng)大，主要用于開發(fā)程序，也可用于適時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。加上漢化后的程序，可在全漢化的界面下進(jìn)行操作。STEP7-Micro/WIN32軟件包括有MICROWIN3.1軟件；MICROWIN3.1的升級版本軟件MICROWIN3.1 SP1；TOOLBOXTO

41、OLBOX包括USS協(xié)議指令和TPO70的組態(tài)軟件TP DESIGNER V1.0設(shè)計師工具箱；以及MICROWIN3.11Chinese等編程軟件。S7-200的編程軟件：STEP7-Micro/WIN32。該編程軟件可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控。使得PLC的編程更加方便、快捷。可以說，S7-200可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。STEP 7-Micro/WIN編程軟件為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程環(huán)境。4.2編程語言的選擇PLC為用戶提供的編程語言有五種：梯形圖、語句表、功能塊圖、順序功能圖、結(jié)構(gòu)文本。梯形圖(LAD)編程語言是從繼

42、電器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變而來的。PLC梯形圖與電氣控制系統(tǒng)梯形圖基本思想是一致的，只是在使用符號和表達(dá)方式上有一定區(qū)別。PLC梯形圖使用的是內(nèi)部繼電器、定時器/計數(shù)器，都是由軟件實(shí)現(xiàn)的。語句表（STL）編程語言類似于計算機(jī)中的助記符語言，它是可編程控制器最基礎(chǔ)的編程語言。所謂語句表編程，是用一個或幾個容易記憶的字符來代表可編程控制器的某種操作功能。功能塊（FBD）是利用邏輯門圖形組成功能塊圖指令系統(tǒng)，功能塊指令由輸入、輸出段及邏輯關(guān)系函數(shù)組成。最終選用梯形圖作為本設(shè)計的編程語言。選取的主要原因是梯形圖在程序執(zhí)行時按段掃描，清晰的段結(jié)構(gòu)有利于對程序的運(yùn)行進(jìn)行理解和調(diào)試。同時，軟件的編譯功能

43、可以直接指出錯誤指令所在段有段標(biāo)號，昉利于我對程序的修正。并且此語言簡單明了，易于理解。4.3程序梯形圖本設(shè)計具體的梯形圖如圖4-1所示。 圖4-1 程序梯形圖5 PLC的調(diào)試與分析PLC程序的調(diào)試可以分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試兩個調(diào)試過程，在此之前首先是要對PC外部接線作仔細(xì)檢查，這一個環(huán)節(jié)非常的重要。要確保外部接線凂確無誤。也可以用事先編寫好的試驗程序?qū)ν獠拷泳€做掃描通電檢查來查找故障。當(dāng)確認(rèn)接線無誤后就可以連接主電路，將模擬調(diào)試好的程序送入用戶存儲器進(jìn)行調(diào)試，直到達(dá)到整個設(shè)計想要得到的效果。（1）程序的模擬調(diào)試將設(shè)計好的程序?qū)懭隤LC后，首先要做的就是仔細(xì)檢查程序，并改正寫入時出現(xiàn)的錯誤。用

44、戶程序一般先在實(shí)驗室模擬調(diào)試，一般不用接PLC實(shí)際的負(fù)載(如接觸器、電磁閥等)。也可以根據(jù)功能表圖，在適當(dāng)?shù)臅r候用開關(guān)或按鈕來模擬實(shí)際的反饋信號。在調(diào)試時應(yīng)充分考慮各種可能的情況，對系統(tǒng)各種不同的工作方式、有選擇序列的功能表圖中的每一條支路、各種可能的進(jìn)展路線，都應(yīng)逐一檢查，不能遺漏。發(fā)現(xiàn)問題后應(yīng)及時修改梯形圖和PLC中的程序，直到在各種可能的情況下輸入量與輸出量之間的關(guān)系完全符合要求。如果程序中某些定時器或計數(shù)器的設(shè)定值過大，為了縮短調(diào)試時間，可以在調(diào)試時將它們減小，模擬調(diào)試結(jié)束后再寫入它們的實(shí)際設(shè)定值。在設(shè)計和模擬調(diào)試程序的同時，可以設(shè)計、制作控制臺或控制柜，PLC之外的其他硬件的安裝、接

45、線工作也可以同時進(jìn)行。（2）程序的現(xiàn)場調(diào)試完成上述的工作后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場的調(diào)試工作立刻,首先將PLC安裝在控制現(xiàn)場進(jìn)行聯(lián)機(jī)總調(diào)試，在調(diào)試過程中有可能將會顯示出系統(tǒng)中原先可能存在的傳感器、執(zhí)行器和硬接線等方面的問題，以及PLC的外部接線圖和梯形圖程序設(shè)計中的問題，應(yīng)對出現(xiàn)的問題及時加以解決。如果調(diào)試達(dá)不到指標(biāo)要求，則可以對相應(yīng)硬件和軟件部分設(shè)計作適當(dāng)調(diào)整，通常只需要略微修改程序就可能出現(xiàn)實(shí)際效果。全部調(diào)試通過后，再經(jīng)過一段時間的實(shí)驗，系統(tǒng)才可以投入到實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中。但本設(shè)計在調(diào)試過程中出現(xiàn)了如下幾個問題：1）在調(diào)試程序開始前,忘記對PLC進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)按下控制按鈕,不會出現(xiàn)任何的效果。故在調(diào)試程序前應(yīng)先對PLC進(jìn)行復(fù)位操作,然后在進(jìn)行程序調(diào)試。2）Network中南北路口的倒計時數(shù)設(shè)置的數(shù)字錯誤，故在調(diào)試時南北路口顯示的時間和本來要顯示的時間不符，具體如圖5-1所示。圖5-1 梯形圖錯誤之處修改后的