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基于s7-200 plc的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)設計
基于s7-200 plc的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)設計
1 設計主要內容及要求
1.1 設計目的:
編程序控制器(PLC)于20世紀60年代在美國誕生,在我國的發(fā)展與應用已有30多年的歷史,現(xiàn)在它已經(jīng)廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個工業(yè)生產領域,成為提高工業(yè)裝備電氣自動化水平的重要設備和強大支柱。因此,PLC技術已成為電氣自動化專業(yè)技能型人才必不可少的重要技能,通過實踐,可以幫助學生加深對理論知識消化吸收,提高PLC編程技能。
1.2 基本要求
信號燈受一個啟動開關控制,當啟動開關接通時,信號燈系統(tǒng)開始工作,且先南北紅燈亮,東西綠燈亮。當啟動開關斷開時,所有信號燈都熄滅。
南北紅燈亮維持25秒,在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮,并維持20秒。到20秒時,東西綠燈閃亮,閃亮3秒后熄滅。在東西綠燈熄滅時,東西黃燈亮,并維持2秒。到2秒時,東西黃燈熄滅,東西紅燈亮,同時,南北紅燈熄滅,綠燈亮。
東西紅燈亮維持30秒。南北綠燈亮維持25秒,然后閃亮3秒后熄滅。同時南北黃燈亮,維持2秒后熄滅,這時南北紅燈亮,東西綠燈亮,周而復始。要求完成以下項目:
1、畫出交通信號燈時序狀態(tài)示意圖
2、畫出交通燈的控制流程圖
3、完成可編程控制器I/O端口分配和外部接線圖
4、完成十字路口交通信號燈PLC控制梯形圖編程
1.3 發(fā)揮部分
自由發(fā)揮
2 設計過程及論文的基本要求:
2.1 設計過程的基本要求
(1)基本部分必須完成,發(fā)揮部分可任選;
(2)符合設計要求的報告一份,其中包括總體設計框圖、電路原理圖各一份;
(3)報告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。
2.2 課程設計論文的基本要求
(1)參照畢業(yè)設計論文規(guī)范打印,包括附錄中的圖紙。項目齊全、不許涂改,不少于4000字。圖紙為A4,所有插圖不允許復印。
(2)裝訂順序:封面、任務書、成績評審意見表、中文摘要、關鍵詞、目錄、正文(設計題目、設計任務、設計思路、設計框圖、各部分電路及相應的詳細的功能分析和重要的參數(shù)計算、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹)、小結、參考文獻、附錄(總體設計框圖與電路原理圖)。
3 時間進度安排
順序
階段日期
計 劃 完 成 內 容
備注
1
2014.9.1
講解主要設計內容,安排學生查閱資料
打分
2
2014.9.2
檢查整個設計總體設計概況
打分
3
2014.9.3
指導學生進行傳感器的選擇和plc應用的注意事項
打分
4
2014.9.4
檢查學生核心內容的設計情況
打分
5
2014.9.5
答辯、寫報告
打分
2014-9-1
摘要
可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可以編制程序的存儲器,用來在執(zhí)行存儲邏輯運算和順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令,并通過數(shù)字或模擬的輸入(I)和輸出(O)接口,控制各種類型的機械設備或生產過程??删幊绦蚩刂破?PLC)作為一種以微電腦技術為核心的自動控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制技術與計算機和通信技術融為一體,在工業(yè)自動化,機電一體化以及傳統(tǒng)的工業(yè)控制方面,得到了廣泛的應用, 發(fā)揮著越來越大的作用。已被廣泛應用于機械制造、冶金、化工、能源等各種行業(yè)。它可靠性高、功能完善、抗干擾性好,具有結構簡單、重量輕等優(yōu)點。是一種專門用于工業(yè)環(huán)境及過程控制的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。城市交通信號控制是通過對交通流的調節(jié)、警告和誘導以達到改善人和貨物的安全運輸,提高運營效率。采用PLC控制交通信號燈,主要是考慮其具有對使用環(huán)境適應性強的特性,同時其內部定時器資源十分豐富。
目前,PLC已廣泛應用于工業(yè)控制中,但是在交通控制方面應用方面還不是很廣泛。PLC應用于交通控制還有很大的潛能,PLC以其可方便操作、可方便編程調試等特點,使得其有逐步取代以往的單片機在交通燈中的地位的趨勢。
利用德國西門子公司的S7—200 PLC來實現(xiàn)交通信號燈的自動控制。通過對交通信號燈的控制要求的分析,結合西門子S7-200的控制性能,通過系統(tǒng)時序圖的分析,對交通燈系統(tǒng)進行了軟、硬件設計,實現(xiàn)了十字路口交通燈的合理控制的功能,通過實驗證明該方法設計的系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟實用、遠行可靠,具有很高的實用價值。
關鍵字:PLC 交通燈控制 設計 調試
27
- -
目錄
基于s7-200 plc的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)設計 I
摘要 III
目錄 4
1 設計任務描述 5
1.2 設計要求. 5
1.2.2 基本要求 5
1.2.3 發(fā)揮部分 5
2 設計思路 6
3 設計與分析 7
3.1設計框圖 7
3.2設計分析 7
4 硬件部分 9
4.1 PLC I/O分配 9
4.2系統(tǒng)的硬件結構圖 10
4.3 PLC的接線形式 11
5軟件設計部分 12
5.1 梯形圖 13
5.2語句表 16
6 PLC概述 19
6.1PLC硬件結構 19
6.2中央處理單元(CPU) 19
6.3存儲器 20
6.4輸入/輸出模塊 21
圖6.4.1 23
圖6.4.2 23
7元件清單 24
小結 25
致 謝 26
參考文獻 27
1 設計任務描述
1.1 設計題目:基于s7-200 plc的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)設計
1.2 設計要求.
1.2.1 設計目的
可編程控制器是一種數(shù)字式的電子裝置,它使用可編程序的存儲器來存儲指令,并實現(xiàn)邏輯運算、順序運算、記數(shù)和算術運算等功能。用來對各種機械或生產過程進行控制。
自1969年第一臺可控編程控制器問世以來,目前可編程控制器已經(jīng)成為一種最重要、最普及、應用場合最多的工業(yè)控制器。編程序控制器(PLC)于20世紀60年代在美國誕生,在我國的發(fā)展與應用已有30多年的歷史,現(xiàn)在它已經(jīng)廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個工業(yè)生產領域,成為提高工業(yè)裝備電氣自動化水平的重要設備和強大支柱。因此,PLC技術已成為電氣自動化專業(yè)技能型人才必不可少的重要技能,通過實踐,可以幫助學生加深對理論知識消化吸收,提高PLC編程技能。
1.2.2 基本要求
信號燈受一個啟動開關控制,當啟動開關接通時,信號燈系統(tǒng)開始工作,且先南北紅燈亮,東西綠燈亮。當啟動開關斷開時,所有信號燈都熄滅。
南北紅燈亮維持25秒,在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮,并維持20秒。到20秒時,東西綠燈閃亮,閃亮3秒后熄滅。在東西綠燈熄滅時,東西黃燈亮,并維持2秒。到2秒時,東西黃燈熄滅,東西紅燈亮,同時,南北紅燈熄滅,綠燈亮。
東西紅燈亮維持30秒。南北綠燈亮維持25秒,然后閃亮3秒后熄滅。同時南北黃燈亮,維持2秒后熄滅,這時南北紅燈亮,東西綠燈亮,周而復始。要求完成以下項目:
1、畫出交通信號燈時序狀態(tài)示意圖
2、畫出交通燈的控制流程圖
3、完成可編程控制器I/O端口分配和外部接線圖
4、完成十字路口交通信號燈PLC控制梯形圖編程
1.2.3 發(fā)揮部分
2 設計思路
按照交通燈系統(tǒng)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(tǒng)工作。
首先,南北方向道路處于禁止通行的狀態(tài),東西方向道路處于允許通行的狀態(tài)。
南北方向道路亮紅燈狀態(tài)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(tài)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(tài)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,還需要計時器設定延時3秒,才會轉下一狀態(tài)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(tài)東西紅燈亮。
其次,東西方向道路處于禁止通行的狀態(tài),南北方向道路處于允許通行的狀態(tài)。
東西方向道路亮紅燈狀態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)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(tài)南北紅燈亮。
如此循環(huán)下去。
3 設計與分析
3.1設計框圖
開始
南北紅燈亮,東西綠燈亮
南北紅燈亮,東西綠燈閃
南北紅燈亮,東西綠燈亮
東西紅燈亮,南北綠燈亮
東西紅燈亮,南北綠燈閃
東西紅燈亮,南北綠燈亮
開始
3.2設計分析
圖1 十字路口交通示意圖
這12個交通燈共有6個狀態(tài):
南北紅燈(1 7)亮 東西綠燈(6 12)亮
南北紅燈(1 7)繼續(xù)亮 東西綠燈(6 12)閃
南北紅燈(1 7)繼續(xù)亮 東西綠燈(5 11)亮
東西紅燈(4 10)亮 南北綠燈(3 9)亮
東西紅燈(4 10)繼續(xù)亮 南北綠燈(3 9)閃
東西紅燈(1 7) 繼續(xù)亮 南北綠燈(2 8)亮
4 硬件部分
4.1 PLC I/O分配
交通燈控制系統(tǒng)共有一個輸入點:啟動按鈕。輸出信號有東西方向、南北方向兩組指示燈驅動信號以及東西方向、南北方向的車輛運行指示燈驅動信號甲、乙。由于每一方向的指示燈中,同種顏色的指示燈運行情況相同,為節(jié)省輸出點數(shù),采用并聯(lián)輸出法。由此確定,系統(tǒng)所需的輸入點數(shù)為1,輸出點數(shù)為8,全部為開關量。PLC I/O點分配如表一所示。
表一PLC I/O口分配
輸入元件 輸入地址 輸出元件 輸出地址
啟動按鈕 I0.0 南北紅燈 Q0.0
南北黃燈 Q0.1
南北綠燈 Q0.2
東西紅燈 Q0.3
東西黃燈 Q0.4
東西綠燈 Q0.5
南北車燈(乙) Q0.6
東西車燈(甲) Q0.7
4.2系統(tǒng)的硬件結構圖
根據(jù)系統(tǒng)對I/O口量的需求,選用s7—200來完成設計,系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示。
檢測裝置
PLC
計數(shù)器
CPU
定時器
交通燈
圖2 系統(tǒng)的硬件結構
4.3 PLC的接線形式
如圖3所示
圖3 PLC接線圖
端口I0.0為接入系統(tǒng)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,Q0.5接南北綠燈,Q0.6接南北黃燈。
5軟件設計部分
控制系統(tǒng)的程序可分為兩個模塊:開始模塊和十字路口信號燈控制模塊。其中十字路口信號燈控制模塊是主模塊。時間設定由定時器(T)完成,通過不同的定時器的交替觸發(fā)和定時來控制各個車道每個信號燈的亮滅時間。時間的設定可根據(jù)實際狀況分時設置。根據(jù)控制任務要求,運用step7一micro/win32軟件設計交通燈系統(tǒng)的梯形圖程序,
如圖4。
5.1 梯形圖
5.2語句表
5.3 時序圖
圖4 十字路口交通燈時序
6 PLC概述
6.1PLC硬件結構
PLC實質是一種專用于工業(yè)控制計算機,其硬件結構基本上與微型計算機相同,中央處理單元(CPU),如下圖2-1所示。
4-1 PLC硬件結構
6.2中央處理單元(CPU)
中央處理單元(CPU)是PLC控制中樞。它PLC系統(tǒng)程序賦予功能接收并存儲從編程器鍵入用戶程序和數(shù)據(jù);檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器狀態(tài),并能診斷用戶程序中語法錯誤。當PLC投入運行時,首先它以掃描方式接收現(xiàn)場各輸入裝置狀態(tài)和數(shù)據(jù),并分別存入I/O映象區(qū),然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序,命令解釋后按指令規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有用戶程序執(zhí)行完畢之后,最后將I/O映象區(qū)各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內數(shù)據(jù)傳送到相應輸出裝置,如此循環(huán)運行,直到停止運行。
進一步提高PLC可靠性,近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng),或采用三CPU表決式系統(tǒng)。這樣,某個CPU出現(xiàn)故障,整個系統(tǒng)仍能正常運行。
6.3存儲器
存放系統(tǒng)軟件存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件存儲器稱為用戶程序存儲器。
1、PLC常用存儲器類型
(1)RAM (Random Assess Memory) 這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器),其存取速度最快,由鋰電池支持。
(2)EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種可擦除只讀存儲器。斷電情況下,存儲器內所有內容保持不變。紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內容)。
(3)EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除只讀存儲器。使用編程器就能很容易對其所存儲內容進行修改。[3]
2、PLC存儲空間分配
各種PLCCPU最大尋址空間各不相同,PLC工作原理,其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域:
(1)系統(tǒng)程序存儲區(qū)
(2)系統(tǒng)RAM存儲區(qū)(包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等)
(3)用戶程序存儲區(qū)[4]
系統(tǒng)程序存儲區(qū):系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化EPROM中,用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC性能。
系統(tǒng)RAM存儲區(qū):系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設備,如:邏輯線圈;數(shù)據(jù)寄存器;計時器;計數(shù)器;變址寄存器;累加器等存儲器。[5]
(1)I/O映象區(qū):PLC投入運行后,輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù),輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應外設。它需要一定數(shù)量存儲單元(RAM)以存放I/O狀態(tài)和數(shù)據(jù),這些單元稱作I/O映象區(qū)。一個開關量I/O占用存儲單元中一個位(bit),一個模擬量I/O占用存儲單元中一個字(16個bit)。整個I/O映象區(qū)可看作兩個部分組成:開關量I/O映象區(qū);模擬量I/O映象區(qū)。
(2)系統(tǒng)軟設備存儲區(qū) :I/O映象區(qū)區(qū)以外,系統(tǒng)RAM存儲區(qū)還包括PLC內部各類軟設備(邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等)存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持存儲區(qū)域和無失電保持存儲區(qū)域,前者PLC斷電時,由內部鋰電池供電,數(shù)據(jù)不會遺失;后者當PLC斷電時,數(shù)據(jù)被清零。
用戶程序存儲區(qū):主要用來存放用戶的應用程序。所謂用戶程序時指使用戶根據(jù)工程現(xiàn)場的的產生過程和工藝要求編寫的控制程序。次程序由使用者通過編程器輸入到PLC機的RAM存貯器中,以便于用戶隨時修改。也可將用戶程序存放在EEPROM中。
6.4輸入/輸出模塊
輸入/輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產設備或工業(yè)生產過程連接的借口。現(xiàn)場的輸入信號,如按鈕開關,行程開關、限位開關以及傳感輸出的開關量或模擬量(壓力、流量、溫度、電壓、電流)等,都要通過輸入模塊送到PLC。由于這些信號電平各式各樣,而可編程控制器CPU所處理的信息只能是標準電平,所以輸入模塊還需將這些信號轉換成PLC能夠接受和處理的數(shù)字信號。輸入模塊的作用是接收中央處理器處理過的數(shù)字信號,并把它轉換成現(xiàn)場執(zhí)行部件所能接收的控制信號,以驅動如電磁閥、燈光顯示、電機等執(zhí)行機構??删幊炭刂破饔卸喾N輸入/輸出模塊其類型有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。這些模塊分直流和交流、電壓和電流類型,每種類型又有不同的參數(shù)等級,主要有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入輸出/模塊,部件上都設有接線端子排,為了濾除信號的噪聲和便于PLC內部對信號的處理,這些模塊上都帶有濾波、電平轉換、信號鎖存電路。數(shù)字量輸入模塊帶有廣電耦合電路,其目的是把PLC與外部電路隔離起來,以提高PLC的抗干擾能力。數(shù)字兩輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式。模擬量輸入/輸出模塊主要用來實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉換,即A/D或D/A轉換。由于工業(yè)控制系統(tǒng)中有傳感器或執(zhí)行機構有一些信號是連續(xù)變化的模擬量,因此這些模擬量必須通過模擬量輸入/輸出模塊與PLC的中央處理器連接。模擬量輸入模塊A/D轉換后的二進制數(shù)字量,經(jīng)光電耦合器和輸出鎖存器宇PLC的1/0總線掛接。現(xiàn)在標準量程的模擬電壓主要是0—5伏和0—10伏兩種。另外還有:0—somV、0—IV、—5—+SV、—10—+10V,0—10mA等。模擬量輸入模塊接收標準量程的模擬電壓或電流猴,把它轉換成8未、10未或12位的二進制數(shù)字信號,送給中央處理器進行處理。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進制數(shù)字信號轉換成標準量程的電壓或電流輸出信號,提供給執(zhí)行機構。
圖6.4.1
圖6.4.2
7元件清單
名稱
型號
數(shù)量
備注
計算機
1
可編程控制器
S7-200
1
西門子
數(shù)據(jù)線
1
STEP7-Micro/WIN
1
小結
????PLC課程結束了,又到了課程設計的時候,我們組分到了:基于S7-200 PLC的十字路口交通信號燈的系統(tǒng)設計
面對這個題目根據(jù)老師課堂講的內容很快就確定了設計的方向,并與同學們的合作解決遇到的問題。通過這次設計,我意識到了PLC編程技術在現(xiàn)實中的廣泛應用,并了解到自己學習中的不足之處,看到了理論與實踐的差距。?
?????通過一周的PLC設計實踐。我學會了PLC的基本編程方法,對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中,提高了我們的工程素質,在沒有做實踐設計以前,我們對知道的撐握都是思想上的,對一些細節(jié)不加重視,當我們把自己想出來的程序與到PLC中的時候,問題出現(xiàn)了,不是不能運行,就是運行的結果和要求的結果不相符合。能過解決一個個在調試中出現(xiàn)的問題,我們對PLC?的理解得到加強,看到了實踐與理論的差距。?
??????通過合作,我們的合作意識得到加強。合作能力得到提高。上大學后,很多同學都沒有過深入的交流,在設計的過程中,我們用了分工與合作的方式,每個人互責一定的部分,同時在一定的階段共同討論,以解決分工中個人不能解決的問題,在交流中大家積極發(fā)言,和提出意見,同時我們還向別的同學請教。在此過程中,每個人都想自己的方案得到實現(xiàn),積極向同學說明自己的想法。能過比較選出最好的方案。在這過程也提高了我們的表過能力。?
?????通過此次課設,讓我了解了PLC梯形圖、指令表、順序功能圖有了更好的了解,也讓我了解了關于PLC設計原理。有很多設計理念來源于實際,從中找出最適合的設計方法。實踐不同于理論,理論上可行的設計,在考慮實際條件的種種影響下,必須有所取舍,有側重,才能事半功倍,紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行。
致 謝
在設計的過程中我們還得到了老師的幫助與意見。在學習的過程中,不是每一個問題都能自己解決,向老師請教或向同學討論是一個很好的方法,不是有句話叫做學而不思則怠,做事要學思結合。PLC不僅需要編程能力,更是要求設計者了解控制電路的時序關系,作用原理,在接到題目之后,通過查詢資料對題目的所需要的編程器件,設計思路有了一定準備,但還是遇到了很多問題,感謝祝老師給予的及時指導和幫助,能夠跳出我們的思維局限性,從更高的,宏觀的層面和維度來分析問題,給出中肯和針對性的建議,通過和同學的討論,更是使我完善了自己能力的不足之處,并能使我們一起提高。感謝學校老師給我們提供實踐的機會和條件,能夠鍛煉自己的實際動手能力,不僅停留在理論層面的學習,更要將所學轉化為一種能力和素質,培養(yǎng)自己的工程實踐經(jīng)驗,從最基礎的課程設計做起,為實際動手操作,打實基礎,因為只有實踐,才能出真知。
參考文獻
[1] 王永華 .現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術.北京:北京航空航天大學出版社,2013
[2] 趙景波等.零基礎學西門子S7-200 PLC.北京:機械工業(yè)出版社,2010
[3] 龔威,張樹臣,王瀛. 實例解讀西門子PLC.北京:中國電力出版社,2013
[4] 李國麗,朱維勇電子技術實驗指導書合肥:中國科技大學出版社,2000