分类号：TP13 编号：BY 15 5577 11/12/2 33-0801
沈阳化工大学
本科毕业论文
题目：交通信号灯PLC控制设计
院系：信息工程学院
专业：通信工程
班级： 0801
学生姓名：刘海立
指导教师：徐承韬
论文提交日期： 2012 年 06 月 21 日
论文答辩日期： 2012 年 06 月 26 日
毕业设计（论文）任务书
通信工程专业0801班学生：刘海立
毕业设计（论文）题目：交通信号灯PLC控制设计
毕业设计（论文）内容：设计一个基于PLC的交通信号灯
控制系统。
毕业设计（论文）专题部分：PLC控制系统硬件线路的设
计及软件程序的设计、调试、
系统监控。
起止时间：2012年3月--- 2012年6月
指导教师：年月日教研主任：年月日学院院长：年月日
摘要
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。在正常的工作中，为了保证交通灯系统运行的可靠性，一般选用PLC 来控制交通灯系统。
可编程控制器（PLC）以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。它普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易、功能扩展方便、修改灵活,而且结构简单、抗干扰能力强。城市交通灯系统控制使用的可编程控制器（PLC）要有可靠性高、维护方便、用法简单、通用性强等特点。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合交通灯控制系统的要求与特点，能够方便地联网通信。
本文选择西门子可编程控制器S7-200为核心部件，着重进行硬件线路设计、采用起保停电路的顺序控制梯形图和语句表进行编程设计以及使用MCGS组态软件进行工程组态监控设计这三方面的设计。控制方法是采用西门子的S7-200系列CPU224型号PLC对东西南北的红、
黄、绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的设计方案，最终经过多次调试达到了所需的设计要求，实现了十字路口交通灯控制系统的自动化。
本文介绍S7-200系列PLC交通灯控制系统的应用设计,关键是系统总体设计,核心则是控制程序设计。重点要掌握PLC系统设计的基本原则和设计的一般流程,要有一个整体的概念。在满足控制要求、环境要求和性价比等条件下，合理选择PLC的机型和硬件配置，正确地进行估算，合理选择输入/输出模块，完成PLC的硬件与软件的设计。
关键词：西门子S7-200；交通灯控制；PLC；梯形图
Abstract
As social and economic development, urban transport problem is getting the attention of the people. The coordination of the relationship of people, vehicles, roads, has become one of the important issues that need to be addressed by the traffic management department. In order to ensure the reliability of the traffic light system’s running in normal operation, we use PLC to control the traffic light system generally.
Programmable logic controller (PLC), microprocessor-based, integrated computer technology, automatic control technology and communication technology and developed a new type of industrial control devices. It is widely adopted in accordance with the relay contactor control system electrical schematic diagram of the preparation of the ladder language program design, easy programming and extensions, modify, flexible, and simple structure, strong anti-interference ability. Urban traffic light system is controlled by a programmable controller (PLC) which must have high reliability, easy maintenance, are easy to use, versatility and features. Siemens programmable controller instruction, you can access a variety of output, input expansion devices, special extension devices, analog input devices and communications equipment is in line with the requirements and characteristics of the traffic light control system, can be easily networked communication .
This paper Siemens programmable controller S7-200 as the core components, focusing on hardware circuit design, sequential control of the security blackout Road, Ladder Logic and Statement List programming design using the starting and MCGS configuration software engineering monitoring design three aspects of the design. The control method is with Siemens S7-200 series the CPU224 Model PLC red, yellow, green light to a
regular cycle of flashes in order to achieve the control of traffic lights on the East and West. Gives a simple and practical urban traffic light control system design, and ultimately after several debugging to achieve the desired design requirements crossroads traffic lights control system automation.
This article describes the S7-200 series PLC traffic light control system application design, the key is the overall system design, the core control program design. General processes that focus to master the basic principles and design of the PLC system design, there must be an overall concept. PLC models and hardware configurations to meet the control requirements, environmental requirements and cost conditions, a reasonable choice, the correct estimate, a reasonable choice of input / output modules, completion of the PLC hardware and software design.
Key words：Siemens S7-200；traffic light control；PLC；ladder-diagram
目录
第一章绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2研究目的和意义 (1)
第二章控制系统分析 (4)
2.1控制要求 (4)
2.2交通信号灯工作界面 (4)
2.3设计方案分析 (5)
第三章控制系统硬件设计 (7)
3.1可编程控制器 (7)
3.2硬件选型 (9)
3.3 PLC的地址分配 (12)
3.4 PLC的接线形式 (12)
第四章控制系统下位机程序设计 (13)
4.1 STEP7-Micro/WIN编程软件简介 (13)
4.2顺序功能图(SFC) (14)
4.3梯形图程序 (16)
4.4下位机程序分析 (20)
4.5下位机程序调试 (21)
第五章控制系统上位机程序设计 (23)
5.1 MCGS组态软件介绍 (23)
5.2 交通灯组态监控界面设计 (23)
第六章控制系统联机调试 (25)
6.1 准备工作 (25)
6.2 联机调试 (25)
6.3 调试中出现的问题 (26)
第七章总结 (27)
参考文献 (29)
致谢 (30)
附录１S7-200PLC的CPU的I/O规范 (31)
附录２S7-200PLC的CPU的输入规范 (32)
附录３S7-200PLC的CPU的输出规范 (33)
第一章绪论
1.1课题背景
1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行，这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械师德·哈特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯，它由以旋转式方形的红绿两种颜色玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，煤气红绿灯遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定：绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行、左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向，左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行；红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车；黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
1.2研究目的和意义
在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通
状况，成为研究的课题。
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。原交通信号灯控制大多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路口高速发展的要求。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控制系统存在的缺点，我们引入了基于PLC控制的交通信号灯控制系统。
本文针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，基本能达到控制要求。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。
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统是集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中式控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
可编程控制器交通灯控制系统的特点：
①脱机手动工作；
②联机自动工作；
③上位机控制的单周期运行方式；
④由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；
⑤自动启动、自动停止的控制方式。
近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。
本系统采用PLC是基于以下四个原因[1]：
①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；
②编程能力强，可编程控制器指令丰富；
③抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC。
根据交通信号灯控制系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以连接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器（PLC）对十字路口交通信号灯实现控制。
第二章控制系统分析
2.1控制要求
交通灯控制系统的控制要求如下：
①信号灯受两个按钮控制，当启动按钮动作时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当停止按钮动作时，所有信号灯都熄灭。
②南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。
③南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。
④东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮维持25S。然后闪烁3S，熄灭。同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
⑤回到①，循环执行。
2.2交通信号灯工作界面
交通信号灯工作界面见图2-1。
图2-1 交通信号灯工作界面
2.3设计方案分析
按照交通灯系统控制的要求，结合西门子S7-200系列可编程控制器的特性（见附录），设计思想分析如下：给一个启动的输入信号，要配合一个SB1的按钮，当SB1启动按钮动作时，系统工作；同样，给一个停止的输入型号，要配合一个SB2的按钮，当SB2停止按钮动作时，系统停止工作。
首先，南北方向道路处于禁止通行的状态，东西方向道路处于允许通行的状态。
南北方向道路亮红灯状态过程中，南北红灯亮25S,需计时器设定延时25S秒，才会转入下一状态南北绿灯亮；同时，东西方向道路的绿灯也一起亮20S,需计时器设定延时20S，才会转下一状态东西绿灯闪烁；东西绿灯闪烁3S，需脉冲源（秒/次）动作使东西绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3S，才会转下一状态东西黄灯亮；东西黄灯亮2S,需计时器设定延时2S，才会转入下一状态东西红灯亮。
其次，东西方向道路处于禁止通行的状态，南北方向道路处于允许通行的状态。
东西方向道路亮红灯状态过程中，东西红灯亮30S,需计时器设定延时30S，才会转入下一状态东西绿灯亮；同时，南北方向道路绿灯也一起亮25S,需计时器设定延时25S，才会转下一状态南北绿灯闪烁；南北绿灯闪烁3S，需脉冲源（秒/次）动作使南北绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3S，才会转下一状态南北黄灯亮；南北黄灯亮2S,需计时器设定延时2S，才会转入下一状态南北红灯亮。
如此循环下去。
另外，当断开系统时，所有信号灯熄灭，需要按钮SB2动作断开系统，使可编程控制器停止动作，那么肯定无信号输出。
如果出现南北、东西绿灯同时亮的情况，系统报警。可编程控制器要输出一个信号，驱动一个报警灯。
综上所述，可编程控制器要满足两个信号输入（分别起系统启动、停止作用），七个信号输出，即十字路口有十二个交通信号灯，但南北、东西两个为一组用一个输出信号控制，也就是六个输出信号，再加上一个报警信号驱动的报警灯输出。通过将如下的十字路口交通灯状态分析表见表2-1、十字路口交通灯时序图见图2-2、程序流程图见图2-3一一展开，将十字路口交通灯控制系统设计思路逐渐理清。
表2-1 十字路口交通灯状态分析表
交通灯方向
灯的状态 南北方向
红灯亮25S 绿灯亮25S 绿灯闪3S 黄灯亮2S
东西方向 绿灯亮20S 绿灯闪3S 黄灯亮2S 红灯亮
30S
图2-2 时序图
图2-3 流程图
南
北
干
道 东西干道 启动
南北红灯亮25S
南北绿灯闪3S 南北绿灯亮25S
南北黄灯亮2S 东西红灯亮 东西绿灯亮20S 东西绿灯闪3S 东西黄灯亮2S 东西红灯亮30S
西北绿灯亮
结 束
第三章控制系统硬件设计
3.1可编程控制器
⑴PLC结构
从结构上，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU 板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置[2]。其结构基本上与微型计算机相同，见图3-1[3]。
图3-1 PLC的结构图
中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将
I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。
⑵PLC的工作原理
PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式—扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段[4]，完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
①输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
②用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
③输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外
部设备。
PLC 的扫描工作过程见图3-2，扫描周期见图3-3。
图3-2 PLC 的扫描工作过程图
图3-3 PLC 的扫描周期图
3.2硬件选型
随着PLC 技术的发展，PLC 产品的种类也越来越多。不同型号的PLC ，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC ，对于提高PLC 控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC 的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O 模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：
① 合理的结构型式[5]
PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC 的每一个I/O 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，一输入刷新 程序执行
输出刷新
一个扫描周期 输入刷新 读 用 户 输 出 设 备
输
入
端
子 输 入 锁 存 器 输 入 映 象 寄 存 器 输 出 映 象 寄 存 器 输 出 锁 存 器 输 出 端 子
程序 执行 用 户 输 入 设 备 写 读
般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般用于较复杂的控制系统。
②安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。
③相应的功能要求
一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A/D和D/A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
④响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I/O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
⑤系统可靠性的要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。
⑥机型尽量统一
主要考虑到以下三方面问题：
Ⅰ机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。
Ⅱ机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提
高。
Ⅲ机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。
从上章的分析可以知道，系统共有开关量输入点2个，开关量输出点7个，如果选用CPU222 / PLC，也需要扩展单元PLC，参照西门子S7-200系列特性（见附录），选用主机为CPU224（14 输入/10继电器输出）。其外形见图3-4。
图3-4CPU224外形图
输入电路采用了双向光电耦合器，24V DC极性可任意选择， 1M、2M为输入端子的公共端。1L、2L为输出公共端。
CPU224另有24V、280mA电源供PLC输入点使用。其它配置见表3-1。
表3-1 硬件配置表
名称数量
DC24V电源 1
CPU224 1
PC/PPI编程电缆 1
STEP7编程软件 1
PC机 1
3.3 PLC的地址分配
PLC的输入/输出分配见表3-2。
表3-2 交通信号灯PLC的输入/输出点分配表
输入信号输出信号
名称代号输入点编号名称代号输出点编号启动按钮SB1 I0.0 报警灯H0 Q0.0
停止按钮SB2 I0.1 东西绿灯H1, H2 Q0.1
东西黄灯H3，H4 Q0.2
东西红灯H5，H6 Q0.3
南北绿灯H7，H8 Q0.4
南北黄灯H9，H10 Q0.5
南北红灯H11，H12 Q0.6
3.4 PLC的接线形式
根据I/O表及PLC的配置图很容易就可以得到PLC端子接线图见图3-5[6]。
图3-5 PLC控制接线图