毕业设计-基于s7-200系列plc的交通信号灯控制系统设计

毕业设计-基于s7-200系列plc的交通信号灯控制系统设计内容摘要：

通行能力。 本文将工业上应用比较成熟的可编程控制器（ PLC）用于对单路口交通信号灯实现车辆等待长度的模糊控制方法。 本设计主要设计利用德国西门子公司的 S7200系列 PLC来实现对十字路口交通灯信号的智能控制。 设计中采用 S7200 编程软件 STEP 7 Micro/ 进行编程。 采用顺序功能图与梯形图相结合的方法设计程序。 Equation Chapter (Next) Section 1 2 十字路口信号灯控制的基本理论和方法 3 2 十字路口信号灯控制的基本理论和方法 车辆的存在与通过的检测 要用 PLC 模仿交警实现智能控制，首先需要采集信号。 就是要知道每条道路上有多少等待通行的车辆或正在通行的车辆， 然后再经过计算，做出正确的指挥（控制各个方向路口的交通灯信号）。 现在这样的产品很多，广泛应用于停车场、道路电子警察等。 在此选用使用最广泛的电感式传感器采集信号。 感应线圈 感应线圈 是一种 电 磁 感 应 式 传感器，其高频电流频率为 60kHz，尺寸为 23m，电感约为 100μH。 这种传感器可检测的电感变化率在 ％以上。 电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑 , 它是理想的传感器。 传感器最好选用防潮性能好的原材料。 其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线（特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老 路则需开挖再埋）。 当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成高频磁场。 当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。 当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。 当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。 由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅和相位发生变化，因此，在线圈的始末端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。 若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过 ， 这也是 本论文所涉 及的检测工作方式。 检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器 , 并将之转化为标准脉冲电压输出。 其具体电路图由三部分组成 :信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。 传感器的铺设 车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设采取在每个车行道上中的出口地 (停车线处 )以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，方案如图 21（ 以典型的十 字 路口为例 ） ，同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。 本文设置为 L=100 米。 在十字路口的四个方向（ E、 S、 W、 N）的近端 x（斑马线附近）和远端 y（距斑马线约 100 米处）各设置一个传感器，分别统计通过该处的车辆数。 如图 21 所示。 西安交通大学网络教育学院论文 4 近端的传感器用于记 录绿灯期 间通过路口的车辆数（记为 X）；远端的传感器用于记录红灯期间进入路口排队等候的车辆数（记为 Y）。 为了简化运算，可以将两个相对的方向（ N 与 S、 W 与 E）的 X、 Y 值合并为一组，分别取两个方向之最大者。 课题选用的 PLC 介绍 PLC 即可编程控制器（ Programmable Logic Controller）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 从结构上分， 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。 西门子 S7200 系列可编程控制器 S7200 系列 PLC 是西门子公司的产品， 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。 S7200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 因此 S7200 系列具有极高的性能 /价格比。 S7200 系列 PLC 具有极高的可靠性、极丰富的指令集、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模2 十字路口信号灯控制的基本理论和方法 5 块等特点，易于掌握，操作便捷。 S7200 系列在集散自动化系统中充分发挥 其强大功能。 使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。 应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。 如：冲压机床，磨床， 印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统 等。 硬件特点 不同的设备类型 集成的 24V 负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器）， CPU221/222 具有 180mA 输出， CPU22 CPU224XP、 CPU226 分别输出 280， 400mA。 可用作负载电源。 CPU 单元 S7200 系列 PLC 可提供 4 个不同的基本型号的 8 种 CPU。 CPU221~226各有 2 种类型 CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 1） CPU221 本机集成 6 输入 /4 输出共 10 个数字量 I/O 点。 无 I/O 扩展能力。 6K字节程序和数据存储空间。 4 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出。 1 个 RS485 通讯 /编程口，具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 非常适合于小点数控制的微型控制器。 2） CPU222 本机集成 8 输入 /6 输出共 14 个数字量 I/O 点。 可连接 2 个扩展模块。 6K 字节程 序和数据存储空间。 4 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立 20kHz 高速脉冲输出。 1 个 RS485 通讯 /编程口，具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 非常适合于小点数控制的微型控制器。 3） CPU224 本机集成 14 输入 /10 输出共 24 个数字量 I/O 点。 可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。 13K 字节程序和数据存储空间。 6 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。 1 个 RS485 通讯 /编程口，具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 I/O 端子排可很容易地整体拆卸。 是具有较强控制能力的控制器。 4） CPU224XP 本机集成 14 输入 /10 输出共 24 个数字量 I/O 点， 2 输入 /1 输出共 3个模拟量 I/O 点，可连接 7 个扩展模块，最大扩展值至 168 路数字量 I/O 点或 38 路模拟量 I/O 点。 20K 字节程序和数据存储空间， 6 个独立的高速计数器（ 100KHz）， 2 个100KHz 的高速脉冲输出， 2 个 RS485 通讯 /编程口，具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 本机还新增多种功能，如内置模拟量 I/O,位控特性，自 整定PID 功能，线性斜坡脉冲指令，诊断 LED，数据记录及配方功能等。 是具有模拟量 I/O和强大控制能力的新型 CPU。 5） CPU226 本机集成 24 输入 /16 输出共 40 个数字量 I/O 点。 可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。 13K 字节程序和数据存储空间。 6 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控西安交通大学网络教育学院论文 6 制器。 2 个 RS485 通讯 /编程口，具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 I/O 端子排可很容易地整体拆卸。 用于较高要求的控制 系统，具有更多的输入 /输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。 可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。 中断输入 允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 高速计数器 CPU 221/222 具有 4 个高速计数器（ 30KHz），可编程并具有复位输入， 2 个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为 90176。 的 A/B 相增量编码器。 CPU224/224XP/226 具有 6 个高速计数器（ 30KHz），具有 CPU221/222 相同的功能。 CPU 222/224/224XP/226 可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。 可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。 模 拟 电 位 器 CPU221/222 有 1 个， CPU224/224XP/226 有 2 个 ，CPU221/222/224/224XP/226 还具有脉冲输出。 2 路高频率脉冲输出（最大 20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。 实时时钟 例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 EEPROM 存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具（无需编程器），并可进行辅助软件归档工作。 电 池模块 用于长时间数据后备。 用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约 5 天。 选用电池模块能延长存贮时间到 200 天（ 10 年寿命）。 电池模块插在存储器模块的卡槽中。 编程软件与接口电缆 STEP 7Micro/WIN32 编程软件可对所有的 CPU221/222/224/224XP/226 功能进行编程。 同时也可以使用 STEP 7Micro/WIN16 软件包，但是它只支持对 S721x同样具有的功能进行编程。 STEP 7Micro/DOS 不能对 CPU 221/222/224/224XP/226 编程。 如果使用 PG/PC 的串口编程，则需要使用 PC/PPI 电缆。 如果使用 STEP 7Micro/WIN32 编程软件，则也可以通过 SIMATIC CP 5511或 CP 5611 编程。 在这种情况下，通讯速率可高达。 可以利用 PC/PPI 电缆和自由口通讯功能把 S7200 CPU 连接到许多和 RS232 标准兼容的设备。 有两种不同型号的 PC/PPI 电缆： 1）带有 RS232 口的隔离型 PC/PPI 电缆，用 5 个 DIP 开关设置波特率和其它配置项。 2）带有 RS232 口的非隔离型 PC/PPI 电缆，用 4 个 DIP 开关设置波特率。 当数据从 RS232 传送到 RS485 口时， PC/PPI 电缆是发送模式。 当数据从 RS485传送到 RS232 口时， PC/PPI 电缆是接收模式。 当检测到 RS232 的发送线有字符时，电缆立即从接收模式转换到发送模式。 当 RS232 发送线处于闲置的时间超过电缆切换2 十字路口信号灯控制的基本理论和方法 7 时间时，电缆又切换到接收模式。 这个时间与电缆上的 DIP 开关设定的波特率选择有关。 交通等信号控制方式 控制系统的组成 对于单交叉路口的信号灯控制主要在于求取最 佳信号周期和两交叉方向的绿信比。 当交通车流稀少时，信号周期尽量短些，但一般不能少于 30 秒，以免某一方向的绿灯时间小于 15秒使车辆来不及通过路口而影响交通安全。 当交通车流需求量较大时，信号周期应该长些，但一般也不能超过 120 秒，否则某一相位的红灯时间超过 60 秒，司机和行人的心理上不能忍受。 系统开始工作时，首先给南北方向固定的 15 秒的绿灯时间，作为路口车辆状态参数的采集时间 （梯形图如图 22， 顺控语句表如下）。 随后在红绿灯切换的各个时刻，读取各方向处于检测区中的车辆数，再经过模糊化处理，得到绿灯换向后的绿灯延时 时间长度 T。 车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器（ PLC）来实现。 利用 PLC，可使上述描叙的各传感器以及各道口的信号灯与之直接相连，非常方便可靠。 LD S 1 启动按钮 ，设置启动记忆锁存器 K0 LD R 1 停止按钮 ，停止工作； 图 22 交通灯初始赋值程序截图 LD EU MOVW 18, VW0 程序启动时给南北向 18 秒绿灯时间（含黄灯 3 秒） LDW VW0, 0 西安交通大学网络教育学院论文 8 = LD A MOVW 1, VW0 DECW VW0 南北向寄存器倒计时 以上为南北向绿灯寄存器 VW0 初始赋值及倒计时程序 ，梯形图如图 22 所示。 同理，东西向绿灯寄存器 VW6 倒计时程序类似不再赘述。 图 23 南北向绿灯黄灯程序。