江苏农林职业技术学院
毕 业 设 计（论 文）
SNL/QR7.5.4-3
基于SIEMENS/S7-300PLC的交通灯设计及其仿真
专 业 学生姓名 班 级 学 号 指导教师 完成日期
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摘 要
可编程逻辑控制器（英文缩写PLC）是一种可靠和便捷的自动控制元件。通过计算机对微型逻辑处理器进行编程，便可以轻松和可靠地实现自动通信和自动控制。在工控应用领域，PLC因为在结构上简单、编程上便利可行，且控制精度高，所以在工业自动控制领域被得很大面积的使用。本设计论文想要介绍的一种利用Siemens-S7-300PLC做和核心控制单元，来实行十字道口交通红绿灯的有效控制的系统。设计所要实现的主要目标是通过PLC的控制来实现东南西北四个红、黄、绿灯的逻辑化闪亮，以得以控制交通红绿灯。本文采用自顶向下的设计原则通过6个控制计算器在不同时段不同频率下自动控制用于控制8个红绿灯的8个控制器。然后控制程序采用的是功能图表（SFC）、梯形图(LAD)以及指令表(STL)。在最后采用WinCC仿真软件对设计的系统和程序进行了虚拟实验室仿真和调整，试验结果验证了设计和控制程序的可行性。
关键字：可编程逻辑器、S7-300PLC、交通红绿灯、WinCC
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ABSTRACT
Programmable Logic Controller（PLC）is one kind of durable and easy-use automatic control unit. The PLC is applied in large range in industrial control field due to its can be easily design program and with good precision. This paperwork implements the SIMENS-S7-300PLC into controlling the traffic signal lights system. The design specification is to use the S7-300PLC as the ECU for controlling the 8 traffic lighters in four directions. The paperwork conducts the up-down principle and design 6 counters for controlling the 8 lighters in different frequency and different period via the SFC/LAD/STL language. Finally it uses the WINCC for lab-view simulation and validated the whole system and program code is ok for launch.
Keyword：PLC、S7-300PLC、traffic lighters、WINCC
目 录
摘 要 .................................................................................................................................................. 2 ABSTRACT ........................................................................................................................................ 3 1 绪论 .................................................................................................................................................. 1 2 PLC技术介绍 ................................................................................................................................... 2 2.1 PLC的硬件结构 ........................................................................................................................... 2 2.2 PLC的工作原理 ........................................................................................................................... 2 3 系统方案论证 .................................................................................................................................. 4 3.1 设计要求 ...................................................................................................................................... 4 3.2系统设计方案分析 ....................................................................................................................... 4 3.3 PLC选型 ....................................................................................................................................... 5 4 系统硬件设计 ................................................................................................................................ 7 4.1 设计原则 ...................................................................................................................................... 7 4.2 PLC外部连接设计 ....................................................................................................................... 7 4.3 设计要点及注意事项 .................................................................................................................. 8 5 系统程序设计 .............................................................................................................................. 10 5.1系统程序分析 ............................................................................................................................. 10 5.2 梯形图软件设计 ........................................................................................................................ 10 5.3 梯形图所对应的语句表 ............................................................................................................ 16 6 系统检测与调试 ............................................................................................................................ 17 6.WinCC软件的介绍 ......................................................................................................................... 17 6.2 组态画面的建立 ........................................................................................................................ 17 6.3 变量的定义 ................................................................................................................................ 18 6.4仿真并调试 ................................................................................................................................. 19 第7章 结束语 .................................................................................................................................. 22 参考文献 ............................................................................................................................................ 23 答谢辞 ................................................................................................................................................ 24
1 绪论
可编程逻辑控制器Programmable Logical Controller（PLC）的前身是传统的继电器控制器，和传统继电器控制器相比，其二者都具有逻辑控制功能，但PLC具备了可编程功能。PLC的存储器为可编程式存储器，PLC的内部存储器的作用为主要是进行控制器内部控制和外部输出控制。
对于内部控制主要功能为：1、存储用户写入的控制程序；2，执行在程序的控制下相关逻辑计算；3.进行时钟顺序、计算器计算、算数和定时等面向客户的操作指令；
对于外部输出控制，指的是PLC系统作为控制系统，中间需ADC/DAC等模块介入，然后通过中间数字/模拟输入或输出控制器来实行对其他电、气、机械等外部执行部件的控制和调配。
十字路口交通信号灯控制的设计意义重大。十字交通灯处于重要的交通地带，人流量车流量大，若不进行逻辑化系统化的控制容易导致行人和车辆不遵守相应的交通规则，进而引发交通事故。而对于交通灯本身而言，其需要严谨的时序逻辑控制系统作为支撑。在规定的时间内，和正确的时序逻辑下控制交通红黄绿灯依次有条不紊地发生变化，才能够保障十字路口的交通运行的安全性。本设计将会以西门子S7-300型PLC作为总控制器，然后在接下来的章节中详细论述十字路口交通灯的控制原理，控制逻辑、交通信号灯的自动控制系统软硬件设计及其仿真验证系统软硬件的设计可行性。
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2 PLC技术介绍
2.1 PLC的硬件结构
PLC 从电子零部件的功能属性上分可以说PLC是专业用于工控的小型计算机。在硬件的层次结构上，整体和与微型的计算机没有特别大的区别。从封装和控制器升级方面上区分PLC我们可以将PLC整体式和配选式两种。整体式的PLC指的就是PLC内部的关键部件不能进行拆装，是一体的。整体式PLC内装部件有供电电源、中央处理器板（CPU）、输入输出板（I/O）、显示面板、存储器等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。而配选式的PLC就是指的是其内部的关键内部件（电源、CPU、ROM、I/O、底板、机架）是可以选择性配用的。配选型的主要优
点是可以灵活根据实际工控要求进行相关零部件的更新，适用范围会被扩展。 中央处理器(CPU)是PLC的“中枢神经”，在PLC 系统程序控制下，CPU会进行数据、程序的接受和存储，同时会时刻检查电源、存储器的输入输出端口以及预警定时器触发器的实时状态；但发现程序发送过程中出现语法错误时，能进行诊断。PLC进入工作状态后会采用动态扫描的方式对各输入输出装置的状态和实时数据进行读取并分别按照程序要求配送到相关的输入输出口(I/O)。在揭发用户程序的过程中，CPU会读取用户存储器上相应的客户指令，然后CPU自行解码后将计算结果按照程序要求送至输入输出口的数据寄存器中，但CPU检测所有状态在程序预设方位内是，CPU会根据程序要求将I/O数据寄存器中的数据推送至输出装置，以驱动外部执行器械。具体的PLC结构图见图2-1。
图2-1 PLC的硬件结构图
2.2 PLC的工作原理
PLC的狠心部分就是中央微处理器CPU，CPU承载了数字信号运算和操作的职能。PLC的应用领域为工控现场应用。其关键而灵活的模块就是内部的可编程存储器，存储器类似于人类的大脑，需要存储程序代码控制下的各种逻辑运算、算数运算。时序控制、以及计数器和定时类的指令。对外输出是通过ADC或DAC装置进行数模/模数转换后进行输入输出口发送/接受指令进行外围各种执行装置的控制。PLC相比传统的继电器类逻辑控制器，在能耗、效率、编译控制性能、可
靠性和耐久性方面有自身突出的优势。PLC系统采用的阶梯图控制语句，逻辑关系强，不需要类似于计算机代码样式的代码符，可读性强，在后期维护和升级方面有非常强的便利性。
市面上存在的PLC器械种类繁多，各自可以实现的控制功能和代码系统也会存在差异。总体硬件结构基本相同。主要包括CPU、I/O输入输出端口、电源、外围输出控制和编译器接插口。PLC的硬件原理框图见图2-2。
按 钮可编程序控制器输入模块输出模块接触器电磁阀指示灯电 源
选择开关限位开关电 源CPU模块编程装置图2-2 PLC的硬件原理框图
PLC的执行秩序总体可以概括为“端口逻辑扫描，操作循环执行”。PLC更具程序代码的要求，会按照程序代码写入的先后顺序逐条进行执行，并采用周期性动态循环扫描的方式。具体过程为程序指令中未设定条用其他程序的指令，无需跳转时，CPU会从开始的第一条指令进行读取，然后依次执行其他的控制指令，一直到程序结束。PLC的程序存在跳转或者等待程序反馈（采样、数据运算、结果转化、输入输出等） PLC都会严格按照程序指令的逻辑要求执行。
PLC程序执行：程序执行过程也是遵循上述原则。执行程序对应的各寄存器数据寄存状态会根据逻辑要求，进行相应的输入输出或更新。
PLC输出刷新：输出刷新的逻辑要求在于输出寄存器上的数据要求输出刷新阶段送到输出锁存寄存器，以便存储下执行指令，否则会导致数据丢失，不能通过外设设备输出到外围设备。
3 系统方案论证
3.1 设计要求
交通灯控制系统的控制要求如表1所示：
表1十字路口4路交通灯控制系统设计要求 1 1.1启动/关闭开关控制信号灯工作； 1.2开关接通,系统开始工作,先点亮南北红灯与东西绿灯 1.3开关断开,所有信号灯都熄灭； 2 3 2.1南北绿灯和东西绿灯不能同时亮， 2.2如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警； 3.1南/北红灯持续亮25秒。（南北红灯亮同时）东西绿灯持续亮20S 3.2东西绿灯达20秒时,东西绿灯启动闪烁3秒后熄灭 3.3东西绿灯熄灭时,东西黄灯亮且维持2秒 3.4东西黄灯2秒后熄灭,东西红灯亮 3.5东西红灯亮/南北红灯熄+南北绿灯亮 4 4.1东西红灯亮维持30秒、南北绿灯亮维持25秒 4.2南北绿灯亮25秒后闪烁3秒熄灭+南北黄灯亮 4.3,南北黄灯亮2秒后熄+南北红灯亮+东西绿灯亮。 5 周而复始。
图3-1 交通等布置示意图
3.2系统设计方案分析
对如图3-1所示的十字路口交通灯的4路共12个交通灯进行方位编号，一边设计中调取数字代码。
结合图3-2和表1，得出相关信号灯的位置和开启状态结果如下： 步骤1：南北红灯（1、7）亮，东西绿灯（6、12）亮 步骤2：南北红灯（1、7）继续亮，东西绿灯（6、12）闪 步骤3：南北红灯（1、7）继续亮，东西黄灯（5、11）亮 步骤4：东西红灯（4、10）亮，南北绿灯（3、9）亮
步骤5：东西红灯（4、10）继续亮，南北绿灯（3、9）闪 步骤6：东西红灯（1、7）继续亮，南北黄灯（2、8）亮
图3-2 交通红绿灯分布图
将上述步骤结果翻译为时序图，则得到图3-3。
启动/ 停止 南北红灯
东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 南北绿灯 南北黄灯
图3-3 交通信号灯时序图
3.3 PLC选型
S7-300 PLC的选型原则是据生产工艺所需的功能和容量进行选型，并考虑维
护的方便性、备件的通用性，以及是否易于扩展和有无特殊功能等要求。选型时具体注意以下几方面：
(1)有关参数确定。一是输入/输出点数(I/O点数)确定。这是确定PLC规模的一个重要依据，一定要根据实际情况留出适当余量和扩展余地。二是PLC存储容量确定。注意当系统有模拟量信号存在或要进行大量数据处理时，其存储容量应选大一些。
(2)系统软硬件选择。一是扩展方式选择，S7-300 PLC有多种扩展方式，实际选用时，可通过控制系统接口模块扩展机架、Profibus-DP现场总线、通信模块、运程I/O及PLC子站等多种方式来扩展PLC或预留扩展口；二是PLC的联网，包括PLC与计算机联网和PLC之间相互联网两种方式。因S7-300 PLC的工业通信网络淡化了PLC与DCS的界限，联网的解决方案很多，用户可根据企业的要求选用；三是CPU的选择，CPU的选型是合理配置系统资源的关键，选择时必须根据控制系统对CPU的要求包括系统集成功能、程序块数量限制、各种位资源、MPI接口能力等。
（3）PROFIBUS-DP主从接口、RAM容量、温度范围等，并最好在西门子公司的技术支持下进行，以获得合理的选型；四是编程软件的选择，这主要考虑对CPU的支持状况，我们的体会是：STEP7 V4.0对有些型号的CPU不支持，硬件组态时会发生故障出错，而STEP7V5.0则不存在这种问题。
4 系统硬件设计
4.1 设计原则
(1) 满足被控设备或生产过程的控制要求；
(2) 在满足控制要求的前提下，力求简单、经济，操作方便； (3) 保证控制系统工作安全可靠；
(4) 考虑到今后的发展改进，应适当留有进一步扩展的余地。
4.2 PLC外部连接设计
交通灯的硬件设计包括输入/输出PLC地址编号、输入/输出分配。根据交通灯的控制要求，该系统要求有一个启动开关，1个停止开关，共两个输入点，12盏灯，东西方向、南北方向的同一类灯可以共用1个点，故用6个输出就可以。交通输入/输出信号与PLC地址编号对照表如3-4所示，输入/输出分配线图如图3-5所示。
表4-1 输入/输出信号与PLC地址编号对照表 输入信号 名称 启动开关 停止开关 编号 M2.0 M2.1 南北绿灯 南北红灯 南北黄灯 东西绿灯 东西红灯 东西黄灯 输出信号 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q1.0 Q1.1 Q1.2
图4-2 交通灯输入/输出接线图
4.3 设计要点及注意事项
1. 设计要点
(1)抗干扰设计。来自电源线的杂波，能造成系统电压畸变，导致系统内电气设备的过电压、过负荷、过热甚至烧毁元器件，造成PLC等控制设备误动作。所以，在电源入口处最好应设置屏蔽变压器或电源滤波等防干扰设施。其中，电源滤波器的地要以最短线路接到中央保护地。对于直流电源，则可加装微分电容加以干扰抑制。 应合理配置PLC的使用环境，提高系统抗干扰能力。具体采取的措施有：远离高压柜、高频设备、动力屏以及高压线或大电流动力装置；通信电缆和模拟信号电缆尽量不与其他屏(盘)或设备共用电缆沟；PLC柜内不用荧光灯等。另外，PLC虽适合工业现场，但使用中也应尽量避免直接震动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等；不要在有腐蚀性气体、灰尘过多、发热体附近应用；避免导电性杂物进入控制器。
(2)保护接地设计。可采取用不小于10mm2的保护导线接好配电板的保护地；相邻的控制柜也应良好接触并与地可靠连接。同时要做好防雷保护接地，通常可采取总线电缆使用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地，或模拟信号电缆采取两层屏蔽，外层屏蔽两端接地等措施。另外，为防止感应雷进入系统，可采用浪涌吸收器。 (3)信号屏蔽设计。信号的屏蔽非常关键，一般可采取屏蔽电缆传送模拟信号。注意对多个模拟信号共用一根多芯屏蔽电缆或用两种屏蔽电缆传送时，信号间一定要做好屏蔽。而且电缆的屏蔽层一端(一般在控制柜端)要可靠接地。当现场没有或无法设置硬点时，可在操作界面上采取软按键的方法解决走向选择或控制方式选择等问题。此外，与变频器、智能仪表等的连接，最好还是采用信号线直接相连的方式。
2. 设计注意事项
(1)PLC输出电路中没有保护，因此在外部电路中应设置串联熔断器等保护装
置，以防止负载短路造成PLC损坏。熔断器容量一般为0.5A。
(2)PLC存在I/O响应延迟问题，因此在快速响应设备中应加以注意。MPI通信协议虽简单易行，但响应速度较慢。
(3)编制控制程序时，最好用模块式结构程序。这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作；又能使数据库结构统一，方便WinCC组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一显示。
(4)硬件资源。要合理配置硬件资源，以提高系统可靠性。如PLC电源配电系统要配备冗余的UPS不间断电源，以排除停电对全线运行的不利影响。又如对电机的控制回路要进行继电器隔离，以消除外部负载对I/O模块的可能损坏。另外，系统设备要采用独立的接地系统，以减少杂波干扰。
5 系统程序设计
5.1系统程序分析
根据设计要求，分析出交通灯的正常时序流程图如图5-1所示：
启 动 东西绿灯亮20S南北红灯亮25S 东西绿灯闪亮3S 东西黄灯亮2S 东西红灯亮30S南北绿灯亮25S 南北绿灯闪亮3S 南北黄灯亮2S 图5-1 正常时序流程图
5.2 梯形图软件设计
当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当按下停止按钮时，所有信号灯都熄灭。 交通灯控制系统的控制要求
根据程序分析，设计梯形图程序如图5-2所示：
图5-2 交通灯程序梯形图
5.3 梯形图所对应的语句表
下面对程序的器件号功能进行描述，梯形图对应的语句表如表5-2所示：
表5-2 梯形图语句表 步序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 器件号 M2.0 M2.1 M3.0 T10 T11 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q1.0 Q1.1 Q1.2 T0 T1 T2 说明 启动按钮 停止按钮 介质 0.5s脉冲 0.5s脉冲 南北绿灯输出 南北黄灯输出 南北红灯输出 东西绿灯输出 东西黄灯输出 东西红灯输出 南北红灯东西绿灯时间定时器 南北绿灯东西红灯时间定时器 东西黄灯时间定时器
15 16 17 18 19 T3 （SD) （SE) （P） （N) 南北黄灯时间定时器 通电延时定时器 断电延时定时器 上升沿脉冲 下降沿脉冲 6 系统检测与调试
6.WinCC软件的介绍
西门子视窗控制中心SIMATIC WinCC( Windows Control Center）是HMI／SCADA软件中的后起之秀，1996年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国Control Engnieering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统；而在欧洲，它无可争议地成为第一。在设计思想上，SIMATIC WinCC秉承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的HMI/SCADA软件是WinCC开发者的追求。Wincc是按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合于世界上各主要制造商生产的控制系统，如A—B，Modicon，GE等，并且通讯驱动程序的种类还在不断地增加。通过OPE的方式，WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通讯。WinCC V6．O采用标准Microsoft SQL Server 2000(WinCC V6.0以前版本采用Sybase)数据库进行生产数据的归档，同时具有web浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是工业企业中MES和ERP系统首选的生产实时数据平台软件。
作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成都分，WinCC确保与SIMATIC S5，S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP 7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。 组态
6.2 组态画面的建立
系统的调试是采用组态进行仿真的，首先打开组态软件，建立以下画面trffic.Pdl，如图6-1所示：
图6-1 建立交通灯画面
6.3 变量的定义
首先对系统的各个变量进行定义。各变量定义如表6-2所示：
表6-2 变量名定义表
变量名 ng ny nr eg ey er tstart tstop nwtime 变量类型 开关量 开关量 开关量 开关量 开关量 开关量 开关量 开关量 数值量 初始值 0 0 0 0 0 0 0 0 0 注释 南北路绿灯信号 南北路黄灯信号 南北路红灯信号 东西路绿灯信号 东西路黄灯信号 东西路红灯信号 启动按钮 停止按钮 南北方向倒计时
ewtime 数值量 0 东西方向倒计时 双击trffic.Pdl，编辑下面十字路口交通图，分别对各个圆属性中背景颜色进行组态设计，并连接好相应的变量的图6-3所示：
图6-3 组态编辑画面
6.4仿真并调试
打开s7-300PLCSIM软件，选中stop方框，如图6-4所示，下载编写梯形图程序，如图6-5所示。
图6-4 s7-300 plc仿真stop状态
图6-5 程序下载
程序下载完毕，选中run方框，画面进入运行模式，如图6-6所示：
图6-6 s7-300 plc仿真运行状态
启动trffic.Pdl画面，按下调试按钮，画面运行，按下start按钮，南北红灯亮，同时东西绿灯亮，如图6-7所示：
图6-7南北红灯亮，同时东西绿灯亮
紧接着是南北黄灯亮，东西绿灯闪烁，维持时间一致，如图6-8所示：
图6-8南北黄灯亮，东西绿灯闪烁，维持时间一致
南北绿灯亮，同时东西红灯亮，如图6-9所示：
图6-9 南北绿灯亮，同时东西红灯亮
当按下停止按钮时，交通灯熄灭，停止工作，状况如图6-10所示：
图6-10 交通灯停止工作
第7章 结束语
本次毕业设计的交通灯是是基于s7-300系列的PLC设计的，具有简单实用性。交通灯的调试是在组态软件上进行仿真的，与现实还存在一定的差距。从仿真的结果来看，基本的功能都实现了，但设计也存在一些不足,不能满足现实需求，希望今后的设计者能在此基础上增添一些功能，如:根据车流量来控制交通灯的时间。希望这个问题在以后的设计中得到解决。
设计最核心的部分是程序的编写，编写的过程中我发现了很多问题，在编写时，有些语句看似没问题，可就是运行不到想要的结果，经过反复的修改后，程序才能正常运行。
参考文献
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答谢辞
在这论文即将结束的时候，我想借此机会表达我对父母的养育之恩的感激，正式因为父母含辛茹苦的抚养和默默支持，我才有了一片可以自由成长的空间，我才有了一份可以追求自己理想和目标的机遇。除了父母，我真心想表达我对老师多年来的谆谆教导的感激之情。在本次论文的设计过程中，老师您那平易近人的无限人格魅力和您那孜孜不倦一心严谨治学的工作态度，是我在以后的工作和学习中永远需要保持学习的榜样。通过这次详细系统和全面的毕业论文设计，我将我自己所接触的或掌握的理论知识有了一个更新的认识，尤其在电子系统的选型和匹配方面有了自己的一定经验，可以指定专门样从系统和零件之间的关系去协调和全面地考虑一个PLC系统搭建所需要考虑的那些关键因素。但是我也深刻的认识到自己所掌握的理论知识还远远不够，在解决解决问题的过程中还是存在一定的缺陷，因此职能是通过查阅借鉴和整理参考以前导师所授知识，经过了许多天的整理和消化才最终将论文完成。
至此，本次论文的设计等于进入尾声，由于我个人在能力和相关的专业知识的上尚且存在一定的不足，论文中难免会有些这样那样的欠缺指出，敬请X老师指正。我会在今后的的学习和工作中努力提升自己的能力，争取做得更好。
同时也感谢我的母校XXX给我们这个学习交流和认知的平台，让我们可以将有限的理论知识在这个毕业设计的平台上付诸于实践中，也非常感谢指导老师在此期间对我们的指导与帮助。在此，我们真诚地向各位帮助过我们的老师和同学们说声谢谢
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