十字路口交通信号灯控制论文

　 毕

　 业

　 论

　 文

　 课 题 名 称 十字路口交通信号灯控制

　 分 院/专 业

　班

　 级

　学

　 号

　学 生 姓 名

　 指 导 教 师 ：

　 2013 年 5 月 31 日

　摘

　要 自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应适合社会实际情况。这是选择制作十字路口交通灯的目的。

　可编程控制器(PLC)以微处理器为核心，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。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，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现了十字路口交通灯控制系统的自动化。每个路口采用 LED 数码管，倒计时显示，使得计时功能更加直观。

　关键词：西门子；PLC；交通信号灯；控制；LED；倒计时

　 ABSTRACT

　Since the inception of traffic lights, its internal control system on the circuit to be continuously improved. Design began to diversity, so that even more intelligent traffic lights. Traffic control as an integral part of the traffic signals should also be suitable for the actual social situation. This is the choice making crossroads, traffic lights. Programmable Logic Controller (PLC) microprocessor core, based on commonly used electrical relay contactor control system ladder diagram compiled programming language, programming is easy, convenient features extend, modify and flexible, and simple, anti- interference ability. Siemens PLC instruction rich, you can take a variety of output, input expansion device with rich special expansion devices, including analog input devices and communications equipment is according to the traffic light control system requirements and features, the ability to easily network communication. This choice of Siemens S7-200 programmable controller as the core components, hardware interface design focuses on the use of ladder and statements table programming, a crossroads of traffic light control system automation.Each intersection with LED digital tube, countdown display, making timing more intuitive functionality.

　 【Key Word】: siemens; PLC; traffic lights; control; LED; countdown

　 目 录

　摘

　要 ....................................................................................................................................................... II ABSTRACT ............................................................................................................................................ III 第一章 绪论 ............................................................................................................................................. 1 1.1

　引言 ........................................................................................................................................... 1 1.2 课题研究目的及意义 ................................................................................................................. 1 1.3 课题主要研究工作 ..................................................................................................................... 2 1.3 本课题的主要内容 ..................................................................................................................... 2 第二章 PLC 的基础 ................................................................................................................................. 3 2.1

　PLC 的基础和特点 ..................................................................................................................... 3 2.2

　PLC 的结构和工作原理 ............................................................................................................. 4 2.2.1 PLC 的基本结构 .............................................................................................................. 4 2.2.2 PLC 的工作原理 .............................................................................................................. 6 第三章 西门子 S7-200 系列 PLC 的硬件单元 ...................................................................................... 6 3.1 主机 ............................................................................................................................................. 6 3.1.1 CPU 的主要特点 ............................................................................................................. 7 3.1.2 存储系统 ......................................................................................................................... 8 3.2 扩展单元 ..................................................................................................................................... 8 3.3 特殊功能模块 ............................................................................................................................. 9 3.4 内部软元件 ................................................................................................................................. 9 3.5 基本指令 ....................................................................................................................................11 第四章

　控制方案设计 ......................................................................................................................... 12 4.1 技术控制要求 ........................................................................................................................... 12 4.2 总体方案确定 ........................................................................................................................... 14 4.2.1 方案的原理 ................................................................................................................... 14 4.2.2 方案的特点 ................................................................................................................... 14 4.2.3 方案的选择依据 ........................................................................................................... 14 第五章

　I/O 分配及元器件选型 ........................................................................................................... 15 5.1 输入点、输出点的地址分配 ................................................................................................... 15 5.2

　PLC 选型 .................................................................................................................................. 16 5.3 倒计时模块选型 ...................................................................................................................... 17 5.3.1 常用译码器 ................................................................................................................. 17 5.3.2 LED 七段数码显示器 .................................................................................................. 19 5.4 电气接线图 ............................................................................................................................... 19 第六章

　交通信号灯的 PLC 控制器详细设计过程 ............................................................................. 20

　6.1 交通信号灯控制系统动作流程图 ........................................................................................... 20 6.2

　十字路口交通信号灯控制的梯形图及语句表 ....................................................................... 20 6.3 倒计时控制程序梯形图及语句表 .......................................................................................... 24 第七章

　系统的调试 ............................................................................................................................. 28 7.1

　系统程序调试........................................................................................................................... 28 7.2

　系统硬件调试........................................................................................................................... 29 7.3

　联机调试 .................................................................................................................................. 29 第八章

　结束语 ..................................................................................................................................... 30 致谢 ......................................................................................................................................................... 31 参考文献 ................................................................................................................................................. 32 附件 ......................................................................................................................................................... 33 电气接线图：

　................................................................................................................................. 33 程序指令表 ..................................................................................................................................... 34 程序梯形图 ..................................................................................................................................... 36

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　. . 第一章 绪论 1.1 引言 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，英国机械工程师纳伊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。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，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，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 课题研究目的及意义 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了强有力的保障。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。

　传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。

　目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的

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　. . 普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC 是必要的。

　1.3 课题主要研究工作 城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。近多年来，随着众多研究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。

　(1)静态多段配时控制 静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境，颇受交通工程人员欢迎。

　(2) 准动态多段配时控制 准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。准动态多段配时控制是一闭环控制系统。由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统。

　1.3 本课题的主要内容 认识并了解 PLC 的基础，S7-200 系列 PLC 的硬件单元。对十字路口交通灯的任务进行了分析，确定了输入/输出管脚分配，原器件选型。并给出了具体的控制方案，以及时序图。详细的设计过程，包括程序流程图、交通灯和倒计时模块的梯形图及语句表，同时做出相应解释。

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　. . 第二章 PLC 的基础 2.1 PLC 的基础和特点 PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：

　可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程 。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

　随着微处理器的出现，大规模、超大规模、集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC 也迅速发展其发展过程大致可以分为三个阶段[1]。

　a. 早期的 PLC 早期的 PLC 称为可编程逻辑控制器。这时，PLC 主要功能只是执行原先由继器完成的顺序控制、定时等。早期的 PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示及能重复使用等。其中 PLC 特有的编程语言－－梯形图，一直沿用到现在。

　b. 中期的 PLC 这时 PLC 产品已使用了 16 位、32 位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术是 PLC 的应用得到了进一步的发展。在硬件方面，除了保留原有的开发模块外，还增加了模拟量模块、远程 I/O 模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使 PLC 的范围更大。在软件方面，还增加了算术运算、数据处理和传送通信、直诊断等功能。

　c. 近期的 PLC 由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器价格的大幅度下降，使的各种类型的 PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。为了提高 PLC 的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片。

　世界上生产PLC产品的厂家多达200多个，其中比较著名的有美国的AB、通用(GE)，日本的三菱(MITSBISHI)、 欧姆龙(OMRON)、松下，德国的西门子(SIEMENS)，韩国的三星(SUMSUNG)、 LG 等。

　PLC 具有以下主要特点：

　1. 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。由于 PLC 模块均采用大规模与超大规模集成电路，所以的 I/O 接口电路均采用光电隔离;在结构上对、防潮、防尘、抗震

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　. . 等都有周到的考虑;在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施;在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。以上这些使 PLC 具有较高的抗干扰能力。

　2. 控制系统结构简单，通用性强 在 PLC 控制系统中，只需要在 PLC 输入/输出端子上接入相应的信号线即可，不需要连接如继电器之类的低压电器和大量而又复杂的硬件接线线路 ，大大简化了控制系统的结构。PLC 的输入/输出可直接与交流 220V、直流 24V 等强电相连，并且具有较强的带负载能力。

　3. 编程方便，易于使用 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

　4. 功能完善 PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。在 PLC 内部具备许多控制功能，如：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、PID 控制、数据控制、通信和联网，还有其他特殊功能模块。

　5. 设计、施工、调试的周期短 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

　6. 体积小，维护操作方便 PLC 体积小，质量轻，便于安装，不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

　2.2 PLC 的结构和工作原理 2.2.1 PLC 的基本结构 在种类繁多的 PLC 中，其组成结构和工作原理都基本相同。用 PLC 实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。PLC 专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。

　1. 中央处理器(CPU) 中央处理器(CPU)一般由控制器运算器和寄存器组成。它们都集成在一个芯片内，CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU

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　. . 是 PLC 的核心，它按照 PLC 中系统程序赋予的功能指挥 PLC 有条不序地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当 PLC 处于运行方式时，CPU 按循环扫描方式执行用户程序。

　CPU 的主要任务如下：

　(1) 按 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。

　(2) 用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。

　(3) 诊断电源或 PLC 内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。

　(4) 在 PLC 进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。

　2. 存储器 PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。

　(1)系统存储器

　系统存储器是指用来存放 PLC 的系统程序的存储器。它由 PLC 生产厂家编写并固化在 ROM内，用户不能直接更改。它使 PLC 具有基本的功能，能够完成 PLC 设计者规定的各项工作。其主要内容包括 3 个部分：系统管理程序、 用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。

　(2)用户存储器 用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的 PLC 编程语言编写的各种用户程序。PLC 使用的存储器有 3 种类型：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和可擦除可编程只读存储器(EEPRO)。

　3. 输入/输出接口单元 PLC 的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出接口单元从广义上可分为 2 个部分：一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。

　4. 扩展接口和通信接口 PLC 具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：

　(1)扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是 PLC 的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。

　(2)通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC 或计算机相连从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。

　5. 电源部分 PLC 一般使用 220 交流电源，内部的开关电源位 PLC 的中央处理器、存储器等。电路提供5V、+12V、24V 等直流电源使 PLC 能正常工作。

　6. 编程设备 编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

　7. 其他部件

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　. . 有些 PLC 还可以有 ERROM 写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强 PLC 的存储容量和扩展功能。

　2.2.2 PLC 的工作原理 PLC 在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面做了特别的考虑。

　1. PLC 的 3 个工作阶段 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段完成。上述 3 个阶段即为一个周期。在整个运行期间 PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述 3 个阶段。

　(1)输入采样阶段 PLC。在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。

　(2)用户程序执行阶段。根据 PLC 梯形图程序扫描规则，PLC 以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。当指令中涉及输入/输出时，PLC 从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。

　(3)输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。对于小型 PLC，I/O 点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

　2. PLC 对输入/输出的处理规则 PLC 对输入/输出的处理规则如下：输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上有个刷新期间的通/断状。

　第三章 西门子 S7-200 系列 PLC 的硬件单元 3.1 主机 S7-200 CPU22*系列的 CPU 模块主要包括一个中央处理器、电源、通信口及 I/O 接口。它的主要作用有：执行程序；从现场设备中采集信号；输出控制信号；驱动外部负载。

　S7-200 CPU22*系列的 PLC 具有以下 5 种不同的结构配置：

　(1)CPU221 具有 6 个输入点和 4 个输出点，共计 10 个 I/O 点。无扩展能力。有 4 路高速计数器（30KHZ），2 路高速脉冲输出，1 个 RS485 通信/编程口，2 个独立的输入端，可同时作加、减

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　. . 计数，可连接 2 个相位差为 90 度的 A/B 相增量编码器。程序和数据存储容量较小，适用于少点的控制系统。

　(2)CPU222 具有 8 个输入点和 6 个输出点，共计 14 个 I/O 点。1 个模拟量电位器，最多可扩展 10AI/AO 点。4KB 用户程序区和 2KB 数据存储区。有 4 路高速计数器（30KHZ），2 路高速脉冲输出，1 个 RS485 通信/编程口，2 个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接 2 个相位差为 90度的 A/B 相增量编码器。可以进行一定模拟量的控制和 2 个模块的扩展，因此是应用更广泛全功能控制器。

　(3)CPU224 具有 14 个输入点和 10 个输出点，共计 24 个 I/O 点。2 个模拟量电位器，最多可扩展 35AI/AO 点。8KB 用户程序区和 5KB 数据存储区。有 6 路高速计数器（30KHZ），2 路高速脉冲输出，1 个 RS485 通信/编程口，有 7 个扩展模块。它具有更强的模拟量处理能力，是 S7-200系列产品中使用最多的。

　(4)CPU226。具有 24 个输入点和 16 个输出点，共计 40 个 I/O 点。2 个模拟量电位器，最多可扩展 35AI/AO 点。8KB 用户程序区和 5KB 数据存储区。有 6 路高速计数器（30KHZ），2 路高速脉冲输出，2 个 RS485 通信/编程口。它主要用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。

　(5)CPU226XM。这是西门子公司推出的一种增强型主机。它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和 CPU226 相同。

　3.1.1 CPU 的主要特点 1. 内部集成的具有强劲的通信能力的 PPI 接口是 S7-200 的用户口，CPU 接口物理特性为RS485，可在三种方式下工作。

　(1)PPI 方式：通过 PPI 方式，S7-200 系列 PLC 与计算机之间或者是 PLC 相互之间可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。

　(2)MPI 方式：通过 MPI 方式，S7-200 可以通过内置接口连接到 MPI 网络上，它可以与S7-300/S7-400CPU 进行通信。

　(3)自由口通信方式；通过自由口通信方式，S7-200 系列 PLC 可以与任何通信协议公开的其他设备、控制器进行通信。

　2. 丰富的内置集成功能 (1)集成的 24V 负载电源，可直接连接到传感器和变送器 (2)对于不同的设备类型，其 CPU 各有 2 个类型，具有不同的电源电压和控制电压。

　(3)中断输入，允许以极高的速度对过程信号的上升沿作出响应。

　(4)具有 4 到 6 个高数计数器（30KHZ）。

　(5)2 路脉冲输出由于控制步进电机，或伺服电机的运动，从而实现对目标的定位任务。

　3. 丰富的扩展模块对数字量和模拟量扩展模块可方便选用。

　4. 具有易于掌握，便捷的操作以及丰富的指令集。

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　3.1.2 存储系统 S7-200 系列 PLC 的存储系统由 RAM 和 EEPROM 两种类型的存储器构成，CPU 模块内部配备了一定容量的 RAM 和 EEPROM。同时，S7-200 系列 PLC 的 CPU 模块支持可选的 EEPROM 存储器卡。在CPU 模块内部的超级电容和电池模块用于长时间的保存数据，用户数据可通过主机的超级电容存储若干天。

　3.2 扩展单元 当 CPU 需要进行某种特殊的功能控制或其 I/O 的扩展，通常 I/O 扩展包括 I/O 的点数扩展和功能模块的扩展两类。

　1. I/O 扩展模块 S7-200 系列 PLC 提供了五大类扩展模块：

　(1)数字量输入扩展模板 EM221（8 路扩展输入）。

　(2)数字量输出扩展模板 EM222（8 路扩展输出）。

　(3)数字量输入和输出混合扩展模板 EM223（8I/O，16I/O，24I/O）。

　(4)模拟量输入扩展模块 EM231，每个 EM231 可扩展 3 路模拟量输入通道，A/D 转换时间 25uS，分辨率为 12 位。

　(5)模拟量输入扩展模块 EM235，每个 EM235 可同时扩展 3 路模拟输入和 1 路模拟量输出通道，其中 A/D 转换时间 25uS，D/A 转换时间 100uS，分辨率均为 12 位。

　2. 热电偶/热电阻扩展模块 3. 通信扩展模块 表1 S7-200 I/O 编址 信息类型 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 I_数字量 输入 0.0~15.7 0.0~15.7 0.0~15.7 0.0~15.7 Q_数字量 输出 0.0~15.7 0.0~15.7 0.0~15.7 0.0~15.7 M_中间标志位 0.0~15.7 0.0~15.7 0.0~15.7 0.0~15.7 C_计数器 0~255 0~255 0~255 0~255 T_计时器 0~255 0~255 0~255 0~255 AIW_ 模 拟 输入字 —— 0~30 0~30 0~30 AQW_模拟输出字 —— 0~30 0~30 0~30

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　. . 3.3 特殊功能模块 S7-200 系列 PLC 的特殊功能模块有数字量扩展模板、模拟量扩展模块、热电偶/热电阻扩展模块、通信扩展模块和现场设备接口模块。

　1. 数字量扩展模板 (1)EM221

　数字量输入模板，24V，8 输入。

　(2)EM222

　数字量输出模板，24V，8 输出。

　(3)EM223

　数字量混合模板，24V。

　2. 模拟量扩展模块 (1)EM231

　4 模拟输入点，2W，12 位。

　(2)EM232

　2 模拟输入点，2W，12 位。

　(3)EM235

　4 模拟输入点，1 模拟输出点， 2W，12 位。

　3. 热电偶/热电阻扩展模块 EM231 为常用的热电偶/热电阻扩展模块。其功率损失为 1.8W，15 位加符号位，WM231 AI4热电偶有 4 模拟量输入点，EM231 AI2 热电阻有 2 模拟量输入点。

　4. 通信扩展模块 EM277 JPROFIBU-DP 模块是常用的通信扩展模块，它用于 PLC 现场总线通信连接。其波特变化范围为 9600~11500 波特。

　5. 现场设备接口模块 CPU243-2 通信处理器是 AS-I 主站连接部分，专用于 S7-200 CPU22*，连接的同时显著增加了 S7-200 可利用的 I/O 点数。

　3.4 内部软元件 用户使用的 PLC 中的每一个 I/O、内部存储单元、定时器和计数器都称为软元件。各个软元件的功能不同，都有其固定的地址。软元件是 PLC 内部具有一定功能的器件，这些器件实际上都是由电子电路、寄存器及存储单元等组成的。它的特点是；它具有继电器的特性，但它没有机械性的特点，它的最大的优点是其触点可以无限次使用，并且它们的寿命长。编程时，用户只要记住软元件的地址就可以了。下面对软元件介绍一下。

　1. 输入继电器（I）

　它是 PLC 用来接收用户设备输入信号的接口。当外部开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在程序中的常开触点闭合，常触点断开，这些触点可以在编程时任意使用，不受次数限制。输入继电器位存取的地址编号范围为 I0.0~I15.7，输入继电器的数据存取可采用位、字节、字或双字来存取。

　2. 输出继电器（Q）它是用来将输出信号传送到负载的接口，每一个输出继电器线圈都与相应的 PLC 输出端相连，并有无数对常开和常闭触点供编程时使用。输出继电器位存取的地址编号范围为 Q0.0~Q15.7，输出继电器可采用位、字节、字或双字来存取。

　3. 通用辅助继电器（M）通用辅助继电器又称为内部标志位存储器，它的作用和继电接触器

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　. . 控制系统的中间继电器相同，它是用来保存控制继电器的中间操作状态。内部标志位存储器可采用位、字节、字或双字来存取。内部标志位存储器位存取的地址编号为 M0.0~M31.7，共 32 个字节。

　4. 特殊继电器（SM）

　特殊继电器是指用来存储系统的状态变量有关的控制参数和信息的具有特殊功能的辅助继电器。特殊标志位存储器能以位、字节、字或双字来存取。CPU224 的 SM的位地址编号范围为 SM0.0~SM179.7，共 180 个字节。常用的特殊存储器的用途如下：

　(1) SM0.0 运行监视。SM0.0 始终为 1 状态。当 PLC 运行时可以利用其触点驱动输出继电器，在外部显示程序是否处于运行状态。

　(2) SM0.1 初始化脉冲。

　(3) SM0.3 开机进入 RUN 时，接通一个扫描周期，可在启动操作之前，给设备提前预热。

　(4) SM0.4、0.5 占空比为 50%的时钟脉冲。当 PLC 处于运行状态时，SM0.4 产生周期为 1min的时钟脉冲，SM0.5 产生周期为 1S 的时钟脉冲。

　(5) SM0.6 扫描时钟，一个扫描周期 ON，另一个为 OFF，循环交替。

　(6) SM0.7 改造方式开关位置指示，开关放置在 RUN 位置时为 1。

　(7) SM1.0 零标志位，运算结果=0，该位置 1。

　(8) SM1.1 溢出标志位，结果溢出或为非法值时，该位置 1。

　(9) SM1.2 负数标志位，运算结果为负数时，该位置 1。

　(10) SM1.3 被 0 除标志位。

　5. 变量存储器（V）变量存储器主要用于存储变量。它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。变量存储器可以是位寻址，也可以是按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围根据 CPU 的型号不同，CPU221/222 为 V0.0~V2047.7，共 2KB 存储容量，CPU224/226 为 V0.0~V5119.7，共 5KB 存储容量。

　6. 局部变量存储器（L）

　局部变量存储器和变量存储器十分相似，都是用来存储变量的存储器。区别在于局部变量存储器用来存放局部变量，而不存储全局变量。局部变量存储器位存取的地址编号范围为 L0.0~L63.7，它可以按位、字节、字、双字直接寻址。

　7. 顺序控制继电器（S）通常用在顺序控制或步进控制中，并与其指令一起使用以实现顺序或步进控制功能流程图的编程。顺序控制继电器的地址编号范围为 S0.0~S31.7。

　8. 定时器（T）它是累计时间增量的内部器件，作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。其设定时间由程序设置。并且每个定时器可提供无数对常开触点和常闭触点供编程使用。定时器的定时精度分别为 1ms、10ms 和 100ms 三种，CPU222、CPU224 及 CPU226 的定时器地址编号范围为 T0~T255，它们的分辨率、定时范围并不相同，用户根据所用 CPU 型号及时基，正确选用定时器的编号。

　9. 计数器（C）计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数，主要用于对产品进行计数或进行特定功能的编程。计数器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定

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　. . 值由程序赋予。计数器的地址编号范围为 C0~C255。

　10. 模拟量输入映像寄存器（AI）和模拟量输出映像寄存器（AQ）

　11. 高速计数器（HC）

　12. 累加器（AC）

　3.5 基本指令 S7-200 系列 PLC 的基本指令包括常用指令、堆栈操作指令、计数指令、定时器指令、比较指令和程序控制指令等[1]。

　1. 触点指令 触点指令包括逻辑取和线圈驱动指令，它有两种连接形式，即串联和并联。

　(1)逻辑取和线圈驱动指令。指令格式为：LD 取指令；LDN 取反指令；= 线圈输出指令。

　(2)触点串联指令。指令格式为：A 常开触点串联：AN 常闭触点串联。

　(3)触点并联指令。指令格式为：O 常开触点并联：ON 常闭触点并联。

　2. 逻辑电路块的连接指令 电路块连接指令主要有两种形式：串联电路块的并联指令和并联电路块的串联指令。串联电路块的并联指令其格式为：OLD；并联电路块的串联指令其格式为：ALD。

　3. 置位，复位指令 置位指令的格式为：S bit, N;复位指令的格式为：R bit N。

　4. 取反指令 其格式为：NOT。

　5. 逻辑入栈 LPS、逻辑出栈 LPP 和逻辑读栈 LRD 指令 逻辑入栈 LPS 的功能是用于生成一条新的逻辑母线，右侧为新的逻辑块，是分支电路逻辑块的开始。

　逻辑出栈 LPP 的功能是用于 LPS 产生新母线右侧的最后一个逻辑块，结束 LPS 开始的这个分支电路逻辑块。

　逻辑读栈 LRD 的功能是用于 LPS 开始的分支电路逻辑块中第二条逻辑块，本身不进行任何进栈和出栈操作。

　6. 计数器指令 增计数器指令 CTU：其指令格式为：CTU Cx, PV。x 为计数器编号。

　减计数器指令 CTD：其指令格式为：CTD Cx, PV。x 为计数器编号。

　增减计数器指令 CTUD：其指令格式为：CTUD Cx, PV。x 为计数器编号。

　7. 定时器指令 接通延时指令 TON：其指令格式为：TON Tx, PT。x 为定时器编号。

　断开延时指令 TOF：其指令格式为：TOF Tx, PT。x 为定时器编号。

　有记忆接通延时指令 TONR：其指令格式为：TOR Tx, PT。x 为定时器编号。

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　. . 8. 结束及暂停指令 结束指令可分为有条件结束指令 END 和无条件结束指令 MEND。

　暂停指令的指令格式为：STOP。

　9. 子程序指令 子程序指令包括 3 个指令：建立子程序、子程序调用和子程序返回。

　子程序调用指令又有 2 条指令：子程序调用指令 CALL 和子程序条件返回指令 CRET。

　 第四章

　控制方案设计 4.1 技术控制要求 城市交通指挥系统中的许多设备也需要实现自动化控制，PLC 在其中的应用也越来越多。以交通指挥信号灯的控制为例，它用于维持城市交通道路十字路口的交通秩序，在每个方向都有红、黄、绿三种指挥灯，信号灯受一个启动开关控制，当按下启动按钮，信号灯系统开始工作，直至按下停止按钮开关，系统停止工作。

　图 3.1 就是城市交通指挥信号灯的一个简单示意图。本例就此系统，讨论 PLC 在交通指挥信号灯自动控制中的应用问题。

　 图 4.1 路口交通信号灯示意图

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　. . 在交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制按一定的时序要求进行，如表 4.1 所示。

　表 4.1

　交通信号灯的具体控制要求 南

　北 信

　号 红灯亮 绿灯亮 绿灯 闪烁 黄灯亮 时

　间 25s 20s 3s 2s 东

　西 信

　号 绿灯亮 绿灯 闪烁 黄灯亮 红灯亮 时

　间 20s 3s 2s 25s 根据表 4.1 可知。

　 东西方向绿灯和南北方向绿灯不能同时亮。

　 系统工作后，首先南北方向红灯...