红绿灯论文13

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。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭。

PLC可编程序控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制,特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。同时,PLC本身还具有通讯联网功能,将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理,可缩短车辆通行等候时间,实现科学化管理

本论文设计的是基于西门子S7-300系列PLC和人机界面wincc flexible构成的交通灯控制系统，本文阐述了交通灯控制系统的来源与发展，以及它在国内外发展的现状，对交通灯控制系统的方案进行了论证，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子S7-300系列PLC构成的交通灯控制系统整体设计过程进行较为细致的论述，并且介绍了人机界面的相关知识和显示画面。

关键词：交通灯、可编程控制器、城市交通

Abstract

With the social and economic development , urban transport problems more and more people 's attention. People, vehicles , coordinating the three -way relationship has become one of the important issues to address traffic management department . Urban traffic control system for urban traffic data monitoring, traffic signal control and traffic control computer integrated management system, which is a modern urban traffic monitoring command system is the most important part . Meanwhile With the steady development of China 's economy, with the increasing amount of urban vehicles , increasing people's living standards improve , more and more cars into the homes of ordinary people 's homes.

PLC programmable logic controller is a microprocessor -based , integrated computer technology, automatic control of a new industrial control devices and communication technologies evolved. It has a simple structure, easy programming, high reliability, has been widely used for automatic control of industrial processes and location. Due to the use of PLC has strong environmental adaptability characteristics , while its internal timer resources are very rich, the current widespread use of " progressive " signal for precise control , especially for multi- fork can be easily controlled . So now increasingly used in the PLC traffic light system. Meanwhile , PLC communication itself also has networking capabilities , will form a road with lights on the unified management of a local area network , you can shorten the waiting time for vehicles to achieve scientific management

This thesis is based on the design of traffic lights Siemens S7-300 series PLC and HMI control system consisting of wincc flexible paper describes the sources of traffic light control system and development at home and abroad as well as its development, traffic light control scheme of the system were demonstrated , describes the basic components of the PLC , characteristics and working principle , based on the traffic lights Siemens S7-300 series PLC control system consisting of the overall design process of a more detailed discussion, and introduces the related human-machine interface knowledge of the display screen .

Key words：Traffic lights、programmable controllers、urban transport

目录

摘要....................................................................................................... I 1 绪论. (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 研究目的和意义 (2)

1.3 本文设计目的 (2)

2 PLC和Wincc的介绍 (3)

2.1 PLC的简介 (3)

2.2 PLC的特点 (4)

2.3 PLC的结构和工作原理 (5)

2.4 PLC-300模块及其介绍 (6)

2.5 HMI的简介 (10)

2.6 HMI的特点 (11)

2.7人机界面（HMI）结构及工作原理 (11)

3 十字路口交通灯的硬件设计 (13)

3.1 控制要求 (13)

3.2 系统设计方案分析 (13)

3.3 系统硬件分配和接线 (14)

4 十字路口交通灯的软件设计 (17)

4.1 程序设计分析 (17)

4.2 程序流程图 (19)

4.3 程序设计软件应用 (19)

4.4 检测与调试 (22)

5 交通灯的仿真 (23)

5.1 PLC仿真界面 (23)

5.2 HMI仿真界面 (23)

结论 (26)

致谢 (27)

参考文献 (28)

附录 (29)

1绪论

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。城市交通控制系统用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况。因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。

随着交通越来越发达所出现的问题也越来越多,路面狭窄,车辆拥挤。尤其是到了上下班的时候,许多车辆在路口浪费了很多的时间,不仅给车主带了很多的麻烦也给交通部门带了不少麻烦。为了解决这些问题,国家政府也花了不少的心思和精力去研究,探讨。为了能有效地解决交通问题,政府对城市进行了有规模的城市规划和道路扩建与维修。还有就是对交通灯进行了研究和改善,调整交通灯的时间控制和变换频率以及工作时间的控制,从而使交通更为畅通和安全,提高了交通灯的自身作用和价值。

单片基控制系统设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难。程序的设计中，分析控制交通的多种原理，用传统的方法实现难度较大，所以使用可编程控制器，其主要原因是因为PLC具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。

本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。

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 研究目的和意义

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。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。

1.3 本文设计目的

回顾交通灯的历史，随着社会经济的发展，交通管制的要求越来越高，采用可编程程序控制器来代替中间继电器和过程控制的微型机，设计开发了交通灯控制系统，才会满足稳定可靠的交通控制系统需求。叙述了可编程程序控制器的产生、发展、应用的历程，通过论述可编程程序控制器的各种优点、卓越性能、结构、原理，有一个感性的总体认识。结合交通灯控制系统的要求，进行硬件、程序设计，从主要部件的选择、流程的分析、程序思路的产生来完成本次设计任务。通过对系统的调试和检测，再进行系统性梳理，将隐藏的不足之处加以修正和完善，确保系统能顺利运行。

2 PLC和Wincc的介绍

2.1 PLC的简介

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。

总之，可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计的计算机，它是将传统的继电器技术，计算机技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置。在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体工业应用，因此它的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。

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、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。

2、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。3、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。

2.2 PLC的特点

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。

2.3 PLC 的结构和工作原理

2.3.1 PLC 的基本组成

目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的PLC 以及同一家生产的不同型号的PLC 其结构个不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的支持。PLC 的主机由微处理器（CPU ）、存储器（EPROM 、ROM ）、输入/输出模块、外设I/O 接口、通信接口及电源组成。下面分别介绍PLC 各组成部分及作用。

图2-1 PLC 硬件结构组成框图

2.3.2 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。

2.4 PLC-300模块及其介绍

图2-2 PLC模块结构图

1、电源模块

PS 307标准电源模块PS307（2A）、PS307（5A）、PS307（10A)

PS 305户外型电源模块，采用直流供电，输出为24V直流。

2、CPU模块

紧凑型CPU（6种）、标准型CPU（5种）、革新型CPU（5种）、户外型CPU（3种）、

故障安全型CPU（3种）、特种型CPU（2种）

紧凑型CPU

CPU 312C：带有集成的数字量输入和输出，并具有与过程相关的功能，比较适用于具有较高要求的小型应用。CPU运行时需要微存储卡（MMC）。

CPU 313C：带有集成的数字量和模拟量的输入和输出，并具有与过程相关的功能，能够满足对处理能力和响应时间要求较高的场合。CPU运行时需要微存储卡（MMC）。

CPU 313C-2PtP：带有集成的数字量输入和输出及一个RS422/485串口，并具有与

过程相关的功能，能够满足处理量大、响应时间高的场合。CPU运行时需要微存储卡（MMC）。

CPU 313C-2DP：带有集成的数字量输入和输出，以及PROFIBUS DP主/从接口，并具有与过程相关的功能，可以完成具有特殊功能的任务，可以连接标准I/O设备。CPU 运行时需要微存储卡MMC。

CPU 314C-2PtP：带有集成的数字量和模拟量I/O及一个RS422/485串口，并具有与过程相关的功能，能够满足对处理能力和响应时间要求较高的场合。CPU运行时需要微存储卡MMC。

CPU 314C-2DP：带有集成的数字量和模拟量的输入和输出，以及PROFIBUS DP 主/从接口，并具有与过程相关的功能，可以完成具有特殊功能的任务，可以连接单独的I/O设备。CPU运行时需要微存储卡MMC。

标准型CPU

CPU 313：具有扩展程序存储区的低成本的CPU，比较适用于需要高速处理的小型设备。

CPU 314：可以进行高速处理以及中等规模的I/O配置，用于安装中等规模的程序以及中等指令执行速度的程序。

CPU 315：具有中到大容量程序存储器，比较适用于大规模的I/O配置。

CPU 315-2DP：具有中到大容量程序存储器和PROFIBUS DP主/接口，比较适用于大规模的I/O配置或建立分布式I/O系统。

CPU 316-2DP：具有大容量程序存储器和PROFIBUS DP主/从接，可进行大规模的I/O配置，比较适用于具有分布式或集中式I/O配置的工厂应用。

革新型CPU

CPU 312（新型）：是一款全集成自动化（TIA）的CPU，比较适用于对处理速度中等要求的小规模应用。CPU运行时需要微存储卡MMC。

CPU 314（新型）：对二进制和浮点数运算具有较高的处理性能，比较适用于对程序量中等要求的应用。CPU运行时需要微存储卡MMC。

CPU 315-2DP（新型）：具有中、大规模的程序存储容量和数据结构，如果需要可以使用SIMATIC功能工具；对二进制和浮点数运算具有较高的处理性能；具有PROFIBUS DP主/从接口。可用于大规模的I/O配置或建立分布式I/O结构。CPU运行时需要微存储卡MMC。

CPU 317-2DP：具有大容量程序存储器，可用于要求很高的应用；能够满足系列化机床、特殊机床以及车间应用的多任务自动化系统；与集中式I/O和分布式I/O一起，可用作生产线上的中央控制器；对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力；具有PROFIBUS DP主/从接口，可用于大规模的I/O配置，可用于建立分布式I/O结构；可选用SIMATIC工程工具，能够在基于组件的自动化中实现分布式智能系统。CPU运行

时需要微存储卡MMC。

CPU 318-2DP：具有大容量程序存储器和PROFIBUS DP主/从接口，可进行大规模的I/O配置，比较适用于分布式I/O结构。

户外型CPU

CPU 312 IFM：具有紧凑式结构的户外型产品。内部带有集成的数字量I/O，具有特殊功能和特殊功能的特殊输入。比较适用于恶劣环境下的小系统。

CPU 314 IFM：具有紧凑式结构的户外型产品。内部带有集成的数字量I/O，并具有扩展的特殊功能，具有特殊功能和特殊功能的特殊输入。比较适用于恶劣环境下且对响应时间和特殊功能有较高要求的系统。

CPU 314（户外型）：具有高速处理时间和中等规模I/O配置的CPU。比较适用于恶劣环境下，要求中等规模的程序量和中等规模的指令执行时间的系统。

故障安全型CPU

CPU 315F：基于SIMATIC CPU S7-300C，集成有PROFIBUS DP主/从接口，可以组态为一个故障安全型系统，满足安全运行的需要。使用带有PROFIBUS协议的PROFIBUS DP可实现与安全相关的通讯；利用ET200M和ET200S可以与故障安全的数字量模块连接；可以在自动化系统中运行与安全无关的标准模块。CPU运行时需要微存储卡MMC。

CPU 315F-2DP：基于SIMATIC CPU 315-2DP，集成有一个MPI接口、一个DP/MPI 接口，可以组态为一个故障安全型自动化系统，满足安全运行的需要。使用带有PROFIsafe协议的PROFIBUS DP可实现与安全无关的通讯；可以与故障安全型ET200S PROFIsafe I/O模块进行分布式连接；可以与故障安全型ET200M I/O模块进行集中式和分布式连接；标准模块的集中式和分布式使用，可满足与故障安全无关的应用。CPU运行时需要微存储卡MMC。

CPU 317 F-2DP：具有大容量程序存储器、一个PROFIBUS DP主/从接口、一个DP主/从MPI接口，两个接口可用于集成故障安全模块，可以组态为一个故障安全型自动化系统，可满足安全运行的需要。可以与故障安全型ET200M I/O模块进行集中式和分布式连接；与故障安全型ET200S PROFIsafe I/O模块可进行分布式连接；标准模块的集中式和分布式使用，可满足与故障安全无关的应用。CPU运行时需要微存储卡MMC。

特种型CPU

CPU 317T-2DP：除具有CPU 317-2DP的全部功能外，增加了智能技术/运动控制功能，能够满足系列化机床、特殊机床以及车间应用的多任务自动化系统，特别适用于同步运动序列（如与虚拟/实际主设备的耦合、减速器同步、凸轮盘或印刷点修正等）；增加了本机I/O，可实现快速技术功能（如凸轮切换、参考点探测等）；增加了PROFBUS DP （DRIVE）接口，可用来实现驱动部件的等时连接。与集中式I/O和分布式I/O一起，可用作生产线上的中央控制器；在PROFIBUS DP上，可实现基于组件的自动化分布式

智能系统。

CPU 317-2 PN/DP：具有大容量程序存储器，可用于要求很高的应用；能够在PROFInet上实现基于组件的自动化分布式智能系统；借助PROFInet代理，可用于基于部件的自动化（CBA）中的PROFIBUS DP智能设备；借助集成的PROFInet I/O控制器，可用在PROFInet上运行分布式I/O；能够满足系列化机床、特殊机床以及车间应用的多任务自动化系统；与集中式I/O和分布式I/O一起，可用作生产线上的中央控制器；可用于大规模的I/O配置、建立分布式I/O结构；对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力；组合了MPI/PROFIBUS DP主/从接口；可选用SIMATIC工程工具。CPU运行时需要微存储卡MMC。

3、接口模块

双机架接口模块IM365

IM365发送模块

IM365接收模块

多机架接口模块

IM360:用于发送数据

IM361:用于接收数据

4、信号模块

SM321数字量输入模块(DI)

SM322数字量输出模块(DO)

SM323数字量输入/输出模块(DI/DO)

SM331模拟量输入模块(AI)

SM332模拟量输出模块(AO)

数字量输入模块SM321有直流输入型和交流输入型

数字量输入模块SM321有直流输入型和交流输入型

SM334模拟量输入/输出模块(AI/AO)

数字量输出模块SM322，可用于驱动电磁阀、继电器、接触器、指示灯等。按照工作原理分为：晶体管输出型、可控硅输出型、继电器输出型。

5、特殊功能模块（FM）

FM 350-1, FM 350-2计数器模板

FM 351用于快速/慢速驱动的定位模板

FM 353用于步进电机的定位模板

FM 354用于侍服电机的定位模板

FM 357-2定位和连续通道控制模板

SM 338 超声波位置探测模板

SM 338 SSI 位置探测模板

FM 352电子凸轮控制器

FM 352-5高速布尔运算处理器

FM 355 PID模板

FM 355-2温度PID控制模板

2.5 HMI的简介

连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。

在80年代末期，由于个人计算机的普及，PC机开始走上工业监控的历史舞台，与此同时开始出现基于PC总线的各种数据I/O板卡，加上软件工业的迅速发展，开始有人研究和开发通用的PC 监控软件—组态软件。世界上第一个把组态软件做为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国的Wonderware公司，它于80年代末率先推出第一个商品化监控组态软件Intouch。此后组态软件得到了迅猛的发展。目前世界上的组态软件有几十种之多，国际上较知名的监控组态软件有：Fix，Intouch，Wincc，LabView，Citech 等。

机界面产品，常被大家称为“触摸屏”，包含HMI硬件和相应的专用画面组态软件，一般情况下，不同厂家的HMI硬件使用不同的画面组态软件，连接的主要设备种类是PLC。而组态软件是运行于PC硬件平台、windows操作系统下的一个通用工具软件产品，和PC机或工控机一起也可以组成HMI产品；通用的组态软件支持的设备种类非常多，如各种PLC、PC板卡、仪表、变频器、模块等设备，而且由于PC的硬件平台性能强大（主要反应在速度和存储容量上），通用组态软件的功能也强很多，适用于大型的监控系统中。因为“触摸屏”仅是人机界面产品中可能用到的硬件部分，是一种替代鼠标及键盘部分功能，安装在显示屏前端的输入设备；而人机界面产品则是一种包含硬件和软件的人机交互设备。人机界面产品是为了解决PLC的人机交互问题而产生的，但随着计算机技术和数字电路技术的发展，很多工业控制设备都具备了串口通讯能力，所以只要有串口通讯能力的工业控制设备，如变频器、直流调速器、温控仪表、数采模块等都可以连接人机界面产品，来实现人机交互功能。为通用的人机界面产品都提供了大量的、可供选择的常用设备通讯驱动程序；一般情况下，只要在人机界面的画面组态软件中选择与连接设备相对应的通讯驱动程序，就可以完成HMI和设备的通讯连接。如果所选HMI产品的组态软件中没有要连接设备的通讯驱动程序，用户则可以把要连接设备的通讯口类型和协议内容告知HMI产品的生产商，请HMI厂商代为编制该设备的通讯驱动程序。

在工业中，人们常把具有触摸输入功能的人机界面产品称为“触摸屏”，但这是不科学的。随着数字电路和计算机技术的发展，未来的人机界面产品在功能上的高、中、低划分将越来越不明显，HMI的功能将越来越丰富；5.7寸以上的HMI产品将全部是彩色

显示屏，屏的寿命也将更长。由于计算机硬件成本的降低，HMI产品将以平板PC计算机为HMI硬件的高端产品为主，因为这种高端的产品在处理器速度、存储容量、通讯接口种类和数量、组网能力、软件资源共享上都有较大的优势，是未来HMI产品的发展方向。当然，小尺寸的（显示尺寸小于 5.7寸）HMI产品，由于其在体积和价格上的优势，随着其功能的进一步增强（如增加IO功能），将在小型机械设备的人机交互应用中得到广泛应用。

2.6 HMI的特点

组态软件最突出的特点就是实时多任务。数据的输入输出、数据的处理、显示、存储及管理等多个任务需在同一个系统中同步快速的运行。

组态软件的用户是自动化工程设计人员，组态软件的目的就是让用户迅速开发出适合自己需要的可靠的应用系统。因此，组态软件一般具备以下特点：

（1）使用简单，用户只需编写少量自己所需的控制算法代码，甚至可以不写代码。

（2）运行可靠，用户在组态软件平台上开发出的应用系统可以长时间的连续可靠运行，在运行期间实现免维护。

（3）提供数据采集设备的驱动程序，以把控制现场的数据采集到计算机中，并把运算的控制结果送回到控制现场的执行机构。

（4）提供自动化应用系统所需的通用监控软件的组件。

（5）强大的图形设计工具。

2.7人机界面（HMI）结构及工作原理

“WinCC Flexible”是运行于Windows XP Professional SP2, Windows XP Professional SP3版本西门子公司设计的组态软件，采用模块化设计，可用在多种HMI设备上，拥有世界多国语言支持，软件运行稳定可靠。

人机界面产品由硬件和软件两部分组成,硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等,其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低,是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同,处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows 操作系统下的画面组态软件。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”,再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

组态软件的开发设计通常可以围绕人机界面系统、实时数据库系统、通信系统、控制系统等四大部分进行。

图2-3人机界面硬件构成

静态图形设计和动态属性设置两个过程。静态图形设计，利用组态软件中提供的基本图形元素线、填充形状、文本及设备图库，在组态环境中“组合”工程的模拟静态画面。静态图形设计在系统运行后保持不变。动态属性设置则完成图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。

图2-4人机界面软件构成

3 十字路口交通灯的硬件设计

3.1 控制要求

本论文设计的是基于西门子S7-300 系列PLC和人机界面wincc flexible构成的交通灯控制系统。交通灯控制系统的控制要求如下：1、信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北和东西红、绿、黄亮交替亮灭。当起动开关断开时，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、由于本论文设计设计为三车道十字路口交通灯，首先南北左转绿灯亮维持10S，在黄灯闪烁5S，然后变红灯；同时南北直行绿灯亮的同时东西人形横道绿灯也亮，并维持10S，南北直行闪烁5S，人行横道绿灯闪烁3S，然后变红灯；同时南北右转绿灯亮10S，在黄灯闪烁5S，然后变红灯；同时东西左转绿灯亮10S，在黄灯闪烁5S 后，然后变红灯；同时东西直行绿灯亮时南北人行横道绿灯亮，东西直行绿灯亮10S，在黄灯闪烁5S，人形横道绿灯亮12S，然后绿灯闪烁3S，然后都变红灯；同时东西右转车道绿灯亮10S，在黄灯闪烁5S，然后变红灯；这时南北左转车道绿灯亮。

4、周而复始。

3.2系统设计方案分析

按照交通灯系统控制要求下，结合西门子S7-300系列可编程控制器和人机界面wincc flexible的特性。十字路口每个方向各有一组左右转弯直行红绿灯，一共四组；人行道东南西北方向上各有一组红绿灯，共八组。这种红绿灯是针对现今大城市交通而设计的，车道上设计了左转、直行、右转三组信号灯。它相对前两种红绿灯有了很大的变化，系统也复杂很多。各组灯之间的关系也比较复杂；但是这种红绿灯面对大量的行人和车辆也可以进行秩序化的放行。下面就来介绍这种红绿灯：

注：先对各个方向上的灯作序号，记向北左转为1点方向、向北直行为2点方向以此顺时针计数。最后向东左转为12点方向。

当启动PLC时，系统得电。按下启动按钮，1、7点方向亮绿灯10s后变为黄灯亮5s后变为红灯亮；1、7变红灯同时12、6变为绿灯亮10s后变为黄灯亮5s最后变为红灯亮，12、6变为红灯同时11、5变为绿灯亮10s后变为黄灯亮5s最后变为红灯亮，11、5变为红灯同时10、4变为绿灯亮10s后变为黄灯亮5s最后变为红灯亮，10、4变为红灯同时9、3变为绿灯亮10s后变为黄灯亮5s最后变为红灯亮，9、3变为红灯同时8、2变为绿灯亮10s后变为黄灯亮5s最后变为红灯亮。人行道上开始南北方向12、6绿灯亮后东西人行横道绿灯亮12S，然后绿灯闪烁3S，变成红灯；东西方向9、3绿灯亮后南北人行横道绿灯亮12S，绿灯闪烁3S，变成红灯。完成一个周期后，循环。下面是平面示意图：

图3-1 交通灯平面示意图

3.3 系统硬件分配和接线

3.3.1 PLC硬件分配

硬件结构设计了解各个对象的控制要求,分析对象的控制要求,确定输入/输出(I/O)接口的数量,确定所控制参数的精度及类型.如对开关量,模拟量的控制,用户存储器的存储容量等.选择合适PLC机型及外设,完成PLC的硬件结构配置。

PLC不但可以实现类似的控制功能，还具有性能可靠、电压使用范围广、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，并且提高了交通灯系统的稳定性，能够保证交通灯长期稳定运行；因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。

所以，本文选择PLC来控制交通灯系统。此次，我选择的是西门子PLC300。相对于PLC200来讲，PLC300有着更高的性能，编程、选址、处理速度都大大提高。硬件性能稳定可靠，软件严谨，操作方便。

根据上述选型及工作要求,绘制PLC控制交通灯的电路接线图,编制I/O接口功能表,根据信号控制要求,I/O分配及其接线，所谓输入/输出接口电路是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件，各输入输出点的通断态用发光二极管（LED）显示，外部接线一般接在PLC的接线端子上。

根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启、停止按钮信号；输出有东西方向、南北方向各三组指示信号。由于每一个方向的三组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为了节省输出点数，可采用并联输出方法。由此可知，该系统所需的输入点数为2，输出点数为22，全部是开关量，则可将I//O分配用下表表示。

3.3.2 PLC外部接线图

图3-3 PLC外部接线图

4 十字路口交通灯的软件设计

4.1 程序设计分析

设计思想分析如下：给一个启动的输入信号，要配合一个触摸屏里的启动按钮，当启动按钮动作，系统工作。首先，东西方向道路处于禁止通行的状态，南北左转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，南北左转绿灯亮10S,需计时器设定延时10秒，才会转入下一状态南北左转黄灯闪烁，然后变红灯；同时，南北直行方向道路也一起亮绿灯10S,需计时器设定延时10 秒，才会转下一状态黄灯闪烁；黄灯闪烁5S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使南北黄灯闪烁，还要需计时器设定延时5秒，才会转下一状态红灯亮；同时南北直行绿灯亮10S, 需计时器设定延时10秒，才会转入下一状态南北直行黄灯闪烁，同时东西人形横道绿灯亮12S，进入下一状态闪烁3S，然后红灯亮；同时，南北方向右转车道绿灯亮10S，需要计时器设定延时10S，才会转入下一状态黄灯闪烁5S，然后变红灯；其次，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。东西左转方向道路绿灯亮10S，需要计时器设定延时10S，才会转入下一状态黄灯闪烁5S，然后变红灯；同时东西直行绿灯亮10S, 需计时器设定延时10秒，才会转入下一状态黄灯闪烁，同时南北人形横道绿灯亮12S，闪烁3S，然后红灯亮；东西右转方向道路绿灯亮10S，需要计时器设定延时10S，才会转入下一状态黄灯闪烁5S，然后变红灯；同时南北左转车道绿灯亮，状态过程中，只有南北直行和东西直行时，人行横道才能通行；如此循环下去。另外，当断开系统，所有信号灯熄灭；需要按钮停止动作断开系统，停止输入信号入可编程控制器，而最快的方法，是使可编程控制器不动作，那么肯定无信号输出。而且，南北、东西绿灯同时亮，报警。可编程控制器要输出一个信号，驱动一个报警灯。系统程序详情请见附录1。

在软件中输入程序时还要WinCC flexible项目集成到STEP7 子程序下，这样才能使PLC程序和组态画面有利结合，所以在STEP7中输入系统变量时要先分配变量，在程序和组态输入时可以方便、清晰，不易出现混乱。下面是系统变量定义及分配表。

如果设置正确，组态环境就与plc建立连接，组态中交通灯的变化就会反映到plc 上，从而实现控制功能。同理，如果plc中有相应的交通灯程序，将组态中的脚本程序屏蔽，组态环境就会显示plc控制下交通灯的变化情况，这样便实现了监控功能。