基于S7-200PLC的鐵路與公路口護(hù)欄控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、編號： 課 程 設(shè) 計(jì)（ 2011級本科） 題 目：基于S7-200PLC鐵路與公路口護(hù)欄控制設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 物理與機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 作者姓名： 王紹國 指導(dǎo)教師： 張靜 職稱：副教授 完成日期： 2014 年 6 月 30 日 二一四 年 六月電氣控制與PLC技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué) 生 姓 名王紹國學(xué) 號專 業(yè) 方 向電力系統(tǒng)班 級11級（1）班題 目 名 稱基于S7-200PLC的鐵路與公路口護(hù)欄控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容以PLC為核心，設(shè)計(jì)出一款鐵路與公路口護(hù)欄控制系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)。當(dāng)鐵路有火車通過時護(hù)欄到位公路封閉，當(dāng)火車離開時護(hù)欄復(fù)位公路解開封閉依次

2、循環(huán)，從而設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制硬件電路，編寫軟件控制系統(tǒng)程序，實(shí)現(xiàn)對鐵路與公路口護(hù)欄的控制。2、 設(shè)計(jì)要求當(dāng)機(jī)車通過交叉口若干分鐘之前，傳感器1接收到信號，鐵路調(diào)度工作人員根據(jù)接車要通過的信號，及時啟動交叉口PLC控制系統(tǒng)。此時，鐵路路基上的綠燈亮，公路段上的紅燈亮，警鈴響，系統(tǒng)向汽車司機(jī)和行人提示，機(jī)車要通過交叉口，公路段要關(guān)閉，叉道口上護(hù)欄電機(jī)A 、B同時啟動，護(hù)欄運(yùn)動。當(dāng)護(hù)欄移動到位后，公路段全部封閉，雙向行程形狀開關(guān)動作，電動機(jī)A、B便停止動作，數(shù)分鐘后，機(jī)車通過叉道口。在通過時，傳感器2接受信號。機(jī)車通過后，接收到得信號，鐵路路基上的綠燈便切換為黃燈，公路段上的紅燈也切換為黃燈，警鈴?fù)ｍ懀?/p>

3、電動機(jī)A、B同時反轉(zhuǎn)，護(hù)欄回撤，護(hù)欄回到原位后，限位行程開關(guān)便再次動作，鐵路路基黃燈變?yōu)榧t燈，公路段黃燈切換為綠燈，公路段車輛、人、等便被放行。護(hù)欄工作時序圖如圖1所示。三、設(shè)計(jì)進(jìn)度安排第一周星期一 查閱文獻(xiàn)資料，了解與設(shè)計(jì)題目相關(guān)的知識星期二星期四 確定控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)星期五至第二周星期二 完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試星期三星期四 撰寫課程設(shè)計(jì)說明書星期五 指導(dǎo)教師簽字： 目錄一 設(shè)計(jì)的目的及意義1二 總體方案設(shè)計(jì)21.1設(shè)計(jì)原理21.2護(hù)欄工作時序圖2三 硬件設(shè)計(jì)33.1 PLC型號的選擇33.2 PLC容量選擇43.3 I/O模塊的選擇43.4 輸入輸出地址

4、定義53.5 PLC 控制系統(tǒng)硬件接線圖63.6 道路傳感器分布圖6四 軟件設(shè)計(jì)64.1 工作過程64.2程序設(shè)計(jì)流程圖74.3程序梯形圖7五 仿真調(diào)試圖9六 總結(jié)11七 參考文獻(xiàn)12 一 設(shè)計(jì)的目的及意義 在現(xiàn)代社會和經(jīng)濟(jì)活動中，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，電梯已經(jīng)成為城市物質(zhì)文明的一種標(biāo)志。特別是在高層建筑中，電梯是不可缺少的垂直運(yùn)輸設(shè)備。隨著高層建筑飛速發(fā)展的今天，電梯行業(yè)也隨之進(jìn)入了新的發(fā)展時期,電梯控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速，其邏輯控制也由PLC代替原來的繼電器控制，其許多功能是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。 本設(shè)計(jì)根據(jù)鐵路與公路交叉口處行車的需要

5、，設(shè)計(jì)了一套護(hù)欄自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用振動傳感器檢測火車信號，護(hù)欄的升降采用三相異步電動機(jī)啟動，控制系統(tǒng)選用西門子公司的S7-200系列小型PLC, 在運(yùn)行狀態(tài)時,當(dāng)火車通過叉口若干秒以前,根據(jù)傳感器傳來的信號啟動PLC控制系統(tǒng),來完成公路段上紅燈亮,警鈴響,并關(guān)閉護(hù)欄。當(dāng)火車離開若干秒后, 根據(jù)傳感器傳來的信號打開護(hù)欄,公路段綠燈亮,行人及汽車通過。通過控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來完成護(hù)欄的打開與關(guān)閉。二 總體方案設(shè)計(jì) 1.1設(shè)計(jì)原理當(dāng)機(jī)車通過交叉口若干分鐘之前，傳感器接收到信號，鐵路調(diào)度工作人員根據(jù)接車要通過的信號，及時啟動交叉口PLC控制系統(tǒng)。此時，鐵路路基上的綠燈亮，公路段上的紅燈亮，警鈴

6、響，系統(tǒng)向汽車司機(jī)和行人提示，機(jī)車要通過交叉口，公路段要關(guān)閉，叉道口上護(hù)欄電機(jī)A 、B同時啟動，護(hù)欄運(yùn)動。當(dāng)護(hù)欄移動到位后，公路段全部封閉，雙向行程形狀開關(guān)動作，電動機(jī)A、B便停止動作，超聲波常開觸點(diǎn)閉合，傳感器發(fā)射超聲波，數(shù)分鐘后，機(jī)車通過叉道口。在通過時，超聲波傳感器一邊發(fā)射超聲波，一邊接受超聲回波。機(jī)車通過后，接收的回波中斷，超聲波開關(guān)的常閉觸點(diǎn)斷開，鐵路路基上的綠燈便切換為黃燈，公路段上的紅燈也切換為黃燈，警鈴?fù)ｍ懀妱訖C(jī)A、B同時反轉(zhuǎn)，護(hù)欄回撤，護(hù)欄回到原位后，限位行程開關(guān)便再次動作，鐵路路基黃燈變?yōu)榧t燈，公路段黃燈切換為綠燈，公路段車輛、人、等便被放行。 1.2護(hù)欄工作時序圖 圖1

7、-1三 硬件設(shè)計(jì) 3.1 PLC型號的選擇 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠、維護(hù)使用方便及最佳的性能價格比。具體應(yīng)考慮因素如下：（1）結(jié)構(gòu)合理 對于工藝過程比較固定、環(huán)境條件好、維修量較小的場合，選用單元式結(jié)構(gòu)的PLC；否則，選用模塊式結(jié)構(gòu)的PLC。（2）功能強(qiáng)弱適當(dāng) 對于開關(guān)量控制的工程項(xiàng)目，若控制速度要求不高，一般選用低檔的PLC。 對于以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬控制的工程項(xiàng)目，可選用含有A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和含有D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，以及具有加減乘除運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸功能的低檔PLC。 對于控制比較復(fù)雜、控制功能要求較高的工程項(xiàng)目，如要求實(shí)現(xiàn)P

8、ID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等，可根據(jù)控制規(guī)模及復(fù)雜的程度，選用中擋或高檔機(jī)。其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過程控制、全PLC的分布式控制系統(tǒng)和整個工廠的自動化等。當(dāng)系統(tǒng)的各個控制對象分布在不同地域時，應(yīng)根據(jù)各部分的具體要求來選擇PLC，以組成一個分布式的控制系統(tǒng)。（3）機(jī)型統(tǒng)一選用PLC時，盡量要做到機(jī)型統(tǒng)一。由于同一機(jī)型的PLC，其模塊可互為備用，以便備件的采購和管理；另外，功能及編程方法統(tǒng)一，有利于技術(shù)人員的培訓(xùn)；其外部設(shè)備通用也有利于資源共享。若配備了上位計(jì)算機(jī)，可把各獨(dú)立系統(tǒng)的多臺PLC聯(lián)成一個多級分布控制系統(tǒng)，相互通信，集中協(xié)調(diào)管理。 3.2 PLC容量選擇PLC容量包括兩個方面：一是I

9、/O點(diǎn)數(shù)；二是用戶存儲器的容量（字?jǐn)?shù)）。 （1）I/O點(diǎn)數(shù)是基礎(chǔ)I/O點(diǎn)數(shù)可以衡量PLC規(guī)模的大小。準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)被控制對象的輸入信號和輸出信號的總數(shù)并考慮今后調(diào)整和擴(kuò)充，在實(shí)際統(tǒng)計(jì)I/O點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，一般應(yīng)加上10%-20%的備用量。多數(shù)小型PLC為單元式，具有體積小，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，適于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡單的系統(tǒng)。模塊式結(jié)構(gòu)的PLC采用主機(jī)模塊與輸入模塊、功能模塊組合使用的方法，比單元式方便靈活，維修更快模塊、判斷與處理故障快速方便，適用于工藝變化較多，控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)。 （2）用戶存儲器容量的估算根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在選擇存儲容量時，一般按實(shí)際需要的10%-25%考慮裕量。用戶應(yīng)用程序占用

10、多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如I/O點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、程序結(jié)構(gòu)等。因此，在程序設(shè)計(jì)之前只能粗略的估算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每個I/O點(diǎn)及有關(guān)功能器件占用的內(nèi)存大致如下：開關(guān)量輸入所需存儲器字?jǐn)?shù) = 輸入點(diǎn)數(shù)10開關(guān)量輸出所需存儲器字?jǐn)?shù) = 輸出點(diǎn)數(shù)8定時器/計(jì)數(shù)器所需存儲器字?jǐn)?shù) = 定時器/計(jì)數(shù)器2模擬所需存儲器字?jǐn)?shù) = 模擬量通道數(shù)100通信接口所需存儲器字?jǐn)?shù) = 接口個數(shù)300根據(jù)存儲器的總字?jǐn)?shù)再加上一個裕量。 3.3 I/O模塊的選擇PLC是一種控制系統(tǒng)，它的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，它的工業(yè)環(huán)境是工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。PLC與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過I/O接口模塊來實(shí)現(xiàn)的。通過I/O接

11、口模塊可以檢測被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為控制器對被控制對象進(jìn)行控制的依據(jù)。同時控制器有通過I/O接口模塊將控制器的處理結(jié)果送給工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控設(shè)備，驅(qū)動各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)控制。外部設(shè)備或生產(chǎn)過程中的信號電平各種各樣，各種機(jī)構(gòu)所需的信息電平也不相同，而PLC的CPU所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以I/O接口模塊還需實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。PLC從現(xiàn)場收集的信息及輸出給外部設(shè)備的控制信號都需要經(jīng)過一定距離。為了確保這些信息的正確無誤，PLC的I/O接口模塊都具有較好抗干擾能力。根據(jù)實(shí)際需要，PLC相應(yīng)有許多種I/O接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊及模擬量輸出

12、模塊，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇使用。 3.4 輸入輸出地址定義表1-1輸入信號輸出信號名稱符號輸入點(diǎn)信號名稱符號輸出點(diǎn)信號感應(yīng)器1SB1I0.0警鈴HAQ0.0感應(yīng)器2SB2I0.1公路GHL1Q0.1行程開關(guān)1SQ1I0.2公路YHL2Q0.2行程開關(guān)2SQ2I0.3公路RHL3Q0.3鐵路GHL4Q0.4鐵路YHL5Q0.5鐵路RHL6Q0.6電動機(jī)正轉(zhuǎn)KM1Q0.7電動機(jī)反轉(zhuǎn)KM2Q1.0 根據(jù)以上通過查閱手冊選擇S7-200 CPU224基本單元（14入/10出）1臺 。 3.5 PLC 控制系統(tǒng)硬件接線圖CPU224 圖1-2 3.6 道路傳感器分布圖 圖1-3四 軟件設(shè)計(jì) 4.1

13、工作過程當(dāng)機(jī)車到達(dá)時，傳感器接收到訊號，開關(guān)I0.0閉合，I0.1斷開，警鈴響，護(hù)欄下降，公路段綠燈亮3s，公路段和鐵路段黃燈亮，2s后公路段紅燈亮，鐵路段黃燈亮，護(hù)欄由于限位開關(guān)停止運(yùn)行，公路段停止運(yùn)行，機(jī)車通過。當(dāng)即車通過后，傳感器接收訊號斷開，開關(guān)I0.0斷開，I0.1閉合，警鈴?fù)ｍ?，公路段和鐵路段黃燈亮,護(hù)欄上升，2s后公路段綠燈亮，鐵路段紅燈亮，護(hù)欄由于限位開關(guān)停止運(yùn)行公路段運(yùn)行。 4.2程序設(shè)計(jì)流程圖 圖1-4 4.3程序梯形圖五 仿真調(diào)試圖 本次系統(tǒng)仿真程序運(yùn)行效果如圖所示 機(jī)車到達(dá)前 機(jī)車到達(dá) 機(jī)車通過后 六 總結(jié)PLC順應(yīng)時代的發(fā)展，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，日趨完美的

14、人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備、和成熟的現(xiàn)場總線通信能力會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求，將在我國交叉口護(hù)欄自動控制系統(tǒng)自動化建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用，交叉口護(hù)欄自動控制系統(tǒng)省去了危險(xiǎn)的，存在眾多安全隱患的人工勞動，節(jié)省了人工手動操作，方便了實(shí)際需要，促進(jìn)社會進(jìn)步與發(fā)展。通過PLC課程設(shè)計(jì)，我學(xué)習(xí)到機(jī)械可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，通過這次設(shè)計(jì)實(shí)踐。我學(xué)會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運(yùn)用中，提高了我們的工程素質(zhì)，在沒有做實(shí)踐設(shè)計(jì)以前，我們對知道的撐握都是思想上的，對一些細(xì)節(jié)不加重視，當(dāng)我們把自己

15、想出來的程序與到PLC中的時候，問題出現(xiàn)了，不是不能運(yùn)行，就是運(yùn)行的結(jié)果和要求的結(jié)果不相符合。能過解決一個個在調(diào)試中出現(xiàn)的問題，我們對PLC 的理解得到加強(qiáng)，看到了實(shí)踐與理論的差距。對于自己所存在的不足，在以后的學(xué)習(xí)中不斷完善，不斷總結(jié)，以提高自己的能力，為以后的學(xué)習(xí)和工作奠定了良好的基礎(chǔ)。七 參考文獻(xiàn)【1】 張曉峰.電氣控制與可控制技術(shù)與應(yīng)用.北京: 國防工業(yè)出版社.2010【2】 張曉峰，高斌.電氣自動化實(shí)驗(yàn)教程. 北京: 國防工業(yè)出版社.2010【3】 許翏，王淑英.電氣控制與PLC應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2009【4】 馬小軍，束長寶，王阿根.可編程控制器及其應(yīng)用.南京:東南大學(xué)出版社.2007【5】 連建華.可編程控制器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.武漢：華中科技大學(xué)武昌分校機(jī)電學(xué)院.2011【6】 郁漢祺，盛黨紅，鄧東華.電氣控制與可編程控制器應(yīng)用技術(shù).南京：東南大學(xué)出版