编号：1350803154
课程设计
（2011级本科）
题目：基于S7-200PLC铁路与公路口护栏控制设计
学院：物理与机电工程学院
专业：电气工程及其自动化
作者姓名：王绍国
指导教师：张静职称：副教授
完成日期：2014 年6 月30 日
二○一四年六月
《电气控制与PLC技术》课程设计任务书
学生姓名王绍国学号1350803154
专业方向电力系统班级11级（1）班
题目名称基于S7-200PLC的铁路与公路口护栏控制系统设计
一、设计的主要内容
以PLC为核心，设计出一款铁路与公路口护栏控制系统的PLC控制系统。当铁路有火车通过时护栏到位公路封闭，当火车离开时护栏复位公路解开封闭依次循环，从而设计系统的控制硬件电路，编写软件控制系统程序，实现对铁路与公路口护栏的控制。
二、设计要求
当机车通过交叉口若干分钟之前，传感器1接收到信号，铁路调度工作人员根据接车要通过的信号，及时启动交叉口PLC控制系统。此时，铁路路基上的绿灯亮，公路段上的红灯亮，警铃响，系统向汽车司机和行人提示，机车要通过交叉口，公路段要关闭，叉道口上护栏电机A 、B同时启动，护栏运动。当护栏移动到位后，公路段全部封闭，双向行程形状开关动作，电动机A、B便停止动作，数分钟后，机车通过叉道口。在通过时，传感器2接受信号。机车通过后，接收到得信号，铁路路基上的绿灯便切换为黄灯，公路段上的红灯也切换为黄灯，警铃停响，电动机A、B同时反转，护栏回撤，护栏回到原位后，限位行程开关便再次动作，铁路路基黄灯变为红灯，公路段黄灯切换为绿灯，公路段车辆、人、等便被放行。护栏工作时序图如图1所示。
三、设计进度安排
第一周星期一查阅文献资料，了解与设计题目相关的知识
星期二～星期四确定控制系统的总体设计方案，完成控制系统的硬件设计
星期五至第二周星期二完成控制系统的软件设计及调试
星期三～星期四撰写课程设计说明书
星期五
指导教师签字：
目录
一设计的目的及意义 (4)
二总体方案设计 (5)
1.1设计原理 (5)
1.2护栏工作时序图 (5)
三硬件设计 (6)
3.1 PLC型号的选择 (6)
3.2 PLC容量选择 (6)
3.3 I/O模块的选择 (7)
3.4 输入输出地址定义 (7)
3.5 PLC 控制系统硬件接线图 (8)
3.6 道路传感器分布图 (8)
四软件设计 (9)
4.1 工作过程 (9)
4.2程序设计流程图 (9)
4.3程序梯形图 (9)
五仿真调试图 (11)
六总结 (13)
七参考文献 (14)
一设计的目的及意义
在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期,电梯控制技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。
本设计根据铁路与公路交叉口处行车的需要，设计了一套护栏自动控制系统。该系统采用振动传感器检测火车信号，护栏的升降采用三相异步电动机启动，控制系统选用西门子公司的S7-200系列小型PLC, 在运行状态时,当火车通过叉口若干秒以前,根据传感器传来的信号启动PLC控制系统,来完成公路段上红灯亮,警铃响,并关闭护栏。当火车离开若干秒后, 根据传感器传来的信号打开护栏,公路段绿灯亮,行人及汽车通过。通过控制电机的正转与反转来完成护栏的打开与关闭。
二总体方案设计
1.1设计原理
当机车通过交叉口若干分钟之前，传感器接收到信号，铁路调度工作人员根据接车要通过的信号，及时启动交叉口PLC控制系统。此时，铁路路基上的绿灯亮，公路段上的红灯亮，警铃响，系统向汽车司机和行人提示，机车要通过交叉口，公路段要关闭，叉道口上护栏电机A 、B同时启动，护栏运动。当护栏移动到位后，公路段全部封闭，双向行程形状开关动作，电动机A、B便停止动作，超声波常开触点闭合，传感器发射超声波，数分钟后，机车通过叉道口。在通过时，超声波传感器一边发射超声波，一边接受超声回波。机车通过后，接收的回波中断，超声波开关的常闭触点断开，铁路路基上的绿灯便切换为黄灯，公路段上的红灯也切换为黄灯，警铃停响，电动机A、B同时反转，护栏回撤，护栏回到原位后，限位行程开关便再次动作，铁路路基黄灯变为红灯，公路段黄灯切换为绿灯，公路段车辆、人、等便被放行。
1.2护栏工作时序图
图1-1
三硬件设计
3.1 PLC型号的选择
机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑因素如下：
（1）结构合理
对于工艺过程比较固定、环境条件好、维修量较小的场合，选用单元式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC。
（2）功能强弱适当
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC。
对于以开关量控制为主、带少量模拟控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档PLC。
对于控制比较复杂、控制功能要求较高的工程项目，如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中挡或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。
当系统的各个控制对象分布在不同地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。
（3）机型统一
选用PLC时，尽量要做到机型统一。由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布控制系统，相互通信，集中协调管理。
3.2 PLC容量选择
PLC容量包括两个方面：一是I/O点数；二是用户存储器的容量（字数）。
（1）I/O点数是基础
I/O点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控制对象的输入信号和输出信号的总数并考虑今后调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用量。
多数小型PLC为单元式，具有体积小，价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比单元式方便灵活，维修更快模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多，控制要求复杂的系统。
（2）用户存储器容量的估算
根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%-25%考虑裕量。用户应用程序占
用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此，在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下：开关量输入所需存储器字数 = 输入点数×10
开关量输出所需存储器字数 = 输出点数×8
定时器/计数器所需存储器字数 = 定时器/计数器×2
模拟所需存储器字数 = 模拟量通道数×100
通信接口所需存储器字数 = 接口个数×300
根据存储器的总字数再加上一个裕量。
3.3 I/O模块的选择
PLC是一种控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工业环境是工业生产现场。PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。同时控制器有通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。
外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也不相同，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需要经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种I/O 接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。
3.4 输入输出地址定义
表1-1
输入信号输出信号
名称符号输入点信号名称符号输出点信号感应器1 SB1 I0.0 警铃HA Q0.0 感应器2 SB2 I0.1 公路G HL1 Q0.1 行程开关1 SQ1 I0.2 公路Y HL2 Q0.2 行程开关2 SQ2 I0.3 公路R HL3 Q0.3
铁路G HL4 Q0.4
铁路Y HL5 Q0.5
铁路R HL6 Q0.6
电动机正转KM1 Q0.7
电动机反转KM2 Q1.0
根据以上通过查阅手册选择S7-200 CPU224基本单元（14入/10 出）1台。
3.5 PLC 控制系统硬件接线图
CPU224
图1-2
3.6 道路传感器分布图
四软件设计
4.1 工作过程
当机车到达时，传感器接收到讯号，开关I0.0闭合，I0.1断开，警铃响，护栏下降，公路段绿灯亮3s，公路段和铁路段黄灯亮，2s后公路段红灯亮，铁路段黄灯亮，护栏由于限位开关停止运行，公路段停止运行，机车通过。
当即车通过后，传感器接收讯号断开，开关I0.0断开，I0.1闭合，警铃停响，公路段和铁路段黄灯亮,护栏上升，2s后公路段绿灯亮，铁路段红灯亮，护栏由于限位开关停止运行公路段运行。
4.2程序设计流程图
图1-4
4.3程序梯形图
五仿真调试图
本次系统仿真程序运行效果如图所示
机车到达前
机车到达
机车通过后
六 总结
PLC 顺应时代的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，日趋完美的人机界面、完备的通信设备、和成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，将在我国交叉口护栏自动控制系统自动化建设中发挥越来越大的作用，交叉口护栏自动控制系统省去了危险的，存在众多安全隐患的人工劳动，节省了人工手动操作，方便了实际需要，促进社会进步与发展。
通过PLC 课程设计，我学习到机械可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，通过这次设计实践。我学会了PLC 的基本编程方法，对PLC 的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程
素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
对于自己所存在的不足，在以后的学习中不断完善，不断总结，以提高自己的能力，为以后的学习和工作奠定了良好的基础。
七参考文献
【1】张晓峰.电气控制与可控制技术与应用.北京: 国防工业出版社.2010
【2】张晓峰，高斌.电气自动化实验教程. 北京: 国防工业出版社.2010
【3】许翏，王淑英.电气控制与PLC应用.北京:机械工业出版社.2009
【4】马小军，束长宝，王阿根.可编程控制器及其应用.南京:东南大学出版社.2007 【5】连建华.可编程控制器实验指导书.武汉：华中科技大学武昌分校机电学院.2011 【6】郁汉祺，盛党红，邓东华.电气控制与可编程控制器应用技术.南京：东南大学出版社.2003
电气控制与PLC课程设计成绩评定表
姓名王绍国学号1350803154 专业班级电气工程及自动化11（1）
课程设计题目：基于S7-200PLC的铁路与公路口护栏控制系统设计
成绩评定：
评定项目评分成绩
1.设计方案可行性及其选优（20分）
2.设计过程及结果（40分）
3.平时成绩（态度认真、遵守纪律）（10分）
5.设计报告的规范性、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6.答辩（20分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日