基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
1 PLC 概述
可编程序控制器（ Programmabie Logic Controller, 缩写 PLC）是以微处理器为
基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可
编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种、小批量
生产的需要，生产、发展起来的一种新型的工业控制装置，在工业自动化各领域取得
了广泛的应用。
1.1 PLC 的硬件结构
PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式包括 CPU板、I/O 板、显示面
板、内存块、电源等，模块式包括 CPU模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架。其结构如图 1 所示。中央处理单元 (CPU)是 PLC 的控制中枢，按照系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、 存储器 I/O 以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。
当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据， 并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内， 等所有的用户程序执行完毕之后， 最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止。
图 1 PLC 的结构图
1
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
1.2 PLC 的工作原理
PLC的 CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻
辑线圈被接通或断开， 该线圈的所有触点 ( 包括其常开或常闭触点 ) 不会立即动作， 必须等扫描到该触点时才会动作。
当 PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行
和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间， PLC 的 CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段：
输入采样阶段
在输入采样阶段， PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存
入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2 用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段， PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 ( 梯形图 ) 。在扫描每一条梯形图时， 又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路， 并按
先左后右、 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算， 然后根据逻辑运
算的结果， 刷新该逻辑线圈在系统 RAM存储区中对应位的状态； 或者刷新该输出线圈
在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后， PLC就进入输出刷新阶段。在此期间， CPU按照 I/O 映
象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
1.3 PLC 的应用领域
目前， PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、
汽车、轻纺、交通运输、保及文化娱乐等各个行业， 使用情况大致可归纳为以下几类：
（1）开关量的逻辑控制 这是 PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的
继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多
机群控制及自动化流水线。如电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机、组合机床、磨
2
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制 在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、
液位和速度等都是模拟量。 为了使 PLC能处理模拟信号， PLC厂家生产有配套的 A/D、
D/A 转换模块，使 PLC可用于模拟量控制。
（3）运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说， 早期直接用开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构， 现在可使用专门的运动控制模块。广泛的运用于各种机床、机械、机器人、电器等场合。
（4）过程控制 这是对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
PLC能编制各种控制算法程序，完成闭环控制。
PID 控制时一般闭环控制系统中常用的控制方法。
PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用
（5）数据处理 现代 PLC具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较。一般用于大型系统，如无人控制的柔性制造业。
（6）通信及联网 PLC 通信包含 PLC之间的通信以及 PLC与其他智能设备间的通信。在工业自动化网络发展加快前提下， 厂家都十分重视 PLC的通讯功能，纷纷推出各自的网络系统，通讯十分方便。
1.4 PLC 的发展趋势
1969 年，美国数字设备公司（ DEC）首先研制出第一台符合要求的控制器，即可
编程逻辑控制器，并在美国 GE公司的汽车自动装配上试用获得成功。此后，这项技
术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。
总的来说发展趋势如下：
向高速度、大容量方向发展为了提高 PLC的处理能力，要求 PLC具有更好的响应速度和更大的储存容量。
向超大型、超小型两个方向发展。以适应不同类型的自动控制系统的需要。
(3)PLC 大力开发智能模块， 加强联网通信功能。
为了扩大适用范围， 厂家还制定
了通用的通信彼岸准，已构成更大的网络系统。
(4) 增强外部故障的检测与处理能力。 外部故障的几率很大， 因此，PLC厂家致力
3
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性
编程语言多样化。
PLC 结构不断发展的同时 ,PLC 的编程语言也越来越丰富。多种语言并存、互补与发展是 PLC进步的一种趋势。
1.5 S7-200 的概述
西门子 S7 系列可编程控制器分为 S7-400、S7-300、S7-200 三个系列，分别为 S7
系列的大、中、小型可编程控制器系统。 S7-200 系列可编程控制器有 CPU21X系列，
CPU22X系列，其中 CPU22X型可编程控制器提供了 4 个不同的基本型号，常见的有
CPU221，CPU222， CPU224和 CPU226四种基本型号：
小型 PLC中， CPU221价格低廉能满足多种集成功能的需要。 CPU 222是 S7-200
家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。 CPU 224具有更多的
输入输出点及更大的存储器。 CPU 226和 226XM是功能最强的单元，可完全满足一些
中小型复杂控制系统的要求。四种型号的 PLC具有下列特点：
（1）集成的 24V 电源
可直接连接到传感器和变送器执行器， CPU221 和 CPU222具有 180mA输出。CPU224
输出 280mA， CPU 226、 CPU 226XM输出 400mA可用作负载电源。
（2）高速脉冲输出
有 2 路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达 20KHz，用于控制步进电机或伺服电（ 3）通信口 CPU 221、CPU222和 CPU224具有 1 个 RS-485 通信口。
CPU 226、 CPU226XM具有 2 个 RS-485通信口。支持 PPI、MPI通信协议，有自
由口通信能力。
（4）模拟电位器 CPU221/222有 1 个模拟电位器， CPU224/226/226XM有 2 个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（ SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。
（5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
（6）EEPROM存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并
可进行辅助软件归档工作。
（7）电池模块用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的
超级电容存储大约 5 天。选用电池模块能延长存储时间到 200 天（ 10 年寿命）。电池
4
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
模块插在存储器模块的卡槽中。
（8）不同的设备类型 CPU 221～ 226 各有 2 种类型 CPU，具有不同的电源电压和控制
电压。
（9）数字量输入 / 输出点 CPU 221具有 6 个输入点和 4 个输出点； CPU 222具有 8 个输入点和 6 个输出点； CPU224 具有 14 个输入点和 10 个输出点； CPU226/226XM具有 24 个输入点和 16 个输出点。CPU22X主机的输入点为 24V直流双向光电耦合输入电路，
输出有继电器和直流（ MOS型）两种类型
（10）高速计数器 CPU 221/222 有 4 个 30KHz高速计数器， CPU224/226/226XM有 6
个 30KHz的高速计数器，用于捕捉比 CPU扫描频率更快脉冲信号。
5
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
交通信号灯的作用和意义
交通十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。靠什么来
实现这井然秩序呢 ?靠的是交通信号灯的自动指挥系统。 那么控制系统是如何实现红、
绿、黄三种颜色信号灯有条不紊工作的呢 ?交通信号灯控制方式很多，可以用电子电
路来实现， 也可以用单片机编程控制来实现。 本设计主要介绍如何利用 PLC来实现十
字路口交通灯的控制。
随着社会的发展， 人们的消费水平不断提高， 私人车辆不断的增加。
人多、车多、道路少的道路交通状况已经很明显了。所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行
的。PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用 PLC 根据不同时刻车流量的不同，将红绿灯时长按一定的规律分档。
这样就可以达到最大限度的有车放行， 减少十字路口的车辆滞留，缓解交通拥挤，实现最优控制，从而提高交通控制系统的效率。
交通信号灯的出现， 使得交通得以管制， 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。
为了实现交通道路的管制， 力求交通管理先进性、 科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法。实验证
明该系统实现简单、经济，能够有效的疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制和管理问题的现状， 结合交通实际情况阐述了交通控制系统的工作
原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的 PLC 设计方案。可编程控制器在工业自动化中的地位极其重要。广泛应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、低价格、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
6
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
方案设计
3.1 控制要求
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（ SB1）控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，
且先南北红灯亮，东西红灯亮。
交通灯按如下顺序循环点亮：红红（ 2s） --> 红绿（ 3s） --> 红黄（ 1s）--> 红
红（ 2s）--> 绿红（ 3s）--> 黄红（ 1s）--> 红红 (2s) 。
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 S7-200 系列可编程控制器的特性，选
择适合的型号。设计思想分析如下： 给一个启动的输入信号， 要配合一个 SB1的按钮，
当 SB1启动按钮动作，系统工作。
按照控制要求，将控制过程分为六步，分别是红红、红绿、红黄、红红、绿红、
黄红，程序控制继电器按时序一步步的跳转。可采用多种方案实现跳转，在此，我们
采用传送指令与时间继电器结合来控制程序的运转。
首先，上电后，按下启动按钮 SB1，I0.0 动作，启动通电延时时间继电器 T37 和T40，Q0.0 和 Q0.3 接通，南北红灯和东西红灯亮， 延时 2s 后，其常闭触点断开， Q0.3 断开，东西红灯灭。启动时间继电器 T38， T37 常开触点闭合， Q0.5 接通，东西绿灯
亮，延时 3s 后， T38 常闭触点断开，东西绿灯灭。启动时间继电器 T39，T38 常开触
点闭合， Q0.4 接通，东西黄灯亮，延时 1s 后，T39 常闭触点断开，东西黄灯灭。 T39
常开触点闭合 , 东西红灯亮，延时 2s 后，南北红灯灭，同时启动时间继电器 T41，Q0.1
接通，南北绿灯亮，延时 3s 后，T41 常闭触点开、常开触点闭合，南北绿灯灭。同时
启动时间继电器 T42，Q0.2 接通，南北黄灯亮，延时 1s 后，T42 常闭触点开、常开触
点闭合 , 南北黄灯灭，同时南北红灯亮，开始下一轮循环。
按照控制要求，需要一个信号输入，六个信号输出，十字路口有十二个交通信号
灯，南北、东西两个为一组用一个输出信号控制。通过如下的十字路口交通灯状态分
析表、主流程图、十字路口交通灯时序图一一展开，十字路口交通灯控制系统设计思
路逐渐脉络清晰。
7
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
3.3 交通灯状态图
十字路口交通灯如下图 1 所示，将 12 个交通灯进行编号
图 2 十字路口交通灯状态图
这 12 个交通灯共有六个状态：
状态 1：南北红灯（ 1、7）亮，东西红灯（ 4、10）亮；
状态 2：南北红灯（ 1、7）继续亮，东西绿灯（ 6、12）亮；状态 3：南北红灯（ 1、7）继续亮，东西黄灯（ 5、11）亮；状态 4：南北红灯（ 1、7）继续亮，东西红灯（ 4、10）亮；状态 5：南北绿灯（ 3、9）亮，东西红灯（ 4、10）继续亮；状态 6：南北黄灯（ 2、8）亮，东西红灯（ 4、10）继续亮。
8
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
3.4 主程序流程图
图 3 主程序流程图
9
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
图 4 十字路口交通灯时序图
10
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
硬件设计
4.1 硬件选择
本设计采用 PLC 来实现对十字路口交通信号灯的控制，其控制方法是选用西门
子的 S7-200 系列 CPU222型号 PLC对东西南北的红、黄、绿灯实现有规律的循环闪亮，
以达到对交通信号灯的控制。
控制过程中采用顺序控制法用多个定时器自动实现对六
个控制对象的控制。根据交通信号灯的亮灭规律，可用 PLC编程对其实行自动控制。
4.2 PLC 的 I/O 分配表
硬件结构设计必须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。选择合适的 PLC机型及外设 , 以完成 PLC的硬件结构配置。
根据上述选型及控制要求 , 绘制 PLC控制交通灯的电路接线原理图 , 编制 I/O 接口
功能表 , I/O 分配及其接线原理图分别如表 1 和图 5 所示
表 1 交通信号灯 PLC的输入 / 输出点分配表
输入信号
定时元件
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
工作按钮
SB1
I0.0
T37: 状态一 2S
南北红灯
L0
Q0.0
T38: 状态二 3S
南北绿灯
L1
Q0.1
T39: 状态三 1S
南北黄灯
L2
Q0.2
T40 状态四 2S
东西红灯
L3
Q0.3
T41: 状态五 3S
东西绿灯
L4
Q0.4
T42: 状态六 1S
东西黄灯
L5
Q0.5
11
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
4.3 PLC 的硬件接线图
图 5 PLC 控制接线图
端口 I0.0 为接入系统开关的传送信号，端口 Q0.0 接南北红灯， 端口 Q0.1 接南
北绿灯，端口 Q0.2 接南北黄灯，端口 Q0.3 接东西红灯，端口 Q0.4 接东西绿灯，端
口 Q0.5 接东西黄灯。
12
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
5 编制程序
5.1 十字路口交通信号灯顺序功能图
13
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
5.2 十字路口交通信号灯梯形图
14
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
15
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
5.3 指令表
Network 1
LD I0.0
AN T42
TON T37, 20
TON T38, 50
TON T39, 60
TON T40, 80
TON T41, 110
TON T42, 120
Network 2
LD I0.0
AN T40
T42 = Q0.0
Network 3
LD I0.0
AN T37
T39 = Q0.3
Network 4
LD T37
AN T38
Q0.5
16
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
Network 5
LD T38
AN T39
Q0.4
Network 6
LD T40
AN T41
Q0.1
Network 7
LD T41
AN T42
Q0.2
17
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
6 PLC 检查调试
6.1 常规检查
在通电之前要耐心细致地作一系列的常规检查 ( 包括接线检查、绝缘检
查、接地电阻检查、保险检查等 ) ，避免损坏 PLC模块 ( 用 STEP7的诊断程序对
所有模块进行检查 ) 。
6.2 系统调试
系统调试可按离线调试与在线调试两阶段进行。其中离线调试主要是对程
序的编制工作进行检查和调试，采用 STEP7能对用户编制程序进行自动诊断处
理，用户也可通过各种逻辑关系判断编制程序的正误。而在线调试是一个综合
调试过程，包括程序本身、外围线路、外围设备以及所控设备等的调试。在线
调试过程中，系统在监控状态下运行，可随时发现问题、随时解决问题，从而
使系统逐步完善。
因此，一般系统所存在的问题基本上可在此过程中得到解决。
18
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
总 结
经过五天的课程设计，我初步掌握了 PLC程序设计的基本方法，了解到顺
序控制的方法，理解了时序对交通灯设计的重要性。整个课程设计最大的难点
在于确定交通灯的控制逻辑和时序分析，在程序设计的最初阶段，我们没有深
刻理解交通灯状态变化的时序关系，无法找到状态转换的起始点，所以始终写
不出合理的程序。后来，我们采用传送指令来控制时间继电器的启动，也解决
了这个问题。总的感觉是，这次课程设计的收获很大， 我学到了一些实用的 PLC
知识，这些知识也将为我以后的学习和工作所用。
通过本次课程设计，我们将所学的所有理论知识都很好的运用到了实际的
设计当中，在具体的设计过程中，遇到了很多问题，通过查资料问老师，都一
一得到解答，通过本次锻炼主要体现在以下几个方面：
(一) 提高了对知识系统化能力
设计过程中运用了很多的知识，因此如何将知识实用化就成了关键。如本
设计中用到了西门子 PLC 编程理论，因此在设计过程中侧重了知识转变成能力
的培养，为今后的工作和学习打下了很好的理论基础。
(二 ) 提高了计算和微机应用能力得到提高
使自己计算准确度有了明显的进步， 没有以前那么马虎大意了。
软件方面，
熟练了对 Photoshop、 WORD 、绘图等软件的掌握。
(三 ) 自我学习的能力提高
此次设计过程中遇到了很多的困难，为了解决问题，激发了对获取
知识的追求，使自学能力得到了提高。
19
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
致 谢
本课程设计是段老师的悉心指导下完成的。
课程设计是检验和锻炼学生实际工程设计能力的一项教学环节。在此次设
计中，我综合运用所学知识，认真按照 “S7-200PLC编程手册”等相关书籍的设计要求，注重理论联系实际。
在段老师的耐心指导下， 完成了基于 S7-200PLC 的十字路口交通灯控制系统设计，培养了综合运用基础知识和技能解决实际问题的能力，初步掌握了工程设计的方法，为将来的工作奠定了基础。
在此期间段老师为我做了大量的辅导和答疑工作，帮我解决了设计过程中的一个个难题，并一次又一次的帮我修改设计说明书，使设计工作顺利完成。在此，谨向段老师致以深深的谢意 !
同时，在本次设计及论文的写作过程中， 同学们为我提供了力所能及的帮助，并创造了浓厚的学习氛围！
再次感谢段老师悉心的指导和同学们的热心帮助。
20
基于 S7-200_PLC 十字路口交通灯控制系统设计
参考文献
[1]
廖常初 .PLC 编程及应用（第三版） [M]. 北京：机械工业出版社，
2008
[2]
田淑珍 .S7-200 PLC 原理及应用 [M]. 北京：机械工业出版社， 2009
[3]
张运刚等 .PLC 技术与应用 [M]. 北京：人民邮电出版社， 2007
[4]
徐国林 .PLC 应用技术 [M]. 北京：机械工业出版社， 2007
[5]
廖常初 .S7-200PLC 基础教程 ( 第二版 )[M].
北京：机械工业出版社，
2009
[6]
廖常初 . 可编程序控制器应用技术（第四版）
[M]. 重庆 : 重庆大学出版社 ,2002
21