毕业设计（论文）-PLC交通灯控制及监控系统设计.doc

摘要: 目前各大专院校的自动化类、电气类、机械类等专业几乎都设立了plc 原理及应用课程。从教学的角度看,这是一门实践性很强的课程,学生在理论教学方面具有充足的授课时间、丰富的专业教材,与之相比,相关的实验教学手段和实际的让学兴趣的被控模型都显得明显不足,为了达到培养学生的创新意识,提高其工程综合应用能力的教学目标，设计了一套便于实验教学的新型交通控制实验装置。本设计采用plc 和触摸屏组成一个新的交通灯控制和监控实验装置,该实验装置不但能实现传统的交通灯控制功能,而且具有倒计时显示、多车道控制、行人过马路以及特殊情况下的控制等功能,同时能对交通灯的运行和路口车流情况进行监控。该实验面板采用模块化组合结构, 使用灵活, 性能稳定,直观性强, 具有良好的教学效果。关键词：交通灯，plc，触摸屏，实验控制面板traffic light control and monitoring system design abstract：automation of all tertiary institutions in the current category, type of electrical, mechanical, etc. almost all of the professional set up plc principle and application of courses. from a teaching point of view, this is a highly practical course, students in the theoretical teaching with adequate teaching time and a wealth of professional materials, compared with the experimental teaching method and practical interest to allow school charged with the model seems less than clear, the students in order to achieve the sense of innovation, to enhance its engineering capabilities of the teaching objectives, design a set of experiments to facilitate the teaching of new experimental traffic control device. the design uses a plc and touch screen to form a new traffic light control and monitoring of experimental apparatus, the experimental setup to achieve not only the traditional traffic light control, and with the countdown show, multi-lane control, pedestrians crossing the road, as well as the control of special circumstances functions, as well as the operation of traffic lights and monitor traffic flow at road junctions. the combination of experimental structure of modular panels, the use of a flexible, stable performance, intuitive and strong, with good teaching results.key words: traffic lights, plc, touch screen, test control panel 目录引言11. plc简介21.1概述21.2 plc的结构及基本配置21.2.1 cpu的构成31.2.2 i/o模块41.2.3 电源模块41.2.4 底板或机架41.2.5 plc的外部设备41.2.6 plc的通信联网51.3 plc的工作原理51.3.1输入处理51.3.2程序执行51.3.3输出处理61.4 plc的基本性能指标61.4.1工作速度61.4.2 控制规模71.4.3 组成模块71.4.4 内存容量91.4.5 指令系统101.4.6支持软件111.4.7 可靠控制131.4.8 经济指标132.交通灯控制和监控系统设计概述142.1 课题提出的意义142.2 本设计的任务142.2.1本设计要解决的主要问题：142.2.2解决问题的思路与方法143 交通灯控制和监控系统的设计173.1 系统的构成173.2 系统的原理173.3实验装置的功能183.3.1正常时序控制方式183.3.2急车强通控制方式183.3.3 行人强通控制方式193.3.4 紧急事故处理控制方式193.4系统硬件设计193.4.1 i/o端口的分配193.4.2 plc接线图设计203.5 软件设计213.5.1 交通灯主程序设计213.5.2交通灯倒计时显示程序213.5.3触摸屏组态设计223.6 程序调试263.6.1调试软件简介263.6.2 gpp编写梯形图263.6.3 调试294.系统的应用334.1基本指令实验334.2组合电路的plc编程实验344.3步进顺控指令实验354.4 交通灯控制和监控实验364.4.1 交通灯控制实验364.4.2交通灯监控实验375.plc的安装和维护385.1可编程控制器的安装385.2 接线395.3接地395.4直流24v接线端395.5 输入接线405.6输出接线41总结42致谢43参考文献44iv 引言可编程序控制器 ( pl c) 是以微处理器为基础 ,综合计算机技术自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型 、通用的自动控制装备 ,它具有结构简单 、操作方便 、编程容易 、 系统功能强大灵活且易于扩展 、高性价比 、高可靠性等众多优越性能 ,已成为现代工业自动化的三大支柱 ( pl c 、机器人 、cad/ cam) 之一 。从世界范看 , pl c 及其系统相关产品的产量 、销量及用量高居各种自动化设备的榜首 。可以说 , pl c 是应用范围最大的自 动化设备 。不管是建立新的工业控制系统还是对老的生产线及设备的改造 ,都会有它的 身影 。作为今后直接从事生产控制及技术的理工科学生来说 ,面对当今巨大的就业压力 ,学习 pl c 的基础知识 ,进行 pl c 的工程实践培训 ,就显得非常的重要和必要 。实验教学 就是要提高学生的综合素质 ,发展他们的独立性 、自主性和实践创新能力。所以 ,目前各大专院校的自动化类 、电气类 、机械类等专业几乎都设立了pl c 原理及应用课程 。 从教学的角度看 ,这是一门实践性很强的课程 ,学生在理论教学方面具有充足的授课时 间 、丰富的专业教材 ,与之相比 ,相关的实验教学手段和实际的让学生感兴趣的被控模型都显得明显不足 ,为了达到培养学生的创新意识 ,提高其工程综合应用能力的教学目 标 。经过多次实验和反复认证 ,我们研制出了一套便于实验教学的新型交通控制实验装置。1. plc简介1.1概述可编程控制器（programmable controller，简称pc）。与个人计算机的pc相区别，用plc表示。plc是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（iec）颁布了对plc的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。plc具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料，在工业控制领域中，plc控制技术的应用必将形成世界潮流。plc程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为plc程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。1.2 plc的结构及基本配置一般讲，plc分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式plc，有一块cpu板、i/o板、显示面板、内存块、电源等，当然按cpu性能分成若干型号，并按i/o点数又有若干规格。对模块式plc，有cpu模块、i/o模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的plc，都属于总线式开放型结构，其i/o能力可按用户需要进行扩展与组合。plc的基本结构框图如下：接口部件输出输入接口部件 中央处理单元 cpu板 接受 驱动 现场信号 受控元件 电 源 部 件1.1 plc的基本结构框图1.2.1 cpu的构成plc中的cpu是plc的核心，起神经中枢的作用，每台plc至少有一个cpu，它按plc的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和plc内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路， 与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是plc不可缺少的组成单元。cpu的控制器控制cpu工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。cpu的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。cpu的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。cpu虽然划分为以上几个部分，但plc中的cpu芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对cpu内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在plc中的功能与性能，能正确地使用它就够了。cpu模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，cpu模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式plc的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接i/o模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。cpu模块上还有许多设定开关，用以对plc作设定，如设定起始工作方式、内存区等。1.2.2 i/o模块plc的对外功能，主要是通过各种i/o接口模块与外界联系的，按i/o点数确定模块规格及数量，i/o模块可多可少，但其最大数受cpu所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。i/o模块集成了plc的i/o电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。1.2.3 电源模块有些plc中的电源，是与cpu模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为plc各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24v的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220vac或110vac，直流电源，加的为直流电压，常用的为24v。1.2.4 底板或机架大多数模块式plc使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使cpu能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。1.2.5 plc的外部设备外部设备是plc系统不可分割的一部分，它有四大类：1）编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控plc及plc所控制的系统的工作状况。编程器是plc开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。2）监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。3）存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如eprom、eeprom写入器等。4）输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。1.2.6 plc的通信联网plc具有通信联网的功能，它使plc与plc 之间、plc与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的plc新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有rs-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。当然，plc之间的通讯网络是各厂家专用的，plc与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的plc之间、plc与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。了解了plc的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥plc所提供的最佳功能。1.3 plc的工作原理plc采用循环扫描的工作方式，在plc中用户程序按先后顺序存放，cpu从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回到第一条，如此周而复始不断循环。plc的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当plc处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在plc处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。1.3.1输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器与外界隔离， 即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。1.3.2程序执行根据plc梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，plc从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。1.3.3输出处理程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。1.4 plc的基本性能指标可编程控制器的基本性能可用如下八条予以概括： 1.4.1工作速度 工作速度是指plc的cpu执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度。工作速度是plc工作的基础。速度高了，才可能通过运行程序实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能发挥plc的多种多样的作用。 plc的指令是很多的。不同的plc。指令的条数也不同。少的几十条，多的几百条。指令不同，执行的时间也不同。但各种plc总有一些基本指令，而且各种的plc都有这些基本指令，故常以执行一条基本指令的时间来衡量这个速度。这个时间当然越短越好，已从微秒级缩短到零点微秒级。并随着微处理器技术的进步，这个时间还在缩短。 执行时间短可加快plc对一般输入信号的响应速度。从讨论plc的工作原理知，从对plc加入输入信号，到plc产生输出，最理想的情况也要延迟一个plc运行程序的周期。因为plc监测到输入信号，经运行程序后产生的输出，才是对输入信号的响应。不理想时，还要多延长一个周期。当输入信号送入plc时，plc的输入刷新正好结束，就是这种情况。这时，要多等待一个周期，plc的输入映射区才能接受到这个新的输入信号。对一般的输入信号，这个延迟虽可以接受，但对急需响应的输入信号，就不能接受了。对急需处理的输人信号延迟多长时间plc能予以响应，要另作要求。为了处理急需响应的输入信号，plc有种种措施。不同的plc措施也不完全相同，提高响应速度的效果也不同。一般的作法是采用输入中断，然后再输出即时刷新，即中断程序运行后，有关的输出点立即刷新，而不等到整个程序运行结束后再刷新。 这个效果可从两个方面来衡量：一是能否对几个输入信号作快速响应；二是快速响应的速度有多快。多数plc都可对一个或多个输入点作快速响应，快速响应时间仅几个毫秒，性能高的、大型的plc响应点数更多。 工作速度关系到plc对输入信号的响应速度，是plc对系统控制是否及时的前提。控制不及时，就不可能准确与可靠，特别是对一些需作快速响应的系统。这就是把工作速度作为plc第一指标的原因。 1.4.2 控制规模 控制规模代表plc控制能力，看其能对多少输入、输出点及对多少路模拟进行控制。 控制规模与速度有关。因为规模大了，用户程序也长，执行指令的速度不快，势必延长plc循环的时间，也必然会延长plc对输入信号的响应。为了避免这个情况，plc的工作速度就要快。所以，大型plc的工作速度总是比小的要快。 控制规模还与内存区的大小有关。规模大，用户程序长，要求有更大的用户存储区。同时点数多，系统的存储器输入、输出的信号区（输入输出继电器区或称输入、输出映射区）也大。这个区大，相应地内部器件（解释见后）也要增多，这些都要求有更大的系统存储区。 控制规模还与输入、输出电路数有关。如控制规模为1024点，那就得有1024条i/o电路。这些电路集成于i/o模块中，而每个模块有多少路的i/o点总是有数的。所以，规模大，所使用的模块也多。 控制规模还与plc指令系统有关。规模大的plc指令条数多，指令的功能也强，才能应付对点数多的系统进行控制的需要。 控制规模是对plc其它性能指标起着制约作用的指标；也是plc划分为微、小、中、大和特大型 1.4.3 组成模块 plc的结构虽有箱体及模块式之分，但从质上看，箱体也是模块，只是它集成了更多的功能。在此，不妨把plc的模块组成当作所有plc的结构性能。 这个性能含义是指某型号plc具有多少种模块，各种模块都有什么规格，并各具什么特点。 一般讲，规模大的plc，档次高的plc模块的种类也多，规格也多，反映它的特点的性能指标也高。但模块的功能则单一些。相反，小型plc、档次低的plc模块种类也少，规格也少，指标也低。但功能则多样些，以至于集成为箱体。 组成plc的模块是plc的硬件基础，只有弄清所选用的plc都具有那些模块及其特点，才能正确选用模块，去组成一台完整的plc，以满足控制系统对plc的要求。 常见的plc模块有： cpu模块，它是plc的硬件核心。plc的主要性能，如速度、规模都由它的性能来体现。 电源模块，它为plc运行提供内部工作电源，而且，有的还可为输入信号提供电源。 i/o模块，它集成了i/o电路，并依点数及电路类型划分为不同规格的模块。 内存模块，它主要存储用户程序，有的还为系统提供辅加的工作内存。在结构上内存模块都是附加于cpu模块之中。 底板、机架模块，它为plc各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口。不同厂家或同一厂家但不同类型的plc都不大相同。 箱体式的plc还有i/o扩展箱体，它不含cpu，仅有电源及i/o单元的功能。扩展箱体也依i/o点数的多少划分有不同的规格。 除上述模块，plc还有特殊的或称智能或称功能模块。如a/d（模入）模块、d/a（模出）模块、高速计数模块、位控模块、温度模块等等。这些模块有自己的cpu，可对信号作预处理或后处理，以简化plc的cpu对复杂的程控制量的控制。智能模块的种类、特性也大不相同，性能好的plc，这些模块种类多，性能也好。 通讯模块，它接人plc后，可使plc与计算机，或plc与plc进行通讯，有的还可实现与其它控制部件，如变频器、温控器通讯，或组成局部网络。通讯模块代表plc的组网能力，代表着当今plc性能的重要方面。 掌握plc性能，一定要了解它的模块，并通过了解模块的性能，去弄清楚plc的性能。 除了模块，plc还有外部设备。 尽管用plc实现对系统的控制可不用外部设备，配置好合适的模块就行了。然而，要对plc编程，要监控plc及其所控制的系统的工作状况，以及存储用户程序、打印数据等，就得使用plc的外部设备。故一种plc的性能如何，与这种plc所具外部设备丰富与否，外部设备好用与否直接相关。 plc的外部设备有四大类： 编程设备：简单的为简易编程器，多只接受助记将编程，个别的也可用图形编程（如日本东芝公司的ex型可编程控制器）。复杂一点的有图形编程器，可用梯形图语编程。有的还有专用的计算机，可用其它高级语编程。编程器除了用于编程，还可对系统作一些设定，以确定plc控制方式，或工作方式。编程器还可监控plc及plc所控制的系统的工作状况，以进行plc用户程序的调试。 监控设备：小的有数据监视器，可监视数据；大的还可能有图形监视器，可通过画面监视数据。除了不能改变plc的用户程序，编程器能做的它都能做，是使用plc很好的界面。性能好的plc，这种外部设备已越来越丰富。 存储设备：它用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失。这些设备，如存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器。而为实现这些存储，相应的就有存卡器、磁带机、软驱或rom写入器，以及相应的接口部件。各种plc大体都有这方面的配套设施。 输入输出设备：它用以接收信号或输出信号，便于与plc进行人机对话。输入的有条码读入器，输入模拟量的电位器等。输出的有打印机、编程器、监控器虽也可对plc输入信息，从plc输出信息，但输入输出设备实现人机对话更方便，可在现场条件下实现，并便于使用。随着技术进步，这种设备将更加丰富。 外部设备已发展成为plc系统的不可分割的一个部分。它的情况，当然是选用plc必须了解的重要方面，所以也应把它列为plc性能的重要内容。 1.4.4 内存容量 plc内存有用户及系统两大部分。用户内存主要用以存储用户程序，个别的还将其中的一部分划为系统所用。系统内存是与cpu配置在一起的。cpu既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质。 用户内存大小与可存储的用户程序量有关。内存大，可存储的程序量大，也就可进行更为复杂的控制。从发展趋势看，内存容量总是在不断增大着。大型plc的内存容量可达几十k，以至于一百多k。系统内存对于用户，主要体现在plc能提供多少内部器件。不同的内部器件占据系统内存的不同区域。在物理上并无这些器件，仅仅为ram。但通过运行程序进行使用时，给使用者提供的却实实在在有这些器件。 内存器件种类越多，数量越多，越便于plc进行种种逻辑量及模拟控制。它也是代表 plc性能的重要指标。 plc内部器件有： i/o继电器，或称映射区。它与plc所能控制的i/o点数及模拟量的路数直接相关。 内部继电器数，有的称为标志位数，代表着plc的内部继电器数。它与i/o继电器区相联系着，有时与后者相联系进行处理。内部继电器多，便于plc建立复杂的时序关系，以实现多种多样的控制要求。一般讲，内部继电器数比i/o继电器要多得多。 有的内部继电器还可丢电保持，即它的状态（on或off）、plc丢电后，靠内部电池仍予以保持。再上电后可继续丢电前的状态。保持继电器可增强plc控制能力，特别对记录故障，故障排除后恢复运行，更显得有用。 定时器，可进行定时控制。定时值可任意设定。定时器有多少，设定范围有多大，设定值的分辨率又是多少，这些都代表定时器件的性能。 计数器，可进行计数，到达某设定计数值可发送相应信号。可进行什么样的计数，计数范围多大，怎么设定，有多少计数器，则是plc计数器性能的代表指标。 数据存储区，用以存储工作数据。多以字、两字或多字为单位予以使用，是plc进行模拟量控制，或记录数据所必不可少的。这个存储区的大小代表plc的性能也是越大越好。趋势也是越来越大。小型机也如此。如日本omron公司的cqm1机，其dm区就有6k字。而过去同是小型机的c60p的dm区才64个字。大型机的dm可达10k以至几十k。 此外还有其它一些内部器件，了解某plc性能时，也都必须掌握它。 内部器件也是plc指令的操作数，不弄清楚是无法编程的。 1.4.5 指令系统 plc有多少条指令，各条指令又具有什么功能，是了解与使用plc的重要方面。你不懂plc指令怎么编程，没有程序，plc又怎么工作？ plc的指令越来越多，越来越丰富。功能很强的指令，综合多种作用的指令日见增多。 plc的指令繁多，但主要的有这么几种类型： 基本逻辑指令，用于处理逻辑关系，以实现逻辑控制。这类指令不管什么样的plc都总是有的。 数据处理指令，用于处理数据，如译码，编码，传送、移位等等。 数据运算指令，用于进数据的运算，如十、一、x、/等，可进行整形数计算，有的还可浮点数运算；也可进行逻辑量运算，等等。 流程控制指令，用以控制程序运行流程。plc的用户程序一般是从零地址的指令开始执行，按顺序推进。但遇到流程控制指令也可作相应改变。流程控制指令也较多，运用得好，可使程序简练，并便于调试与阅读。 状态监控指令，用以监视及记录plc及其控制系统的工作状态，对提高plc控制系统的工作可靠性大有帮助。 当然，并不是所有的plc都有上述那么多类的指令，也不是有的plc仅有上述几类指令。以上只是指出几个例子，说明要从哪几个方面了解plc指令，从中也可大致看出指令的多少及功能将怎样影响plc的性能。 除了指令，为进行通讯，plc还有相应的协议与通讯指令或命令，这些也反映了plc的性能。 1.4.6支持软件 为了便于编制plc程序，多数plc厂家都开发有关计算机支持软件。 从本质上讲，plc所能识别的只是机器语言。它之所以能使用一些助记符语言、梯形图语言、流程图语言，以至高级语言，全靠为使用这些语言而开发的种种软件。 助记符语言是最基本也是最简单的plc语言。它类似计算机的汇编语言，plc的指令系统就是用这种语言表达的。这种语言仅使用文字符号，所使用的编程工具简单，用简易编程器即可。所以，多数plc都配备有这种语言。 梯形图语言是图形语言，它用类似于继电器电路图的符号表达plc实现控制的逻辑关系。这种语言与符号语言有对应关系，很容易互相转换，并便于电气工程师了解与熟悉，故用得很普遍，几乎所有的plc都开发有这种语言。由于它是用图形表达，小的编程器不好使用它，得有较大的液晶画面的编程器，才能使用它。多数是在计算机对plc编程时，才使用这种语言。 流程图语言，它也是图形语言，不过所用的符号不与电气元件符号相似，而与计算机用的流程图符号相似，便干计算机工作人员了解与熟悉。流程图语言与符号语言也有一一对应关系，只是它对应的符号语言与梯形图的对应不一样。熟悉计算机而又未从事过一般电气工作的人员，乐于用这种语言对plc编程。 梯形图与流程图混合语言。这种语言，梯形图与流程图两者兼用，可使plc程序结构化。它用流程图把plc程序划分成若干结构块，并规范块间的逻辑联系。用梯形图再确定块中的种种量间的逻辑关系。这种混合语言有不同的实现方法，而且多用于大型的plc的编程 高级语言，plc编程也可以使用高级语言，如basic、c语言等。可以在dos，也可在windows平台上运行。关键在于要把用高级语言编写的程序转换成助记符语言，或直接转换成plc所能识别的机器语言。从根本上讲，只要能实现这个转换的，什么高级语言都可以。而编写这个转换的软件工作量很大，当然应由有关厂家开发与提供。当前不少plc厂家已有提供。如gefanac的plc就提供有可用c语言编程的软件。 再前进一步，从理论上讲使用自然语言编程也是完全可能的。只是要下力气去开发，以及市场有这个需要。 支持软件不仅编制plc程序需要，监控plc运行，特别是监视plc所控制的系统的工作状况也需要。所以，多数支持编程的软件，也具有监视plc工作的功能。 此外，也有专用于监控plc工作的软件，它多与plc的监视终端连用。 有的plc厂家或第三方厂家还开发了使用plc的组态软件，用以实现计算机对plc控制系统监控，以及与plc交换数据。 plc的用户也可基于dos或windows平台开发用于plc控制系统的应用软件，以提高plc系统自动化及智能化水平。这方面的软件已日益受到重视。 总之，为了用好plc，plc的支持软件越来越丰富，性能也越来越好，其界面也越来越友好，也因此，它的情况如何，已成为评判plc性能的指标之一。 1.4.7 可靠控制 为使plc能可靠工作，在硬件与软件两个方面plc厂家都采取了很多措施，对一些特殊可靠要求的plc，还有相应的特殊的措施，如热备、冗余等等。这在介绍plc的特点时已作了叙述。可靠措施的目的是增加plc平均故障间隔时间、mtbf（meantimebetweenfailure）及减少plc的平均修复时间、mttr（meantimetorepair），以提高plc的有效度a（availability）。 a=mtbf/(mtbf+mttr) 式中a-有效率 mtbf-平均故障间隔时间 mttr-平均修复时间 当然，a值越大越好，它可使plc系统得到充分的利用，是为什么要使用plc的重要指标。而从上式可知，mtbf越大，mttr越小，则a越大。所以，plc的可靠措施都是围绕提高mtbf及mttr值进行的。 鉴于可靠工作是plc的重要特点，至关重要，故有关提高mtbf及降低mttr的措施如何，以及plc的mtbf与mttr值也成为plc性能的重要指标。 1.4.8 经济指标 以上七条讲的都是plc的技术性能。其实，使用plc，还要考虑经济指标。经济是基础，经济上不合算，不能带来经济效益，使用plc也就没有基础。所以，这个指标也是重要的。经济指标最简单的就是看价格。一般讲，同样技术性能的plc，价格低其经济指标就好 。此外，还要看供货情况，供货不及时，影响使用，价格即使低，也不一定就好；看技术服务，资料不全，用户出现问题得不到技术支持也不好。 对经济指标还要作综合分析，要看使用了plc能否带来效益，然后，再分析使用哪家的plc效益更好些。2.交通灯控制和监控系统设计概述2.1 课题提出的意义可 编 程 控 制 器（简称 pl c ) 是一种专门为适应工业环境而设计 的工业控制计算机。 它自 1969年问世以来, 随着微电子技术、集成电路技术、微处理器技术和微计算机技术 的发展, 已经取得了巨大的进步。目前各高工专院校中机电类、自动化类专业普遍开设有这门专业课。该课具有很强的实践性, 以前我们让同学们学习编程时, 往往只是要求学生们直接用手持式编程器将简单的程序输入到 plc内部的 ram 里, 然后通过 pl c 面板上的 指示灯来观察试验结果。 采用这种方式, 由于 pl c 编程器液晶显示屏面积小, 程序的编辑、调试非常繁琐、费时费力。另外, 在输入输出点数较多或动作过程较复 杂时, 仅仅通过 plc面板上的指示灯来观察实验结果, 很难使学生们理解 plc 的执行过程。再者, 由于设备条件的限制, 缺乏实际被控模型, 很不直观。 这种单一的实验设备, 落后的实验方法, 使得实验效果往往不尽人意。为此, 我们研制了 plc 交通灯教学实验控制面板, 该控制面板融 pl c、触摸屏控制技术于一体, 形象逼真, 生动具体, 便于学生观察理解。2.2 本设计的任务2.2.1本设计要解决的主要问题：（1）plc 交通灯控制试验台总体设计；（2）plc 交通灯控制和监控设计；（3）plc 交通灯控制软件系统梯形图、控制程序研究设计。2.2.2解决问题的思路与方法（1）plc 交通灯控制试验台总体设计采用模块化的原则，由plc 控制主板、plc 通用i/o 接口板和plc 交通灯控制演示板三部分构成。（2）plc 交通灯控制和监控设计分为两个部分分别设计：控制部分根据不同时段车流量的不同,设计四种工作方式,即正常时序控制方式、急车强通控制方式、行人强通控制方式（盲人过马路）及紧急事故处理控制方式。正常时序控制方式：正常情况下,由于白天车辆较多,而晚上车辆较少,要求红绿灯自动切换的循环周期不同,白天按90秒一个循环周期轮流放行,晚上按50 秒一个循环周期轮流放行。白天红绿灯切换的要求(晚上只是循环周期不同) 如下:(1) 横向(行) 和纵向(列) 主干道均设有直行绿灯27s，直行绿闪3s ,左转绿灯10s ,左转绿闪3s ,黄灯2s 和红灯45s。当纵向主干道红灯点亮时,横向主干道应依次点亮直行绿灯,直行绿闪,左转绿灯，左转绿闪和黄灯;反之,当横向主干道红灯点亮时, 纵向主干道应依次点亮直行绿灯,直行绿闪,左转绿灯，左转绿闪和黄灯;（2） 横向和纵向人行道均设有通行绿灯和禁行红灯。横向人行道通行绿灯于纵向主干道直行绿灯点亮后才允许点亮,亮27s ,然后接3s 闪绿,其他60s 时间为红灯，同样,纵向人行道通行绿灯应在横向主干道直行绿灯点亮后才允许点亮,亮27s ,然后接3s 闪绿,其他60s 时间为红灯。急车强通控制方式：(1) 当有救护车、救火车通过或某个方向的车流量过大时,启动急车强通控制方式。无急车时,按正常循环时序控制;有急车来时,将急车强通开关接通,不管原来信号状态如何,一律强制让急车来车方向的绿灯亮,直到急车通过为止,将急车强通开关断开,信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3 次。随后按正常时序控制。(2) 急车强通信号只能响应一路方向的来车,若两个方向先后来急车,则响应先来的一方,随后再响应另一方。行人强通控制方式：为了体现“以人为本”的思想, 设置行人横穿马路与纵穿马路方式。如果行人需要过马路,而该方向人行道上的灯为禁行红灯,他就可以按该方向的行人强通按钮,此时人行道灯会由红变绿,方便行人通过,减少交通事故。紧急事故处理控制方式：在该十字路口发生交通事故时或系统出现故障（绿灯同时亮）时,启动该方式,4 个方向的红灯全亮,所有车辆禁行,以便交警处理事故。监控部分运用触摸屏，其功能主要有：(1) 时间参数可修改。由于季节及某些不可预知情况的存在,会导致该十字路口有时车流量很大,而有时车流量很小。红绿灯的变换时间需随之改变,通过触摸屏技术的应用,可以灵活修改时间参数,使控制程序更加灵活,以便适应不同季节的通行要求。(2) 控制过程可视化。通过触摸屏,可对十字路口交通灯的运行情况进行动态监控,并可把此监控信号传到中央控制室,以便了解整个十字路口的交通状况,减少交警的劳动强度。(3) 报警次数可记录。采用红外线遥感传感器监测十字路口的违章现象,若出现司机闯红灯、压线等情况,即启动报警装置发出报警声,并记录每天的违章次数。（3）plc 交通灯控制软件系统梯形图、控制程序研究设计采用结构化程序的设计思想,为了阅读和调试的方便,plc 的主程序采用sfc 程序设计方法,根据控制系统的要求,把主程序设计成多个选择分支,每个分支对应系统的某个功能。3 交通灯控制和监控系统的设计3.1 系统的构成该实验控制面板是以三菱 plc 为主机的实验系统的核心部分, 具体又可分为以下三块独立的部分:(1) pl c 控制主板: 本系统的plc主机选用三菱fx2n-64mr , 这种机型有 32 点输入, 32 点输出, 可实现高速输入输出响应 ( 约 8 10m s) , 编程指令丰富(100 余条) , 内部具有高速计数和中断处理功能, 其rs 232口可直接与计算机相连, 比较适合小型工业控制。 该板将 plc 主机固定于板子中央, plc 的输入/输出端子均已接到面板相应的插孔中, 输入输出信号通过这些插孔可由其他地方直接引入, 这些插孔的布置与 plc 的输入/输出端子以及电源端, 接地端和公共端的实际位置一一对应。( 2) pl c 通用 i/o 接口板: 该板用于将输入/输出信号引入到控制主板上。其中输入/输出信号既可以由面板上的钮子开关和指示灯来表示, 也可以用导线连接到专用演示面板或控制模型上; 考虑到plc 自带 24v 直流电源, 在负载较小且为非感性负载时有一定的驱动能力。 在该板上设计有 4 个额定电压为直流24v 的小型继电器, 可以使 plc 的输出信号直接驱动继电器带动负载工作。( 3) plc交通灯控制专用演示板: 该板是一个演示装置, 用相应指示灯模拟十字路口红、黄、绿交通灯的实际状况, 板上设计有输入/输出插孔以及启动、停止按钮。该实验系统采用主从机系统结构和模块化的组合结构, 系统在设计控制板的同时考虑到了功能的扩展, 如果再增加实验内容的话, 只需制作相应的专用演示板即可。3.2 系统的原理该实验系统融 plc 控制技术、触摸屏控制技术、模拟仿真技术为一体, 采用主从方式控制。其中上位机选用 pc 机, plc 作为从机, 主机和从机之间通过标准串行接口 rs 422实施数据传输。pc 机主要的任务是进行plc程序的编辑、修改、监控, 以及在线显示 plc 内部各软继电器的状态; plc的作用是将pc机输入到plc内部的程序编译成自身的执行代码, 在程序启动后, 根据输入模块接收到的各输入点的信号, 执行处理内部程序, 当所有指令执行完毕后, 再将输出继电器的通断状态输出到相应的输出点, 驱动相应的指示灯或继电器。在实验系统中, 可以把实验控制面板上的按钮或钮子开关作为 pl c 的输入信号, 把面板上的指示灯作为输出信号, 也可以将输入输出信号通过面板上的插孔连接到专用演示板或控制模型上, 通过演示板演示动作过程或直接驱动模型的动作, 将使实验过程 “仿真”实际的工业控制。3.3实验装置的功能该交通灯实验监控装置根据不同时段车流量的不同 ,设计了四种工作方式 ,即正常时序控制方式 、急车强通控制方式 、行人强通控制方式及紧急事故处理控制方式 。3.3.1正常时序控制方式正常情况下 , 由于白天车辆较多 , 而晚上车辆较少 ,要求红绿灯自动切换的循环周期不同 , 白天按90秒一个循环周期轮流放行 ,晚上按50秒一个循环周期轮流放行 。白天红绿灯切换的要求( 晚上只是循环周期不同) 如下 :(1) 横向(行)和纵向(列)主干道均设有左行绿灯13 s ,直行绿灯27 s ,绿灯闪亮 3s ,黄灯 2s 和红灯 45s。当纵向主干道红灯点亮时 ,横向主干道应依次点亮直行绿灯 ,左行绿灯 ,绿灯闪亮和黄灯 ;反之 ,当横向主干道红灯点亮时 ,纵向主干道依次点亮直行绿灯 ,左行绿灯 ,绿灯闪亮和黄灯 。(2) 横向和纵向人行道均设有通行绿灯和禁行红灯。横向人行道通行绿灯主干道直行绿灯点亮后才允许点亮 , 亮27s ,然后接 3s 闪绿 ,其他60s 时间为红灯 ; 同样 ,纵向人行道通行绿灯应在横向主干道直行绿灯点亮后才允许点亮 ,亮 27s ,然后接 3s 闪绿 ,其他 60s 时间为红灯 。3.3.2急车强通控制方式(1) 当有救护车 、救火车通过或某个方向的车流量过大时 ,启动急车强通控制方式 。无急车时 ,按正常循环时序控制 ;有急车来时 ,将急车强通开关接通 ,不管原来信号状态如何 ,一律强制让急车来车方向的绿灯亮 ,直到急车通过为止 ,将急车强通开关断开 ,信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮 3 次 。随后按正常时序控制 。(2) 急车强通信号只能响应一路方向的来车 ,若两个方向先后来急车 ,则响应先来的一方 ,随后再响应另一方 。3.3.3 行人强通控制方式为了体现“以人为本”的思想 ,设置行人横穿马路与纵穿马路方式 。如果行人需要过马路 ,而该方向人行道上的灯为禁行红灯 ,他就可以按该方向的行人强通按钮 ,此时人行道灯会由红变绿 ,方便行人通过 ,减少交通事故 。3.3.4 紧急事故处理控制方式在该十字路口发生交通事故时 ,启动该方式 ,4 个方向的红灯全亮 ,所有车辆禁行 ,以便交警处理事故 。除了以上工作方式外 ,该实验监控装置还具有以下几个功能 :(1) 时间参数可修改 。由于季节及某些不可预知情况的存在 ,会导