(论文)plc控制交通信号灯方案设计最新优秀毕业论文资料搜集呕血奉献

西安工程技术学院毕业设计题 目：PLC控制交通信号灯方案设计系 部：工业自动化系专 业：电气工程与自动化姓 名：指导老师：目 录摘 要- 4 -引 言- 5 -第一部分 课题背景- 6 -一、 交通信号灯自动控制发展的历史- 6 -二、 PLC的应用与未来发展- 8 -1. PLC的国内外状况- 8 -2. PLC未来展望- 9 -3. 本文的主要工作- 10 -第二部分 PLC的基础知识和工作原理- 11 -一、 PLC的基础知识- 11 -1. PLC的概述- 11 -2. PLC的定义- 11 -3. PLC的结构- 12 -4. PLC的特点- 19 -二、 PLC的工作原理- 20 -1. PLC的扫描工作方式及分时处理- 20 -2. I/O滞后时间- 21 -3. PLC与继电器控制电路工作原理的差别- 22 -第三部分 PLC十字路口交通信号灯控制系统设计- 23 -一、 设计选题- 23 -二、 系统流程图- 23 -三、 硬件设计- 27 -1. 输入/输出分配表- 27 -2. 外部接线图- 28 -四、 软件设计- 29 -1. 梯形图- 29 -2. 指令表- 32 -3. 状态波形图- 35 -第四部分 元件的选用及调试运行- 37 -一、 PLC的选用- 37 -1. PLC的选用- 37 -2. PLC使用中需要注意的问题- 38 -二、 传感器的使用- 42 -1. 感应线圈（电感式传感器）- 42 -2. 电路- 42 -3. 传感器的铺设- 43 -4. 车流量的计量- 43 -三、 数码管的使用- 44 -1. 驱动方式- 45 -2. 主要参数- 46 -3. 数码管应用- 46 -4. 常见问题- 46 -四、 触摸屏的介绍- 47 -1. 触摸屏的定义与简介- 47 -2. 触摸屏的工作原理 - 48 -3. 触摸屏的分类- 49 -4. 触摸屏发展趋势- 52 -五、 PLC的检查调试及所遇问题的解决- 52 -1. 接线检查- 52 -2. 设备检查- 53 -3. 试运行过程- 54 -4. 所遇问题及解决方法- 54 -第五部分 设计总结- 55 -致 谢- 56 -参考文献- 57 - 3 -摘 要近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。它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，已广泛应用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CADCAM将成为工业生产的三大支柱。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，客队目前普遍使用的“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。因此现在越来越多的将PLC应用于交通灯系统中。同时，PLC本身还具有通讯连网功能，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。在实时监测和自动控制的PLC5应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用，仅PLC方面还不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。十分形象的显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。【关键字】：PLC 交通灯 程序 设计 自动化引 言据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。因此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交通道路，解决城区主干道与支道的交通拥堵现象，越来越多的成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的问题，且尤为需要一种能够根据车流量的变化情况自适应的控制交通灯时间的长短。这也是我们本次设计的重点突破问题。目前，有多种对十字路口交通灯的改良设计。智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。有一种利用PLC和传感器的配合，较好的解决了车流量的不均衡、不稳定的问题，也解决了本次设计的重点问题。因此十字路口交通灯控制的设计存在非常广阔的前景。出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况:制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下:在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。第一部分 课题背景一、交通信号灯自动控制发展的历史城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕，1868年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。1914年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯已经相差无几。1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早期交通流量不大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方中国智能交通网式已不能满足客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的只有一种控制方案的控制器。除了多时段多方案定时控制的使用，为了避免各交叉路口之间“各自为政”的孤立控制方式对交通流造成的频繁停车，还必须把相邻的交叉路口作为一个系统来统一地加以控制。1917年，在美国盐湖市开始使用联动式信号系统，把六个交叉路口作为一个系统，以人工方式加以集中控制。1922年，美国休斯顿市建立了一个同步系统，它以一个交通亭为中心控制十二个交叉路口。1928年，上述系统经过改进，形成“灵活步进式”定时系统;由于它简单、可靠、价格便宜，很快在美国推广普及。这种系统以后不断改进、完善，成为当今的协调控制系统。20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，1952年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。伴随着城市交通信号控制系统的迅速发展。人们认识到，要更好地提高城市管理水平，不仅仅依靠硬件设备的更新和改进，还必须同时在控制逻辑和方法上有所突破，即城市交通的区域协调控制。传统的城市道路交通控制指的是区域交叉口信号灯控制，而城市交通的区域协调控制，是在整个城市范围内对交通进行控制，这无论是从理论角度还是实践角度，都是一个极其复杂的大系统控制问题。国外对城市区域交通控制的研究，开始于20世纪60年代初。1967年，英国运输与道路实验室(TRRL)成功开发出TRANsYT(TraffioNetworkStudyTools)交通控制系统，后来又在TRANsYT的基础上开发了seOOT(split Cyele and offset OPtimization Technique)系统。澳大利亚在70年代末也开发了基于配时方案实时选择方法来实现路网协调控制的SCAT(Sydney Coordinated Adaptive Traffic Method)系统。这些系统己经在西方国家的城市网络交通中取得了成功的应用。 进入20世纪80年代后期，随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市交通拥挤、阻塞现象日趋恶化，由此引发的事故、噪声和环境污染己成为日益严重的社会问题，交通问题成为困扰世界各国的普遍性难题。人们对交通系统的规模复杂性和开放性特征有了更深一层的认识，并开始意识到单独考虑车辆或道路方面很难从根本上解决交通拥挤现象，只有把路口交通流运行与信号控制的藕合作用综合考虑，且赋以现代的各种高新技术方可彻底消除有关问题。于是，智能交通系统(ITS)应运而生，并得到迅猛发展。除在技术和功能上得到增强和完善的SCOOT和SCATS以外，STREAM、ITACA、MOTION、RT-TRACS、SURFZ000、PRODYN和UTOPIA等新一代城市交通控制系统相继推出并投入应用。 目前城市交通控制研究的新发展主要体现在城市交通网络的各个方面:区域交通信号灯和城市快速公路匝道口杂道口扎道口的新的控制方法上;实现区域和快速公路的集成控制;采用动态路由导航与交通网络控制结合:以实现先进车辆控制系统AvcS为主的智能交通系统(ITS);以实现先进交通管理系统ATMS和先进驾驶员信息系统ATIS为主的城市多智能体交通控制系统;以及一些辅助的交通策略如道路自动计费、公共交通优先等。 可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了无感应控制到有感应控制、手动控制到自动控制再到智能控制、单点控制(点控)到干线控制(线控)再到区域控制和网络控制(面控)的过程。二、PLC的应用与未来发展1. PLC的国内外状况世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。2. PLC未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。三、本文的主要工作 第一部分，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。第二部分，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。第三部分，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。第四部分，通过对系统的调试和检测以及元器件的选用，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。第二部分 PLC的基础知识和工作原理一、PLC的基础知识1. PLC的概述可编程控制器（Programmable Logic Controller, 简称PLC）是计算机家族的一员是为工业控制应用而设计制造的。它是以微处理器为核心，将计算机技术、自动控制技术和通信技术融为一体的一种专门为适应恶的工业环境下面设计的工业控制装置，涉及很多自动控制、电气方面的知识。它主要用来代替电器实现逻辑控制。随着技术的发展，可编程控制器为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。 2. PLC的定义 国际电工委员会（IEC）于1982年11月颁发了PLC标准草案第1稿，1985年1月发表了第2稿，1987年2月有办法了第3稿。在草案中对PLC定义如下：可编程控制器（Programmable Logic Controller,，PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外围设备，都按易于工业系统连成一个整体，按易于扩充其功能的原则设计。此定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，即它是“专门在工业环境下应用而设计”的计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术操作等，它还具有“数字量或模拟量的输入输出控制”的能力，并且非常容易与“工业控制系统连成一体”，易于“扩充”，PLC的整体认识如图2-1所示。逻辑运算定时、计数 实 实 现 现数字量或模拟量的输入输出控制工业领域 PLC 面向用户 实 现 的指令 实 实 现 现顺序控制算术操作 图2-1 PLC的整体认识 3. PLC的结构PLC的结构与一般计算机的结构基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成，下面分别对PLC的硬件系统和软件系统进行介绍。一、 PLC的硬件系统 不管是整体式、模块式还是混合式结构的PLC，其内部结构大体上都是相似的，其硬件系统基本上由基本单元包括中央处理器（CPU）、存储器（用户程序储存器、系统程序存储器和数据存储器）、（IO）接口、通信接口、电源和外部设备等组成。其中，CPU是PLC的核心，I/O接口电路是连接现场I/O设备与CPU之间的桥梁，通信接口用于与编程器、上位计算机等外围设备连接.PLC的基本结构，如图2-2所示。下面是对PLC各主要组成部分逐一进行简单介绍。1. 中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型输入接口输出接口 CPU接收 驱动 现场信号 负载电源CPU图2-2 PLC的基本结构不同而不同，常用有三类，通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器(如8031、8096等)和位片式微处理器（如AMD29等）。小型PLC大多采用8位通用处理器和单片微处理器，中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器，大型PLC大多采用高速位片式微处理器。目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双PLC系统，甚至有些PLC中多达8个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，通常采用8位或16位处理器，另一个为位处理器，采用由各厂商设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编辑器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编辑语言向机器语言的转换。为处理器的采用提高可PLC得速度，使PLC更好的满足实时控制的要求。在PLC中，CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：（1） 接收从编辑器输入的用户程序和数据。（2） 诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编辑中的语言错误等。（3） 通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。（4） 从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。（5） 根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。2存储器存储器主要有两种，一种是可读/写操作的随机存储器（RAM），另一种是只读存储器(ROM)、可编程只读存储器（PROM）、和电可擦除可编程只读存储器(EPROM)和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据等。系统程序是由PLC的制造厂商编写的，与PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到OLC性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂商直接固化在ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。用户程序是随PLC的控制对象而定的，有用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOSA静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常不需要改变时，可将其固化在EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM或闪速（Fish）ROM作为用户存储器。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据，它存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放I/O继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要部分数据在掉电的时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电的可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量一般指用户程序存储器。当PLC提供的用户程序存储容量不够用时，许多PLC还提供存储器扩张功能。3. I/O接口电路I/O接口电路通常也称为I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口也可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据。同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控对象，以达到控制目的。由于外围输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口可以实现这种转换。I/O接口一般都具有光隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况能够直观的显示出来，以便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口以便于用户选用。I/O接口（模块）的主要类型有：开关量（数字量）输入、开关量输出和模拟量输入、模拟量输出等。其中模拟量I/O接口模块属于三菱公司PLC的特殊功能模块，如不特别说明，I/O接口是指开关量I/O接口。开关量输入是把现场各种开关信号转化为PLC能处理的标准二进制信号。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同分为三种类型：直流输入接口/交流输入接口。开关量输出是把PLC的内部信号转化为现场执行机构的各种开关信号，如指示灯的亮灭、电动机的汽艇和正反转、设备的转动、平移、升降和阀门的开闭。常用的开关量输出接口按其输出功率开关器件分为三种类型：继电气输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。模拟量输入在过程控制中的应用很广，如温度、压力、速度、流量、位移以及酸碱度等都是相对于电压电流的模拟量值，再通过一定运算（PID）后，控制生产过程达到一定的目的。模拟量输入电平大多是从传感器通过变换后得到的，输入信号为420mA、020mA、05V、010V、-5+5V、-10+10V等不同范围的信号。模拟量输入就是将模拟量信号（电压电流）转化为二进制数字信号，然后送到CPU模块进行数据处理和控制。模拟量输入框图如图2-3所示。模拟量输出是将PLC与运算后的数字信号转换成相应的模拟信号（420mA、020mA的电流输出信号或05V、010V、-5+5V、-10+10V的电压输出信号）输出，然后通过信号转化为外围设备需要的信号来控制外围设备，例如继电器、接触器、电动阀和伺服电机等，以满足生产过程现场连续信号的控制要求。模拟量输出框图如图2-4所示。4通信接口通信接口是PLC主机实现人机对话或机机对话的通道。PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与打印机、监视器、其他PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印。与监视器连接可将控制过程图像显示出来。与其他PLC连接，可组成多级系统或连成网络，实现更大规模的控制。与计算机连接， 内部电路 光电耦合隔离 A/D转换器 滤波图2-3 模拟量输入框图 D/A转换器 信号转换 光电 耦合隔离 内部电路 图2-4 模拟量输出框图可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程I/O系统也必须配备相应的通信结构模块。5. 电源PLC中的电源有些是与CPU模块（包括中央处理器CPU、电源和I/O接口）合而为一的，有些事分不开的。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。内部：开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供DC24V稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电，如三菱F1、F2、FX2和FX2N系列等。外部：可用一般工业电源，并备有锂电池（备用电池），使外部电源故障时内部重要数据不致丢失。6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。 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。二、 软件系统PLC仅有硬件系统是不行的，它还需要软件系统的支持，没有软件系统，PLC是什么事情都做不成的。在PLC的软件系统中，软件分为系统程序和用户程序两大部分。 运行管理 程序管理 生成用户元件 系统程序 用户指令解释程序 内部自检等 标准程序模块和系统调用 图2-5 系统程序结构1. 程序部分系统程序是每个PLC成品必须包含的部分，是由PLC的制造厂商提供，可由制造厂商编制，也可由软件制造厂商编制。它被固化在ROM或EPROM中，安装在PLC的系统程序存储器内，随产品提供给用户，主要用于控制PLC本身运行。系统主要分为以下几个部分，如图2-5所示。（1） 管理程序是监控程序中最重要的部分，管理整个PLC的运行。它的功能又分为进行时间分配的运行管理，用于PLC控制收入、输出、运算、自检及通信的时序；进行存储空间的分配管理，用于生成用户环境，规定各种参数、程序存放地址，将用户使用的数据存储地址转换为实际数据格式及物理存放地址等；进行系统自检，对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、监视系统时钟运行等。（2） 用户指令解释程序用于将用户通过各种编辑语言（梯形图、语句表等）编制的用户应用程序变成机器能执行的机器语言程序。（3） 标准程序模块和系统调用是由多个独立的程序块组成，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能，PLC的各种具体工作都由这部分程序完成。由于通过改进系统程序可以在不改变硬件系统的情况下大大改善PLC的性能，所以，制造厂商对系统程序的编制极其重视，其产品的系统程序也在不断升级和完善。2用户程序用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造厂商提供的编语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量逻辑运算控制程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。开关量逻辑控制程序是PLC用户程序中重要的一部分，一般采用梯形图、语句表或功能块图等编程语言编制。模拟量运算控制程序和闭环控制程序通常都是在大中型PLC上运行的程序，由用户根据控制要求按PLC供应商提供的软件和硬件功能进行编制。操作站系统应用程序是大型PLC系统通过通信网络联网后，由用户为进行信息交换和管理而编制的程序，包括各类画面显示和操作程序等，一般采用功能块或其他高级编程语言编制。PLC的编程和计算机编程一样，用户程序需要一个用户环境、用户程序结构、用户编程语言。(1) 用户环境用户环境是由监控程序生成的。它包括用户数据结构、用户存储器（元件区）分配等。(2) 用户程序结构。如图2-6所示。(3) 用户编辑语言。如2-7所示。 线性程序 把一个工程分为多个小的程序块，这些程序块依次放在一个主程序中用户程序 分块程序 各个程序块独立与主程序之外 结构化程序 具有相同功能的程序写成通用功能程序块图2-6 用户程序结构PLC编辑语言梯形图（LAD） 语句表（STL） 功能块图（FBD）画法是从左母线开始 由不同的指令组成 类似于电子线经过触电和线圈，终 格式：操作码+操作数 路的逻辑电路图于有母线 的一种编程语言 10000 10001 10100 LD 10000 10000 10100 （ ） AND 10001 OUT 10100 10001图2-7 用户编辑语言4. 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。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。2. 配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了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，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。多种多样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。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 3. 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC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，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。4. 系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造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，同时日常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而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合二、PLC的工作原理1. PLC的扫描工作方式及分时处理PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。RUN状态是执行应用程序的状态。STOP状态一般用于程序的编制、修改和下载。为了使PLC的输出能够及时地响应可能随时变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不停地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP状态，因此PLC采用的是周期循环扫描工作方式。在这两个不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不完全相同的，一个扫描周期可分为一下5个阶段：内部处理阶段、通信服务阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。1 内部处理阶段 CPU对PLC内部的硬件作故障检查，复位监控定时器等。2 通信服务阶段 是扫描周期的信息处理阶段，PLC与外围设备、编程器、网络设备等进行通信，CPU处理从通信端口接收到的信息。当PLC处于STOP状态时，只执行以上两个阶段的操作。当PLC处于RUN状态时，还要完成一下阶段。3 输入采样阶段 每次扫描周期开始时，先读取输入端子的当前值，然后写到输入映像寄存器中。在随后的用户执行程序的过程中，CPU访问输入映像寄存器，而并非读取寄存器的状态。4 程序执行阶段 用户程序执行阶段，PLC按照梯形图的顺序，自坐而右、自上而下地逐行扫描，在这一阶段中，CPU从用户程序的第一条指令开始执行直到最后一条指令结束，程序运行结果放入输出映像寄存器和其他软元件映像寄存器中。5 输出刷新阶段 每个扫描周期结束时，CPU先把存在输出映像寄存器中的数据写入输出锁存器中，再输出到数字量输出端子，以更新输出状态。然后PLC进入下一个循环周期，重新执行输入采样阶段，周而复始。2. I/O滞后时间I/O滞后时间又称为系统响应时间，是指从PLC外部输入信号发烧呢个变化的时刻起至由它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的间隔。这个时间由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触电动作时产生抖动引起的不良影响。滤波时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。输出模块的滞后时间与输出模块开关器件的类型有关。若是继电器型输出电路，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；双向晶闸管输出电路的滞后时间约为1ms。扫描工作方式引起的滞后时间，最长可达两个多扫描周期。3. PLC与继电器控制电路工作原理的差别PLC与继电器控制电路工作原理的差别，主要是下列几点。（1） 组成元件的差别 继电器控制电路由许多真正的硬件继电器组成而梯形图则由许多所谓“软继电器”及软元件或编程元件组成。（2） 触电数量的差别 硬继电器的触电数量有限，用于控制的继电器的触电数一般只有4-8对；而提醒途中每个软元件供编程使用的触电数在理论上有无限对。（3） 逻辑关系的差别 继电器控制电路图使用低压电器的接线表达逻辑控制关系的，PLC则主要使用梯形图来表达这种逻辑关系。（4） 运行时序的差别 在运行时序上，对于继电器控制电路来说，忽略电磁滞后及机械滞后，同一个继电器所有触电的总做和它的先驱通电或断电可认为是同时发生的。但在PLC中，由于程序的循环扫描，同一个器件的线圈工作和它的各个触电的动作并不同时发生。第三部分 PLC十字路口交通信号灯控制系统设计一、设计选题在十字路口的东西、南北主干道上装设红灯、绿左转、绿直行和黄灯，控制机动车辆和非机动车辆，并用数码管显示倒计时。其控制过程为：东西南北方向主干道的红灯一直处于点亮状态，提示主干道上左转通行时直行禁止通行，只有绿灯亮时该方向车辆方可通行。主干道到车辆通行时交通灯信号的变化规律为：南北方向绿灯亮40秒，黄灯亮5秒，左转绿灯亮20秒，然后绿灯黄灯全部熄灭红灯亮65秒，反之，为东西方向通行。当各条路上任意一条出现特殊情况，例如：急救车、消防车或其他需要优先通行的车辆时，各方向上均为红灯，当特殊运行状态结束后，控制器恢复原来运行状态。若某方向上的车流量较大而另一方向较少时，则用传感器测车流量的多少，从而控制红绿灯的变化，使其正常通行。该系统属于连续循环系统，要求系统启动后能够周期性的连续循环工作，故系统中设置两个输入信号分别控制系统的启动和停止。PLC选用三菱FX2N系列。二、系统流程图正常控制：系统受一个启动开关控制。当开关SB1启动后，系统开始工作，当开关SB2启动后，所有灯熄灭。系统工作时，南北红灯先点亮，同时东西绿灯点亮。南北红灯点亮持续65S，东西绿灯点亮40S后熄灭，东西黄灯闪烁5S（周期为1S），东西左转点亮20S，20S后东西左转绿灯熄灭,东西红灯点亮持续65S，南北绿灯点亮40S后熄灭，南北黄灯闪烁5S（周期为1S），南北左转点亮20S，20S后南北左转熄灭，开始第二周期的动作，周而复始的循环。正常时序流程图，如图3-1所示。异常时序：十字路口的交通异常状况现象是指正常交通信号灯控制可能与实际的交通运行状况不相符合。在现实生活中的交通状况可能是东西方向的车辆过多发生堵塞，而南北方向的车辆却很稀少，这时正常的交通信号灯时序控制将会使实际的交通状况恶化。为了解决这个问题，可以采用一种能够根据车流