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毕业设计(论文) 题 目：基于 PLC 的交通监控系统设计 学生姓名： xxx 学 号： 班 级： xxxxxxx 指导教师： xxxx 完成日期： 2011 年 10 月 10 信息处理与控制工程系信息处理与控制工程系 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计（论文） 题 目 基于 PLC 的交通监控系统设计 选题时间2011.930完成时间2011.10.10 论文（设计） 字数 18000 关键词PLC；交通控制；自动化；组态 设计（论文）题目的来源、理论和实际意义： 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。 交通信号灯的出现，是交通得以有效管制，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。随着中国加入 WTO，我们不但要在经济、文 化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。 本文选择西门子可编程控制器 S7-200 与组态王为核心，着重进行硬件接口 设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现了十字路口交通灯控制系统的自动化 设计（论文）的主要内容： 本文主要设计一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路，要求每 个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。每 个方向的绿黄灯的定时时间可以预设，一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红 灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯 的运行状态共有四种，分别为：东西方向绿灯亮、东西方向黄灯亮、南北方向绿 灯亮和南北方向黄灯亮。在东西方向绿灯和黄灯亮时，南北方向红灯亮，并且红 灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。 学生签字学生签字：吴钱民：吴钱民 指导教师签字指导教师签字： 系负责人签字系负责人签字： 年 月 日 成绩评定及评语成绩评定及评语 指导教师评语： 成绩： 指指导导教教师签师签字字: 年 月 日 答辩答辩 答辩意见： 答答辩组签辩组签名：名： 年 月 日 摘 要 城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输， 提高运营效率。交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建 立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。目前大多采用 的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。所以 经典控制法很难得到满意的效果。而模糊控制是一种无须建立数学模型的控制方 法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。近些年来 我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研 究，但因研究的局限性，实际中得到应用的寥寥无几，本文实现基于 PLC 的交通 信号的模糊控制系统。 根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用 PLC 实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口 4 相位交通灯为 例，把 PLC 作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。通过实验保证了系统运行稳 定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可 以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。 关键词:PLC,交通控制,自动化,组态 目 录 第一章第一章 绪绪 论论 .1 1.1 课题背景.1 1.2 研究目的和意义.1 1.3 本课题主要研究内容.3 第二章第二章 十字路口信号控制的基本理论和方法十字路口信号控制的基本理论和方法 .4 2.1 交通信号灯.4 2.2 信号灯的设置.4 2.3 交通信号的控制方式.5 2.4 城市道路智能交通信号控制系统.6 2.4.1 智能交通信号控制系统的基本组成.6 2.4.2 交通信号控制系统的主要术语和参数.6 2.4.3 智能交通信号控制的核心.8 2.4.4 智能交通信号控制系统的基本设计步骤.8 第三章第三章 PLC 的简介的简介 .9 3.1 PLC 的产生.9 3.2 PLC 的定义.9 3.3 PLC 的的发展历程.10 3.4 PLC 的特点.10 3.6 PLC 的系统组成.13 3.6.1 PLC 的结构.13 3.6.2 PLC 的各组成元素的构成及功能.14 3.7 PLC 的分类.15 第四章第四章 系统方案分析系统方案分析 .16 4.1 控制要求.16 4.2 系统设计方案分析.16 第五章第五章 系统程序设计系统程序设计 .19 5.1 硬件的设计.19 5.2 软件的设计.24 5.2.1 主程序流程图及时序图.24 5.2.2 模拟时序图.25 5.2.3 正常时序梯形图.26 5.2.4 急车强通情况.27 5.2.5 车流滞留情况红绿灯时间长度控制.28 5.2.6 车流量的计算.29 5.2.7 运行程序语句表.30 5.2.8 系统程序分析.32 5.3 本章小结.32 第六章第六章 系统检测与调试系统检测与调试 .34 结结 论论 .35 致致 谢谢 .36 参考文献参考文献 .37 兰州石化职业技术学院 第 1 页 第一章 绪 论 1.1 课题背景 1858 年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械 扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868 年， 英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世 界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示 “停止”，绿色表示“注意”。1869 年 1 月 2 日，煤气灯爆炸，使警察受伤， 遂被取消。1914 年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色 圆形的投光器组成，安装在纽约市 5 号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止” ，绿灯亮表示“通行”。 1918 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。 带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯； 另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿 灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马 路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通 事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，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。1968 年，联合国道路交通和道路标志信 号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可 以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都 必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁 行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号， 面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时 可以进入交叉路口。 1.2 研究目的和意义 在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安 全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通 灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制 系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。 传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查， 第一章 绪论 第 2 页 运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量 的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即 使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没 有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法 建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需 要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。 目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的 控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的， 采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象， 影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控 制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应 用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了 能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC 是必要的。 随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置 远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统集成自动 控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产 品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充 分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统 化设计，配置灵活、组态方便。 可编程控制器交通灯控制系统的特点： 脱机手动工作； 联机自动就地工作； 上机控制的单周期运行方式； 由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制； 自动启动、自动停机控制方式。 近年来 PLC 的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。 本系统采用 PLC 是基于以下四个原因： PLC 具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在 30 万小时以上； 编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现； 抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制 的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC； 根据交通信号灯系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司 S7-200 型 PLC。西门子 PLC 有小型化、高速度、高性能等特点，是 S7-200 系列中最高 兰州石化职业技术学院 第 3 页 档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输 入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统 所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字 路口交通控制灯实现控制。 1.3 本课题主要研究内容 按照城市交通控制的需要，本文讨论了用 PLC 实现正常时序、急车强通 2 种控制方式，通过传感器与 PLC 完成对交通异常状况（滞留或堵车）的判别及 处理。 正常时序控制对路面进行控制.南北方向红灯时,东西方向绿灯.绿灯闪 3 秒紧接着黄灯闪 2 秒,变红灯.南北方向红灯直接变绿灯.东西方向红灯时同理. 急车强通时,发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通. 急车强通信号受急车强通开关控制；无急车时，信号灯接正常时序控制；有急 车来时，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。 交通滞留的异常情况，在路口与路尾设置两个传感器进行检测车流量.交 通路段车流量繁忙时，传感器起到勘测车流量的存在与通过的作用。当一方车 流量过大的时候,PLC 要对控制这一路段的信号灯进行调控,让滞留或堵车的一 方绿灯时间加长,直到交通畅通为止这种工作的好处是避免了交通堵塞造成的不 必要的麻烦与事故,就、控制进行很方便,很便捷。 第二章 十字路口信号控制的基本理论和方法 第 4 页 第二章 十字路口信号控制的基本理论和方法 2.1 交通信号灯 在道路上用来传递具有法定意义指挥交通流通行或停止的光、声、手势等， 都是交通信号。交通信号是在空间上无法实现分离原则的地方，主要在平面交 叉口上，用来在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措施。交通信号灯 用轮流显示不同灯色来指挥交通的通行或停止。 随着信号灯的发展，各国使用的信号灯存在不同的差别，各自给信号灯赋 予不同的含义。我国目前使用的信号灯基本上与国际规定一致，具体含义如下: (l)绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆 和被放行的行人通行。 (2)黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人 行通道的行人，可以继续通行。 (3)红灯亮时，不准车辆、行人通行。 (4)绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。 (5)黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。 (6)右转弯车辆和 T 形交叉口右边无人行横道的直行车辆，遇黄灯或红灯 时，在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下可以通行。 2.2 信号灯的设置 当交叉路口的交通量接近路口的通行能力时，考虑在交叉路口设置交通信 号控制。信号灯设得合理、正确，能较充分地发挥道路的交通效益，如设置不 当，非但浪费了设备和资金，并且会对交通造成不良后果。如有些不合理信号 控制的路口，由于主要道路上驾驶员遇红灯而停车，但他在相当长的时间内并 未看到次要道路上有车通行，往往会引起有意或无意的闯红灯。因此，信号控 制交叉口的交通事故，多发生在交通量较低的交叉口上或交通量较低的时间内。 在吸取国外信号灯设置经验的基础上，结合我国目前具体的交通状况，路 口信号灯的设置与改进要运用交通工程学理论作指导，根据路口的地形特点、 车流状况，作好车辆与行人交通流量的调查，进口道上车辆行驶速度的调查， 兰州石化职业技术学院 第 5 页 交通事故及违章调查，车辆可穿越的空当及延误调查等，具体问题具体分析， 制定优化的信号配时，保证现代交通高效、节能、低公害运行。 交叉路口交通信号灯安装方式有两种，一种是安装在伸向交叉路口中央上 空型臂上;一种是安装在路口边或中央的灯柱上。 信号灯的排列方式通常分为两种: (1)水平排列式 从道路的中心线一侧起以红、黄、绿的顺序向路边排列。常用于路面较宽 的道路。 (2)垂直排列式 从上往下依次是红、黄、绿灯。这种方式常用于路面较窄的道路。按固定 方式排列信号灯有两个好处:一是把红灯信号放在最醒目的位置;二是可使患有 色盲的人凭借位置来判断信号的含义。在交叉路口中央上空安装信号灯时应符 合车辆通行净空高度界限的要求。信号灯的亮度应保证人们在 1O0m 以外能看清。 2.3 交通信号的控制方式 根据所采用的控制装置的不同，交通信号一般有三种控制方式： (1)周期式信号。这种信号的周期长、相位、绿灯时间、转换时间等都是 事先确定的。信号通过规定的周期运行，每个周期的周期长和相位都恒定不变。 依靠所提供的设备，可用几种预定配时方案，每一种都在一天规定的时间中交 替使用。 (2)半感应式信号。这种信号保证主干路总保持绿灯直到设在次干路上的 检测器探到有车辆到达。这时信号经过一个适当的转换间隔后，立刻为次干路 显示绿灯，该绿灯就维持到次干路上的车辆全部通过路口或持续到预定的最大 绿灯时间为止。在绿波信号系统中，分配给次干路的绿灯时间必须限制在预定 的时间内。该系统的周期长和绿灯时间可根据需要随时进行调整。当次干路没 有车辆时，主干路总是保持绿灯，事实上分配到次干路的绿灯时间可充分利用， 所有“多余的”绿灯时间则都分配给主干路。 (3)全感应式信号。该信号的所有相位全由传动检测器来控制。一般每个 相位都要规定最小与最大绿灯时间。这种控制方式的周期长度和绿灯时间可根 据需要作很大的变动。周期中的某些相位是可以任意选择使用的，当检测器未 测出交通量时，该时刻的相位可自动取消。 目前，许多信号系统都实现了计算机控制，使用计算机系统控制的地理交 第二章 十字路口信号控制的基本理论和方法 第 6 页 叉口，其信号一般采用预定周期式控制。有些城市还部分地实现了交替信号的 线或面的联动控制，在这样的系统中，计算机充当了主控机和监视器的角色。 此时，信号的联动不仅对提高单个信号交叉口的通行能力和服务水平有很大作 用，而且还对提高整条道路或整个路网的通行能力发挥着极其重要的作用。 2.4 城市道路智能交通信号控制系统 智能交通信号控制系统是城市道路交通管理系统中对交叉路口、行人过街， 以及环路出入口采用信号控制的子系统。主要包括交通工程设计、车辆信息采 集、数据传输与处理、控制模型算法与仿真分析、优化控制信号调整交通流等。 国内外各大中城市己有的交通信号控制系统就是根据不同环境条件，基于各自 城市道路的规划和发展水平建立起来的。 2.4.1 智能交通信号控制系统的基本组成 智能交通信号控制系统的基本组成是：主控中心、路口交通信号控制机以 及数据传输设备。其中主控中心包括操作平台、交互式数据库、效益指标优化 模型、数据(图像)分析处理等。 图 2-1 城市道路智能交通信号控制系统框图 2.4.2 交通信号控制系统的主要术语和参数 1)周期 周期是指信号灯色发生变化，显示一个循环所需的时间，也称周期长，即 兰州石化职业技术学院 第 7 页 红、黄、绿灯时间之和。它是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数， 用 C 表示。一般信号灯的最短周期长度不少于 36 秒，否则就不能保证几个方向 的车辆顺利通过交叉口。最长周期长度一般不超过 120 秒。 从疏散交通的角度讲，显然当交通需求越大时，周期应越长，否则一个周 期内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉口，就会发生堵塞现象。 2)相位 相位：即信号相位，是指在周期时间内按需求人为设定的，同时取得通行 权的一个或几个交通流的序列组。 3)相位差 相位差:具有相同周期长的相关路口，在同方向上的两个相关相位的启动 时间差，称为相位差。从某一车流方向来看，为使车辆在交叉口处不受阻而流 畅通过，与其使相关联信号同时显示同一灯色(特别是绿灯开始时间)，不如使 绿灯开始时间错开一些。这里称时间对“错开”为相位差。把干线上某一路口 作为基准路口，其他各路口的协调相位起始时刻滞后于基准路口的协调相位起 始时刻的最小时间差，称为绝对相位差;车辆行使方向任意相邻路口的协调相位 起始时刻的最小时间差，称为相对相位差。通常用时距图表示信号配时与距离 的关系。 图 2-2 时距图 以第 1 个交叉口的信号为基准，则图中的 Al、A2、A3 分别为交叉口 2、3、4 的信号的绝对相位差。要确定路口信号间的相对相位差，则需要先确 定车辆的行驶方向。当车辆由路口 1 沿道路驶向路口 4 时，Bl 是路口 2 信号和 路口 1 信号的相对相位差;B2 是路口 3 信号和路口 2 信号的相对相位差;当车辆 由路口 4 沿道路驶向路口 1 时，B3 是路口 3 信号和路口 4 信号当相对相位差; B4 是路口 2 信号和路口 3 信号的相对相位差。由时距图可以看出，BZ 和 B4 均 表示路口 2 信号和路口 3 信号之间的相对相位差，只是因选定行车方向不同而 第二章 十字路口信号控制的基本理论和方法 第 8 页 具有不同的数值。两者之和等于一个周期的长度。 4) 饱和流量 饱和流量:是衡量路口交通流施放能力的重要参数，通常是指一个绿灯时 间内的连续通过路口的最大车流量。 5) 绿灯间隔时间 绿灯间隔时间:是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行 权的相位绿灯开始所用的时间。 6) 有效绿灯时间 有效绿灯时间:是指被有效利用的实际车辆通行时间。它等于绿灯时间与 黄灯时间之和减去头车启动的损失时间。 2.4.3 智能交通信号控制的核心 智能交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内 的信号控制策略的管理平台，体现着交通管理者的控制思想，它包括信号控制 系统将起到的作用和地位。目前，国内外已应用的信号控制系统大多是以优化 定周期方案、优化路口绿信号配比以及协调相关路口通行能力为基础的，是根 据历史数据和自动检测到的车流量信息，通过设置的控制模型算法选取适当的 信号配比控制方案，是被动的控制策略。随着网络技术的发展，交互式控制策 略使信号控制由感控到诱导实现了真正的智能，交通信号控制系统不仅可以检 测到车流量等交通信息参数，调控路口绿信号配比，变化交通限行、禁行等指 路标志，还可以根据系统联接的数据库完成与交通参与者之间的信息交换，向 交通参与者显示道路交通信息、停车场信息，提供给交通参与者合理的行驶线 路，以达到均衡道路交通负荷的主动的控制策略。尤其重要的是计算机网络技 术和数字化使数据传输和信息利用得到了可靠保证。可以说，城市道路智能交 通信号控制系统是城市道路交通管理随着信息产业技术迅猛发展的综合产物。 2.4.4 智能交通信号控制系统的基本设计步骤 根据路口交通现状和预测进行交通渠化设计分析原始交通流数据，通过仿 真模型效验，确定控制模式，进行交通参数设定根据交通渠化设计及控制模式 的设计要求完成交通工程设计(包括车辆检测器的检测区定位)根据各个路口配 备设备的相关性，完成协调设计确定系统和单点控制的优化目标函数，得出最 优信号控制方案配置路口信号控制机的固化基础参量，配置主控中心数据库与 数据传输设置。 兰州石化职业技术学院 第 9 页 第三章 PLC 的简介 3.1 PLC 的产生 20 世纪 20 年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的 逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家熟悉的传统的 继电器控制系统。由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，能满足大部分场合电 气顺序逻辑控制的要求，因而在工业控制领域中一直占据主导地位。但是继电接 触器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性差、动作速度慢、功能弱。 难于实现较复杂的控制；特别是由于它是靠硬连接线逻辑构成的系统，接线复杂 烦琐，当生产工艺或对需要改变时，原有的接线和控制柜就要更换，所以通用性 和灵活性较差。 到 20 世纪 60 年代，由于小型计算机的出现和大规模生产的发展，人们曾试 图用小型计算机来实现工业控制的要求；但由于价格高，输入、输出电路信号及 容量不匹配、编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。 1969 年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）对新的汽车 流水线控制系统提出的具体要求，研制开发出世界上第一台可编程序控制器，并 在 GM 公司汽车生产线上应用成功。这是世界上第一台可编程序控制器，型号为 PDP-14。人们把它称做可编程序控制器（PLC，Programmable Logic Controller）,简称 PLC。 随着微电子技术的发展，20 世纪 70 年代中期出现了微处理器和微型计算机， 人们将微机技术应用到 PLC 中，使得它更多地发挥计算机的功能，不仅用逻辑编 程取代了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，使其真正成为一 种电子计算机工业控制设备。 3.2 PLC 的定义 PLC 一直在飞速发展中，因此到现在为止，还未能对其下一个十分确切的定 义。国际电工委员会（IEC）曾于 1982 年 11 月颁发了可编程序控制器标准草案 第三章 PLC 的简介 第 10 页 第一稿，1985 年 1 月发表了第二稿，1987 年 2 月颁布了第三稿。终稿中对可编 程控制器的定义是： Programmable Logic Controller 简称为 PLC，即可编程控制器，是指以计 算机技术为基础的新型工业控制装置。“可编程序控制器是一种数字运算操作的 电子系统，专为工业环境而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储 逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模 拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程；而有关的外围设备，都应 按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。 3.3 PLC 的的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作， 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上， 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公 司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电 路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一 代可编程序控制器，称 Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器 的功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（PLC）， 现在，仍常常将 PLC 简称 PC。 PLC 的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对 PLC 的定义是：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。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持 为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和 网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在 过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统. 3.4 PLC 的特点 兰州石化职业技术学院 第 11 页 1) 高可靠性、抗干扰能力强 所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路 之间电气上隔离。 各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms. 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 采用性能优良的开关电源。 对采用的器件进行严格的筛选。 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU 立即采用 有效措施，以防止故障扩大。 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统,使可 靠性更进一步提高 2) 丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或 电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设 备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直 接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业 局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 3) 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。 4) 系统的设计、工作量小、维护方便、容易改造 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。 5) 体积小、重量轻、能耗低 以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm ，重量小于 150g 耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想设备。 第三章 PLC 的简介 第 12 页 6) 抗干扰能力强，可靠性高 在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数 字滤波等抗干扰和故障诊断措施，采用信息保护和恢复技术，实时报警和运 行信息显示等。所有这些使 PLC 具有较高的抗干扰能力。PLC 采用微电子技术， 大量的开关动作由无触点的电子存储器来完成，所以 PLC 控制系统的可靠性大大提 高。 7）控制系统结构简单，通用性强 PLC 及扩展模块的品种多，可灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。 PLC 控制系统实质性的好处是当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只 需要对程序进行简单的修改，对硬件部分稍作改动即可，所以说 PLC 控制系统的 通用性强。 8）编程方便，易于使用 PLC 是面向底层用户的智能控制器，其编程语言采用了和传统控制系统中电 气原理类似的梯形图语言，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计 算机知识语言，只要具有一定的电气和工艺知识的人员都可以在短时间学会。 3.5 PLC 的应用 初期的 PLC 主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但在 20 世纪 90 年代后，PLC 也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总 线控制系统，PLC 更是其中的主角，起应用面越来越广。PLC 被广泛使用，起主 要原因是： 价格越来越低，由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得 PLC 的 本下降； 功能越来越强，随着计算机、芯片、软件、控制等技术的飞速发展也使得 PLC 的功能大大增强。它不仅能更好地完成原来得心应手的顺序逻辑控制任务， 也能处理大量的模拟量，解决复杂的计算和通信联网问。 与时俱进的发展，在当前最热的现场总线控制系统中，主站和几乎都有 PLC 的身影，PLC 的通信技术又往前发展了一大步。现在开放式、标准化的 PLC 也已 走到前台，为适应现在和未来自动化技术的发展要求做好了准备。 目前，世界上有 200 多厂家生产 300 多品种 PLC 产品，应用在汽车、粮食加 工、化学/制药、金属/矿山、纸浆/造纸等行业。PLC 的主要应用范围通常可分成 兰州石化职业技术学院 第 13 页 以下几种： 1 中小型单机电气控制系统：这是 PLC 应用最广泛的领域，例如塑料机械、 印刷机械、包装机械、组合机车、磨床、电镀流水线及电梯控制等。这些设备对 控制系统的要求大都属于逻辑顺序控制，所以这也是最适合 PLC 的使用领域。在 这里 PLC 用来取代传统的继电器顺序控制，应用于单机控制、多机群控等。 2 制造业自动化：制造业是典型的工业类型之一，在该领域主要对物体进行 品质处理、形状加工、组装，以位置、形状、力、速度等机械量和逻辑控制为主。 由于 PLC 性能的提高和通信功能的增强，使得它在制造业领域中的大型控制系统 中也占绝对主导的地位 3 运动控制：为适应高精度的位置控制，现在的 PLC 制造商为用户提供了功 能完善的运动控制功能。现在工业自动化领域基于 PLC 的运动控制系统和其他的 控制手段相比，功能更强、装置体积更小、价格更低、速度更快、操作更方便。 4 流程工业自动化：流程工业是工业类型中的重要分支，如电力、石油、化 工、造纸等，其特点是对物体（气体、液体为主）进行连续加工。过程控制系统 中以压力、流量、温度、物位等参数进行自动调节为主，大部分场合还有防爆要 求。 3.6 PLC 的系统组成 3.6.1 PLC 的结构 PLC 的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小 异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要 部分组成。PLC 的硬件系统结构如下图所示： 图 1-1 输 入 模 块 CPU 模块 输 出 模 块 可编程序控制器 编程装置 接触器 电磁阀 指示灯 电源 电源 限位开关 选择开关 按钮 第三章 PLC 的简介 第 14 页 3.6.2 PLC 的各组成元素的构成及功能 CPU 的构成及功能：CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，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，CPU 单元还 包括外围芯片、总线接口及有关电路。每套 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，从用户程序存储器中逐条 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。 I/O 模块：PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。 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。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相 反。I/O 种类有开关量输