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机械毕业设计全套

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JD01-009@PLC控制的十字路口交通灯,机械毕业设计全套

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目 录引言11 交通灯控制系统概述21.1 智能交通灯系统的发展背景21.1.1英国TRANSYT路面交通控制系统21.1.2澳大利亚SCAT路面控制系统21.1.3英国SCOOT路面控制系统21.1.4日本城市路面控制系统31.2 交通控制存在的问题31.3 本课题的主要研究内容42 PLC功能介绍42.1 PLC的基本概念和基本结构42.1.1 PLC的基本概念42.1.2 PLC的基本结构42.2 PLC的特点和应用领域62.2.1 PLC的特点62.2.2 PLC的应用领域72.3 PLC的工作原理72.3.1输入采样阶段82.3.2.用户程序执行阶段82.3.3.输出刷新阶段82.4 PLC的性能指标和软件系统92.4.1 PLC的性能指标92.4.2 PLC的软件系统92.5 PLC编程语言102.5.1梯形图102.5.2语句表102.6 PLC基本编程指令122.6.1输入输出指令（LD/LDI/OUT）122.6.3电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）132.6.4程序结束指令（END）142.7 PLC控制系统设计概要142.7.1设计的基本原则和内容142.7.2设计的步骤和实现过程153 交通灯控制系统设计153.1 PLC型号的选定以及可行性分析153.1.1FX2N-64MR控制器主要性能指标163.2 设计思路163.3 模拟十字路口交通灯规则设计实物模型设计183.3.1控制要求184 控制系统程序设计244.1 PLC程序流程图设计244.2 PLC程序实现244.2.1 梯形图程序（状态步进形式的梯形图）264.2.2 指令表（梯形图对应的指令语句）405 总结475.1 设计总结475.2 检测和调试475.2.1硬件调试475.2.2软件调试48谢 辞49参考文献50第 51 页 共 50 页 引言据一项对美国主要城市交通状况的调查显示：1982年至2000年，美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达680亿美元。以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时12公里。用这个目标速度代入欧美标准计算，广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值：每年耗费1.5亿小时，减少生产总值117亿元。相当于该市整个生产总值的7%。在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达35%-40%，而北京只有20%。缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。据悉，到2010年，北京将投资500亿元用于城市道路建设，到2005年，北京仅高速公路通车里程就达到600公里。但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵修路再拥堵”的怪圈。当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。本设计介绍了一个智能交通灯系统的设计。该智能交通灯控制系统可以实现的功能有：对某市区的四个主要交通路口进行监控；各路口有固定的工作周期，并且在道路拥挤时中控中心能改变其周期；对路口违章的机动车能够即时拍照，并提取车牌号。在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题，也是当今计算机应用中空前活跃的领域。本文主要从单片机的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理，用以控制过往车辆的正常运作。交通信号灯的出现，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。为了实现交通道路的管理，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，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯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。可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛的应用在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器（Programmable Logic Controller）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。1 交通灯控制系统概述1.1 智能交通灯系统的发展背景1.1.1英国TRANSYT路面交通控制系统 英国道路研究所花费了十几年的时间，在大量的实验和经验的基础之上，研制出了TRANSYT路面交通控制系统。被全球400多个车市广泛采用，可以说TRANSYT系统的成功是显而易见的。TRANSYT内部通过有线来经行通信。采用静态模式来控制交通信号灯，这种控制方案中通过数学模型来控制绿信比和相位差。但是这种交通控制系统还是存在一定的缺陷，例如它无法优化周期，而且想要获得最优的整体分配方案是相当困难的。如果想要经行离线优化，必须采用大量的路网几何和交通数据流。1.1.2澳大利亚SCAT路面控制系统 70年代末期，澳大利亚开发了SCAT路面控制系统 。SCAT采用分层递阶的计算机形式，这是一种较为先进的计算机网络控制技术。SCAT通过有线来通信。在地区联机，在中央即采用联机也采用脱机模式。在控制的过程中，SCAT会预先设定几个参数，在对路面情况经行分析的基础之上，根据实际的情况来选定具体采用那个数据。计算机结构好改变，控制方案好变换，而SCAT系统充分的利用了计算机的这些优点。但是，由于SCAT对于硬件的要求高，这也就限制了它的移植能力，以及信息的无即时反馈性。1.1.3英国SCOOT路面控制系统 在TRANSYT系统改进和改良的基础之上，通过8年的研究，英国道路交通研究所又设计出了一款自适应的SCOOT路面控制系统，其全名为动态交通控制系统。由于采用动态的交通控制方式，其性能各个方面都要优于以静态为核心的路面交通控制系统。这种交通控制方式同样被许多国家大量的采用。 SCOOT路面控制系统以有线的方式进行通信。通过联机的方式来控制各个路口的交通信号灯，这与传统的控制方式来比，其效率大大提高。但是SCOOT路面控制系统依然有他的缺点，其一它的相位一旦确定之后就不能自动的增减了，其二他对于固定的路口只有固定的相序，其三它的安装困难度也过高。1.1.4日本城市路面控制系统日本设计的路面控制系统有交通控制中心和VICS中心，交通控制中心主要在东京等地区运营，它极具代表意义，在控制一般城市路面交通的同时有着显著的高效性。通过收集，处理和发布交通信息，控制中心不仅可以对交通信号进行控制还可以进行信息交流等。通过对超声波、雷达、红外检测器、直升机、摄像机等信息收集系统收集来的信息进行分析，该控制系统可以利用后台许许多多的计算机网络进行高速的运算，通过这种流量分析以及提前的预定方案的选择，可以实时的指挥路面各个交通灯路口的红绿灯情况。在指挥的同时，他还会以各种方式将车流量、堵塞情况等信息通过各种方式向社会发布。 1.2 交通控制存在的问题我国城市交通运输的现状和存在的问题，借鉴国外城市交通管理的先进经验，强调建立城市交通管理体制的重要性，提出加强城市交通研究的交通规划，建立稳定的交通基础设施建设的资金出道，实行公交优先政策，建立先进的交通信息系统等对策。随着城市机动车增长速度的加快。1994年卧轨城市机动车保有量已接近500完辆。20世纪90年代以来，经济的发展加快，从1985年到1995年，机动车增长率达13%左右，近几年更是增多。然而，在此同时，城市道路建设规模也在加大，我国城市普遍存在道路密度，道路面积率偏低的问题，这是我国城市哟其是大城市有机的一个重要原因。我国城市道路的密度只有6.8km每平方千米，而在20世纪80年代，世界发达国家就已到达20km每平方千米。20世纪90年代，我国部分城市道路面积率，北京为5.9%，上海为6.4%，而国外东京为13.8%，巴黎为25%，普遍高于我国。近几年，国家虽加大城市道路建设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度，且与世界其他国家相比，差距仍很大。出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意，虽然车辆和线路长度增长，但运营速度成了瓶颈，新增的运力被运输效率低下所抵消。交通管理方面水平还欠发展，随着交通需求越来越旺盛，而我国城市中小交通管理和交通安全的现代化设施却做得不足。在车辆，道路和交通管理系统，城市交通信号控制系统，城市交通管制中应用人工智能技术，信息采集和信息提供技术等方面都与发达国家有很大差距。近几年，虽然有部分城市研究和引进一些国外先进的交通信号管理系统，但是由于交通管理设施不足等原因，我国交通事故率居高不下。城市车流行驶速度逐年下降，目前不少城市交通运量年年增长，但运输速度普遍下降，这都源于交通通行不佳。1.3 本课题的主要研究内容此次设计的主要内容是在传统的交通灯基础之上，通过PLC进行编程，设计出一款能够根据车流量的变化来智能化调整交通灯读秒时间的交通灯控制系统。要实现预期目的的初期设想是在十字路口东西南北各个方向上安装光电计数器，以此来统计各个路口的车流量，再将数据输入计算机中央控制系统对数据经行分析，根据预先设定的参数，智能化的判断各个交通路口的拥堵情况，从而通过PLC控制系统来适当的调整红绿灯的读秒时间。并且在此基础之上，若交通灯路口遇到特殊车辆或者紧急情况，该系统也能切换到人工控制模式，实现强通控制，从而保证路面交通的正常运行。此系统不仅成本低，维护方便，而且能在最大程度上缓解交通压力，节约交通资源。 2 PLC功能介绍2.1 PLC的基本概念和基本结构2.1.1 PLC的基本概念可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，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（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。2.1.2 PLC的基本结构（1）中央处理器（CPU）CPU是PLC的核心部件，CPU模块在PLC中相当于大脑和心脏，是整个PLC控制系统的神经中枢。它的主要功能如下：1）接受和储存用户程序和数据2）扫描现场设备的数据和状态，存入数据区3）检测和诊断电源，PLC内部电路工作状态和程序中的语法错误4）从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后，去开启或关闭相关控制电路，完成相关的逻辑运算和算术运算。5）根据数据处理的结果，刷新相关标识位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。PLC中采用的CPU一般有三大类：通用处理器、单片机芯片和微处理器。其中小中型PLC一般采用微处理器或单片机，而大型的PLC大多采用高速位片式处理器。档次越高，PLC的位次也越多，运行的速度越快，功能也会更强大。（2）存储器存储器一般分两种：系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。常用的存储器类型有CMOS RAM、EPROM、EEPROM.由于系统程序用来管理PLC系统，用户不能直接存储，因此PLC产品中所说的存储类型及其容量，是指用户程序存储器而言。PLC中所配用的用户存储器的容量大小有较大差别，小型的在8K以下，大型的可以达到256K.（3）输入输出（I/O）模块输入模块和输出模块简称I/O模块，他是联系外部设备和CPU模块的桥梁。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。输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来送出PLC运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。PLC有多重I/O模块，常见的有数字I/O模块、模拟量I/O模块、快速响应模块，高速计数模块和PID控制模块等。（4）电源PLC配有开关式稳压电源，用来将外部供电电源转换成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专门的外部电源部件，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。为防止PLC内部重要数据的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。（5）编程器编程器用来生成用户程序，一般分为手持式编程器和图形编程器。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型的PLC编程，或者用与现场调试和维护。图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可联机编程，又可脱机编程，操作方便、功能强。现在，很多PLC都可以用计算机作为编程工具，在计算机上直接生成和编辑梯形图或指令表，并可以实现其转换。最重要的是这种程序可以存盘或者打印，也可通过网络远程传送。图2.1 硬件结构框图2.2 PLC的特点和应用领域2.2.1 PLC的特点（1）编程方法简单易学。PLC采用一种面向控制过程、面向问题的梯形图语言。梯形图和继电器原理图相似，易学易懂，一般工程师或者工艺人员都可以在短时间内学会。（2）功能完善、适应性强。PLC产品已经标准化、系列化、模块化，具有逻辑运算、计时、计数、A/D转化、网络通信和生产监控等功能。若工艺条件发生改变，修改相应的用户程序既可满足要求。（3）安装、设计、调试的工作量少。大量中间继电器、时间继电器、计数器的使用使得安装、设计、接线的工作大大减少。并且PLC具有完善的自诊断和显示功能，故障率很低。（4）可靠性高、抗干扰能力强。由于采用微电子技术和大量的无触点半导体电路来控制开关动作，其可靠性比使用机械触电的继电器高很多。PLC的输入输出部分采用了光电隔离，有效的隔离了PLC内部的电路和输入、输出间的电关系。有效避免了干扰信号引起的误操作。并且PLC还具有防治空间电磁干扰的功能。（5）体积小、重量轻、功率低、性价比高。大量的使用半导体大规模集成电路，这个产品的结构紧凑、体积小、重量轻、功率低。与相同功能的继电器系统相比，PLC具有很高的性价比，可以实现非常复杂的控制功能。2.2.2 PLC的应用领域（1）开关量的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量与过程控制。在工业生产过程当中，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。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制等。（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，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制.过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。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。可以进行数学运算、数据传输、转换、排序、查表等一系列操作，也可以通过通信设备传输到别的设备。（6）通信联网。通过双绞线或者同轴电缆等可实现PLC与PLC之间或者PLC与计算机之间的信息交换。易于建立工厂的自动化办公网络。2.3 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：2.3.1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。2.3.2.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。2.3.3.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。图2.2描述了信号从输入端子到输出端子的传递过程。图2.2 PLC工作原理图 转下页.2.4 PLC的性能指标和软件系统2.4.1 PLC的性能指标（1）编程语言及指令功能.。PLC常用的编程语言有梯形图、语言表、流程图等。对于特定厂家生产的PLC，其编程语言不同，若PLC可用多种语言编程，则其可移植性较好。PLC的指令条数和综合性指标能够反映出该PLC的功能强弱。（2）I/O点数。I/O点数是指系统所能接入和输出的总的最大数量。通常用I/O点总数表示I/O开关量，而用I/O通道数表示模拟量。（3）用户程序储存容量。用户程序储存容量是指存放用户程序的储存器的容量，用字节K表示。对于一般的逻辑操作指令，一条指令占一个字节，而对于计时、计数和位移等则要占用两个字节，数据操作通常要占用24个字节。（4）扫描速度。指执行1024条基本指令用时。（5）内部寄存器的配置与容量。辅助继电器、计时器、计数器、移位寄存器、特殊继电器等都叫做内部寄存器。这些内部寄存器可用于存放各种数据，内部寄存器的大小与多少直接影响用户编程的灵活与方便。（6）其他的功能。例如输入与输出方式、特殊功能模块、自诊断功能、通信联网功能、高数计数、远程I/O能力和监控功能等。2.4.2 PLC的软件系统PLC的硬件系统和软件系统是相辅相成的，就像一个人的骨骼和血肉一样。骨骼是支撑整个身躯的硬性指标，没有骨骼其他的就无从说起，而血肉也是一个人正常活动所必须的。PLC的软件系统分为系统程序和用户程序。（1）系统程序系统程序是由PLC生产厂家提供，并且固化在EPROM中，用户不能直接读取。系统程序由管理程序、编译程序、标准程序三个部分组成。管理程序用于对PLC输入、输出、运算等操作的时间顺序的管理，规定数据和程序的存放地址。编译程序则是把程序语言翻译成机器语言的程序。标准模块程序由多个独立的程序模块组成，每个程序模块完成一种独立的功能。根据要完成不同的共组来选择不同的功能模块。（2）用户程序用户程序是指根据不同的工作要求，用户用PLC程序语言编制的应用程序，以实现各种控制要求。小型的PLC很简单，整个程序不用分段，按顺序编制。但是大型的PLC的用户程序很复杂。为了简化用户编程的难度，可以把用户程序划分为程序模块，通过模块的组合来组成一个大的完整的用户程序。用户程序的模块：1） 组织模块。用于控制主程序的运行方式及个组织模块的组织关系。2）程序模块。按电气控制的要求，把不同的控制内容划分为程序段。3） 功能模块。用来描述特定功能的程序模块。它的使用使得PLC超出了传统的顺序逻辑、计时、计数等功能。4）步进模块。用于步进顺序操作。5）数据模块。可用来存放数据，可以是固定的数据或者是可变的数据，类似于寄存器。2.5 PLC编程语言 采用面向控制过程，面向问题，简单直观的plc编写程序语言，常用的有：梯形图，语句表，功能图。2.5.1梯形图由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但梯形图编程语言功能更强更方便。主要特点：(1) 自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，起使左母线；(2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器”;(3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源；(4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。2.5.2语句表又叫指令表，类似计算机汇编语言形式，用指令的记助符编程。例：下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例：图2.3 梯形图例它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END指令，用已结束程序。梯形图与助记符的对应关系：助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序，上图的助记符程序如下所示。 表21 助记符程序 转下页.2.6 PLC基本编程指令2.6.1输入输出指令（LD/LDI/OUT） 下面把LD/LDI/OUT三条指令的功能、梯形图表示形式、操作元件以列表的形式加以说明：符号功能梯形图表示操作元件LD（取）常开触点与母线相连X，Y，M，T，C,SLDI（取反）常闭触点与母线相连X，Y，M，T，C,SOUT（输出）线圈驱动Y，M，T，C，S,F表22输入输出指令LD与LDI指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。OUT指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。转下页.2.6.2触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI） 表23触点串并连指令符号（名称）功能梯形图表示操作元件AND（与）常开触点串联连接X，Y，M，T，C,SANDI（与非）常闭触点串联连接X，Y，M，T，C,SOR（或）常开触点并联连接X，Y，M，T，C，SORI（或非）常闭触点并联连接X，Y，M，T，C，SAND、ANDI指令用于一个触点的串联，但串联触点的数量不限，这两个指令可连续使用。OR、ORI是用于一个触点的并联连接指令。2.6.3电路块的并联和串联指令（ORB、ANB） 表24电路块的并联和串联指令符号（名称）功能梯形图表示操作元件ORB（块或）电路块并联连接 无 ANB（块与）电路块串联连接无含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块”，串联电路块并联连接时，支路的起点以LD或LDNOT指令开始，而支路的终点要用ORB指令。ORB指令是一种独立指令，其后不带操作元件号，因此，ORB指令不表示触点，可以看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块并联连接，应在每个并联电路块之后使用一个ORB指令，用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制；也可将所有要并联的电路块依次写出，然后在这些电路块的末尾集中写出ORB的指令，但这时ORB指令最多使用7次。2.6.4程序结束指令（END） 表25程序结束指令符号（名称）功能梯形图表示操作元件（END） 程序结束指令 无在程序结束处写上END指令，PLC只执行第一步至END之间的程序，并立即输出处理。若不写END指令，PLC将以用户存贮器的第一步执行到最后一步，因此，使用END指令可缩短扫描周期。另外。在调试程序时，可以将END指令插在各程序段之后，分段检查各程序段的动作，确认无误后，再依次删去插入的END指令。2.7 PLC控制系统设计概要2.7.1设计的基本原则和内容我们在学习了PLC的大量相关知识后，要能够把其运用在实际设计当中。当然，要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统，需要丰富的专业知识和实际的工作经验。那么，我们首先来看一下PLC控制系统的设计原则和内容。(1)PLC控制系统设计的基本原则1)最大限度地满足被控对象的控制要求；2)保证控制系统的高可靠、安全；3)满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便；4)选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。(2)PLC控制系统设计的基本内容1)选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象；2)分配I/O，设计电气接线图，考虑安全措施；(3)选择适合系统的PLC；(4)设计程序；(5)调试程序，一个是模拟调试，一个是联机调试；(6)设计控制柜，编写系统交付使用的技术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。(7)验收、交付使用。2.7.2设计的步骤和实现过程(1)PLC控制系统设计的一般步骤1)对于复杂的控制系统，最好绘制编程流程图，相当于设计思路；2)设计梯形图；3)程序输入PLC模拟调试，修改，直到满足要求为止；4)现场施工完毕后进行联机调试，直至可靠地满足控制要求；5)编写技术文件；6)交付使用。(2)我们在设计流程图时，也要遵循以下过程：1)分析生产工艺过程；2)根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，分配I/O；3)选择PLC；4)设计PLC接线图以及电气施工图；5)程序设计和控制柜接线施工。3 交通灯控制系统设计3.1 PLC型号的选定以及可行性分析在对PLC控制系统进行硬件结构设计时，首先，要了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；其次，要分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；再次，要确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等。根据上述原则，我们要选择适合的PLC机型及外设，完成相应的PLC硬件结构配置。因此，PLC的选型是设计中至关重要的一步。目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种可达数百个，其性能各有特点。所以，在设计时首先要尽可能考虑采用便于学习、掌握、维护方便、备品配件通用性强的PLC。我国市场上流行的PLC产品有以下几家：德国西门子(Siemens)公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；美国罗克韦尔(Rockwell)公司所属的AB(Allen&Bradly)公司的产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品；GE-Fanuc公司的产品；法国施耐德(Schneider)公司的产品；日本三菱的FX2N系列PLC具有继电器属于接点开关型，输出信号可以控制各种高低压信号，可以直接通过PLC输出来驱动灯负载，驱动单相马达，而不再需要借助外部继电器中转，因为本身就是继电器型的。3.1.1FX2N-64MR控制器主要性能指标本次设计的交通信号灯控制系统的主要任务和内容集中在程序编写和梯形图的绘制，由于在本设计中用到了大量的开关量、继电器、计数器以及计时器等。并且，在目前相关领域的控制设计中，日本三菱公司产品的应用比较广泛。另外从经济性，扩展性，容量以及I/O模块来考虑，三菱FX2N都比较合适。综上所述，我们采用的是三菱公司的FX2N系列的FX2N-64MR控制器，它的主要性能指标如下：（1） 内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K（2） CPU运算处理速度0.08S/基本指令（3） 在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块（4） 基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能(晶体管输出型）端子排型高性能标准机型。（5） 以高速、强大的基本性能，适用于一般逻辑控制以及其他广泛用途（6） 控制规模可达64点,采用继电器方式可达输入32点/输出32点3.2 设计思路 设计一个十字路口交通灯控制电路，根据设定好的周期时间能够指挥车辆在十字路口完成左转和直行交替运行。往南和往北的信号一致，即红灯（绿灯或黄灯）同时亮或同时熄灭。用两个数码管来显示被点亮的指示灯还将点亮多久。往东和往西方向的信号一致，其工作方式与南北方向一样，也采用两个数码管来倒计时。当南北方向为绿灯和黄灯时，东西向的红灯点亮禁止通行；而东西方向为绿灯和黄灯时，南北向的红灯点亮禁止通行。程序开始运行先南北段通行、东西段禁止75s，后东西段通行、南北段禁止75s，依此循环。首先南北直行方向通行25秒（绿灯亮15秒，绿灯闪5秒，黄灯亮5秒）、其他方向禁止通行（亮红灯）；具体过程是南北直行绿灯亮15秒，同时数码管显示南北直行方向正常通行时间（倒计时15秒）；15秒计时完毕后，南北直行绿灯开始闪烁（闪烁频率为1Hz），闪烁持续时间为5秒，同时数码管显示南北直行方向5秒加速通行时间（倒计时5秒）；绿灯闪烁5秒后，南北直行黄灯点亮，维持时间是5秒，同时数码管显示南北直行方向5秒黄灯通行时间（倒计时5秒）。其次南北左行方向通行25秒（绿灯亮15秒，绿灯闪5秒，黄灯亮5秒）、其他方向禁止通行（亮红灯）；具体过程是南北左行绿灯亮15秒，同时数码管显示南北左行方向正常通行时间（倒计时15秒）；15秒计时完毕后，南北左行绿灯开始闪烁（闪烁频率为1Hz），闪烁持续时间为5秒，同时数码管显示南北左行方向5秒加速通行时间（倒计时5秒）；绿灯闪烁5秒后，南北左行黄灯点亮，维持时间是5秒，同时数码管显示南北左行方向5秒黄灯通行时间（倒计时5秒）。然后东西直行方向通行25秒（绿灯亮15秒，绿灯闪5秒，黄灯亮5秒）、其他方向禁止通行（亮红灯）；具体过程是东西直行绿灯亮15秒，同时数码管显示东西直行方向正常通行时间（倒计时15秒）；15秒计时完毕后，东西直行绿灯开始闪烁（闪烁频率为1Hz），闪烁持续时间为5秒，同时数码管显示东西直行方向5秒加速通行时间（倒计时5秒）；绿灯闪烁5秒后，东西直行黄灯点亮，维持时间是5秒，同时数码管显示东西直行方向5秒黄灯通行时间（倒计时5秒）。最后东西左行方向通行25秒（绿灯亮15秒，绿灯闪5秒，黄灯亮5秒）、其他方向禁止通行（亮红灯）；具体过程是东西左行绿灯亮15秒，同时数码管显示东西左行方向正常通行时间（倒计时15秒）；15秒计时完毕后，东西左行绿灯开始闪烁（闪烁频率为1Hz），闪烁持续时间为5秒，同时数码管显示东西左行方向5秒加速通行时间（倒计时5秒）；绿灯闪烁5秒后，东西左行黄灯点亮，维持时间是5秒，同时数码管显示东西左行方向5秒黄灯通行时间（倒计时5秒）。至此，一个循环完成，重新南北直行方向通行25秒，开始新的一个循环。下图3.1南北直行通行,图3.2南北左拐通行，图3.3东西直行通行，图3.4东西左拐通行，所示为其对应红绿灯规则的状态图。 图3.2 状态S2南北左拐通行图3.1 状态S1南北直行通行 转下页. 图3.3 状态S3东西直行通行图3.4 状态S4东西左拐通行基本转换共四种状态，分别设定为如上图的S1、S2、S3、S4四状态，交通灯以这四种状态为一个周期，循环执行如下图3.5所示。图3.5 交通灯状态循环图3.3 模拟十字路口交通灯规则设计实物模型设计3.3.1控制要求(1)信号灯由一个按钮控制其启动，一个按钮控制其停止; (2)信号灯分为南北双向直行红黄绿指示灯和双向左转弯红黄绿指示灯，共12个指示灯 ，东西双向直行红黄绿指示灯和双向左转弯红黄绿指示灯，共12个指示灯，交通灯时序表如表31所示(3)倒计时采用两位数码管静态显示南北直行倒计时；表31交通灯时序表南北直行信号 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 红灯亮 时间 15秒5秒5秒75秒南北左行信号 红灯亮 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 红灯亮 时间 25秒 15秒5秒5秒50秒东西直行 信号 红灯亮 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 红灯亮时间 50秒15秒5秒5秒25秒东西左行信号 红灯亮 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 时间 75秒 15秒5秒5秒 转下页. 3.3.2硬件设计(1）I/O地址的分配如下图3.6所示图3.6 I/O地址分配图图中SB1和SB2分别为交通灯启动按钮和停止按钮，HL1HL24分别为南北直行、南北左行、东西直行及东西左行绿黄红指示灯，LED1和LED2分别为倒计时显示高位和低位数码管。具体功能及其I/O分配如下表32所示： 转下页.表32 指示灯功能表外部元件PLC输入输出元件PLC元件别名功能描述SB1X0启动按扭SB2X1停止按扭HL1Y0SNFG南-北直行绿灯HL2Y0SNFG北-南直行绿灯HL3Y1SNFY南-北直行黄灯HL4Y1SNFY北-南直行黄灯HL5Y2SNFR南-北直行红灯HL6Y2SNFR北-南直行红灯HL7Y3SNLG南-北左转绿灯HL8Y3SNLG北-南左转绿灯HL9Y4SNLY南-北左转黄灯HL10Y4SNLY北-南左转黄灯HL11Y5SNLR南-北左转红灯HL12Y5SNLR北-南左转红灯HL13Y6EWFG东-西直行绿灯HL14Y6EWFG西-东直行绿灯HL15Y7EWFY东-西直行黄灯HL16Y7EWFY西-东直行黄灯HL17Y10EWFR东-西直行红灯HL18Y10EWFR西-东直行红灯HL19Y11EWLG东-西左转绿灯HL20Y11EWLG西-东左转绿灯HL21Y12EWLY东-西左转黄灯HL22Y12EWLY西-东左转黄灯HL23Y13EWLR东-西左转红灯HL24Y13EWLR西-东左转红灯LED1Y20Y26倒计时高位数码管LED2Y30Y36倒计时低位数码管 (2）交通灯实物模型原理图交通灯原理图如下图所示分为两部分原理图3.7为信号灯与PLC的连接电路图，原理图3.8为电源，开始，停止控制按扭，倒计时显示与PLC连接电路图。转下页.图3.7 交通指示灯电路图图3.8 控制按键和倒计时显示电路 4 控制系统程序设计4.1 PLC程序流程图设计该程序采用 SFC（Sequential Function Chart）方式设计，程序设计流程图如图4.1所示： 图4.1 PLC程序流程图4.2 PLC程序实现交通灯PLC程序采用SFC方式设计，状态和状态跳转逻辑设计如图4.2所示：图4.2 PLC程序流程图4.2.1 梯形图程序（状态步进形式的梯形图） 4.2.2 指令表（梯形图对应的指令语句） 5 总结5.1 设计总结硬件电路设计方面，为了形象模拟实际十字路口交通灯布局，设计将24个指示灯布局呈圆形；还有针对PLC接线特点，设计选择弹片式卡线接线座作为交通灯模型电路的接线端子，使其与PLC的接线方便快捷。PLC交通灯模型PCB电路板采用热转印的方式手工制版做成，在制作工程中，遇到诸多问题比如由于经验缺乏，导致PCB线路图的油墨转印不全，造成多次返工；还有腐板时腐蚀液的调配不适当，电路板腐蚀困难；要使用不同大小的钻头来钻出合适的插装孔。在实践了制版的全部过程后，我熟悉了PCB手工制版的基本流程。电路硬件焊接调试过程中，LED指示灯是24V电源供电，并采用10K的限流电阻，绿灯亮度非常低，影响观察，后面调整为5K的限流电阻，亮度适中，易于交通状态的观察和辨别。5.2 检测和调试设计完成之后，检测和调试是PLC实验的重要部分，大体思路流程如下：5.2.1硬件调试硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。（1)静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。 第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。 第二步：用万用表测试。先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象。 第三步：加电检测。给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值。第四步：是联机检查。因为只有用可编程控制器开发系统才能完成对用户系统的调试。 （2)动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。 由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该元件无关的 器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。由分到合的调试既告完成。 由近及远是将信号流经的各器件按照距离可编程控制器的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。5.2.2软件调试软件调试是通过对拥护