基于PLC的交通灯控制

I 摘 要 随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者 关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是 用于城市交通数据监测、交通信号系统，它是现代城市交通监控重要的组成部分。 随着城市机动车量的不断增加，自 80 年代后期,许多大城市如北京、上海、南 京等出现了交通超负荷运行的情况。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利 用好城市高速道路，缓解交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门 亟待解决的主要问题。传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现，结 构复杂，可靠性低，故障率高,较难实现功能的变更。而可编程控制器(PLC)以微处 理器为核心，具有可靠性高，控制功能强，使用灵活方便等优点。特别是由 PLC 实 现的控制系统，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进 行程序设计，结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，可方便地设置定时时间， 编程容易，功能扩展方便，修改灵活等，并且有完善的自诊断和显示功能，维修工 作极为简单。根据交通灯的设计要求需要有 2 个输入端和 46 个输出端并且需要消耗 流量为 200mA，在设计中选用主机 CPU226，由于 CPU226 有 16 个输出端口不够设计 所需，又使用了 5 个 8 输出端口电流流量为 50mA 的 EM222 扩展模块。最终实现交通 灯的设计要求。 关键词：CPU226，七段数码管，继电器，功能指令，交通灯 I 目 录 摘 要 .II 1 PLC 的概述.1 1.1 PLC 的定义 .1 1.2 PLC 的基本结构 .1 1.3 PLC 的特点 .2 1.4 PLC 工作方式 .3 2 硬件设计 .6 2.1 硬件设计步骤.6 2.2 主机 CPU 及扩展模块选择.6 2.3 I/O 端口分配 .7 2.4 硬件设计框图.8 2.5 接线图：.9 3. 软件设计 .10 3.1 软件设计思路.10 3.2 功能指令介绍.10 3.3 梯形图.12 结 论 .25 致 谢 .26 参考文献 .27 附录 .28 1 1 PLC 的概述 1.11.1 PLCPLC 的定义的定义 PLC(可编程控制器)是以微机技术为核心的通用工业控制装置，它将传统的继电器 接触器控制技术与计算机技术和通信技术融于一体，具有功能强大、环境适应性 好、编程简单、使用方便等优点。 1.21.2 PLCPLC 的基本结构的基本结构 可编程序控制器主机的硬件电路由 CPU、存储器、基本 I/O 接口电路、外设接口、 电源等五部分组成 （1）中央处理器 CPU 是可编程序控制器的控制中心，在系统监控下工作，承担将外部输入信号的状 态写入输入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。CPU 常用的微处理 器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机等。小型 PLC 的 CPU 多采用单片机或专 用 CPU；大型 PKC 的 CPU 多采用位片式结构，具有高速数据处理能力。 （2）存储器 可编程序控制器的存储器由只读存储器 ROM 和随机存储器 RAM 两大部分构成。只 读存储器 ROM 用以存放系统程序；中间运算数据和用户程序存在随机存储器 RAM 中， 断电时，中间运算数据和用户程序保存在只读存储器 EEPROM 或由高能电池支持的 RAM 中。 （3）基本 I/O 接口电路 1.输入接口单元 PLC 内部输入电路的作用是将 PLC 外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供 的符合 PLC 输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至 PLC 内部电路。输入电路通 常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在 0.1s15ms 之 间。多数 PLC 的输入接口单元都相同，通常有两种类型。一种是直流输入；另一种是 交流输入。 2.输出接口单元 2 PLC 输出电路用来将 CPU 运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载 （电磁铁、继电器、接触器线圈等） 。PLC 输出电路结构形式分为继电式、晶体管式和 晶闸管输出型三种。 3.公共端点 通常将一组 PLC 输入/输出电路公共端与 PLC 内部连在一起，以减少 PLC 外部接线。 比如 PLC 一般以 3、4 个输出接点为一组，在 PLC 内部连成一个输出公共端，公共端点 之间是绝缘隔离的。分组后，不同组的负载可以采用不同的驱动电源。 (4) 接口电路 PLC 接口电路分为 I/O 扩展接口电路和外设通信接口电路两大类。 1、I/O 扩展接口电路 I/O 扩展电路用于连接 I/O 扩展单元，可以用来扩充开关量 I/O 点数和增加模拟量 的 I/O 端子。I/O 扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。 2、外设通信接口电路 外设通信接口电路用于连接手持编程器、其他图形编程器和文本显示器等，并能 组成 PLC 的控制网络。PLC 通过 PC/PPI 电缆或使用 MPI 卡同通过 RS-485 接口与电缆和 计算机连接可以实现编程、监控、联网等功能。 (5) 电源 PLC 内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为 PLC 内部电 路需要的工作电源（5V 直流） 。当输入端子为非干接点（无源接点）结构时，为外部输 入元件提供 24V 直流电源（仅供输入端子使用） 。 1.31.3 PLCPLC 的特点的特点 （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。从 PLC 的机外电路来说，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 3 自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 （2）配套齐全，功能完善，适用性强 PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小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，现代 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。近年来 PLC 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 作为通用工业控制计算机，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，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为 不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方 便之门。 (4) 系统的设计、建造工作量小，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 程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 (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，功耗 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控制设备。 1.41.4 PLCPLC 工作方式工作方式 PLC 虽然以微处理器为核心，具有微型计算机的许多特点，但它的工作方式却与微 型计算机有很大的不同，微型计算机一般采用等待命令或中断的工作方式，如常见的 键盘扫描方式或 I/O 扫描方式，当有键按下或 I/O 动作，则转入相应的子程序或中断 服务程序，无键按下，则继续扫描等待。PLC 采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描， 不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。当 PLC 运行时，CPU 根据用户按控 制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从 第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。然后重新返回第一条指令， 4 再开始下一次扫描；如此周而复始。实际上，PLC 扫描工作除了执行用户程序外，还要 完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执 行五个阶段。如图 1.1 所示。 图 1.1 PLC 工作扫描图 （1）自诊断 每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容包括 I/O 部分、 存储器、CPU 等，并通过 CPU 设置定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，如果发 现异常，则停机并显示出错。若自诊断正常，则继续向下扫描。 （2）通讯服务 PLC 检查是否有与编程器、计算机等的通讯要求，若有则进行相应处理。 （3）输入处理 PLC 在输入刷新阶段，首先以扫描方式按顺序从输入存储器中写入所有输入端子的 状态或数据，并将其存入内存中为其专门开辟的暂存区输入状态映像区中，这一 过程称为输入采样，随后关闭输入端口，进入程序执行阶段，即使输入端有变化，输 入映像区的内容也不会改变。变化的输入信号的状态只能在下一个扫描周期的输入刷 新阶段被读入。 （4）输出处理 5 同输入状态映像区一样，PLC 内存中也有一块专门的区域称为输出状态映像区。当 程序的所有指令执行完毕，输出状态映像区中所有输出继电器的状态就在 CPU 的控制 下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定的输出方式输出，推动外部的相应执行 器件工作，这就是 PLC 输出刷新阶段。 (5) 程序执行 PLC 在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行每条指令。从输入状态映像区读出 输入信号的状态，经过相应的运算处理等，将结果写入输出状态映像区。通常将自诊 断和通讯服务合称为监视服务。输入刷新和输出刷新称为 I/O 刷新。可以看出，PLC 在 一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入采样阶段进行，对输出赋的值也只有 在输出刷新阶段才能被送出，而在程序执行阶段输入、输出会被封锁。这种方式称做 集中采样、集中输出。 6 2 硬件设计 2.12.1 硬件设计步骤硬件设计步骤 根据可编程控制器设计交通灯硬件部分的设计步骤，本设计的硬件设计步骤如下 所示： （1）PLC 的选型； （2）输入、输出点的估算； （3）主机型号的选择； （4）模块的扩展及 I/O 编址； （5）输入、输出端子的分配； （6）画出 I/O 接线图。 2.22.2 主机主机 CPUCPU 及扩展模块选择及扩展模块选择 根据设计要求，有开始按钮和停止按钮 2 个输入端及 46 个输出端的需要，由主机 类型表 2.1，设计中主机选用了为 CPU226。CPU226 的输入输出点比较多，共有 I0.0-2.7 共 24 个输入, Q0.0-Q1.7 共 16 个输出点。CPU226 的 24 个输入点可以满足本设计中 2 个输入点的需求，但是 16 个输出点不能满足本设计 46 个输出点的需求，因此需要扩 展 5 个 EM222 扩展模块，Q2.0-Q2.6，Q3.0-Q3.6，Q4.0-Q4.7，Q5.0-Q5.7，Q6.0 和 Q6.1 共 32 个输出端口。 表 2.1 主机类型表 型号主机输入点数主机输出点数可扩展模块数最大扩展电流 /mA CPU22164 无 0 CPU222862340 CPU22414107660 CPU226241671000 根据本设计输出端口及电流流量的需求，可选扩展模块如表 2.2 ，经比较后在设 计中选用了 5 个 8 输出端口 电流为 50mA 的 EM222 扩展模块。 7 表 2.2 扩展模块表 分类型号I/O 规格功能及用途 EM221 DI8*直流 24V8 路数字量 24V 直流 输入 DO8*直流 24V8 路数字量 24V 直流 输出（固态 MOSFET） EM222 DO8*继电器8 路数字量继电器输 出 DI4/DO4*直流 24V4 路数字量 24V 直流 输入、输出（固态） DI4/DO4*直流 24V 继 电器 4 路数字量 24V 直流 输入 4 路数字量继电器输 出 DI8/DO8*直流 24V8 路数字量 24V 直流 输入、输出（固态） DI8/DO8*直流 24V 继 电器 8 路数字量 24V 直流 输入 8 路数字量继电器输 出 DI16/DO16*直流 24V16 路数字量 24V 直 流输入、输出（固态） 数字量扩展模块 EM223 DI16/DO16*直流 24V 继电器 16 路数字量 24V 直 流输入 16 路数字量继电器 输出 8 2.32.3 I/OI/O 端口分配端口分配 输入端口： I0.0 接启动按钮，I0.2 接停止按钮。 输出端口分配如表 2.3 和表 2.4 表 2.3 七段数码管输出端口分配表 东西向南北向 Q0.0Q0.6 七段数码管（个位） Q2.0Q2.6 七段数码管（个位） Q1.0Q1.6 七段数码管（十位） Q3.0Q3.6 七段数码管（十位） 表 2.4 交通灯输出端口分配表 东西向南北向方向 颜色 红灯 Q4.0Q4.3Q4.6Q5.1Q5.4Q5.7 绿灯 Q4.1Q4.4Q4.7Q5.2Q5.5Q6.0 黄灯 Q4.2Q4.5Q5.0Q5.3Q5.6Q6.1 2.42.4 硬件设计框图硬件设计框图 9 图 2.1 硬件设计框图 2.52.5 接线图：接线图： 根据设计要求所需 4 个七段数码管和 18 个指示灯，在东西和南北方向的指示灯各 有三组，左转、右转、直行。而且每组指示灯都有红、绿、黄三种颜色。而数码管有 共阴和共阳两种接法，见附录，而我在本设计中选用的是共阴极接法。接线图如图 2.2 所示。 10 a b c d e f g dp a b c d e f g dp a b c d e f g dp a b c d e f g dp CPU 226 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q1.6 Q1.5 Q1.4 Q1.3 Q1.2 Q1.1 Q1.0 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 Q3.6 E EM M2 22 22 2E EM M2 22 22 2 E EM M2 22 22 2 E EM M2 22 22 2 E EM M2 22 22 2 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 Q4.6 Q4.7 Q5.0 Q5.1 Q5.2 Q5.3 Q5.4 Q5.5 Q5.6 Q5.7 Q6.0 Q6.1 Q6.2 Q6.3 东西方向左转红灯 东西方向左转绿灯 东西方向左转黄灯 东西方向直行黄灯 东西方向直行绿灯 东西方向直行红灯 东西方向右转红灯 东西方向右转绿灯 东西方向右转黄灯 南北方向左转红灯 南北方向左转绿灯 南北方向左转黄灯 南北方向直行红灯 南北方向直行绿灯 南北方向直行黄灯 南北方向右转红灯 南北方向右转绿灯 南北方向右转黄灯 24V COM COM COM COM 1L 1M 24V I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 启动按钮 停止按钮 Q6.4 Q6.5 Q6.6 Q6.7 S S7 7- -2 20 00 0 东西方向个位 东西方向十位 南北方向十位 南北方向个位 GND 图 2.2 接线图 10 3 3 软件设计软件设计 3.13.1 软件设计思路软件设计思路 设计编程中有三种方法，如下： （1） 基本指令法； （2） 顺序控制法； （3）功能指令法。 在这三种方法中，最简单易懂的就是第（1）种 即基本指令法，此设计我 采用基本指令法来编写交通指示灯的程序，在这种方法中，最重要的就是要先将结 果预置于中间继电器线圈中，从而利用中间继电器的常开触点来达到自己的控制要 求，在控制灯的时候，我们只需要将中间继电器的线圈并上定时器便可以实现定一 定的时间，从而使交通灯的发光二极管亮、熄不同的时间，而在倒计显示中，用功 能指令实现数码管在不同阶段所要显示的数字，终实现交通灯的设计。 3.2 功能指令介绍功能指令介绍 在设计中我所使用的功能指令有数据转换指令、七段显示译码指令、字节与字 整数之间的转换、TON 定时器、循环右移指令、 减计数器（CTD）具体如下。 图 3.1 BCD 码转换指令 （1）数据转换指令 功能指令图如图 3.1 所示，此指令作用是当使能输入有效时，将整数输入数据 IN 转换成 BCD 码类型，并将结果送到 OUT 输出。 11 图 3.2 七段显示译码指令 （2）七段显示译码指令 功能指令图如图 3.2 所示，此指令作用是当使能输入有效时，将字节型输入数 据 IN 的低四位有效数字产生相应的七段显示码，并将其输出到 OUT 指定的单元。 图 3.3 字节与字整数转换指令 （3）字节与字整数之间的转换 功能指令图如图 3.3 所示，此指令作用当使能输入有效时，将字整数输入数据 IN 转换成字节类型，并将结果送到 OUT 输出。 图 3.4 通电延时型定时器 （4）TON 定时器 功能指令图如图 3.4 所示，此指令作用 IN 端为输入端，用于连接驱动定时器线 圈的信号；PT 端为设定端，用于标定定时器的设定值。当连接于 IN 端的触点闭合 时，定时器开始计时，当前值逐渐增长；当累积时间达到设定值 PT 时，定时器的状 态被置 1（线圈得电） ，动合触点闭合，当连接于 IN 端的触点断开时，状态置 0（线 圈失电） 。 图 3.5 循环右移指令 （5）循环右移指令 12 功能指令图如图 3.5 所示，此指令作用当使能输入有效时，字节、字、或双字 节 IN 数据循环右移 N 个位后，将其结果输出到 OUT 所指定的存储单元中，并将最后 一次移出位送 SM1.1。 图 3