基于plc的交通灯智能化设计

毕业设计（论文）任务书学院（直属系）电子信息工程学院时间2012年4月25日学生姓名指导教师设计（论文）题目基于PLC的交通灯智能化设计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。研究方法1软件原理图设计2硬件模拟主要技术指标或研究目标当遇到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,对交通的控制进行很方便,很便捷。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字年月日说明一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111引言112课题研究的背景和意义113现代城市交通灯控制现状114本课题主要研究内容2第二章PLC的原理、特点及应用321概述322PLC的特点423PLC的主要功能624PLC的分类825PLC的结构926PLC的工作原理1127PLC的汇编语言1229PLC的应用17第三章交通灯控制电路的设计1931三菱FX2NPLC1932PLC正常时序2033I/O分配地址2234控制要求2335设计方案2436运行程序语句表3737运行效果39总结40参考文献41致谢42摘要可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的应用更加突出。城市交通灯控制采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本文用三菱FX2N的可编程控制器控制十字路口信号灯来说明可编程控制器硬件、软件的设计。解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。但现在有的交通信号灯控制系统都是单一的固定时序控制，不能够根据实际交通状况进行调节控制。三菱系列的可编程序控制器和传感技术来实现对交通灯的智能信号控制。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。关键词PLC（可编程序控制器）；三菱FX2N；传感器探测；交通灯。ABSTRACTTHEVARIABLEPROCEDURECONTROLLERISININDUSTRYAUTOMATETHEPOSITIONISEXTREMELYIMPORTANT,EXTENSIVEAPPLICATIONINEACHPROFESSIONALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,THEFUNCTIONOFTHEPROGRAMMABLECONTROLLERISINCREASINGLYPERFECT,PLUSSMALLSCALEDTURN,THEPRICEISLOW,THECREDIBILITYISHIGH,THEAPPLICATIONTHATISINMODERNINDUSTRYISMOREOUTSTANDINGTHECITYTRANSPORTATIONLIGHTCONTROLADOPTSPROGRAMMABLETOMAKETHETOOLCONTAINHIGHCREDIBILITY,THEMAINTENANCECONVENIENCE,THEMETHODOFUSINGISSIMPLE,THEINGENERALUSESTRONGETCCHARACTERISTICS,THISTEXTUSESTHEDESIGNTHATTHEPROGRAMMABLECONTROLLEROFTHEMITSUBISHIFX2NCONTROLINTERSECTIONSCONVEYANCELIGHTEXPLAINSTHEPROGRAMMABLECONTROLLERHARDWARESOFTWARERESOLVETHEGOODHIGHWAYTRANSPORTATIONLIGHTCONTROLPROBLEMWILLISGUARANTEETHETRANSPORTATIONCONTAINPREFACE,SAFETY,FASTMOVEMENTOFIMPORTANTLINKBUTTHETRANSPORTATIONSIGNALBEACONCONTROLSYSTEMSHAVENOWAREALLTHESINGLEANDFIXEDCYCLETIMESCONTROLS,CANTCARRYONREGULATINGTHECONTROLACCORDINGTOTHEACTUALTRANSPORTATIONCONDITIONENOUGHTHEPROGRAMMABLEPREFACECONTROLLEROFTHEMITSUBISHISERIESANDSPREADTHEFEELINGTECHNIQUETOCARRYOUTTHEINTELLIGENCESIGNALCONTROLTOWARDTHETRANSPORTATIONLIGHTCANUSEASFOLLOWSTHEPROJECTCONTROLSTHETRANSPORTATIONSITUATIONONROADTHECREATIONSPREADSTHEFEELINGMACHINETOPROBEINTOTHEVEHICLEQUANTITYTHEHOUROFCONTROLTHETRANSPORTATIONLIGHTISLONGINASPECIFICWAYANDASFOLLOWSTHEATGOTHEINTOTHEUNDERGROUNDOFTHEEACHTHEDIRECTIONNEIGHBORHOODTHEOFTHESTREETCORNERTHETOLAYTHETORESPONDTHECOILTHEACCORDINGTOTHETREQUEST,THEBETHEAUTOMOBILETOTHEPASSBYTHEWILLPRODUCETHETOFLOWTHETOEXHAUST,THEWREATHTHEFORMINSULATESTHEELECTRICITYTHEFEELINGOFTHEELECTRICTHEWIRETOSTARTREDUCE,CANIMMEDIATELYEXAMINEPASSOFANAUTOMOBILE,ANDCONVERTTHISSIGNALCONTROLIMPORTATIONTHATISTHEPROGRAMMABLECONTROLLERFORTHESTANDARDPULSESIGNAL,COUNTERACTTHEPLCTOCOUNT,LONGBYTHEHOURTHATTHECERTAINCONTROLREGULATIONREGULATESTHETRAFFICLIGHTSAUTOMATICALLYKEYWORDSPLCPROGRAMMABLELOGICALCONTROLLERTRAPEZOIDDIAGRAMINSTRUCTIONINPROPERORDERFUNCTIONDIAGRAMTRANSPORTATIONLIGHT第一章绪论11引言十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行，实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善，也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。可编程序控制器PLC）是一种新型的通用的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,是专能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。因此，本文介绍了三菱公司的PLC产品来实现交通灯的自动控制。12课题研究的背景和意义随着我国经济的飞速发展，城市人口越来越多，居民出行次数和机动车拥有量不断增加，城市道路拥挤、车流量不均衡等问题日趋严重。人们经常会为道路拥挤、交通秩序混乱、出行时间过长等城市交通问题倍感苦恼，例如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。因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫，如何才能保持城市交通的安全便捷、高效畅通和绿色环保，已成为政府政策规划的一个重点问题。通过对十字路口交通灯控制系统的设计与制作，使我们进一步巩固和加深了对所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识掌握。同时也培养自身综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，更使我们受到了PLC系统开发的综合训练，从而能够使我们进行PLC系统设计和实施，并且掌握典型自动控制系统的工作原理和设计思路。更重要的是，通过对十字路口交通灯系统的每个环节的实际制作，锻炼了自身的刻苦钻研、勇于探索、实事求是、善于与他人合作的工作作风，这为我们将来的上岗实习做好了充分的准备。13现代城市交通灯控制现状随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高澎路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通状况的制约。所以，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高速道路，缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。由于PLC十字路口交通灯控制系统比原来的继电器接触器控制系统更加的稳定、效率更高，而且减少了很多的外部继电器和接触器的使用，具有更高的可靠性和安全性，控制效果更加明显，很好的弥补了原有控制系统的不足，更有效的解决现有的十字路口的交通控制方面所面临的交通拥挤，车流量不均衡，出行时间过长等问题。因此，我们利用PLC控制系统来控制十字路口交通灯，使十字路口交通的管理更科学化，更有条理，也使交通更加的便捷畅通。14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,对交通的控制进行很方便,很便捷。第二章PLC的原理、特点及应用21概述可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因此在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。可编程控制器是一种存储器控制器，支持控制系统工作的程序存放在存储器中利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高。它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它的内部存储器可以执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技COMPUTERCONTROLCOMMUNICATION相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大可编程控制器PROGRAMMABLELOGICALCONTROLLER简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司DEC为美国通用公司GM研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子SIEMENS公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍1982年美国PLC用户中，有48来自自动程序操作部门如汽车、拖拉机工业、机械工业等、13来自石油化工业、9来自食品饮料业、7来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门。近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。22PLC的特点中央处理单元（CPU）是PLC控制部件，一般由控制电路，运算器，寄存器等组成，通过地址及数据总线与存储器，I/O接口电路连接，它主要完成从存储器中读取指令并执行，然后再取下一条指令，处理中断等任务。存储器是具有记忆功能的半导体电路，PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。其中，系统程序是PLC制造厂家编写的控制和完成各种功能的程序，他们一般被固化到只读存储器（RAM）中，允许修改，并用户启动运行。输入/输出借口电路用来连接PLC主机与外部设备。为了提高抗干扰能力，一般的输入，输出接口均有光电隔离装置，最常用的是由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。我们所用的OMRONCPM1A系列PLC的输入/输出接口电路图如下图所示位置纠偏信号触摸屏适配器故障检测PLCCPMIA30DA001伺服驱动器离合器C/B左右电机记数信号校正归位信号纸箱位置信号主传送装置主变频器从变频器从传送装置伺服机3M3M图21OMRONCPM1A系列PLC的输入输出接口电路图由于输入及输出的升年时秒度即可能是数字能量，又有可能是开关量或者模拟量，所以，选择接口部件时要考虑接口处的信号的性质。电源部件用来将用来将外部供电电源转换成供PLC的各部分电子电路工作所需的直流电源，是PLC能正常工作。由于PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此它对外部电源的要求并不高，直流24V供电的机型，允许电压为1632V。交流供电的机型，允许电压为85264V，频率为4753HZ，一般情况下，PLC还为用户提供24V直流电源作为输入电源或负载电源。可编程控制器是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、记数和算术运算等功能。用来对各种机械或生产过程进行控制。自1969年第一台可控编程控制器问世以来，目前可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。PLC所以被广泛应用，是由它的突出特点和优点的性能分不开的，为了满足工业生产对工业控制设备安全可靠的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触电的的半导体电路来完成，PLC选用的电子器件一般是工业机，有的甚至是军用机，平均无故障时间很长。PLC具有良好的环境适应性，可用于十分恶劣的工业现场。再电源瞬间断电的情况下仍可以正常工作，具有很强的的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值高达1000V、脉宽10US的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗震能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高，在环境温度2065度、相对湿度为3585情况下仍可正常工作。可编程控制器能如此迅速的发展的原因是由于它具有通用计算机所不具备的特点1、可靠性可编程控制器采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如冗余设计、掉电保护设计、故障诊断、和信息保护和恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高。可编程序控制器是为了工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用的计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了简化的编程语言，变成出错率大大降低。在可编程控制器的软件方面，也采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用软件过滤；软件自诊断；简化编程语言；信息保护和恢复。报警和运行信息的显示等。2、易操作性着重体现在它的操作方便、编程方便、维护方便。3、灵活性编程的灵活性。编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图、和语句表。这种编程的灵活性是继电器顺序控制所不能比拟的，正是由于编程的柔性特点，再柔性制造单元FMC、柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS和计算机集成流程工业系统CIPS，可编程控制系统成为主要的控制设备。4、扩展的灵活性它不仅可通过增加输入输出卡件增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统DCS或其他上位机的通信来扩展功能，并与外部设备进行交换等。23PLC的主要功能PLC的外部设备中，最重要的就是编程器，它用来对用户程序进行写入，检查，修改和调试，也可以在线监视PLC的运行，它经过编程器接口与CPU联系，完成人机对话。目前，有很多PLC都可以利用微型计算机作为编程工具，这时应配上相应的编程软件及接口，由于微机的强大功能，使PLC的编程和调试更为方便。功能说明1、逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC设置有“与”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等逻辑指令，根据外部现场（开关、按钮或其它传感器）的状态，根据指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、电机等）。因此，PLC可代替继电器进行开关控制，完成接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。另外，在PLC中一个逻辑位的状态可以无限次的使用，逻辑关系的修改和变更也十分方便。2、定时控制功能定时控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。程序执行时，PLC将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时或延时控制，以满足生产工艺的要求。3、计数控制功能计数控制功能是PLC的基本功能之一。PLC为用户提供了许多计数器，计数器记到某一个数时，产生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中进行修改。程序执行时，PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个计数过程的计数控制。4、步进控制功能PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻辑信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自动进行下一道工序。有些PLC还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用都极为方便。5、数据处理功能PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联、实现程序、数据的显示的打印。6、回路控制功能有些PLC具有A/D、D/A转换功能，可以方便的完成对模拟量的控制和调节。7、通讯联网功能有些PLC采用通讯技术，实现远程I/O控制、多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通讯等。8、监控功能PLC设置了较强的监控功能，利用编程器或监视器，操作人员对PLC有关部分的运行状态进行监视。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调试和维护提供了极大的方便。9、停电记忆功能PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（如备用电池等），以保证存储器中信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。10、故障诊断功能PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。PLC的故障自诊断功能大大提高了PLC控制系统的安全性和可维护性。24PLC的分类可编程序控制器的分类PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此，PLC的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、控制规模、实现的功能进行大致的分类。1、按结构形式分类PLC按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。整体式PLC外观上是一个长方形箱体，又称为箱式PLC。组合式PLC在硬件构成上具有一定的灵活性，其规模可以像拼积木一样的进行组合，构成具有不同控制规模和功能的PLC，因此这种PLC又称为积木式PLC。整体式PLC整体式PLC的CPU、存储器、输入输出安装在同一机体内，这种结构的特点是结构简单，体积小，价格低；输入输出路数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。组合式PLC组合式PLC为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。PLC的CPU、存储器和电源等做成一个模块，该模块在总线版上的安装位置一般来说是固定的，而且该模块也是构成组合式PLC所必需的。其他的模块根据PLC的控制规模、实现的功能选取，安装在总线版的其他任一总线槽上。组合式PLC安装完成后，需进行登记，使PLC对安装在个总线上的模块进行确认。组合式PLC的总线板又称为基版。组合式PLC的特点是系统构成灵活性高，可构成具有不同控制规模和功能的PLC；价格较高。2、按控制规模分类输入输出的总线数，又称I/O点数，是表征PLC控制规模的重要参数。因此，按控制规模对PLC分类时，可根据I/O点数的不同大致分为小型、中型和大型PLC。小型PLCI/O点数较少，在256点以下的PLC。中型PLCI/O点数较多，在256点以上、2048以下的PLC。大型PLCI/O点数较多，在2048点以下的PLC。3、按实现的功能分类按照PLC所能实现的功能的不同，可以把PLC大致的分为低档、中档、和高档机三类。低档机具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能，还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。中档机除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。高档机除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。函数、表格、CRT显示、打印机打印等功能。一般地，低档机多为小型PLC，采用整体式机构；中档机可为大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整体式结构，中型和大型PLC多采用组合式结构；高档机多为大型PLC，采用组合式结构。目前，在国内工业控制中应用最广泛的是中、低档机。25PLC的结构如图所示，PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行IO变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。1、输入寄存器图22PLC的组成输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。2、输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。3、存储器存储器分为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。4、CPU单元CPU单元控制着IO寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是PLC的大脑。5、其它接口单元其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。26PLC的工作原理CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。如下图所示，CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中可完成以下5个扫描过程。1、自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能。自监视功能主要由时间监视器完成。WDT是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。WDT的定时可由用户修改，一般在100200MS之间。其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。2、与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。3、用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包换扫描过程。该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短，会影响过程所用的时间。4、读输入与写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一时间。个扫描周期内都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。CPU在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器一个为输入映像寄存器，另一个为输出映像寄存器。用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器中。在输入扫描过程中，CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器；在输出过程中，CPU把输出映像寄存器的值锁定到实际输出点。为了现场调试方便，PLC具有I/O控制功能，用户可以通过编程器封锁或开放IO。封锁IO就是关闭IO扫描过程。在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映像寄存器中。在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变输入端子状态变化只能在下一个工作周期的输入阶段才被集中读入。在写输出阶段，将输出映像寄存器的状态集中锁定到输出锁存器，再经输出电路传递到输出端子。由上述分析得出循环扫描有如下特点1、扫描过程周而复始地进行，读输入、写输出和用户程序是否执行是可控的。2、输入映像寄存器的内容是设备驱动的，在程序执行过程中的一个工作周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像积存的值来控制程序的执行。3、程序执行完后的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出值，而在程序执行阶段，输出映像寄存器的值即可以作为控制程序执行的条件，同时又可以被程序修改用于存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。此时的修改不会影响输出锁存器的现在输出值，这是与输入映像寄存器完全不同的。4、对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。由于输出映像寄存器的值可以作为程序执行的条件，所以程序的下一个扫描周期的集中输出结果是与编程顺序有关的，即最后一次的修改决定了下一个周期的输出值，这是编程人员要注意的问题。各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。各PLC厂家为了缩小延迟采取了很多措施，编程人员应对所使用型号的PLC的延迟时间的长短很清楚，它是进行PLC选型时的重要指标。27PLC的汇编语言采用面向控制过程，面向问题，简单直观的PLC编写横语言，常用的有梯形图，语句表，功能图等。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。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ENDX000X001Y000X010图23FX2N系列产品梯形图例它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END指令，用以结束程序。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。上图的助记符程序为表21助记符程序地址指令变量0000LDX0000001ORX0100002ANDX0010003OUTY0000004END28PLC的基本指令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表22LD/LDI/OUT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,FLD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。X000Y000表23并行输出指令地址指令数据0000LDX0000001OUTY0002、触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI）表24AND/ANDI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。X001X002X003Y001表25OR、ORI3、电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）地址指令数据0002LDX0010003ANDIX0020004ORX0030005OUTY001表26ORB、ANB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。将分支电路（并联电路块）与前面的电路串联连接时使用ANB指令，各并联电路块的起点，使用LD或LDNOT指令；与ORB指令一样，ANB指令也不带操作元件，如需要将多个电路块串联连接，应在每个串联电路块之后使用一个ANB指令，用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制，若集中使用ANB指令，最多使用7次。4、程序结束指令（END）符号（名称）功能梯形图表示操作元件END（结束）程序结束结束无表26程序指令在程序结束处写上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。29PLC的应用目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。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。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、数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6、通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。第三章交通灯控制电路的设计31三菱FX2NPLCPLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其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，可对目前普遍使用的“渐进式“信号灯进行精确控制，特别对于多岔路口的控制可方便地实现。目前大多数品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于PLC本身具有通讯联网功能，所以将同一条路上的信号灯组成一局域网功进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。城市交通灯控制采用PLC比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性高、维护方便、使用简单、通用性强等特点，PLC还可以联成网络，根据实测各十字路口之间的距离、车流量和车速等，合理确定各路口信号灯之间的时差，把N台PLC联网到一台控制电脑上，以方便操作、管理和监控，从而极大地提高城市道路交通管理能力。用PLC控制十字路口的指示灯，维护方便，可按需要随意修改指示灯亮的时间，更体现了城市管理工作的现代话。三菱系列FX2NPLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。PLC还具有功能强，适应面广的特点。今天的PLC已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信能力的发展，不仅在交通灯中控制自如，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。由PLC控制十字路口的指示灯,维护方便,可按需要随意修改指示灯亮的时间,更是体现了城市管理工作的现代化。三菱系列FX2NPLC还具有一下主要特点1、一个程序包的单元型可编程控制器；2、采用装卸式端子台；3、内装RUN/STOP开关；4、程序存储器；5、钟表功能；6、RUN写入；7、元件注解；8、利用键盘保护程序（编程手册，外围设备手册）；9、丰富的输出入扩展设备；10、丰富的特殊扩展设备；11、用SFC表现的编程；12、简便的应用指令群；13、高速处理；三菱系列FX2NPLC主要性能指标（1）输入/输出点数（I/O点数）I/O点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。（2）存储容量存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。（3）扫描速度一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为MS/K步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用S/步。（4）功能扩展能力可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。（5）指令系统指令系统是指一台可编程序控制器指令总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。32PLC正常时序本文选用三菱系列的FX2N64，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。信号灯的选择选用红、黄、绿发光二极管作为信号灯箭头方向型。FX2N系列拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。价格便宜，功能齐全，比起其他PLC有着速度、逻辑、定位等优越之处。安装简单，维修方便。FX2N64的I/O总数32，输入/输出各32个，输入类型为漏型，输出类型为继电器或晶体管。FX2N通过储存的程序周期运转。正常时序、急车强通和车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器PLC来实现。当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。我选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程它采用模块化结构，编程简单，维修方便。33I/O分配地址启动南北急车东西急车CONX400X401X40224VPLCY430COMY431COMY432COMY433COMY434Y435COMHL12HL11HL10HL9HL8HL7HL6HL5HL4HL3HL2HL1南北黄灯东西红灯南北绿灯东西黄灯东西绿灯南北红灯图31正常时序交通灯电路图O/Y431到O/Y435PLC输出点分别控制着两个信号灯，如果PLC输出点的输出电流不够大,可以用一个输出点驱动一盏信号灯,也可以在PLC输出端增设中间继电器,由中间继电器再去驱动信号灯。根据示意图和控制要求可知,该系统需要3个输入点和6个输出点,起地址分配如下输入设备输入编号点输出设备输入编号点起动开关X400南,北红灯Y430东西急车X401东,西绿灯Y431强通开关东,西黄灯Y432南北急车X402南,北绿灯Y433强通开关东,西黄灯Y434南,北红灯Y435表31地址分配34控制要求1、正常时序时交通灯控制系统的控制要求如下（1）信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。（2）南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。（3）南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。（4）东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮维持25S。然后闪烁3S，熄灭。同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。（5）周而复始。2、急车强通时交通灯控制系统的控制要求如下急车强通时，将急车强通开关接通，不管原来信号灯的状态如何，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。35设计方案根据本课题的设计要求及要达到的俩个设计目标，有以下一个设计理念设定一个启动的输入信号，要配合一个SB1的按钮，当SB1启动按钮动作，系统工作。第一步车流滞留情况红绿灯时间长度控制在交通灯的设计中，我们必须关注红黄绿灯的交替点亮及点亮的时间控制，在以下流程图中的15S、30S、75S等时间分别为现实中交管部门定的车辆左转弯时间、直行最小时间、允许的最大通行时间，其中为车流量的偏差量。以上值及其4个路口车流量的满溢值均可在程序初始化中任意更改。车辆左转弯是造成交通堵塞很重要的一个方面，应加以适当限制，故车辆左转弯始终采用最小定时控制，以减小系统的复杂程度，提高可靠性。车辆通行的时间中包含绿、黄灯闪烁的时间，红、黄、绿各灯的切换与现用的方式相同。人行道的红绿灯接线与现用的方式相同，其绿灯点