基于PLC技术的交通灯设计.docx

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基于PLC技术的交通灯设计

摘要

自动控制装置的先进程度是体现工业自动化水平的重要标志。

随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展,可编程序控制器已经成为工业控制的标准设备之一。

用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器,简化控制线路、提高系统可靠性,是PLC的最大优点；根据实际工艺要求,借助于顺序功能图和梯形图来编制用户控制程序,实现单台设备或生产过程的顺序控制,则是PLC的主要功能之一。

本课题是对可编程控制器的顺序控制进行实际的应用，通过欧姆龙的CPM1A可编程控制软件对十字路口交通灯编写来研究顺序控制在使用中的作用。

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、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

关键词：

PLC、CX-Programmer、CD4511、顺序控制、梯形图、数码管显示

Abstract

Theadvanceddegreethattheautomaticcontrolequipsistheimportantsignthatembodiesindustryautomationlevel.Alongwiththefastfiercedevelopmentofthecalculatortechniqueandthemicro-electronicstechnique,theprogrammableprefacecontrollerhasalreadybecomeoneofthestandardequipmentsesofindustrialcontrol.Weavingthedistance"softcomponent"toreplacewiththeinnerpartafteragreatdealoftimeintheelectricapplianceslogiccontrolelectriccircuitaftertheelectricappliancesandinthecentersimplifyingcontrolcircuitandraisingsystemcredibilityaftertheelectricappliancesisPLCthebiggestadvantage;Requestaccordingtotheactualcraft,askforhelpfrominproperorderfunctiondiagramandtrapezoiddiagramtodrawupcustomercontrolprocedure,carryoutsinglesetequipmentsortheinproperordercontrolofproductionline,thenoneofthePLCmainfunctions.

ThistopiccarriesonanactualapplicationtotheinproperordercontrolofprogrammablecontrollerandpasstheCPM1AprogrammablecontrolsoftwareofMudragoninEuropetowritetotheintersectionstransportationlighttostudyaninproperordercontrolinthefunctionintheusage.

Alongwiththedevelopmentofsocialeconomy,transportationprobleminthecitymoreandmorecausestheconcernofpeople.Person,carandroadthreerelatetoofcoordination,havebecomeatransportationmanagementthesectionneedoneoftheimportantproblemsforworkingout.Thetransportationcontrolsystemincityistousedforatransportationdatamonitorincity,trafficsignlightcontrolandthecalculatorthattransportationappeasesynthesizemanagementsystem,itismoderncitytransportationtosuperviseandcontrolconductortoconstitutemostimportantlyinthesystempart.

Keyword:

PLC,CX-Programmer,CD4511,inproperordercontrol,thetrapezoiddiagram,figurestubeshow

第1章绪论

1.1课题背景

编程控制器简称PLC，是20世纪60年代以来发展极为迅速、应用面极为广泛的工业控制装置，是现代工业自动化的三大支柱之首。

它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能，来控制各种类型的机械设备或生产过程。

自动控制装置的先进程度是体现工业自动化水平的重要标志。

随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展,可编程序控制器已经成为工业控制的标准设备之一。

用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器,简化控制线路、提高系统可靠性,是PLC的最大优点；根据实际工艺要求,借助于顺序功能图和梯形图来编制用户控制程序,实现单台设备或生产过程的顺序控制,则是PLC的主要功能之一。

1.2课题目的

本课题是对可编程控制器的顺序控制进行实际的应用，通过欧姆龙的CPM1A可编程控制软件对十字路口交通灯编写来研究顺序控制在使用中的作用。

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、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

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明该系统实现简单、经济，能够有理问题的现状，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，在现代工业中的作用更加突出。

1.3国内外现状

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。

在中国机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等地出现了交通超负荷运行的情况，交通事故的问题也越来越严重。

并且由于各种特殊车辆（如120急救车、119火警车、110警车及各种特种车辆）在紧急情况之下不受红灯限制，也给交通带来很多不便，甚至造成交通事故。

而且，目前大多数交通灯在同一时刻都会出现两个或两个以上方向同时为绿灯的情况，也增加了交通事故的发生率。

因此，设计一种专为特殊车辆通过而不至于引发任何交通事故、正常交通控制时任何时刻只有一个方向通行绿灯的现代化智能交通灯控制系统是迫切需要的。

第2章PLC的概述

2.1PLC的发展历程

PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:

一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

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.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

 一. 早期的PLC（60年代末—70年代中期） 早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。

这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。

它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。

装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。

另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。

在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。

因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。

其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

 二. 中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期） 在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。

美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。

 这样，使PLC得功能大大增强。

在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。

并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。

 三. 近期的PLC（80年代中、后期至今） 进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。

而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。

这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

2.2PLC的构成

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

相同如图2-1所示：

图2-1PLC的构成

（一）中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统或采用三CPU的表决式系统，这样即使某个CPU出现故障整个系统仍能正常运行。

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，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，从用户程序存贮器中逐条读取指令，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。

CPU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。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模

（二）存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

1PLC常用的存储器类型

（1）RAM（RandomAssessMemory），这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。

（2）EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory），这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。

（3）EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory），这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

2PLC存储空间的分配

虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：

系统程序存储区；系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）；用户程序存储区。

（1）系统程序存储区

在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序、等由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该PLC的性能。

（2）系统RAM存储区

系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备如：

逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。

I/O映象区，由于PLC投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区，一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit），因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：

开关量I/O映象区，模拟量I/O映象区。

系统软设备存储区

除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区，该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当PLC断电时数据被清零。

1）逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器，另外不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。

2）数据寄存器与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字（16bits），另外PLC还提供数量不的特殊数据寄存器，具有不同的功能。

3）计时器

4）计数器

（3）用户程序存储区用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的PLC其存储容量各不相同。

（三）电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。

如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内可以不采取其它措施，而将PLC直接连接到交流电网上去。

（四）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分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

（1）开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

（2）模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

（3）除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

（4）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。

（五）PLC系统的其它设备

编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，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，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

也就是我们系统的上位机。

人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

（六）PLC的通信联网

依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。

因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。

当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。

（七）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）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。

2.3PLC的特点

PLC是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点：

1.可靠性高，抗干扰能力强；

为了限制故障的发生或者在发生故障时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，各PC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。

2.通用性强，控制程序可变，使用方便；

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。

用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。

因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

3.功能强，适应面广；

现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。

既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

4.编程简单，容易掌握；

目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。

既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。

PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。

与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。

5.减少了控制系统的设计及施工的工作量；

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。

同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。

并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。

6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便；

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。

并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.4PLC的功能

PLC功能有下面几点：

1.顺序控制：

这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械，切纸机、组合机床、磨床、装配生产线，包装生产线，电镀流水线及电梯控制等。

程控：

在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液体、速度、电流和电压等，称为模拟量。

可编程控制器有A/D和D/A转换模块，这样，可编程控制器可以作模拟控制用于程控。

2.数据处理：

一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产过程中的资料进行处