基于三菱PLC的交通灯模拟控制.docx
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基于三菱PLC的交通灯模拟控制
引言
可编程序控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，在日常生活中得到了广泛的应用。
PLC是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，PLC的平均无故障运行时间（又称平均故障间隔时间MTBF）已经高达几十万小时。
其次，PLC具有通用性强，使用方便的特点。
由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，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。
用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线。
一个控制对象的硬件配置确定以后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
PLC还具有功能强，适应面广的特点，现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，还具有数值运算和数据处理等功能。
因此，它既可对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制，既可控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。
PLC还具有通信联网的功能，可与上位计算机构成分布式控制系统。
用户只需根据控制的规模和要求，适当选择PLC的型号和硬件配置，就可以组成所需的控制系统。
随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。
。
众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是增加道路网。
但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。
因此，不可能通过无限制地修建道路来满足日益增长的交通需求。
与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。
事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决道路拥挤的问题。
道路交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水。
1绪论
1.1PLC的概述
可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将计算机技术、自动控制技术、通讯
技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置，涉及到很多自动
控制、电器方面的知识。
经过30多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。
目前，
可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大
支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。
其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。
早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器
控制系统，随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的
周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、
低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969
年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：
1、编程方便，现场可修改程序；
2、维修方便，采用模块化结构；
3、可靠性高于继电器控制装置；
4、体积小于继电器控制装置；
5、数据可直接送入管理计算机；
6、成本可与继电器控制装置竞争；
7、输入可以是交流115V；
8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
9、在扩展时，原系统只要很小变更；
10、用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。
这就是著名的GM10条。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配
线上试用，获得了成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通
用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971
年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。
这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。
1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本
第一台PLC。
1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。
我国从1974年开始研制，
于1977年开始工业应用。
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成，如图1-1所示。
PLC的
特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。
CPU主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。
在PLC控制系统中，CPU模块相当于认得大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出；存储器用来存储程序和数据。
并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源PLC内部电路的工作状态和编
程过程中的语法错误等。
就绩程皆存fifi料
11
图1-1PLC的组成
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。
一输入采样阶段
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映象区中的相应的单元内。
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。
二用户程序执行阶段
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。
在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而
其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
三输出刷新阶段
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，这时才是
PLC的真正输出。
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红、黄、
绿三种标志）于1918年诞生。
它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的
一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，
在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。
一天，他站在繁华的十字路
口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，
吓了他一身冷汗。
回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色
信号灯，提醒人们注意危险。
他的建议立即得到有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三
色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
中国最
早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界。
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
最早的交通灯出现于一八六八年英国伦敦。
那时的交通灯只有红、绿两色，经改良后，再增加一盏黄色的灯，红灯表示停止，黄灯表示准备，绿灯则表示通行。
其实,用这三色来作交通讯号和人的视觉机能结构和心理反应有关。
我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞，。
杆状细胞对黄色的光特别敏感，三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。
由于这种视觉结构，人最容易分辨红色与绿色。
虽然黄色与蓝色也容易分辨，但因为眼球，对蓝光敏感的感光细胞较少，所以分辨颜色，还是以红、绿色为佳。
所以，交通灯用什么颜色也是有大学问的
颜色也有活动（activity）的含意，要表达热或剧烈的话，最强是红色，其次是黄色。
绿色则有较冷及平静的含意。
因此，人们常以红色代表危险，黄色代表警觉，绿色代表安全。
而且，由于红光的穿透力最强，其他颜色的光很容易被散射，在雾天里就不容易看见，而红光最不容易被散射，即使空气能见度比较低，也容易被看见，不会发生事故。
所以我们用红色表示禁止。
1.2十字路口交通灯工作原理
可编程控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图很相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。
这种用计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上也有某些相似之处。
继电器在控制系统中有功率放大、电气隔离、逻辑运算的作用。
PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序不实现控制功能。
为了使PLC的输出及时地响
应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一共有五个阶段如图2-1所示。
PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关
系来看，处理过程似乎是同时完成的。
在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成别的一些内部工作。
在通信服务阶段，PLC与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
当PLC处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。
PLC处于运行（RUN）状态时，还要完成另外三个阶段的操作。
在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别
称为输入映象寄存器和输出映象寄存器。
PLC梯形图中别的编程元件也有对应的
图1-2扫描过程
（a）RUN（b）STOP
映象存储区，它们统称为元件映象寄存器。
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。
在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。
在程序执行阶段，当执行指令时，从输入映象寄存器或别的元件映象寄存器中将有关编程元件的“0”/“1”状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映象寄存器中。
因此，各编程元件的映象寄存器（输入映象寄存器除外）的内容随
着程序的执行而变化。
1.3交通灯模拟控制系统设计要求
信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯
亮，东西绿灯亮。
当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。
到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。
在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。
到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。
东西红灯亮维持25
秒。
南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。
同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这
时南北红灯亮，东西绿灯亮，周而复始。
2交通灯控制系统硬件设计
2.1PLC机型的选择
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。
不同型号的PLC，其结构形式、
性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。
因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信
息对被控对象进行控制。
同时通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业
生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。
PLC从现场收集的信息及输出给外部设备
的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具
有较好的抗干扰能力。
根据实际需要，一般情况下，PLC都有许多I/O接口模块，包括开
关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。
本设计选用FX2N-48M可变程序控制器。
2.2交通灯模拟控制系统硬件图
十字路口交通灯模拟图如图2-1所示
当南北方向红灯（1、7）亮的时候，东西方向绿灯（6，12）先亮再闪烁最后绿灯灭
黄灯（5、11）亮。
当东西方向红灯（4、10）亮的时候，南北方向绿灯（3、8）先亮在闪烁最后绿灯灭黄灯（2、8）亮。
红
5黄
6绿
绿⑫
黃⑪・
红（10）
®®®
绿黄红
图2-1交通指挥灯示意图
输入资源
输出资源
输入继电器
元件
作用
输出继电器
元件
作用
X0
SB
启动开关
Y0
HL1
南北绿灯
X1
SB
转换开关
Y1
HL2
南北黄灯
Y2
HL3
南北红灯
Y3
HL4
东西绿灯
Y4
HL5
东西黄灯
Y5
HL6
东西红灯
表2-1分配表
根据十字路口交通灯的输入输出点分配表，画出如图2.1所示的PLC控制系统I/O接
线图。
图2-2接线图
3交通灯的模拟控制系统软件设计
3.1PLC程序设计基础
现代的PLC一般备有多种编程语言，供用户使用。
但不同厂家的PLC的编程语言有
很大的区别，用户不得不学习多种编程语言和查找故障的方法。
因此，IEC（国际电工委员
会）1994年5月公布了可编程序控制器标准（IEC1131）。
该标准由以下5部分组成：
通用信息、设备与测试要求、PLC的编程语言、用户指南和通讯。
由其制定的编程语言即
图3-1plc的编程语言
详细说明了句法、语义和下述5种PLC编程语言如图3-1所示。
顺序功能图
梯形图
功能块图
指令表
文本结构
标准中有两种图形语言梯形图（LD）和功能块图（FBD），还有两种文字语言一—指令表（IL）和结构文本（ST），可以认为顺序功能图（SFC）是一种结构块控制程序流程图。
1•顺序功能图（SFC）
SFC提供了一种组织程序的图形方法，在SFC中可以用别的语言嵌套编程。
步、转换和动作（Action）是SFC中的三种主要元件（见图5）。
步是一种逻辑块，即对应于特定的控制任务的编程逻辑；动作是控制任务的独立部分；转换是从一个任务到另一个任务的原因。
作为梯形图语言，SFC提供用户了以上三种基本结构（见图5）。
在顺序结构中，CPU
首先反复执行1中的动作，直到转换1变为“1”状态，CPU才处理第2步。
在选择支路中，取决于哪一个转换是活动的，CPU只执行一条支路。
在并行支路中，所有的支路被同
时执行。
对于目前大多数PLC来说，SFC还仅仅作为组织编程的工具使用，尚需用其它的编程
语言（如梯形图）将它转换为PLC可执行的程序。
因此，通常只是将SFC作为PLC的辅
助编程工具，而不是一种独立的编程语言。
2.梯形图（LD）
梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言，有时又被称为电路或程序。
它是一种软件信息，是一种反映PLC的输入输出控制逻辑关系的程序软件，它与传统的继电器控制系统的梯形图（硬件）电路不同，不是真正的物理（硬件）电路，一定不能把它们当作硬件电路来看待。
由于梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，因此很容易被工厂熟悉继电器控制的电气技术人员掌握，特别适用于开头量逻辑控制。
IEC1131-3的梯形图中除了线圈、常开触点和常闭触点外，还允许增加功能和功能块。
3.梯形图的主要特点
（1）.PLC梯形图是的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等。
但是它们不是真实物理继电器（即硬件继电器），而是在软件中使用的编程元件。
（2）.梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线（Busbar）。
在分析梯形图的逻辑关
系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电源电压。
当图6中的触点1、2接通时，可假设“概念电流”或“能流”（Powerflow）从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序一致。
能流的方向只能从左向右流动，因此图6中（a）图应改为图（b）所示的等效电路。
（3）.根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。
逻辑运算是按梯形图中从上到下、从左到右的顺序进行的。
解算的结果立即可以被后面的逻辑解算所利用。
逻辑结算是根据输入映象寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。
（4）.梯形图中的线圈应放在最右边，如图3.2所示。
（a）的电路应改为图7（b）中的电路。
（5）.梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可无限次的使用。
4.梯形图经验设计方法：
（1）.可根据原有的继电逻辑控制图进行转化设计；
（2）.没有固定的方法和步骤可遵循，试探性和随意性强；
（3）.由于需要中间变量完成记忆联锁互锁，需要考虑的因素很多；
（4）.设计耗时长，且修改麻烦；
5.梯形图编规则：
1）.每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量
限制。
（2）.梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有接触点）如图3-2所示。
（a）（b）
图3-2梯形图的形式
（a）错误（b）正确
（3）.线圈不能直接接在左边母线上。
（4）.在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引
起误操作，应尽量避免。
图3-3错误梯形图
（5）.在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上
的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动——即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。
如图3-3所示。
6.功能块图（FBD）这是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，具有数字电路基础的人很容易掌握。
该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出端的小圆圈表示“非”运算，信号是自左向右流运的。
像SFC一样，功能块图FBD也是一种图形语言，在FBD中也允许嵌入别的语言（如梯形图、指令表和结构文本）。
3.2系统梯形图设计
开关X0，选择开关按下以后程序开始循环启动，东西向绿1亮25s，南北向红2亮30s；T0为绿1亮25s定时器，T0设定值K250，从X0接通起计时，计时时间到绿1断开，T1计时；T1、T2为绿1闪动3次控制，T1、T2形成振荡，T1通时绿1亮，CO计数；CO为东西向黄1亮2s起点，T2为CO计数信号，CO接通时黄1点亮；T3为黄1亮2s定时器，T3设定值K20，T3设定值K20，T3接通时为红1、绿2点亮，
红2熄灭；T4为红1亮30s定时器，T4设定值K300,T4接通时红1熄灭，一循环
周期结束。
T5为绿2亮25s定时器，T5设定值K250，从T3接通起计时，计时时间到绿
2断开，T6计时；T6、T7为绿2闪动3次控制，T6、T7形成振荡，T6通时绿2点亮,
C1计数；C1为南北向黄2亮2s起点，T7为C1计数信号，C0接通时黄2点亮；T8
为黄2亮2s定时器，T8设定值K20，T8接通时黄2熄灭，一循环周期结束
3.3程序的设计
4交通灯的模拟控制系统调试与仿真
4.1程序调试
经过设计，想一次性把程序完成是非常难的，在调试中就出现了不少的错误。
刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来而且在完成了一个周期后就循环不起来了。
那时真的不知道从哪里入手，只好一条一条地检查才发现了一条指令把常闭写成了输出真正的输出口就没有收到信号了。
灯虽然是亮了但仍然循环不起来。
从梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题出来。
突然想起来编程器还可以进行监控于是再在运行的同时进行监控，于是发现了在程序的第一周期一切都运行正常但再运行下去的时候第二周期就再没有反应了，包括里面的辅助继电器，最后发现原来是程序前面没有并上完成这个循环的继电器号。
后来就这样把加上其他功能出现的错误也找出来了。
虽然找错误是一个枯燥无味的工作，但只要你耐心的去做的话，你肯定能学到有用的动西。
4.2难点分析
其实现场实况车辆的流量是变化的，本设计只是对其路灯起到一个开关的作用，即开关量控制系统。
由于所学知识及设备有限，无法对其路灯进行智能化控制，所以在编程时就没把智能控制这一块加上去，再加上编程软件无法下载，在画梯形图方面受到一点阻碍。
因为实际的红绿灯控制中行人道的红绿灯和主干道的红绿灯是有这一定的对应关系的，所以在编程前一定要理清它们，这样有利于在编程时简化程序、减少PLC不必要的运算。
总结
通过这次实验，了解了PLC在自动控制中的运用，可编程序控制器（简称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新型工业自动化控制装置，它专门为工业控制而设计，具有功能强，编程简单，使用方便等优点，在现代工业自动控制中使用越来越广泛。
此实验后，基本掌握了三菱公司FX2N型PLC的使用方法，并用其来设计简单的自动控制过程，受益匪浅。
通过这次设计实践。
我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。
能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
在设计的过程中，对于自己设计参数是一个很让人头疼的问题，所以通过本次论文，我也感到自己在这些方面还有很多的不足，要在这方面加强练习，程序的套路是很多种的，我们要学会在其中找到最优的方案，这样不仅可以提高自己的编程水平
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