3基于PLC的交通灯控制1.docx
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3基于PLC的交通灯控制1
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
1PLC的概述
1.1PLC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。
1.2PLC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0.1s~15ms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
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）。
1.3PLC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。
1.4PLC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，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1.1PLC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
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。
2硬件设计
2.1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。
2.2主机CPU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
CPU221
6
4
无
0
CPU222
8
6
2
340
CPU224
14
10
7
660
CPU226
24
16
7
1000
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。
表2.2扩展模块表
分类
型号
I/O规格
功能及用途
数字量扩展模块
EM221
DI8*直流24V
8路数字量24V直流输入
EM222
DO8*直流24V
8路数字量24V直流输出（固态MOSFET）
DO8*继电器
8路数字量继电器输出
EM223
DI4/DO4*直流24V
4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24V
8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24V
16路数字量24V直流输入、输出（固态）
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
2.3I/O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
Q0.0~Q0.6
七段数码管（个位）
Q2.0~Q2.6
七段数码管（个位）
Q1.0~Q1.6
七段数码管（十位）
Q3
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