郭前进关于交通灯的PLC程序设计Word下载.docx
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5.3设计的体会及心得…………………………29
致谢………………………………………………30
参考文献…………………………………………30
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。
随着城市机动车量的不断增加，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，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
本文就城乡交通灯模拟控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。
实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。
由于我对PLC较熟悉，最终我选择了用可编程的控制器PLC来实现系统功能的设计，完成本次课设的题目。
关键字：
PLC交通灯程序报告设计
第一章引言
1.1概述
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、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和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
1.2PLC的特点及应用
1.2.1PLC的特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
2.配套齐全，功能完善，适用性强
3.易学易用，深受工程技术人员的欢迎
4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，易于改造
5.体积小，重量轻，能耗低。
1.2.2PLC的应用领域
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。
1.3PLC的结构及原理
1.3.1PLC的结构及分类
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（见图1-1）.PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。
1.CPU模块
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，与通用计算机一样，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，还有外围芯片、总线接口及有关电路。
它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
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。
CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。
一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。
箱体式PLC的主箱体也有这些显示。
它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。
CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。
2.I/O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块，他们相当于人的眼、耳、鼻、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，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。
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。
3.编程器
编程器是用来生成用户程序，便用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。
手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。
它的体积小，价格便宜，一般用来给小型的PLC编程，或者用与现场调试和维护。
4.电源
PLC使用AC220V电源或DC24V电源。
内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。
小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。
5.PLC的通信联网
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。
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所提供的最佳功能。
分类
根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式和模块式。
按PLC的功能分：
低档型、中当选、高档型。
可编程序控制器规模分类
类型
I/O点数
存储器容量
微型PLC
64点以下
1-2KB（字节）
小型PLC
64-128点
2-4KB（字节）
中型PLC
128-512点
4-16KB（字节）
大型PLC
512-8192点
16-64KB（字节）
超大型PLC
大于8192点
64-128KB（字节）
可编程序控制器的规模划分并无严格的界限，目前微、小型的机器也具有以前中、大型机的功能
1.3.2PLC的工作原理
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（见图2）。
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。
在输出处理阶段，CPU将输出映象寄存器的“0”/“1”状态传送到输出锁存器，经输出模块隔离和功率放大后驱动外部的负载。
1.3.3PLC的编程语言、编程结构和基本指令
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满足目前市场的要求，又适应未来技术的发展。
同时，IEC1131—3详细说明了句法、语义和下述5种PLC编程语言（见图4）的表达方式：
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——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。
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。
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。
1、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，图7（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。
2、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；
3、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（a）错，图（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。
（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。
下图是一个错误的桥式电路梯形图。
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）。
指令表（IL）
指令表：
又叫语句表，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
X000X0001Y000
X010
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：
地址指令变量
0000LDX000
0001ORX010
0002ANDNOTX001
0003OUTY000
0004END
反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。
PLC的基本指令有输入输出指令（LD/LDI/OUT）；
触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI）；
电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）；
程序结束指令（END）.
4.电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）
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。
5.程序结束指令（END）
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。
其他的一些指令，如置位复位、脉冲输出、清除、移位、主控触点、空操作、跳转指令等，同学们可以参考一些课外书，在这里我们不详细介绍了。
在PLC编程器中，一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。
第二章PLC控制交通灯系统
2.1十字路口交通灯控制实际情况
在一般的十字路口都有红、黄、绿三个信号灯对交通实现自动控制
启动开关合上后，南北红灯维持30S，同时东西红灯亮25S后，闪亮3S，东西黄灯亮2S。
然后，东西红灯维持30S，同时南北绿灯亮25S后，闪亮3S，南北黄灯亮2S，之后一直循环。
循环控制方式
交通灯变化顺序表（单循环周期30秒）
1.系统工作后，首先南北红灯亮并维持30S；
在此同时，东西绿灯亮并维持25S，到25S时，东西绿灯闪亮，闪亮3S后熄灭。
东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持2S。
到2S时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮；
同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。
2.东西红灯亮并维持30S；
在此同时，南北绿灯亮并维持25S，到25S时，南北绿灯闪亮，闪亮3S后熄灭。
南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮并维持2S。
到2S时，南北黄灯熄灭，南北红灯亮；
同时东西红灯熄灭，东西绿灯亮。
至此，结束一个工作循环。
2.2结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验
在PLC交通灯模拟模块中，东西南北每面都有3个控制灯，分别为：
★禁止通行灯（亮时为红色）
★准备禁止通行灯（亮时为黄色）
★直通灯（亮时为绿色）
结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统如下：
当交通灯系统启动开关接通时，
南北红灯亮并维持30S；
东西红灯亮并维持30S；
2.3十字路口交通灯流程图
第三章交通灯硬件设计
3.1交通灯硬件及外围元器件的选择
根据信号灯的要求，所有器件有：
三菱FX系列PLC，红黄绿色信号灯各4个，各种传感器以及若干导线。
3.2PLC外部接线图的设计
输入，输出接口连线如下图所示：
由图可见启动按钮SB1接于输入继电器X0端，停止按钮SB2接于输入继电器X1端，东西方向绿灯接于输出继电器Y5端，东西方向黄灯接于输出继电器Y4端，东西方向的红灯接
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