FX2N系列PLC控制十字交通灯信号设计毕业设计Word文档格式.docx

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的特点5

应用6

第二章PLC的结构及原理7

的分类7

的结构9

的工作原理10

编程语言12

的基本指令13

交通灯毕业设计编程器件16

第三章梯形图的设计与编程方法16

控制要求16

控制时序17

交通灯毕业设计硬件及外围元器件17

O分配表18

第四章程序设计18

交通灯设计梯形图18

交通灯设计指令图………………………………………………………………………………………………….22

软件设计22

第五章PLC交通灯毕业论文设计总结23

致谢24

参考文献25

第一章PLC的结构及原理

概述

可编程序控制器（ProgrammableController）简称PC，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而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，它是“专为在工业环境下应用而设计”的计算机。

这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。

它能完成逻辑运算、程序控制、定时、计数和算术操作、它还具有“数字量或模拟量的输入/输出控制”的能力。

早期产品名称为“ProgrammableLogicController”（可编程逻辑控制器），简称PLC，主要替代传统的继电接触控制系统，为了与个人电脑（PersonalComputer）PC这一简写名称术语相区别，故仍用PLC来表示可编程控制器。

但这一简称并不意味着它只有逻辑功能。

的特点

1.可靠性高，抗干扰能力强

这是选择控制装置的首要条件。

可编程控制器生产厂家在硬件方面采用了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施，在软件方面上采取了故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟（死循环报警）、程序检验等一系列抗干扰措施。

2.使用灵活，通用性强

产品均成系列化生产，多数采用模块式的硬件结构，用户可灵活选用。

软接线逻辑使得PLC能简单轻松地实现各种不同的控制任务，且系统设计周期短。

3.编程方便，易于掌握

采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂；

近年来又发展了面向对象的顺序控制流程图语言（SFC,SequentialFunctionChart）,也称功能图，使编辑更为简单方便。

4.接口简单，维护方便

可编程控制器可直接与现场强电设备相连接，接口电路模块化，有完善的自诊断和监视功能。

可编程控制器对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示，可以方便地查出故障原因，迅速做出处理。

5.功能完善，性价比高

除基本的逻辑控制、定时计数、算术运算外，配合特殊功能模块可以实现点位控制，PID运算，过程控制，数字控制等功能，还可与上位机通信、远程控制等

的应用

目前PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、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

开关量的逻辑控制是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，即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、邮件分拣机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2.模数（A/D）、数模（D\A）的转换控制

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（Anglog）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。

3.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（比例-积分-微分）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。

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。

4.数据处理

现代的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。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性控制系统。

5.运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

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，目前一般使用专用的运动控制模块。

目前大多数厂家的PLC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。

6.通信和联网

PLC之间及PLC与其他智能设备间都要求有很强的通信能力。

工厂自动化网络发展速度很快，如今很多PLC都具有通信接口，通信非常方便。

第二章PLC的结构及原理

PLC的分类

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。

对PLC可以根据结构、功能的差异等进行分类。

1.按I/O点数分类

（1）微型PLC：

I/O点数小于64点的PLC为超小型或微型PLC。

（2）小型PLC：

I/O点数为256点一下，用户程序存储容量小于8K的为小型PLC。

它可以连接开关量和模拟量I/O模块以及其他各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网等功能。

如西门子公司的S7-200，三菱公司的F1、F2和FX系列都属于小型机.

（3）中型PLC：

I/O点数在512-2048点之间的为中型PLC。

它除了具有小型机所能实现的功能外，还具有更强大的通信联网功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描功能。

如西门子公司的S7-300、三菱公司的AIS系列都属于中型机。

（4）大型PLC：

I/O点数为2048点以上的为大型PLC。

它具有极强的软件和硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。

另外大型PLC还可以采用三个CUP构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。

如西门子公司的S7-400、三菱公司的A3M、A3N系列都属于大型机。

2.按结构分类

（1）整体式PLC。

将CPU、I/O单元、电源、通信系统等部件集成到一个机壳内的称为整体式PLC。

整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又成主机）和扩展单元组成。

基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元宣相连的扩展口及与编辑器相连的接口,扩展单元内只有I/O接口和电源等，没有CPU。

它还配置特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元、使其功能得以扩展。

整体式PLC一般都是小型机。

（2）模块式PLC。

模块式PLC是将PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。

把这些模块按控制系统需要选取后，安插到母版上，就构成了一个完整的CPU系统。

这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。

大、中型PLC一般采用模块式结构。

（3）叠装式PLC。

将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。

叠装式PLC将CPU模块、电源模块、通信模块和一定数量的I/O单元集成到一个机壳内，如果集成的I/O模块不够使用，可以进行模块扩展。

其CPU、电源I/O接口等也是各自独立的模块，·

但它们之间要靠电缆进行连接，并且各模块可以一层层地叠装。

叠装式PLC集整体式PLC与模块式PLC优点集于一身，它不断系统配置灵活，而且体积较小，安装方便。

西门子公司的S7-200系列PLC就是叠装式的结果形式。

3.按功能分类

（1）低档PLC。

具有逻辑运算、定时、计数、位移、以及自诊断、监控等基本功能，还可以有少量的模块量I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。

主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档PLC。

除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。

有些还可增设中断控制、PID（比例-积分-微分）控制等功能、以试用于复杂控制系统。

（3）高档PLC。

除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT可编程控制器原理与应用显示、打印和更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

一般低档机多为小型PLC，采用整体式结构；

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采用模块式结构。

4.按生产厂家分类

目前世界上PLC按地域分成三大块：

美国、欧洲和日本。

日本和美国的PLC产品较相似。

占PLC市场80%以上的生产公司有德国的西门子（SIEMENS）公司、法国的施耐德（SCHNEIDER）自动化公司、日本的欧姆龙（OMRON）和三菱（MITSUBISH）公司。

目前国内常用的主要是三菱FX系列小型机和西门子S7-300、S7-400中大型机等。

的结构

1PLC的硬件系统

PLC一般由四大部分构成：

CPU、存储器I/O系统以及其他可选部件。

前三大部件是PLC完成各种控制任务所必须的，一般称为PLC的基本组成部分，其他可选部件包括编程器、外存储器、仿真I/O、通信接口、扩展接口以及测试设备等，主要用于系统的编程组态、程序储存、通信联网、系统扩展和系统测试等。

图所示为PLC结构示意图。

图PLC结构示意图

1.CPU

CPU是PLC的核心部件。

PLC中CPU的概率与普通微型计算机的CPI有很大的不同。

在PLC中，CPU指的是一个CPU模块，其上不仅包括CPU芯片，还有RAM和ROM活着EPROM，用于存放系统程序、用户程序和数据。

在中大型PLC中一般由两块CPU芯片，一片用作字处理器（主处理器），用于字节指令的处理，并实现各种控制作用；

另一片用作位处理器（辅助处理器），用于实现位信息的高速处理。

2.数字I/O接口

CPU模块与外部开关量信号之间的接口，它完成诸如电平转换、电器隔离、串/并型数据转换以及对外提供一定的驱动能力等工作。

数字I/O信号常来自按钮、开关和继电器触点等实际开关量，以及其他外设或受控对象送来的数字量。

3.模拟I/O接口

其输入部分主要完成阻抗匹配、信号放大、信号滤波、I/V变换、V/F变换或者A/D变换等工作，以便将来自受控对象的仿真量转换成PLC能够处理的数字量；

其输出部分主要实现阻抗匹配、功率放大、波形矫正等功能，在一些场合下，仿真信号也需要与现场电气隔离，但仿真信号的隔离比数字信号要复杂的多，用于数字信号的光电隔离因线性度较差而不能用来隔离仿真信号，因此仿真信号常常采用成本较高的隔离放大器来实现电气隔离。

4.电源

PLC中的电源一般有三类:

（1）+5V、±

15V直流电源：

供PLC中TTL芯片和集成运放使用。

（2）供输出接口使用的高压大电流的功率电源。

（3）锂电池及其充电电源。

PLC一般使用的是AC220V电源，也可使用DC24V供电。

5.编程器

编程器是PLC重要的外部设备，是人机对话的窗口，它可将用户程序输入PLC的存储器内，还可用于检查程序、修改程序，编程器还用于监视PLC的工作状态。

编程器一般分为简易型和智能型两类。

2PLC的软件系统

1.系统监控程序

用于控制PLC本身的运行。

主要由系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块组成，供系统调用。

2.用户程序

它是有PLC的使用者编织的，用于控制被控制装置的运行。

的工作原理

1PLC的工作方式

PLC采用循环扫描方式。

即从用户程序的第一条指令开始执行，在无中断或跳转的情况下，顺序扫描到结束符后再返回第一条指令，如此周而复始地不断循环。

其扫描过程如图所示，当PLC处于STOP状态时，只完成内部处理和通信操作，只有当PLC处于RUN状态时，PLC才会继续向下进行输入处理、程序执行和输出处理阶段，这三个阶段完成进入下一个扫描过程。

1.内部处理

在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器

，以及完成一些其他内部工作。

2.通信操作

在此阶段，PLC与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令更新编程器的显示内容等，当PLC处于停止状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。

3.输入处理

输入处理也叫输入采样。

在此阶段顺序读入所有输入端子的通段状态，并将读入的信息存入对应的映像寄存器，在输入映像寄存器被刷新，接着进入程序的执行阶段。

4.程序执行

根据PLC梯形图程序扫描原则，按选左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。

但遇到程序跳转指令，则更具跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。

若用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。

5输出处理

程序执行完毕后，将输出映像寄存器，即元件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通关隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

2PLC的扫描周期

PLC全过程扫描一次所需要的时间成为扫描周期，它的长短与用户程序的长度、I/O点数及CPU的处理通讯过程等因素都有关系。

由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入法生了变化，输入状态映像寄存器的内容也不会变化，要等下一周期的输入处理阶段才能改变。

输入映像寄存器中的输入信号，要等到一个周期循环结束后，CPU才会将这项输出信号全部送给输出锁存器。

因此输入输出的状态保持一个扫描周期变，故需要脉冲输入的宽度必须要大于一个扫描周期。

一般输入采样和输出刷新只要1-2ms,扫描时间主要由用户程序决定，一般为1-100ms。

3PLC的I/O滞后时间

输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由于输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。

输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入点动作时才是的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。

输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；

双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为1ms负载由通电到断电时的周瑜打滞后时间为10ms；

晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms一下

由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。

PLC总的响应延迟时间一般只有几十毫秒，对于一般的系统是无关紧要的要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。

的编程语言

PLC的编程语言可分为两大类；

图形化编程语言和文本化编程语言。

图形化编程语言有梯形图（LD））语言、顺序功能图（SFC）语言、功能块图（FBD）语言；

文本化编程语言包括：

指令表（IL）语言和结构文本（ST）语言。

1梯形图编程语言（LD）

梯形图编程语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一中程序设计语言。

采用梯形图编程语言，程序采用梯形图的形式描述，这种编程语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，没个梯级是一个因果关系，在梯级中，描述事件发生的条件表示在左边事件发生的结果表示在后面。

梯形图编程语言是最常用的一种编程语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。

在工业过程控制领域，电气技术人员对这种有逻辑控制技术发展而来的梯形图深为喜爱，使之得到了广泛的应用。

梯形图编程语言的特点是：

与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；

与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于掌握和学习。

2顺序功能图语言（SFC）

顺序功能图语言具有图形表达方式，能较简单和清除地描述并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统中的死锁、不安全等反常现象进行分析和建模，在模型的基础上能直接编程，所的到了广泛应用。

顺序功能图语言的特点是:

以功能为主线，条理清除，便于对程序操作的理解和沟通；

对大型的程序可分工设计，采用较灵活的程序结构，可节省程序设计时间和调试时间；

常用语系统规模较大，程序关系复杂的场合。

3功能块图语言（FBD）

功能块图语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。

它有若干个输入端和输出端，通关软连接的方式，分别连接到所需的其他端子，完成所需的控制运算或控制功能。

功能模块可以分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的范围不同。

由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方法的更改、信号连接的替换等操作可以很方便实现。

功能块图语言的特点是：

功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；

对控制规模较大、控制关系复杂的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，编程和组态时间可以缩短，调试时间也随之减少；

由于每种功能模块需要占用一定的程序内存，故这种设计语言在大中型可编程控制器中才被采用。

4指令表语言（IL）

指令表语言是一种低级语言，与汇编语言很相似，它可以用来描述功能、功能块和程序的行为，还可以在顺序功能流程图中描述动作和转变行为。

指令表语言用于调用，如有条件和无条件地调用功能块和功能，还能执行赋值以及在区段内执行有条件或无条件的转移。

指令表语言不但简单易学，而且非常容易实现，不通过编译就可以下载到PLC。

其他语言如功能块图语言、结构化文本语言等都可以转换为指令表语言。

指令表语言具有下列特点：

采用助记符来表示操作功能，容易记忆，便于掌握；

在编程器的键盘上采用助记符来表示，便于操作；

可在无计算机的场合进行编程设计，与梯形图有一一对应关系。

5结构文本语言（ST）

结构文本语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种编程语言，它是一种类似于高级语言的编程语言。

在大中型的可编程序控制器系列中，常采用结构文本语言来描述控制系统中各个变量之间运算关系。

大多数制造厂商采用的结构文本语言与BASIC语言、Pascal语言、C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面进行了简化。

结构文本语言具有的特点：

采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；

需要有一定的计算及高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，直观性和易操作性等性能较差；

在采用其他语言较难实现的编程中，常采用该编程语言进行编程。

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：

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,S

LDI（取反）常闭触点与母线相连X，Y，M，T，C,S

OUT（输出）线圈驱动Y，M，T，C，S,F

LD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地址指令数据

0000LDX000

0001OUTY000

2触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI）

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,S

ANDI（与非）常闭触点串联连接X，Y，M，T，C,S

OR（或）常开触点并联连接X，Y，M，T，C，S

ORI（或非）常闭触点并联连接X，Y，M，T，C，S

AND、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。

X001X002Y001地址指令数据

0002LDX001

X0030003ANDIX002

0004ORX003

0005OUTY001

3电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）

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。

ANB

地址指令数据

0000LDX000

0001ORX001

0002LDX002

0003ANDX003

0004LDIX004

0005ANDX005

0006ORX006

0007ORB

0008ANB

0009ORX003

0010OUTY006

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）程序结束无

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