基于PLC在交通灯方面的应用Word格式.docx
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3．3．2急车强通控制程序
第四章总结与展望
参考文献
致谢
附
论文摘要
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。
本文是介绍基于可编程序控制器在交通系统的运用，系统介绍了可编程序控制器的基本原理，罗克韦尔公司的小型可编程控制器MicroLogix1500的应用，以及RSLinx500和RSLinx软件的操作方法，介绍了课件设计的相关软件Macromedia公司的Dreamweaver、Flash、Fireworks、Authorware和相关语言HTML、FlashScript、JavaScript，以及课件设计的过程。
关键词：
PLC（可编程序控制器）、智能交通、交通灯、课件设计
随着科学技术的进步，尤其是电子技术的发展，研制生产了固态器件，以取代电磁继电器。
使用晶体管和集成电路，是固态器件日益变得更加经济可靠，所以一些公司如GeneralElectric,Westinghouse及Allen-Bradly等开发了固态电路控制系统。
这些系统大大增加了控制系统的可靠性，降低了控制系统的成本。
工业上设计的继电器称为控制继电器。
汽车制造工业是它的一大用户，它被汽车生产过程中的操作人员，用以操纵和控制机器设备。
为了在设备类型更换期间降低继电器控制系统的成本，通用汽车公司液压传动分部1968年起草了有关“可编程序逻辑控制器”详细技术规范。
该规范反应了自动化工业及其它各类制造工业的用户的要求与愿望。
如GeneralElectric,Struther-Dunn,DigitalEquipmentCorporation,InformationInstruments,均对该规范产生了极大兴趣。
1969年美国数字设备公司（DEC公司）首先研制窗户第一台可变程序控制器PDP-14。
不久，其它的一些著名的电子控制设备生产厂家开始生产出自己设计的PLC产品。
从今天的标准来看，尽管早期的PLC产品是简单的，但是它们确能满足通用汽车公司技术规范上的基本要求。
这些要求主要可归纳为以下十条：
（1）在使用者的工厂里，必须能以最短中断服务时间，迅速而方便的对其控制的硬件或设备进行编程及重新进行程序设计。
（2）所有的系统组建必须能够在工厂无特殊支持的设备、硬件及环境条件下运行。
（3）系统维修必须简单易行。
在系统中应设计有状态指示器及插入式模板，以便在最短停车时间内使维修和故障诊断工作变得简单易行。
（4）由于工厂占用的空间耗费了一定的资金，所以控制硬件占用的空间必须比它所代替的继电器控制系统占用的空间要小。
此外，与现在的继电器控制系统相比，PLC系统的耗能也应较少。
（5）可编程序控制器必须能够与中央数据收集系统进行通信，以便监视系统运行状态及允许情况。
（6）系统将能接收来自已有的标准控制系统中的按钮及限位开关的交流信号。
（7）逻辑控制器的输出信号必须能够驱动以交流运行的电动机启动器及电磁阀线圈。
每个输出设计为可启停和连续操纵具有额定电流的负载设备。
（8）控制硬件必须能以最小的变动及在最短更换和停机时间内，从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。
（9）在购买及安装费用上，PLC系统应以现行使用的继电器及固态逻辑系统相比更具竞争能力。
（10）可编程序控制器的存储设至少可以被扩展到4K存储字节或存储单元的容量。
今天生产的PLC产品不仅能满足汽车工业最初制定的标准，而且远远超过了这些要求。
PLC实质上是一个可替代工业继电器控制系统的具有更灵活及更可靠的专用计算机。
如图1.1.1所示，PLC是一个能够完成各类控制系统功能的集装成一体的完整的小型控制系统。
1.1.2可编程序控制器的定义
可编程序控制器一直在发展中，因此，到目前为止，还不能对其下最后的定义。
美国电器制造协会NEMA（NationalElectricalManufacturersAssociation）在1980年时给可编程序控制器下了一个定义：
“PLC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算功能，并通过数字或模拟的输入或输出，以控制各种机械或生产过程。
一部数字电子计算机若是用来执行PC之功能者，亦被视同为PC。
但不包括鼓式或机械式顺序控制器。
”
国际电工委员会（IEC）1987年2月对可编程控制器如下定义：
“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。
定义强调了可编程序控制器是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机。
它是“专门为工业环境下应用而设计”的工业计算机。
这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。
定义强调了可编程序控制器应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和适用范围。
这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。
可编程序控制器与以往所讲的鼓式、机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。
由于PC引入了微处理器及半导体存储器等新型电子器件，并用规定的指令进行编程，即用软件方式来实现“可编程”的目的。
可编程序控制器为了适应在工业环境中使用，有如下特点：
（1）编程简单，使用方便。
PLC是面向用户的设备，因此大部分的PLC都充分考虑到现场工程人员的技能与习惯，尽量采用简单易行的编程语言，例如用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。
梯形图与继电器原理图类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺之时的人员都可在短时间内学会，因此是目前PLC中最常用的一种编程语言。
（2）控制系统构成简单，通用性强。
PLC产品种类繁多，利用琳琅满目的各种组建（如I/O模块、通信模块、人机界面等）就可以灵活的组成各种大小和不同要求的控制系统。
在构成可编程序控制器系统时，只需要在其I/O组建的端子上接入相应的输入输出线即可，不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线线路。
当控制要求改变需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序；
同一个可编程序控制器用于不用的控制对象时，只需要改变其输入输出组件和编制不同的控制程序即可，修改程序容易简单易行。
有的可编程序控制器还可以直接与交流220V、直流24V等强电相连，从而提高其带负载的能力。
（3）抗干扰能力强，可靠性高。
工业生产一般对控制设备的可靠性提出很高的要求，应具有很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境中可靠的工作，平均故障间隔时间高，平均修复时间短。
可编程序控制器是专为工业控制设计的，在设计和制造过程中采用了多层次的抗干扰措施，并精选元器件，可在恶劣的环境下工作。
PLC采用了微电子技术，大量的开关工作可由无触点的电子电路来完成，许多中间继电器及繁杂的连线可用程序来实现，因此寿命长，可靠性大大提高。
其它在硬件上可以通过屏蔽、滤波、隔离、电源的调整与保护、采用模块式结构等措施，软件上可采取故障监测、信息保护和恢复等方法来提高可靠性。
（4）体积小，维护方便。
PLC体积小，重量轻，非常便于安装。
一般的PLC都具有自诊断功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，使操作人员检查、判断故障迅速方便。
另外，目前大部PLC控制系统都采用模块化结构，接线很少，在查出故障之后，只需更换模块即可，因此维护很方便。
（5）缩短了设计、施工、投产调试的周期。
采用继电接触器控制系统完成一项控制工程，必须首先按工艺要求设计出电气原理图，然后画出继电接触器控制柜的布置及接线图，才能提供订货，而且一旦设计完成，再要修改非常不便。
但采用PLC控制系统，首先，由于其硬、软件配置均采用模块化、积木式结构，只需按要求选用各种组建组装，而大量具体的程序编制工作可在硬件到货后进行，既缩短了设计周期，还可使设计和施工同时进行。
其次，在PLC控制系统中，由于是用软件编程取代由许多继电器硬接线来实现的多种控制功能，因而大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。
第三，由于PLC是通过程序来完成控制的，而且采用了方便用户的工业编程语言，具有强制及仿真的功能，故程序设计、修改和投产调试都很方便、安全，可以大大缩短设计和投运周期。
（6）PLC功能非常齐全。
除了上述特点外，PLC功能也非常齐全。
如具有开关量输入/输出、模拟量输入/输出和大量的内部中间继电器、时间继电器（定时器）、计数器等，具有逻辑控制、顺序控制、信号/数据处理等功能及各种接口功能（可配备的一般I/O接口模块和一些智能模块，如通信模块，高精度定位模块、远程I/O控制等）等。
现在的可编程控制器还具有强大的网络功能，可以通过各种通信接口将数据直接传送给上位机，以实现上位机的数据采集和监控。
如美国Rockwell公司的A-BPLC可以组成诸如以太网（EtherNet）、控制网（ControlNet）、设备网（DeviceNet）及传统的DH＋网、DH485、远程I/O（RemoteI/O）等网络，达达加强了可编程控制器的功能。
正因为可编程控制器如此强大的功能，使其在工业企业中得到了广泛应用。
1.3.1可编程序控制器的工作原理
可编程序控制器实质上是一台工业控制计算机，它的结构与原理和微型计算机相似。
一个可编程序控制器系统的基本组成如图1.3.1所示，它包括以下几个部分：
图1.3.1可编程序控制器系统的基本组成
1、CPU模块
CPU模块是可编程序控制器的核心模块，它主要有微处理器和存储器两部分组成。
（1）微处理器。
由大规模或超大规模集成电路微处理器芯片构成，常用的有Z80A、8031、8086、80286等专用的CPU芯片。
CPU芯片的性能关系到可编程序控制器处理控制信号的能力与速度。
微处理器的功能是：
在系统程序支撑下对整个可编程序控制器系统进行监控；
接收并存储从编程设备输入的用户程序和数据；
对电源、可编程控制器内部各电路的状态和用户编程中的语法错误进行诊断，以使用户进行处理；
进入运行状态后，用扫描方式通过输入模块将现场的输入信号和数据读入用户存储器，然后从用户存储器逐条读取用户程序，经过命令解释后，运行用户程序，最后根据运行的结果刷新有关的寄存器，并将内容送给出入模块，去控制有关执行机构；
微处理器同时实现与外部设备或计算机的数据通信。
（2）存储器。
可编程序控制器的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器主要用来存放可编程序控制器的操作系统程序、用户指令解释程序和编译程序、系统诊断程序和通信管理程序等。
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储区（数据区）。
程序区用来存放用户程序；
数据存储区用来存放运算数据或中间运算的结果。
2、输入/输出（I/O）模块
输入/输出模块是可编程序控制器与现场设备连接的接口。
输入模块用来接收和采集现场设备的输入信号；
输出模块用来向各执行机构输出控制信号。
由于输入输出模块直接连接现场设备，因此一般都满足下述要求：
（1）抗干扰性好，能在噪声较大的场合工作。
（2）输入模块可以直接接受现场信号，不论交流还是直流。
（3）输出模块可以直接驱动交流接触器、电磁阀等现场执行机构。
（4）可靠性和安全性要求高，当万一发生故障时，能安全保护现场设备，不致扩大世故影响。
3、编程设备
编程设备是可编程序控制器系统中最重要的外围设备，利用它可以输入、检查、修改、调试用户程序，也可以在线监视可编程序控制器的工作情况。
4、电源模块
电源模块将交流电源转换成可编程序控制器所需要的直流电源，使可编程序控制器能够正常工作，既可以外挂，也可以内置。
1.3.2可编程序控制器的基本组成
可编程序控制器是一种工业控制计算机，是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。
概括的说，可编程控制器采用了“不断循环顺序扫描”的工作方式：
CPU从第一条指令开始，顺序逐条的执行用户程序，直到程序结束为止茫然后返回第一条指令开始新一轮的扫描。
程序的执行依照程序号顺序进行，相应各电器的动作也串联进行。
其运行框图如图1.3.2：
图1.3.2可编程序控制器的运行框图
第一部分：
上电及内部处理。
上电后对整个系统进行一些初始化工作，如硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保护设定及其它初始化处理。
第二部分：
扫描过程实际上包括三部分。
首先是输入扫描，在具体的用户程序执行前，每次扫描过程都首先要读入各输入模块的全部输入状态，存放在数据存储器当中，以等待用户程序执行时起用。
其次是程序扫描阶段，若此时CPU处在运行状态，就开始顺序执行程序，在梯形图中，程序按先左后右、先上后下的次序执行，通过逻辑判断和算术运算将每步的结果写入相关的存储器当中。
最后是输出扫描，当程序扫描完毕，将数据存储器当中的输出信号送至各输出模块，再经输出模块锁存、隔离和功率放大后，驱动外部负载。
第三部分：
诊断及出错处理。
可编程序控制器每扫描一次，就执行一次自诊断，检查诸如CPU、电池电压、程序存储器、I/O通信是否异常或出错。
如查出错误或异常，CPU面板上指示灯就会指示，并在特殊存储器中存入出错代码；
若出现致命错误，CPU就会被强制成STOP方式，停止扫描。
通常规定，从扫描过程的某一点开始，经过一个循环重新回到该点所需要的时间称为扫描周期。
在可编程序控制器正常运行时，扫描周期的长短与CPU的运算速度有关，与I/O点的情况有关，与编程设备是否接上以及通信服务是否占用有关，与用户应用程序的长短及所使用的命令有关。
如果忽略可编程控制器的通信服务时间，忽略更新时钟及进行自诊断的时间，忽略I/O刷新的响应滞后时间，扫描周期就是程序执行时间和I/O扫描时间之和。
1、存储容量
可编程序控制器的存储器由两部分组成，一部分用来存放系统程序，在机器形成时由生产厂家将程序写入；
另一部分用来存放用户程序及所需的数据。
存储容量一般指后者，包括程序存储器与数据存储器。
2、控制容量
可编程序控制器的控制容量就是I/O容量，也叫I/O能力，通常以离散量个
数计。
I/O模块、数据存储器与程序存储器之间的关系如图1.3.3：
3、扫描周期
可编程序控制器扫描周期也叫处理器扫描时间。
机器上电后先进行初始化工作，如复位定时器、检查I/O组件连接等，然后再次进出上开始进入系统的扫描周期，如图1.3.4。
通常，将输入扫描与输出扫描合称为I/O扫描，因此处理器扫描时间为I/O扫描与程序扫描（逻辑扫描）之和。
4、指令功能及软件支持
可编程序控制器发展到现在，不仅I/O能力大大争强，且实现了对模拟量的各种控制，其指令系统也得到充分的扩展，变得相当完善。
而且其开发手段也从早期的专用编程设备移到计算机上进行，开发环境更加完善，使PLC的开发、调试可以在一台计算机上完成，从而缩短了应用系统的开发时间。
5、网络与通信
如今网络通信能力成了PLC的一个重要指标。
只有具备网络通信能力的PLC才有可能完成工厂级的控制。
可编程序控制器根据在控制系统中的不同需要，通常内置不同的通信功能或集合几种通信功能。
可编程序控制器的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。
但最近几年，可编程控制器的应用面越来越扩大，其主要原因是：
一方面由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，因此可编程控制器的价格也下降；
另外，可编程控制器的功能大大增强，也能解决复杂的计算和通信功能，可编程控制器的应用也越来越广。
目前，可编程控制器在国内外已广泛应用在钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等行业。
可编程控制器应用范围可分为如下四种类型：
（1）顺序控制
这是近日可编程控制器最广泛的应用领域，它取代传统的继电器顺序可控制，应用于单机控制、多机群控制、生产线自动控制，如：
注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线及电梯控制等等。
（2）运动控制
制造商们目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
在多数的情况下，可编程控制器把描述目标位置的数据送给模块，木块移动一轴或数轴到目标位置。
相对来说，位置控制模块比CNC装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便。
（3）过程控制
可编程控制器能控制大量的物理参数，如：
温度、压力、速度、流量。
PID（Proportional-Integral-Derivative）模块的提供使可编程控制器具有了闭环控制的功能，即具有PID控制能力的可编程控制器可用于过程控制。
当由于过程控制种某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。
（4）数据处理
在机械加工中，出现了把支持顺序控制的可编程控制器和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋势。
从未来的发展来看，可编程控制器的发展可能会向下列几个方面发展：
（1）产品规模向大、小两个方向发展
从小型化方向来看，力求结构紧凑，价格低廉，操作方便，并且向专业化发展，功能上实现以前中型大型才能实现的功能。
从大型方向来看，力求大容量，高速度，多功能。
（2）体系结构开放化及通信功能标准化
（3）I/O模块智能化及专业化
（4）编程组态软件图形化
（5）发展集成技术及容错指令
另外，可编程控制器产品还可以广泛采用计算机信息处理技术，网络通信技术和图形显示技术，使可编程控制系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体，实现控制与管理功能一体化。
美国罗克韦尔自动化公司（简称RockwellAutomation）A-B公司是全球最早生产PLC的厂家之一，也是全球PLC最为先进的厂家之一。
A-B的PLC在通信网络、编程软件等方面具有独特的优势。
（1）A-B的世界级的自动化系统给用户提供了一个开放型的网络。
这是一个完整的开放型的网络，它包括三个网络层，如图1.4.1。
在设备层，采用DeviceNet
将底层的设备直接接连到车间控制器上，这种连接无需通过I/O模块。
在控制层，采用ControlNet网络，它满足了连接PLC处理器、I/O计算机、高信息吞吐量应用的要求。
控制网络组合了I/O网络和对等网络的功能，同时提供了这两个网络的高速性能。
利用控制网的5Mb/s传输速率，可以重复传输关键数据，同时也支持非实时关键数据的传输。
采用以太网EtherNet（支持TCP/IP协议）将控制系统和管理系统集成起来。
罗克韦尔A-B还有传统意义上的远程I/O链路（REMOTEI/O）、增强型数据高速公路（DH+）、DH485等通信网络。
通过这些网络，就可以构成一个开放性网络。
（2）A-B提供了功能强大的可编程序控制器系列。
A-B的可编程控制器产品很多，从其容量的角度（即I/O点数），可从大到小分为PLC-5，SLC-500以及MicroLogix1000，而每一种又可以按I/O点数、通信类型、功能的不同分成很多类型，以满足不同的工业控制要求。
最近A-B公司又推出了功能更加灵活、方便的MicroLogix1500，大大丰富了可编程序控制器的类型。
（3）A-B提供了品种齐全的I/O模块。
A-B的I/O产品非常丰富，可以满足不同系统的需要，如离散量I/O模块、模拟量I/O模块、特殊I/O模块等。
（4）罗克韦尔为A-B公司的PLC还提供了功能强大的编程仿真通信监控等软件及一些特殊应用的特殊软件，这些软件使用方便、功能强大，并都运行在Windows系列平台下，与微软的应用软件完全兼容，因而直观、易学、方便。
（5）罗克韦尔自动化公司还提供了诸如操作员接口（OperatorInterface）、各种电缆及连接器、各种工控机和各种编程器，还有他们生产的智能马达控制器、马达控制中心、变频器、机械传动装置及部件、运动控制产品、工控器件、电力监控模块等。
总之，可编程序控制器在现代化工业中具有很重要的地位。
2．1交通灯控制系统设计
城市路口交通信号控制系统大体上分为三种类型：
定周期的信号机、多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。
具体采用哪种类型。
应根据其应用场合及特点加以确定。
其中。
第一种类型以其成本低，设计简单。
安装及维护方便等特点得到了广泛应用。
本文讨论的城乡交通灯控制系统就属于该种类型。
该交通灯控制系统主要由时间发生器电路、光电检测电路、控制电路等几个部分组成。
时间发生器电路由一片74191、时钟脉冲产生电路和几个门电路构成，其中时钟脉冲产生电路如图2所示。
时钟脉冲产生电路用一片555定时器构成多谐振荡器，设计脉冲周期为4s，其计算公式为TI=（2R2+R1）Cln2=O．7x5．7MQ×
l，以此信号作为74191的CP。
74191的四个状态输出端QAQBQCQD可用四个门电路进行译码。
当QAQBQCQD=0000时，电路输出低电平信号给D触发器和控制电路的I。
输入端；
而当QAQBQCQD=1000时，电路输出高电平信号给黄灯驱动电路。
74191接成减计数工作状态，面信号由控制电路的Q提供，应将置数输入端A、C接高电平Vcc。
B、D端接D触发器的输出端，还可根据D触发器的不同输出状态置入数5和数l5。
2．2控制电路
控制电路主要由单稳态触发器、RC电路和反相器构成，电路如图3所示。
该电路有两个输入端和三个输出端。
当QAQBQCQD=0000时，输入端Io为低电平，此时信号将直接经Q输出给e以进行异步置数，因此74191的0000状态持续时间很短暂。
输入端I由光电检测电路的输出信号提供，当有车辆时，输出低电平；
无车辆时输出高电平。
输出信号O1=I1，而输出信号02而由Il经反相器、RC电路和一单稳态电路得来。
O1的作用是当乡间道无车辆时，保持主干道绿灯亮，乡间道红灯亮。
当主干道绿灯变亮并检测到道路有车辆（即ll-0）时，02触发单稳态电路并维持主干道绿灯亮66s，即T2：
RCln3=I．1x6Ml~xlOtxf=66（s）。
2．3光电检测电路
光电检测电路由光源和光电三极管构成．该电路可根据需要选择现成产品，如CP850系列的CP851。
该器件的光电传感器传输距离可达15m。
2．4交通灯控制及驱动电路
交通灯控制电路由一个D触发器、一个三输
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