郭前进关于交通灯的PLC程序设计Word下载.docx

1、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

2、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（Programmable logic Controller，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（International Electrical Committee）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

3、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。”1.2 PLC的特点及应用1.2.1 PLC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。1.2.2 PLC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

4、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

5、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

6、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

7、的PLC都具有通信接口，通信非常方便。1.3 PLC的结构及原理1.3.1 PLC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，

8、 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

9、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

10、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AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同等级

11、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DC 24V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、P

12、LC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PLC64点以下1-2KB（字节）小型PLC64-128点2-4KB（字节）中型PLC128-512点4-16KB（字节）大型PLC512-8192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

13、有以前中、大型机的功能1.3.2 PLC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

14、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，

15、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，

16、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。1.3.3 PLC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，IEC11313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

17、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

18、，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

19、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（Bus bar）。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“

20、概念电流”或“能流”（Power flow）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、

21、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，

22、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，

23、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 X000 X0001 Y000 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 0000 LD X000 0001 OR X010 0002 AND NOT X001 0003 OUT Y0000004 END 反之根据助记符

24、，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

25、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，

26、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

27、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

28、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。3.2 PLC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