畢業(yè)設(shè)計（論文）基于可編程器件（PLC)的交通控制器的設(shè)計

1、畢 業(yè) 論 文題 目: 基于可編程器件（plc)的交通控制器的設(shè)計 院系名稱：機電一體化 專業(yè)班級：08 大 專 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2011 年 2 月 20 日摘 要近年來隨著科技的飛速發(fā)展，plc的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動控制中。據(jù)統(tǒng)計，可編程控制器是工業(yè)自動化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認(rèn)為，可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，plc、機器人、cad/cam將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。由于plc具有對使用環(huán)境適應(yīng)性強的特性，同時其內(nèi)部定時器資

2、源十分豐富，可對目前普遍使用的“漸進(jìn)式”信號燈進(jìn)行精確控制，特別對多岔路口的控制可方便地實現(xiàn)。因此現(xiàn)在越來越多地將plc應(yīng)用于交通燈系統(tǒng)中。同時，plc本身還具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能，將同一條道路上的信號燈組成一局域網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，可縮短車輛通行等候時間，實現(xiàn)科學(xué)化管理。在實時檢測和自動控制的plc應(yīng)用系統(tǒng)中，plc往往是作為一個核心部件來使用，僅plc方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合，加以完善。十分形象地顯示出了plc在交通燈系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。關(guān)鍵字：plc 交通燈 程序 設(shè)計 traffic lights based on plc designabst

3、ractin recent years, with the rapid development of science and technology, plc application is continuously, while driving to the deepening traditional control test new month jether updates. it is simple in structure, programming, convenient and high reliability etc, has been widely used in industria

4、l process and position in the automatic control. according to statistics, programmable controller is applied in industrial automation devices most kind equipment. experts think, programmable controller will become the main means and industrial control equipment, one of the important basis of plc, ro

5、bots, cad/cam will become the industrial production of the three pillar. due to the use environment of plc has characteristics of strong adaptability, and its internal timer resources are very rich, but the current widely used progressive lights precise control, especially for the crossway control c

6、an be easily realized. so now increasingly applying plc traffic system.meanwhile, plc itself also has communication networking functions, same path on the coast as part of a lan unified dispatching management, can shorten the traffic waiting times, to realize scientific management. in real-time dete

7、ction and automatic control of plc application system, plc is often as a core component to use, only plc aspects knowledge is not enough, should according to specific hardware structure, and the view of the specific application object characteristics of software combines, perfected. very vividly sho

8、ws plc in traffic lights system of practical application.keyword plc traffic lights program report design目 錄 引 言 .41.plc的概述.5 1.1 plc的產(chǎn)生.51.2 plc的定義.51.3 plc的特點.61.4 plc的系統(tǒng)構(gòu)成.71.5 plc控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)的區(qū)別.81.6 plc的等效電路和工作原理.91.6.1 plc的等效電路.91.6.2 plc的周期工作方式.101.7 plc的應(yīng)用領(lǐng)域.101.8 plc的分類.111.9 plc的指令.131.10 p

9、lc的發(fā)展方向.152 交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計.162.1 十字路口交通信號燈的控制要求.162.2 plc機型和容量的選擇步驟與原則.182.3 plc容量的選擇步驟與原則.202.4 本系統(tǒng)選擇的plc.212.5 可編程控制器i/o端口分配.212.6 plc的外部接線圖 .22 3. 交通燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計.223.1 交通燈控制的工作原理. 22 3.2 梯形圖對應(yīng)的語表.23總 結(jié).30致 謝.31參考文獻(xiàn).32引 言十字路口交通燈的控制，有效地解決了復(fù)雜的交通路況問題，保障了行人與車輛的安全，節(jié)省了大量的警力資源，維護了正常的交通集序。實現(xiàn)十字路口交通燈系統(tǒng)的控制的方法很多，可以

10、用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件、單片機、可編程序控制器plc等方案來實現(xiàn)。其中用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件來實現(xiàn)電路在很大程度上要受到邏輯器件如門電路等的影響，調(diào)試工作極為不易；單片機的開發(fā)周期長，對使用者的要求高 ，使用難。，可編程控制器plc的功能日益完善，加上小型化、價格低、可靠性高，在現(xiàn)代工業(yè)中的作用更加突出。同時，plc本身還具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能，將同一條道路上的信號燈組成一局域網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，可縮短車輛通行等候時間，實現(xiàn)科學(xué)化管理。在該設(shè)計中，還引入f940觸摸屏模擬十字路口紅綠燈閃亮及車輛通行，十分形象地顯示出了plc在交通燈系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。第一章 plc的概述1.1 plc的產(chǎn)生傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡

11、單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用甚廣。但是，這些控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是接線復(fù)雜、排除故障非常困難而且要花費大量的時間。如果工藝要求發(fā)生變化，控制柜內(nèi)的元件和接線也需要作相應(yīng)的變動，改造的工期長、費用高，通用性和靈活性較差。1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司（gm），為了適應(yīng)汽車型號的不斷翻新，想尋找一種方法，以盡可能減少重新設(shè)計繼電器控制系統(tǒng)和接線、降低成本、縮短時間，而考慮把計算機的功能完善、通用靈活等優(yōu)點與繼電器控制的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，提出了研制plc的基本設(shè)想：1.編程簡單方便，可在現(xiàn)

12、場修改程序；2.硬件維護方便，最好是插件式結(jié)構(gòu)；3.可靠性要高于繼電器控制裝置；4.體積小于繼電器控制裝置；5.可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機；6.成本上可與繼電器競爭；7.輸入可以是交流115v；8.輸入為交流115v，2a以上，能直接驅(qū)動電磁閥；9.擴展時，原有系統(tǒng)只需做很小的改動；10.用戶程序存儲器容量器容量至少可以擴展到4k。根據(jù)以上設(shè)想和要求，1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（dec）研制出世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的汽車生產(chǎn)線上試用成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制的新局面。從此，這一更新技術(shù)就以很快的速度發(fā)展起來，現(xiàn)代的plc已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（plc，機器人和cadca

13、m）之一。1.2 plc的定義plc即可編程控制器（programmable logic controller，是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（international electrical committee）頒布的plc標(biāo)準(zhǔn)草案中對plc做了如下定義： plc英文全稱programmable logic controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸

14、出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程.plc是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說有半導(dǎo)體的地方就有plc。 plc是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。plc及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。1.3 plc的特點1編程方法簡單易學(xué)考慮到企業(yè)中一般電氣技術(shù)人員和技術(shù)工人的傳統(tǒng)讀圖習(xí)慣和應(yīng)用微機的實際水平，plc配備有

15、他們最容易接受和掌握的梯形圖語言。梯形圖語言的電路符號和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖非常接近。而且某些僅有開關(guān)量邏輯控制功能的plc只有十幾條指令。通過閱讀plc的使用手冊或短期培訓(xùn)，電氣技術(shù)人員或技術(shù)工人只要幾天的時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。2硬件配套齊全，用戶使用方便plc配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶不必自己設(shè)計和制作硬件裝置。用戶在硬件方面的設(shè)計工作只是確定plc的硬件配置和外部接線。plc的安裝接線也很方便。3通用性強，適應(yīng)性強 plc的生產(chǎn)具有系列化和模塊化特點，硬件配置相當(dāng)靈活，可以很方便地組成能滿足各種控制要求的控制系統(tǒng)。組成系統(tǒng)后，如果工藝變化，

16、可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)變化。4可靠性高，抗干擾能力強 絕大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。plc采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。plc的平均無故障間隔時間高，如日本三菱公司的f1、f2系列plc的平均無故障間隔時間長達(dá)30萬小時，這是一般微機所不能比擬的。5系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少plc用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少。plc的梯形圖程序很容易掌握，設(shè)計和調(diào)試梯形圖所花的時間比設(shè)計繼電器系統(tǒng)電路圖花的時間要少得多。6維修工作量小，維修方便p

17、lc的故障率很低，并且有完善的診斷和顯示功能。plc或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)plc上的指示燈或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因。用更換模塊的方法可以迅速地排除plc的故障。7體積小，能耗低 以f1意40m型plc為例，其外形尺寸為305ll0110mm，功耗小于25va。由于體積小，plc很容易裝入機械設(shè)備內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想的控制設(shè)備。1.4 plc的系統(tǒng)構(gòu)成plc實際上是一種工業(yè)控制計算機。它的硬件結(jié)構(gòu)與一般微機相似，主要由主機、i/o擴展機、外圍設(shè)備三部分組成。1主機主機由cpu（微處理器）、存儲器、輸入輸出單元、電源等部分組成。cpu是plc的核心，其

18、作用類似于人的大腦。它能夠識別用戶按特定格式輸入的指令，并按照指令完成預(yù)定的控制任務(wù)。另外，它還能識別用戶所輸入的指令序列的格式和語法錯誤，還具有系統(tǒng)測試與診斷功能。plc的存儲器有兩種：系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。系統(tǒng)程序存儲器主要用于存放系統(tǒng)正常工作所必須的程序，如系統(tǒng)診斷程序、鍵盤輸入處理程序、指令解釋程序、監(jiān)控程序等。這些程序與用戶無直接關(guān)系，已由廠家直接固化進(jìn)eprom中，不能由用戶直接存取、修改。用戶程序存儲器主要存放用戶程序（用戶利用plc的編程語言按不同控制要求所編制的控制程序或數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于設(shè)計繼電器控制系統(tǒng)硬接線的控制電路圖），可通過編程器進(jìn)行修改。輸入輸出（io）單元

19、是plc與輸入控制信號和被控制設(shè)備連接起來的部件，輸入單元接收從開關(guān)、按鈕、繼電器觸點和傳感器等輸入的現(xiàn)場控制信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成cpu能接收和處理的數(shù)字信號。輸出單元接收經(jīng)過cpu處理過的輸出數(shù)字信號，并把它轉(zhuǎn)換成被控制設(shè)備或顯示裝置所能接收的電壓或電流信號，以驅(qū)動接觸器、電磁閥和指示器件等。電源部件是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的裝置，它向plc提供所需要的直流電源。電源組件具有很高的抗干擾能力，適合工業(yè)現(xiàn)場使用，供電穩(wěn)定、安全可靠。電源組件內(nèi)還裝有備用鋰電池，以保證在斷電時保存必要的信息。plc還有各種接口，plc通過這些接口可與監(jiān)視器、打印機、其它的plc或計算機等相連。2i/o擴展機每種

20、plc都有與主機相配的擴展模塊，用來擴展輸入、輸出點數(shù)，以便根據(jù)控制要求靈活組合系統(tǒng)。plc擴展模塊內(nèi)不設(shè)cpu，僅對i/o通道進(jìn)行擴展，不能脫離主機獨立實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。3外部設(shè)備外部設(shè)備包括編程器、盒式磁帶機、打印機、eprom寫入器、圖形監(jiān)控系統(tǒng)等。其中編程器是plc必不可少的重要外圍設(shè)備，由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關(guān)和外存儲器接插口等部件組成，主要用于對用戶程序進(jìn)行輸入、檢查、調(diào)試和修改，并用來監(jiān)視plc的工作狀態(tài)。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型編程器只能聯(lián)機編程，且需將梯形圖轉(zhuǎn)化為助記符后才能送入。智能型編程器又稱圖形編程器，它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程，具有圖形顯示功能，

21、可直接輸入梯形圖和通過屏幕對話，但價格較貴?，F(xiàn)在也可在個人計算機上填加適當(dāng)?shù)挠布涌?，利用生產(chǎn)廠家提供的編程軟件包就可將計算機作為編程器使用，而且還可以在計算機上實現(xiàn)模擬調(diào)試。plc與打印機相連可將過程信息，系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印。當(dāng)與監(jiān)視器相連時可將控制過程圖象顯示出來。當(dāng)plc與plc相連時，可組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)更大規(guī)?？刂啤．?dāng)plc與計算機相連時，可組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合系統(tǒng)。1.5 plc控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)的區(qū)別1.在控制方法上電器控制系統(tǒng)控制邏輯采用硬件接線，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)等組合成控制邏輯，其連線多且復(fù)雜、體積大、功耗大，系統(tǒng)構(gòu)成后，想

22、再改變或增加功能較為困難。另外，繼電器的觸點數(shù)量有限，所以電器控制系統(tǒng)的靈活性和可擴展性受到很大限制。而plc采用了計算機技術(shù)，其控制邏輯是以程序的方式存放在存儲器中，要改變控制邏輯只需改變程序，因而很容易改變或增加系統(tǒng)功能。系統(tǒng)連線少、體積小、功耗小，而且plc所謂“軟繼電器”實質(zhì)上是存儲器單元的狀態(tài)，所以“軟繼電器”的觸點數(shù)量是無限的，plc系統(tǒng)的靈活性和可擴展性好。2.在工作方式上在繼電器控制電路中，當(dāng)電源接通時，電路中所有繼電器都處于受制約狀態(tài)，即該吸合的繼電器都同時吸合，不該吸合的繼電器受某種條件限制而不能吸合，這種工作方式稱為并行工作方式。而plc的用戶程序是按一定順序循環(huán)執(zhí)行，所

23、以各軟繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通中，受同一條件制約的各個繼電器的動作次序決定于程序掃描順序，這種工作方式稱為串行工作方式。3.在控制速度上繼電器控制系統(tǒng)依靠機械觸點的動作以實現(xiàn)控制，工作頻率低，機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。而plc通過程序指令控制半導(dǎo)體電路來實現(xiàn)控制的，速度快， 程序指令執(zhí)行時間在微秒級，且不會出現(xiàn)觸點抖動問題。4.在定時和計數(shù)控制上電器控制系統(tǒng)采用時間繼電器的延時動作進(jìn)行時間控制，時間繼電器的延時時間易受環(huán)境溫度和溫度變化的影響，定時精度不高。而plc采用半導(dǎo)體集成電路作定時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度高，定時范圍寬，用戶可根據(jù)需要在程序中設(shè)定定時值，修改方便，不受環(huán)

24、境的影響，且plc具有計數(shù)功能，而電器控制系統(tǒng)一般不具備計數(shù)功能。5.在可靠性和可維護性上由于電器控制系統(tǒng)使用了大量的機械觸點，其存在機械磨損、電弧燒傷等，壽命短，系統(tǒng)的連線多，所以可靠性和可維護性較差。而plc大量的開關(guān)動作由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成，其壽命長、可靠性高，plc還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調(diào)試和維護提供了方便。1.6 plc的等效電路和工作原理1.6.1 plc的等效電路plc的工作酷似一個繼電器系統(tǒng)，其等效電路可分為三部分：輸入部分、內(nèi)部控制電路和輸出部分。輸入部分這部分的作用是收集被控設(shè)備的信息或操作命令

25、。輸入端子外接行程開關(guān)、按鈕等的觸頭，內(nèi)連輸入繼電器線圈。輸入繼電器由外部信號通過輸入端子驅(qū)動，可提供無限多對常開、常閉的軟觸點供內(nèi)部使用。內(nèi)部控制電路由用戶根據(jù)控制要求編制的程序所組成，其作用是按用戶程序的控制要求對輸入信號進(jìn)行運算處理，判斷哪些信號需要輸出，并將得到的結(jié)果輸出給負(fù)載。 plc內(nèi)部有許多類型的器件，如定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等，它們都有許多對用軟件實現(xiàn)的常開、常閉觸點。編寫的梯形圖是將這些軟器件進(jìn)行內(nèi)部接線，完成被控設(shè)備的控制要求。輸出部分這部分的作用是驅(qū)動外部負(fù)載，所以輸出端子是plc向外部負(fù)載輸出信號的端子，其內(nèi)連輸出繼電器的一對常開觸點。輸出繼電器除提供一對常開觸點驅(qū)

26、動負(fù)載以外，還可以提供無數(shù)對常開、常閉觸點供內(nèi)部使用。1.6.2 plc的周期工作方式plc是通過一種周期工作方式來完成控制的，每個周期包括輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。輸入采樣階段plc以掃描方式按順序?qū)⑺休斎攵说臓顟B(tài)讀入到輸入映像寄存器中存儲，這一過程稱為采樣。在本工作周期內(nèi)采樣結(jié)果不會改變，而且將在plc執(zhí)行程序時被使用程序執(zhí)行階段plc按順序?qū)Τ绦蜻M(jìn)行掃描，即從上到下、從左到右地掃描每條指令，并分別從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算、處理，再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入元件映像寄存器中保存。但這個結(jié)果在全部程序未執(zhí)行完畢之前不會送到輸出端口上。輸出刷新階段在所有

27、用戶程序執(zhí)行完畢后，plc將元件映像寄存器中的內(nèi)容送入輸出鎖存器中，通過一定的方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。plc重復(fù)執(zhí)行輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段，每重復(fù)一次的時間稱為一個掃描周期。plc的一個掃描周期一般為40100ms之間。1.7 plc的應(yīng)用領(lǐng)域目前，在國內(nèi)外plc已廣泛應(yīng)用冶金、石油、化工、建材、機械制造、電力、汽車、輕工、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，隨著plc性能價格比的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。從應(yīng)用類型看，plc的應(yīng)用大致可歸納為以下幾個方面：1.開關(guān)量邏輯控制利用plc最基本的邏輯運算、定時、計數(shù)等功能實現(xiàn)邏輯控制，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，用于單機控制、多機群控制、生

28、產(chǎn)自動線控制等，例如：機床、注塑機、印刷機械、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯的控制等。這是plc最基本的應(yīng)用，也是plc最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 2.運動控制大多數(shù)plc都有拖動步進(jìn)電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。這一功能廣泛用于各種機械設(shè)備，如對各種機床、裝配機械、機器人等進(jìn)行運動控制。3.過程控制大、中型plc都具有多路模擬量i/o模塊和pid控制功能，有的小型plc也具有模擬量輸入輸出。所以plc可實現(xiàn)模擬量控制，而且具有pid控制功能的plc可構(gòu)成閉環(huán)控制，用于過程控制。這一功能已廣泛用于鍋爐、反應(yīng)堆、水處理、釀酒以及閉環(huán)位置控制和速度控制等方面。 4.數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的plc都具有數(shù)學(xué)

29、運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表等功能，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，同時可通過通信接口將這些數(shù)據(jù)傳送給其它智能裝置，如計算機數(shù)值控制（cnc）設(shè)備，進(jìn)行處理。 5.通信聯(lián)網(wǎng)plc的通信包括plc與plc、plc與上位計算機、plc與其它智能設(shè)備之間的通信，plc系統(tǒng)與通用計算機可直接或通過通信處理單元、通信轉(zhuǎn)換單元相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理、分散控制”的多級分布式控制系統(tǒng)，滿足工廠自動化（fa）系統(tǒng)發(fā)展的需要。1.8 plc的分類1.8.1 按io點數(shù)分類按io總點數(shù)可分為小型、中型和大型三類。小型plc的io點數(shù)為256點以下，其中小于64點為超小型或微型plc。中

30、型plc的io點數(shù)為256點到2048點以下。大型plc的io點數(shù)為2048點以上，其中io點數(shù)超過8192點為超大型plc。1.8.2 按結(jié)構(gòu)形式分類 根據(jù)plc的結(jié)構(gòu)形式，可將plc分為整體式和模塊式兩類。（1）整體式plc 整體式plc是將電源、cpu、i/o接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點。小型plc一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式plc由不同i/o點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成?；締卧獌?nèi)有cpu、i/o接口、與i/o擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或eprom寫入器相連的接口等。擴展單元內(nèi)只有i/o和電源等，沒有cpu?；締卧蛿U展單

31、元之間一般用扁平電纜連接。整體式plc一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。 （2）模塊式plc 模塊式plc是將plc各組成部分，分別作成若干個單獨的模塊，如cpu模塊、i/o模塊、電源模塊（有的含在cpu模塊中）以及各種功能模塊。模塊式plc由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式plc的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型plc一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。 還有一些plc將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式plc。疊裝式plc其cpu、電源、i/o接口等也是各自獨立的模塊，但它

32、們之間是靠電纜進(jìn)行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。1.8.3 按功能分類根據(jù)plc所具有的功能不同，可將plc分為低檔、中檔、高檔三類。（1）低檔plc 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。（2）中檔plc 除具有低檔plc的功能外，還具有較強的模擬量輸入輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程i/o、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設(shè)中斷控制、pid控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。（3）高檔pl

33、c 除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔plc機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。1.9 plc的指令plc有多少條指令，各條指令又具有什么功能，是了解與使用plc的重要方面。不懂plc指令，就不懂得怎么編程，也就沒有程序，plc就不會工作。 plc的指令越來越多，越來越豐富。功能很強的指令，綜合多種作用的指令日見增多。但plc的指令繁多，但主要的有這么幾種類型： 基本邏輯指令，用于處理邏輯關(guān)系，以實現(xiàn)邏輯控制。這類指令不管什么樣的plc都總是有的。

34、 數(shù)據(jù)處理指令，用于處理數(shù)據(jù)，如譯碼，編碼，傳送、移位等等。 數(shù)據(jù)運算指令，用于進(jìn)數(shù)據(jù)的運算，如十、一、x、/等，可進(jìn)行整形數(shù)計算，有的還可浮點數(shù)運算；也可進(jìn)行邏輯量運算，等等。 流程控制指令，用以控制程序運行流程。plc的用戶程序一般是從零地址的指令開始執(zhí)行，按順序推進(jìn)。但遇到流程控制指令也可作相應(yīng)改變。流程控制指令也較多，運用得好，可使程序簡練，并便于調(diào)試與閱讀。 狀態(tài)監(jiān)控指令，用以監(jiān)視及記錄plc及其控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對提高plc控制系統(tǒng)的工作可靠性大有幫助。 當(dāng)然，并不是所有的plc都有上述那么多類的指令，也不是有的plc僅有上述幾類指令。以上只是指出幾個例子，說明要從哪幾個方面了解

35、plc指令，從中也可大致看出指令的多少及功能將怎樣影響plc的性能。 除了指令，為進(jìn)行通訊，plc還有相應(yīng)的協(xié)議與通訊指令或命令，這些也反映了plc的性能。 為了便于編制plc程序，多數(shù)plc廠家都開發(fā)有關(guān)計算機支持軟件。 從本質(zhì)上講，plc所能識別的只是機器語言。它之所以能使用一些助記符語言、梯形圖語言、流程圖語言，以至高級語言，全靠為使用這些語言而開發(fā)的種種軟件。 助記符語言是最基本也是最簡單的plc語言。它類似計算機的匯編語言，plc的指令系統(tǒng)就是用這種語言表達(dá)的。這種語言僅使用文字符號，所使用的編程工具簡單，用簡易編程器即可。所以，多數(shù)plc都配備有這種語言。 梯形圖語言是圖形語言，它

36、用類似于繼電器電路圖的符號表達(dá)plc實現(xiàn)控制的邏輯關(guān)系。這種語言與符號語言有對應(yīng)關(guān)系，很容易互相轉(zhuǎn)換，并便于電氣工程師了解與熟悉，故用得很普遍，幾乎所有的plc都開發(fā)有這種語言。由于它是用圖形表達(dá)，小的編程器不好使用它，得有較大的液晶畫面的編程器，才能使用它。多數(shù)是在計算機對plc編程時，才使用這種語言。 流程圖語言，它也是圖形語言，不過所用的符號不與電氣元件符號相似，而與計算機用的流程圖符號相似，便干計算機工作人員了解與熟悉。流程圖語言與符號語言也有一一對應(yīng)關(guān)系，只是它對應(yīng)的符號語言與梯形圖的對應(yīng)不一樣。熟悉計算機而又未從事過一般電氣工作的人員，樂于用這種語言對plc編程。日本omron公司

37、開發(fā)的f系列機就是使用這種語言。 梯形圖與流程圖混合語言。這種語言，梯形圖與流程圖兩者兼用，可使plc程序結(jié)構(gòu)化。它用流程圖把plc程序劃分成若干結(jié)構(gòu)塊，并規(guī)范塊間的邏輯聯(lián)系。用梯形圖再確定塊中的種種量間的邏輯關(guān)系。這種混合語言有不同的實現(xiàn)方法，而且多用于大型的plc的編程 高級語言，plc編程也可以使用高級語言，如basic、c語言等?？梢栽赿os，也可在windows平臺上運行。關(guān)鍵在于要把用高級語言編寫的程序轉(zhuǎn)換成助記符語言，或直接轉(zhuǎn)換成plc所能識別的機器語言。從根本上講，只要能實現(xiàn)這個轉(zhuǎn)換的，什么高級語言都可以。而編寫這個轉(zhuǎn)換的軟件工作量很大，當(dāng)然應(yīng)由有關(guān)廠家開發(fā)與提供。當(dāng)前不少pl

38、c廠家已有提供。如gefanac的plc就提供有可用c語言編程的軟件。 支持軟件不僅編制plc程序需要，監(jiān)控plc運行，特別是監(jiān)視plc所控制的系統(tǒng)的工作狀況也需要。所以，多數(shù)支持編程的軟件，也具有監(jiān)視plc工作的功能。 此外，也有專用于監(jiān)控plc工作的軟件，它多與plc的監(jiān)視終端連用。 有的plc廠家或第三方廠家還開發(fā)了使用plc的組態(tài)軟件，用以實現(xiàn)計算機對plc控制系統(tǒng)監(jiān)控，以及與plc交換數(shù)據(jù)。plc的用戶也可基于dos或windows平臺開發(fā)用于plc控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，以提高plc系統(tǒng)自動化及智能化水平。這方面的軟件已日益受到重視。 總之，為了用好plc，plc的支持軟件越來越豐富，

39、性能也越來越好，其界面也越來越友好，也因此，它的情況如何，已成為評判plc性能的指標(biāo)之一。1.10 plc的發(fā)展方向可編程控制器現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個不可代替的控制系統(tǒng)，它們可以與其它系統(tǒng)通訊，提供產(chǎn)品報表，生產(chǎn)調(diào)度，診斷自身和設(shè)備的故障，這些技術(shù)上的改進(jìn)，讓plc成為今天的各行各業(yè)的高質(zhì)量和產(chǎn)量的重要的貢獻(xiàn)者。以下是plc的發(fā)展方向： 1向更高處理速度、更大存儲容量方向發(fā)展為了提高plc的處理能力，要求plc具有更好的響應(yīng)速度和更大的存儲容量。在plc中，用戶程序的存儲容量有的是用編程的步數(shù)來表示，每編一條語句為一步；有的是以字為單位來計算，16位二進(jìn)制數(shù)為一個字節(jié)，每1024個字節(jié)為1kb；有

40、的是以編程的地址來表示，每編一條語句為一地址。目前大型plc的存儲容量是幾百kb，最高可達(dá)幾mb。為了擴大存儲容量，有的公司已使用了磁泡存儲器或硬盤。目前大中型plc的掃描速度可達(dá)02mskb左右。如歐姆龍公司的c1000h為04mskb，三菱公司的a3n為02mskb。2產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展plc主要有超大型和超小型兩個發(fā)展趨勢。超小型plc向體積更小、速度更快、功能更強、價格更低方向發(fā)展，以真正完全取代最小的繼電器系統(tǒng)。超大型plc向大容量、高速度、多功能方向發(fā)展，能與計算機組成分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對工廠生產(chǎn)全過程的集中管理。3plc編程語言更加豐富，功能不斷提高，編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)

41、化在plc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，plc的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高，除了大多數(shù)plc使用的梯形圖語言外，還有些plc采用basic、c語言等高級語言編程。美國生產(chǎn)的plc在基本控制方面編程語言已標(biāo)準(zhǔn)化，均采用梯形圖編程，日本、英國也進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)化階段，法國還采用專用編程語言grafcet，德國采用din40719標(biāo)準(zhǔn)編程語言。4不斷開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網(wǎng)和通信能力為了滿足各種自動化控制系統(tǒng)的要求，近年來不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠(yuǎn)程io模塊、通信和人機接口模塊等，擴大了plc應(yīng)用范圍。目前加強plc聯(lián)網(wǎng)與通信的能力，是plc技術(shù)進(jìn)步的潮流。plc的聯(lián)網(wǎng)和通

42、信可分為兩類：一類是plc之間聯(lián)網(wǎng)通信，各plc制造廠家都有自己的專有聯(lián)網(wǎng)手段；另一類是plc與計算機之間的聯(lián)網(wǎng)通信，一般plc都有通信模塊用于與計算機通信。plc的未來發(fā)展除了產(chǎn)品本身的發(fā)展，更大程度上取決于用戶和市場的發(fā)展，任何產(chǎn)品存在的根本在于用戶和市場的需求。plc以它的高可靠性和易操作性，主導(dǎo)了工控行業(yè)數(shù)十年，我相信它將繼續(xù)存在且壯大下去。第二章 交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 十字路口交通信號燈的控制要求 隨著城市和經(jīng)濟的發(fā)展，交通信號燈發(fā)揮的作用越來越大，正因為有了交通信號燈，才使車流、人流有了規(guī)范，同時，減少了交通事故發(fā)生的概率。然而，交通信號燈不合理使用或設(shè)置，也會影響交通的順

43、暢。交通信號燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準(zhǔn)許通行，黃燈表示警示。交通信號燈分為機動車信號燈、非機動車信號燈、人行橫道信號燈、車道信號燈、方向指示信號燈、閃光警告信號燈、道路與鐵路平面交叉道口信號燈。交通信號燈用于道路平面交叉路口，通過對車輛、行人發(fā)出行進(jìn)或停止的指令，使各同時到達(dá)的人、車交通流盡可能減少相互干擾，從而提高路口的通行能力，保障路口暢通和安全。圖2.1所示是十字路口交通燈示意圖。在十字路口的東、西、南、北各個方向裝紅、綠、黃燈各一套。圖2.1 十字路口交通信號燈示意圖為了便于理解，首先編制正常時序控制程序，在此基礎(chǔ)上再增加急車強通控制程序。交通信號燈正常時的

44、時序圖如圖2.1所示。當(dāng)啟動開關(guān)接通時，首先是南、北紅燈亮并維持25s，在南、北紅燈亮的同時，東、西綠燈也亮，但只維持20s。到20s時，東、西綠燈閃亮3s后熄滅，東、西黃燈再亮2s，然后東、西黃燈熄滅，東、西紅燈亮，同時南、北紅燈熄滅，南、北綠燈亮。東、西紅燈亮并維持30s。南、北綠燈亮并維持25s，到25s時，南、北綠燈閃亮3s后熄滅，南、北黃燈再亮2s。到2s時，南、北黃燈熄滅，南、北紅燈亮，同時東、西紅燈熄滅，東、西綠燈亮，開始第二周期的動作，以后周而復(fù)始地循環(huán)。綠燈或紅燈閃亮的周期為1s（即亮0.5s，熄0.5s）。當(dāng)啟動開關(guān)斷開時，所有信號燈熄滅。圖 2.2 十字路口交通燈正常時序

45、控制時序圖當(dāng)發(fā)生急車要求強行通過時，急車強通控制時序圖如圖2.3所示。 圖2.3 急車強通控制時序圖急車強通信號受急車強通開關(guān)的控制。有急車來時，將該方向急車強通開關(guān)接通，無論原來信號燈的狀態(tài)如何，一律強制讓急車方向的綠燈亮，使急車放行，直至急車通過為止。急車一過，將急車強通開關(guān)斷開，信號燈的狀態(tài)立即轉(zhuǎn)為急車放行方向上的綠燈閃3次，隨后按正常時序控制。急車強通信號只能響應(yīng)一路方向的急車，若兩個方向先后來急車，則響應(yīng)先來的一方，隨后再響應(yīng)另一方。2.2 plc機型的選擇步驟與原則隨著plc技術(shù)的發(fā)展，plc產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的plc，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等

46、也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用plc，對于提高plc控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有著重要意義。plc的選擇主要應(yīng)從plc的機型、容量、i/o模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。 plc機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點： 1、合理的結(jié)構(gòu)型式 plc主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。 整體式plc的每一個io點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式plc的功能擴展靈活方便在io點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、io模塊的種類等方面選

47、擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 2、安裝方式的選擇 plc系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程io式以及多臺plc聯(lián)網(wǎng)的分布式。 集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠(yuǎn)程io硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠(yuǎn)程io式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠(yuǎn)程io可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動器和遠(yuǎn)程io電源；多臺plc聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型plc，但必須要附加通訊模塊。 3、相應(yīng)的功能要求 一般小型(低檔)plc具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。 對于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能

48、帶ad和da轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強型低檔plc。 對于控制較復(fù)雜，要求實現(xiàn)pid運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔plc。但是中、高檔plc價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。 4、響應(yīng)速度要求 plc是為工業(yè)自動化設(shè)計的通用控制器，不同檔次plc的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用plc，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應(yīng)該慎重考慮plc的響應(yīng)速度，可選用具有高速io處理功能的plc，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的plc等。 5、系統(tǒng)可靠性的要求 對于一般系統(tǒng)plc的可靠性

49、均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。 6、機型盡量統(tǒng)一 主要考慮到以下三方面問題： 1)機型統(tǒng)一，其模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理。 2)機型統(tǒng)一，其功能和使用方法類似，有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高。 3)機型統(tǒng)一，其外部設(shè)備通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計算機后易于形成一個多級分布式控制系統(tǒng)。2.3 plc容量的選擇步驟與原則 plc的容量包括io點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。 1、io點數(shù)的選擇 plc平均的io點的價格還比較高，因此應(yīng)該合理選用plc的io點的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的io點最少，但必須留有一定的裕量。

50、通常io點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10%15%的裕量來確定。 2、存儲容量的選擇 用戶程序所需的存儲容量大小不僅與plc系統(tǒng)的功能有關(guān)，而且還與功能實現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關(guān)。一個有經(jīng)驗的程序員和一個初學(xué)者，在完成同一復(fù)雜功能時，其程序量可能相差25%之多，所以對于初學(xué)者應(yīng)該在存儲容量估算時多留裕量。 plc的io點數(shù)的多少，在很大程序上反映了plc系統(tǒng)的功能要求，因此可在io點數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲容量后，再加20%30%的裕量。 存儲容量(字節(jié))開關(guān)量io點數(shù)10模擬量io通道數(shù)1003、對 i/o 響應(yīng)時間的選擇 plc 的 i/o 響應(yīng)時間包括輸入電

51、路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時間延遲（一般在 2 3 個掃描周期）等。對開關(guān)量控制的系統(tǒng)， plc 和 i/o 響應(yīng)時間一般都能滿足實際工程的要求，可不必考慮 i/o 響應(yīng)問題。但對模擬量控制的系統(tǒng)、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個問題。 4、根據(jù)輸出負(fù)載的特點選型 不同的負(fù)載對 plc 的輸出方式有相應(yīng)的要求。例如，頻繁通斷的感性負(fù)載，應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應(yīng)選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的 plc 有許多優(yōu)點，如導(dǎo)通壓降小，有隔離作用，價格相對較便宜，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，其負(fù)載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級范圍大等。所以動作不頻繁的交、直流負(fù)載可以

52、選擇繼電器輸出型的 plc 。 5、對在線和離線編程的選擇 離線編程示指主機和編程器共用一個 cpu ，通過編程器的方式選擇開關(guān)來選擇 plc 的編程、監(jiān)控和運行工作狀態(tài)。編程狀態(tài)時，cpu 只為編程器服務(wù)，而不對現(xiàn)場進(jìn)行控制。專用編程器編程屬于這種情況。在線編程是指主機和編程器各有一個 cpu ，主機的 cpu 完成對現(xiàn)場的控制，在每一個掃描周期末尾與編程器通信，編程器把修改的程序發(fā)給主機，在下一個掃描周期主機將按新的程序?qū)ΜF(xiàn)場進(jìn)行控制。計算機輔助編程既能實現(xiàn)離線編程，也能實現(xiàn)在線編程。在線編程需購置計算機，并配置編程軟件。采用哪種編程方法應(yīng)根據(jù)需要決定。2.4 本系統(tǒng)選擇的plc 本次交通

53、燈設(shè)計采用的是來自omron的cpm1a-30cdr-a可編程控制器。產(chǎn)品規(guī)格：cpm1a cpu單元在編程環(huán)境等方面，它不僅具備了以往的小型plc所具有的功能，盡可能使安裝空間最小化，并實現(xiàn)了具有10點至100點輸入輸出點數(shù)的彈性構(gòu)成。而且還可連接可編程控制終端，創(chuàng)造了尚無前例的靈活運用。它不僅可以替代繼電器控制柜，就是作為小型控制器或在傳感器應(yīng)用中，亦能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場不同的需求，ac電源輸入，繼電器輸出，能加擴展單元。2.5 可編程控制器i/o端口分配根據(jù)對交通指揮信號燈系統(tǒng)控制要求分析，系統(tǒng)采用自動控制方式，輸入有系統(tǒng)開啟、停止按鈕信號和強通車按鈕信號；輸出有東西方向、南北方向各兩組指示信號。由于每一個方向的兩組指示燈中，同種顏色的指示燈同時工作，為了節(jié)省輸出點數(shù)，