基于PLC的交通燈控制

1、基于 PLC 的交通燈控制 摘 要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān) 系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問(wèn)題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于 城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城 市交通監(jiān)控重要的組成部分。 隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，自80年代后期,許多大城市出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行 的情況。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好城市高速道路，緩解交通 擁堵?tīng)顩r，越來(lái)越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問(wèn)題。傳統(tǒng)的交 通信號(hào)燈控制一般采用電子線路和繼電器實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低，故障率高,較難 實(shí)現(xiàn)功

2、能的變更。而可編程控制器(PLC)以微處理器為核心，具有可靠性高，控制功能 強(qiáng)，使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。特別是由PLC實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，普遍采用依據(jù)繼電接觸器控 制系統(tǒng)電氣原理圖編制的梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行 穩(wěn)定可靠，可方便地設(shè)置定時(shí)時(shí)問(wèn)，編程容易，功能擴(kuò)展方便，修改靈活等，并且有 完善的自診斷和顯示功能，維修工作極為簡(jiǎn)單。 關(guān)鍵詞：可編程控制器；交通燈；設(shè)計(jì)； 目 錄 1 PLC 交通燈簡(jiǎn)介 .1 1.1 國(guó)內(nèi)城市交通現(xiàn)狀面臨的及問(wèn)題 .1 1.2 城市交通控制的目的和意義 .1 1.3 城市交通控制系統(tǒng)的分類 .1 1.3.1 按空間關(guān)系劃分 .2 1.3.2 按控

3、制方式劃分 .3 1.4 交通信號(hào)控制系統(tǒng)的控制參數(shù) .3 1.5 公路平面交叉口交通控制安全保障技術(shù)的研究.4 2 PLC 的基礎(chǔ)知識(shí) .7 2.1 PLC 的概述.7 2.2 PLC 的特點(diǎn).7 2.3 PLC 的定義.7 2.4 PLC 的工作原理.8 2.5 PLC 的結(jié)構(gòu).10 3 PLC 在交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 .15 3.1 設(shè)計(jì)要求 .15 3.2 十字路口交通燈的路況畫出模擬圖.16 3.3 交通燈的路況模擬控制實(shí)驗(yàn)板 .17 4 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .18 4.1 交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .18 4.1.1 PLC 智能化控制交通燈的方法.18 4.1.2 三菱 PLC

4、選型 .18 4.2 交通燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .19 4.2.1 GX Developer 編程軟件介紹 .19 4.2.2 軟件設(shè)計(jì)任務(wù) .24 4.2.3.根據(jù)控制要求確定 I/O 分配表 .24 4.2.4 編制外部接線圖 .26 4.2.5 設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖.26 總 結(jié) .27 致 謝 .28 參考文獻(xiàn) .29 附 錄 A.30 附 錄 B.35 1.PLC 交通燈簡(jiǎn)介 1.1 國(guó)內(nèi)城市交通現(xiàn)狀面臨的及問(wèn)題 根據(jù)中國(guó)目前的交通現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題說(shuō)明交通控制在經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程中 的重大作用，并提出發(fā)展智能交通系統(tǒng)的重要目的和現(xiàn)實(shí)意義。 我國(guó)城市交通現(xiàn)狀是：城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度跟

5、不上迅速增長(zhǎng)的交通需求; 常規(guī)公共交通萎縮；出租車和私人小汽車迅速增加 ;軌道交通開(kāi)始起步 ;交通管理 技術(shù)水平低。以上問(wèn)題導(dǎo)致交通擁擠、交通事故、環(huán)境污染、以及能源問(wèn)題將會(huì)日 趨嚴(yán)重。 面臨的問(wèn)題是：車型種類繁雜、混合交通嚴(yán)重;自行車等非機(jī)動(dòng)車數(shù)量驚人;城市 布局和交通不相適應(yīng);出行方式單一、沒(méi)有選擇余地;步行困難、事故多發(fā)。 1.2 城市交通控制的目的和意義 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快和機(jī)動(dòng)車輛的迅猛增加，城市交通問(wèn)題 日益嚴(yán)重。城市交通擁擠不僅造成交通事故頻發(fā)、車輛延誤增大，而且進(jìn)一步帶來(lái)能 源浪費(fèi)和環(huán)境污染的加劇，由此引起的不良社會(huì)后果更是難以估計(jì)。目前，城市交通 問(wèn)題已成為

6、全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，是全球性的“城市病”之一。交通控制的目的是要 在確定的行政規(guī)范約束下，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段，采用合適的運(yùn)作方式來(lái)確保公共和 私人運(yùn)輸方式具有最佳的交通條件。 (1)減少交通事故，增加交通安全。通過(guò)實(shí)施交通控制，可以把發(fā)生沖突的交通流 從時(shí)間和空間上進(jìn)行分離，從而減少交通事故，增加交通安全。 (2)緩和交通擁擠，提高交通效益。合理的交通控制，可以對(duì)交通流進(jìn)行有效的引 導(dǎo)與調(diào)度，使城市交通流保持在一種平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，從而避免或減緩交通擁擠，縮 短在路車輛的交通延誤，提高交通運(yùn)輸?shù)恼w效益。 (3)減少環(huán)境污染，降低能源消耗。實(shí)施良好的交通控制，可以減少在路車輛的停 車次數(shù)，保持車

7、輛在較佳的狀態(tài)下運(yùn)行，大大減少尾氣排放和能源消耗。 1.3 城市交通控制系統(tǒng)的分類 城市道路交通控制系統(tǒng)可以從不同的角度進(jìn)行分類，這里分別從空間關(guān)系、控制 方式上對(duì)城市道路交通控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單分類。 1.3.1 按空間關(guān)系劃分 從空間關(guān)系上可以把城市交通系統(tǒng)分劃為單交叉口控制(點(diǎn)控制)、交通干線的協(xié) 調(diào)控制(線控制)和區(qū)域交叉口的網(wǎng)絡(luò)控制(面控制)三種形式。 (1)單個(gè)交叉口的點(diǎn)控制 單個(gè)交叉口的點(diǎn)控制是一種最基本的控制方式。孤立交叉口點(diǎn)控制的控制參數(shù)是 信號(hào)周期和綠信比，控制的目標(biāo)一般是車輛延誤和交叉口的通行能力。在理想的情況 下，希望總延誤時(shí)間最小和交叉口的通行能力得到最大的利用。由于點(diǎn)控制的

8、設(shè)備簡(jiǎn) 單、投資省、維護(hù)方便，至今仍是應(yīng)用較多的一種信號(hào)控制方式。從技術(shù)上講，它又 分為離線點(diǎn)控制和在線點(diǎn)控制兩種形式。前者采用定時(shí)信號(hào)配時(shí)技術(shù)，目前仍然是其 他控制方式的配時(shí)基礎(chǔ);后者是交通響應(yīng)控制或車輛感應(yīng)控制，它是根據(jù)交叉口各個(gè)人 *通流的實(shí)際分布情況，合理分配綠燈時(shí)間到各個(gè)相位，從而滿足需求。 (2)干線交通的協(xié)調(diào)控制 城市路網(wǎng)中的交通干線承擔(dān)著很重的交通負(fù)荷，保證干線的交通暢通對(duì)改善一個(gè) 地區(qū)甚至一個(gè)城市的交通狀況往往起著至關(guān)重要的作用。在城市交通路網(wǎng)中，有時(shí)交 叉口相距很近，兩個(gè)相鄰的交叉口之間的距離通常不足以使一小隊(duì)車流在有限時(shí)間內(nèi) 完全疏散。單個(gè)交叉口分別設(shè)置單點(diǎn)信號(hào)控制時(shí)，車

9、輛經(jīng)常遇到紅燈，時(shí)停時(shí)開(kāi)，行 車不暢，環(huán)境污染嚴(yán)重。為了減少車輛在各個(gè)交叉口的停車次數(shù)，特別是當(dāng)干線的車 輛比較暢通時(shí)，相鄰交叉口之間的控制方案宜采用相互協(xié)調(diào)的控制策略。最初協(xié)調(diào)信 號(hào)計(jì)時(shí)的方法是基于綠波的概念，相鄰交叉口執(zhí)行相同的信號(hào)控制周期，主干線相位 的綠燈開(kāi)啟時(shí)刻錯(cuò)開(kāi)一定的時(shí)間，交叉口的次干線在一定程度上服從主干線的交通。 當(dāng)一列車隊(duì)在具有許多交叉口的一條干線上行駛時(shí)，協(xié)調(diào)控制使得車輛在通過(guò)干 線交叉口時(shí)總是在綠燈開(kāi)始時(shí)到達(dá)，因而無(wú)需停車即可通過(guò)交叉口，形成一條交通流 的綠波帶。綠波控制能有效提高車輛行駛速度和道路通行能力，確保道路暢通，減少 車輛在行駛過(guò)程中的延誤時(shí)間和能源消耗。干線

10、交通協(xié)調(diào)控制的控制參數(shù)是周期長(zhǎng)度。 綠信比和相位差，控制的目標(biāo)一般是車輛的平均延誤和停車次數(shù)。 區(qū)域交通信號(hào)控制的對(duì)象是城市或某個(gè)區(qū)域中所有交叉口的交通信號(hào)。隨著計(jì)算 機(jī)技術(shù)、優(yōu)化方法、自動(dòng)控制和車輛檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們研究把一個(gè)城市區(qū)域內(nèi)或 一個(gè)局部小區(qū)內(nèi)所有交叉口的交通信號(hào)聯(lián)合起來(lái)綜合加以協(xié)調(diào)控制，以使得區(qū)域內(nèi)的 車輛在通過(guò)某些交叉口時(shí)所產(chǎn)生的總損失最小。在這種控制方式下，交通信號(hào)機(jī)將交 通量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地通過(guò)通信網(wǎng)傳至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)路網(wǎng)交通量的實(shí)時(shí)變化情況，按 一定時(shí)間步距不斷調(diào)整正在執(zhí)行的配時(shí)方案。上位計(jì)算機(jī)同時(shí)控制一個(gè)城市區(qū)域中的 多個(gè)交叉路口，實(shí)現(xiàn)區(qū)域中交叉口之間的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提

11、高路網(wǎng)的運(yùn)行效率。通過(guò) 這種控制方式，容易實(shí)現(xiàn)交通路網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度與優(yōu)化管理。 1.3.2 按控制方式劃分 按控制方式可以把城市道路交通控制分為定時(shí)控制、感應(yīng)控制、自適應(yīng)控制和智 能控制幾種類型。 (1)定時(shí)控制 定時(shí)控制方式以歷史交通流數(shù)據(jù)為依據(jù)，找出每個(gè)日/周和時(shí)間段的不同交通流變 化規(guī)律，用人工方法或計(jì)算機(jī)仿真等手段預(yù)先準(zhǔn)備好不同日/周和不同時(shí)間區(qū)段內(nèi)使用 的配時(shí)方案，它屬于開(kāi)環(huán)控制，不易根據(jù)車流狀況實(shí)時(shí)調(diào)整控制方案。由于定時(shí)控制 對(duì)交通信號(hào)機(jī)的要求低，無(wú)需實(shí)時(shí)交通量的檢測(cè)，因而仍然是目前城市道路交通系統(tǒng) 中應(yīng)用較為廣泛的一種控制策略。 (2)感應(yīng)控制 感應(yīng)控制的原理是根據(jù)車輛檢測(cè)器測(cè)量的

12、交通流數(shù)據(jù)調(diào)整相應(yīng)的綠燈時(shí)間的長(zhǎng)短 和時(shí)間順序，以適應(yīng)交通流的隨機(jī)變化。這種方式比定時(shí)控制有更大的靈活性。 (3)自適應(yīng)控制 自適應(yīng)控制是根據(jù)檢測(cè)到的有關(guān)道路交通信息，并基于預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)到的未來(lái)交 通需求，從系統(tǒng)信號(hào)配時(shí)方案庫(kù)中選擇相應(yīng)的優(yōu)化方案，或?qū)崟r(shí)計(jì)算產(chǎn)生相應(yīng)的優(yōu)化 控制方案實(shí)現(xiàn)交通自動(dòng)控制。 (4)智能控制 嚴(yán)格意義上講，智能控制不僅僅是交通信號(hào)的控制，而是整個(gè)交通系統(tǒng)的控制， 即智能交通系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)是交通控制的最高層次，它將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù) 通訊技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、自動(dòng)控制理論、運(yùn)籌學(xué)、人工智能和計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)等一 系列高新技術(shù)綜合運(yùn)用于交通運(yùn)輸各個(gè)子系統(tǒng)，從而建立起一種大

13、范圍、全方位發(fā)揮 作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的交通運(yùn)輸綜合管理體系。智能交通系統(tǒng)把人、車、路和環(huán) 境等交通運(yùn)輸系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)整合，從而使車、路的運(yùn)行功能一體化和智能化。 智能交通系統(tǒng)是解決交通問(wèn)題的必由之路，安全、高效、環(huán)保、低耗、快捷、舒適的 綠色交通是智能交通的發(fā)展方向。 1.4 交通信號(hào)控制系統(tǒng)的控制參數(shù) 交通信號(hào)控制系統(tǒng)是利用道路交叉口設(shè)立的交通燈信號(hào)對(duì)沖突交通流從時(shí)間上 進(jìn)行優(yōu)化分配的裝置?；緟?shù)如下： 1) 交通信號(hào)燈：機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈通常有三種顏色，即紅、綠、黃。紅 色表示不可通行，綠色表示可以通行，黃色表示越過(guò)停車線的車輛可以繼續(xù)通行， 其它不可通行。行人過(guò)街信號(hào)燈通常

14、有兩種顏色，即紅、綠。紅色表示不可通行， 綠色表示可以通行。 2) 綠燈時(shí)間 G：一個(gè)相位綠燈信號(hào)保持不變的時(shí)間。 3) 相位 P：是對(duì)于一個(gè)路口多方向交通流而言，一組互不沖突的交通流即可構(gòu) 成為一個(gè)相位。 4) 周期 C：信號(hào)燈的各種燈色輪流顯示一次所需要的時(shí)間。 5) 綠燈間隔：在一個(gè)周期內(nèi)，一個(gè)相位有效綠燈轉(zhuǎn)換為下一個(gè)有效綠燈之間的 時(shí)間間隔。 6) 全紅時(shí)間：在交通信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間，為交通安全而設(shè)立的所有交通信號(hào)為 紅燈的過(guò)渡時(shí)間。 7) 綠信比 ：一個(gè)相位信號(hào)有效綠燈時(shí)長(zhǎng)與周期時(shí)長(zhǎng)之比。 8) 相位差 tos：相鄰路口同一相位綠燈 (或紅燈)起始時(shí)間之差。 9) 飽和率 s：在穩(wěn)定交

15、通流情況下，一個(gè)交叉口每車道可通過(guò)的最大流量率。 10) 通行能力 ca：在現(xiàn)行信號(hào)控制下，單位時(shí)間內(nèi)每車道可通過(guò)的最大車輛數(shù)。 11) 飽和度 ：交通流率 與通行能力的比，即流量 -容量比。 1.5 公路平面交叉口交通控制安全保障技術(shù)的研究 公路平面交叉口交通控制安全保障技術(shù)是提高平面交叉口安全水平、改善整個(gè) 公路系統(tǒng)安全性能的主要途徑之一。 依托西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目 公路平面交叉口交通安全技術(shù)研究 ，借鑒國(guó)內(nèi) 外已有的交通控制安全保障技術(shù)理論研究和實(shí)踐應(yīng)用成果，本文深入研究了適合我 國(guó)國(guó)情的平面交叉口交通控制安全保障技術(shù)的研究方法和關(guān)鍵基礎(chǔ)理論，可為交叉 口的新建或改造技術(shù)提供理論指導(dǎo)、并

16、為交通工程技術(shù)人員所實(shí)際運(yùn)用。 論文首先分析了交通控制設(shè)計(jì)所建立的理論基礎(chǔ)，包括交通設(shè)計(jì)理論、交通沖 突技術(shù)、可接受間隙理論、路權(quán)理論、以及延誤理論，這些理論方法為交通控制技 術(shù)的研究提供了有力的理論支撐。 公路平面交叉口交通控制安全診斷改善模型的建立是交通控制安全改善過(guò)程中 一個(gè)重要步驟，是改進(jìn)公路平面交叉口交通安全的前提。 本文在分析交通事故產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，并通過(guò)對(duì)交通事故預(yù)防理論的分析， 提出了一套非事故分析、預(yù)防性的、具有較高應(yīng)用性的交通控制安全診斷改善方法， 該方法能夠快速診斷、分析、科學(xué)評(píng)價(jià)交義口的安全隱患，并引入安全危險(xiǎn)度指數(shù) 概念，從安全隱患的顯著性、導(dǎo)致事故嚴(yán)重程度的可能性

17、兩方面進(jìn)行分析，找出影 響交叉口交通控制的主要安全問(wèn)題，并針對(duì)主要安全問(wèn)題提出相應(yīng)的改善對(duì)策，通 過(guò)對(duì)所提出的改善措施進(jìn)行成本效益分析事故折減系數(shù)和對(duì)策造價(jià)比兩個(gè)指標(biāo)，找 出最合理的改善措施。 對(duì)于交通控制方式選擇的研究，主要是針對(duì)交通信號(hào)燈設(shè)置依據(jù)的研究分析， 運(yùn)用可接受間隙理論、交通沖突理論、延誤理論、排隊(duì)論等理論分析方法建立了一 套完整、實(shí)用的交通信號(hào)燈設(shè)置依據(jù)、設(shè)置程序、以及信號(hào)燈移去的準(zhǔn)則，其設(shè)置 依據(jù)分別為： 基于可接受間隙理論的 8 小時(shí)流量、基于排隊(duì)論的 4 小時(shí)車流量、基于延誤 理論的高峰小時(shí)車流量、基于交通沖突理論的車流量、基于行人流量、學(xué)童過(guò)街、 以及基于交通事故的信號(hào)燈

18、設(shè)置依據(jù)，每條設(shè)置依據(jù)各有特點(diǎn)及適用對(duì)象。 當(dāng)交通狀況發(fā)生改變時(shí)，交通信號(hào)燈設(shè)置不再需要，則需要通過(guò)一定的研究分 析并依據(jù)信號(hào)燈移去準(zhǔn)則米決定是否移去信號(hào)燈。 信號(hào)相位設(shè)計(jì)是交通信號(hào)設(shè)計(jì)中最具創(chuàng)造性的部分，是論文第三部分研究?jī)?nèi)容。 對(duì)信號(hào)相位方案的設(shè)計(jì)主要包括左轉(zhuǎn)保護(hù)相位、右轉(zhuǎn)相位、直行相位的設(shè)計(jì)， 重點(diǎn)研究分析了左轉(zhuǎn)保護(hù)相位的設(shè)置。 對(duì)于左轉(zhuǎn)保護(hù)相位的設(shè)置是基于安全和交通效率兩方面，運(yùn)用交通沖突理論、 延誤理論、定性和定量相結(jié)合的方法建立了左轉(zhuǎn)保護(hù)相位的設(shè)置原則和設(shè)置條件， 以及判斷流程，并對(duì)典型左轉(zhuǎn)保護(hù)相位的形式進(jìn)行了研究，討論了其各自適用情況 和設(shè)置條件。 同樣對(duì)右轉(zhuǎn)相位討論了其設(shè)置條件

19、、相位形式、適用情況及紅燈右轉(zhuǎn)的設(shè)置條 件。 綠燈間隔時(shí)間包括黃燈時(shí)間和全紅時(shí)間。 在分析綠燈間隔時(shí)間內(nèi)車輛的運(yùn)行特性基礎(chǔ)上，并基于困境區(qū)的理論以及交通 沖突分析，分別建立了黃燈時(shí)間模型以及全紅時(shí)間模型，并提供了不同車速和交叉 口寬度下的綠燈間隔時(shí)間的計(jì)算值，然后根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了綠燈間隔時(shí)間的推 薦值。 對(duì)于公路平面交叉口控制設(shè)施保障技術(shù)的研究是本論文的最后一部分研究?jī)?nèi)容， 主要是建立不同控制方式下的交叉口控制設(shè)施保障技術(shù)。 對(duì)于全無(wú)控制交叉口，在考慮路口寬度、路口大小、行車位置、車輛尺寸、行 車速度以及反應(yīng)時(shí)間、車輛加減速度等因素，利用三角視距原理、側(cè)撞受損分析、 駕駛行為等方法來(lái)分析路

20、權(quán)分配原則；對(duì)于停車、減速讓行控制交叉口，針對(duì)交通 控制所存在的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的安全控制設(shè)施措施，包括停車、減速讓行標(biāo)志的 尺寸、設(shè)置位置、識(shí)別距離、以及相應(yīng)的輔助設(shè)施；對(duì)于信號(hào)控制交叉口，詳盡探 討了交通信號(hào)燈的分類、燈色次序、顯示方式、鏡面的設(shè)計(jì)尺寸、數(shù)量、安裝方式、 安裝位置、水平位置、豎直高度、識(shí)別距離等，其中重點(diǎn)分析了信號(hào)箭頭燈的應(yīng)用 條件、綠閃燈的優(yōu)缺點(diǎn)、倒計(jì)時(shí)對(duì)交通安全的影響，并提出了車輛在信號(hào)交叉口困 境區(qū)的保護(hù)措施，以及對(duì)闖紅燈自動(dòng)拍攝裝置執(zhí)行容限的探討；最后研究分析交通 標(biāo)志的設(shè)計(jì)。 通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查、統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)對(duì)目前交通標(biāo)志進(jìn)行圖形改善設(shè)計(jì)，并進(jìn)行補(bǔ) 充對(duì)交通安全有利的

21、交通標(biāo)志、基于駕駛員視覺(jué)特征的交通標(biāo)志設(shè)置位置的分析、 以及交通標(biāo)志信息量的選擇方法。 2 PLC 的基礎(chǔ)知識(shí) 2.1 PLC 的概述 可編程控制器（PLC）是以微處理器為核心，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、 通訊技術(shù)融為一體的一種專門為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境下而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制裝置，涉及 到很多自動(dòng)控制、電器方面的知識(shí)。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得極其廣泛 的應(yīng)用。目前，可編程控制器成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中最重要、應(yīng)用最多的控制裝置， 居工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化三大支柱（可編程控制器、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造）的首 位。其應(yīng)用的深度和廣度成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化程度高低的標(biāo)志。 2.2 PLC 的特

22、點(diǎn) 1 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)； 2 通用性高，使用方便； 3 程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易學(xué)，易懂； 4 采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組合靈活方便； 5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短； 6 安裝簡(jiǎn)便，調(diào)試方便，維護(hù)工作量?。?7 對(duì)生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強(qiáng)，可進(jìn)行柔性生產(chǎn)。 2.3 PLC 的定義 可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制 應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱 PLC，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這 種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，因

23、此，今天這種裝置稱作可編程控制 器，簡(jiǎn)稱 PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可 編程控制器簡(jiǎn)稱 PLC。 PLC 問(wèn)世以來(lái)，盡管時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，美國(guó) 電氣制造商協(xié)會(huì) NEMA（National Electrical Manufactory Association） 經(jīng)過(guò)四年 的調(diào)查工作，于1984 年首先將其正式命名為 PC（Programmable Controller） ，并給 PC 作了如下定義“PC 是一個(gè)數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲(chǔ)存指 令。用來(lái)執(zhí)行諸如邏輯，順序，計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)與演算等功

24、能，并通過(guò)數(shù)字或類似的輸入/ 輸出模塊，以控制各種機(jī)械或工作程序。一部數(shù)字電子計(jì)算機(jī)若是從事執(zhí)行 PC 之功能 著，亦被視為 PC，但不包括鼓式或類似的機(jī)械式順序控制器。 ”以后國(guó)際電工委員會(huì) （IEC）又先后頒布了 PLC 標(biāo)準(zhǔn)的草案第一稿，第二稿，并在1987 年2 月通過(guò)了對(duì)它 的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)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(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制， 定 時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種 類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系 統(tǒng) 聯(lián)成

25、一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 ” 總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。 它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針 對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件 需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。 2.4 PLC 的工作原理 PLC 的工作原理： 1.掃描工作方式 PLC 有兩種工作模式，即運(yùn)行（RUN）模式與停止（STOP）模式。在運(yùn)行模式中， PLC 通過(guò)反復(fù)執(zhí)行反應(yīng)要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使 PLC 的輸出及時(shí)地響應(yīng) 隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是不斷地重

26、復(fù)執(zhí)行，直至 PLC 停機(jī)或切換到 STOP 工作模式。 除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過(guò)程中，PLC 還要完成內(nèi)部處理、通信服務(wù)等 工作，一次循環(huán)可以分為 5 個(gè)階段。如圖 2.1。PLC 的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱 為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來(lái)看，處理 過(guò)程似乎是同時(shí)完成的。 在內(nèi)部處理階段，PLC 檢查 CUP 模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)視定時(shí)器復(fù)位，以 及完成一些其他內(nèi)部工作。 當(dāng) PLC 處于停止（STOP）模式時(shí)，只執(zhí)行以上的操作。PLC 處于運(yùn)行（RUN）模式 時(shí)，還要完成另外三個(gè)階段的操作。 內(nèi)部處理 通信服務(wù) 輸入處理 程序執(zhí)行

27、 輸出處理 RUN 內(nèi)部處理 通信服務(wù) STOP 圖 2.1 掃描工作方式 2.掃描技術(shù) 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行 和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 (1) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和 數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序 執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O 映象區(qū)中 的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信

28、號(hào)，則該脈沖信號(hào)的 寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (2) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地 掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸 點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏 輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀 態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形 圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在 I/O 映象區(qū)內(nèi) 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其

29、他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū) 內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排 在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被 刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。 在程序執(zhí)行的過(guò)程中如果使用立即 I/O 指令則可以直接存取 I/O 點(diǎn)。即使用 I/O 指令 的話，輸入過(guò)程影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從 I/O 模塊取值，輸出過(guò)程影 像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 (3) 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間， CPU

30、 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng) 相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是 PLC 的真正輸出。 3.掃描周期 PLC 在 RUN 工作模式時(shí)，執(zhí)行一次圖 1.2 所示的掃描操作所需的時(shí)間成為掃描周期， 其典型值約為 1100ms。掃描周期與用戶程序的長(zhǎng)短、指令的種類和 CPU 執(zhí)行指令的 速度有很大的關(guān)系。當(dāng)程序較長(zhǎng)時(shí)，指令執(zhí)行時(shí)間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。編 程軟件可以提供掃描周期的當(dāng)前值、最大值和最小值。 2.5 PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同， 如圖所示： 輸輸 入入 模模 塊塊 輸輸 出出 模

31、模 塊塊 CPU 模塊 編程設(shè)備編程設(shè)備 可編程控制器可編程控制器 輸輸 入入 信信 號(hào)號(hào) 輸輸 出出 信信 號(hào)號(hào) 圖2.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) 1 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是 PLC 的控制中樞，它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并 存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)、檢查電源、存儲(chǔ)器 I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)； 并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng) 各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀 取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映 象區(qū)或數(shù)據(jù)

32、寄存器內(nèi)，等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出 狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高 PLC 的可靠性近年來(lái)對(duì)大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)，這樣即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC 至少有一個(gè) CPU，它按 PLC 的系統(tǒng)程 序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的 狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和 編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等

33、。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析 后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。 CPU 主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線 構(gòu)成，CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)， 是 PLC 不可缺少的組成單元。在使用者看來(lái)，不必要詳細(xì)分析 CPU 的內(nèi)部電路，但對(duì) 各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、 解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算， 在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在

34、控制器指 揮下工作。 CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度，IO 數(shù)量及 軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模 2 存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器； 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程 序存儲(chǔ)器。 1 PLC 常用的存儲(chǔ)器類型 （1） RAM (Random Assess Memory)，這是一種讀/寫存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器) ，其 存取速度最快，由鋰電池支持。 （2）EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，這是一種可擦除的只 讀存儲(chǔ)器，在斷電情況下存儲(chǔ)器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變(在紫外線連續(xù)照射下可擦

35、除存 儲(chǔ)器內(nèi)容)。 （3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，這是一 種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器，使用編程器就能很容易地對(duì)其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改。 2 PLC 存儲(chǔ)空間的分配 雖然各種 PLC 的 CPU 的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù) PLC 的工作原理其存儲(chǔ) 空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域： (1)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū) 在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，包括監(jiān)控程序、 管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序、等由制造廠商將其固化在 EPROM 中，用戶不能直接存取，它和硬件一起決定了該 PL

36、C 的性能。 (2)系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)(包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等) 系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類軟設(shè)備如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì) 時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器、等存儲(chǔ)器。 I/O 映象區(qū)，由于 PLC 投入運(yùn)行后只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和 數(shù)據(jù)在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)，因此它需要一定數(shù)量的 存儲(chǔ)單元(RAM)以存放 I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作 I/O 映象區(qū)，一個(gè)開(kāi)關(guān)量 I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位(bit)，一個(gè)模擬量 I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字(16 個(gè) bit)， 因此整個(gè) I/O 映象區(qū)可看作兩個(gè)

37、部分組成：開(kāi)關(guān)量 I/O 映象區(qū)，模擬量 I/O 映象區(qū)。 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)，除了 I/O 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)還包括 PLC 內(nèi)部各 類軟設(shè)備(邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等)的存儲(chǔ)區(qū)，該存儲(chǔ)區(qū) 又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無(wú)失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在 PLC 斷電時(shí)由內(nèi)部 的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)遺失，后者當(dāng) PLC 斷電時(shí)數(shù)據(jù)被清零。 1) 邏輯線圈 與開(kāi)關(guān)輸出一樣，每個(gè)邏輯線圈占用系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中的一個(gè)位，但不能直接驅(qū) 動(dòng)外設(shè)，只供用戶在編程中使用，其作用類似于電器控制線路中的繼電器，另外不同 的 PLC 還提供數(shù)量不等的特殊邏輯線圈，具有不同的功能

38、。 2) 數(shù)據(jù)寄存器 與模擬量 I/O 一樣，每個(gè)數(shù)據(jù)寄存器占用系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中的一個(gè)字(16bits) 另外 PLC 還提供數(shù)量不的特殊數(shù)據(jù)寄存器，具有不同的功能。 3) 計(jì)時(shí)器 4) 計(jì)數(shù)器 (3) 用戶程序存儲(chǔ)區(qū) 用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶編制的用戶程序，不同類型的 PLC 其存儲(chǔ)容量各不相同。 3 電源 PLC 的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的可靠得電源 系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此 PLC 的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視，一般交 流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)可以不采取其它措施，而將 PLC 直接連接到交流電網(wǎng) 上去。 4 I/O 模塊 PLC

39、與電氣回路的接口，是通過(guò)輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模 塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O 分為開(kāi)關(guān)量輸入（DI） ， 開(kāi)關(guān)量輸出（DO） ，模擬量輸入（AI） ，模擬量輸出（AO）等模塊。 常用的 I/O 分類如下： 1.開(kāi)關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器 隔離和晶體管隔離。 2.模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA） 、電壓型（0-10V,0-5V,- 10-10V）等，按精度分，

40、有12bit,14bit,16bit 等。 3.除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 4.按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管 理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 5 PLC 系統(tǒng)的其它設(shè)備 編程設(shè)備：編程器是 PLC 開(kāi)發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于 編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參 與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。小編程器 PLC 一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程 軟件）充當(dāng)編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機(jī)。 人機(jī)界面：

41、最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一 體式操作員終端應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及 6 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng) 依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng) 絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來(lái)越顯著，甚至有人提出網(wǎng)絡(luò)就是控制器的 觀點(diǎn)說(shuō)法。 PLC 具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使 PLC 與 PLC 之間、PLC 與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能 設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制?，F(xiàn)在幾乎所有的 PLC 新產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計(jì)算機(jī)一樣具有 RS-232接口，通過(guò)雙絞線、同軸 電纜或光纜，可以在幾公

42、里甚至幾十公里的范圍內(nèi)交換信息。 當(dāng)然，PLC 之間的通訊網(wǎng)絡(luò)是各廠家專用的，PLC 與計(jì)算機(jī)之間的通訊，一些生產(chǎn) 廠家采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，并向標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機(jī)型的 PLC 之間、PLC 與 計(jì)算機(jī)之間可以方便地進(jìn)行通訊與聯(lián)網(wǎng)。 7外部設(shè)備 外部設(shè)備是 PLC 系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類: 1. 編程設(shè)備：有簡(jiǎn)易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、 監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是 PLC 開(kāi)發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查 維護(hù)不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。 2. 監(jiān)控設(shè)備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過(guò)畫面監(jiān)視數(shù)

43、據(jù)。 3. 存儲(chǔ)設(shè)備：有存儲(chǔ)卡、存儲(chǔ)磁帶、軟磁盤或只讀存儲(chǔ)器，用于永久性地存儲(chǔ)用 戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如 EPROM、EEPROM 寫入器等。 4. 入輸出設(shè)備：用于接收信號(hào)或輸出信號(hào)，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電 位器，打印機(jī)等。 了解了 PLC 的基本結(jié)構(gòu)，我們?cè)谫?gòu)買程控器時(shí)就有了一個(gè)基本配置的概念，做到 既經(jīng)濟(jì)又合理，盡可能發(fā)揮 PLC 所提供的最佳。 3 PLC 在交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3.1 設(shè)計(jì)要求 一、設(shè)計(jì)目的： (1)掌握用 PLC 控制交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)方法； (2)熟悉 PLC 的編程方法和程序調(diào)試，了解用 PLC 解決實(shí)際問(wèn)題的全過(guò)程。 二、設(shè)計(jì)要求： (1)十

44、字路口分 A 道和 B 道，A、B 道輪流放行， A 道放行 1 分鐘零 30 秒，B 道放行 1 分鐘。 (2)有緊急車輛要求通過(guò)時(shí)，系統(tǒng)要能禁止普通車輛通過(guò),A、B 道均為紅燈， 緊急車有 K3 開(kāi)關(guān)模擬。 (3)綠燈轉(zhuǎn)換成紅燈時(shí)綠燈閃爍 2 秒、黃燈亮 5 秒。 (4)要求有啟動(dòng)按鈕，兩種以上的模式，分別用開(kāi)關(guān)K1、K2 開(kāi)關(guān)控制。 三、設(shè)計(jì)步驟及原理： （1）熟悉課題，明確任務(wù)，查閱相關(guān)資料，確定設(shè)計(jì)方案； （2）根據(jù)各部分的功能劃分功能模塊，確定每一模塊的軟硬件組成，合理選取具 有相應(yīng)功能的元器件； （3）進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，把各器件組成相應(yīng)功能的模塊，并把各功能模塊進(jìn)行電氣連 接，形成總

45、的功能系統(tǒng)； （4）進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，編寫程序，實(shí)現(xiàn)各模塊功能，使整個(gè)系統(tǒng)能夠良好的運(yùn)行； （5）進(jìn)行仿真調(diào)試，檢查各模塊功能能否完全實(shí)現(xiàn)，綜合考慮系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn) 定性、誤差大小及測(cè)溫效率調(diào)整各器件的各項(xiàng)參數(shù)。使系統(tǒng)的處在最佳性能狀態(tài)。 經(jīng)分析總結(jié)，確定總的設(shè)計(jì)流程如圖 3.1 所示。 開(kāi)始 總體設(shè)計(jì)方案 功能模塊劃分 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 仿真調(diào)試 圖 3.1 設(shè)計(jì)步驟 3.2 十字路口交通燈的路況畫出模擬圖 一種方案： 另一種方案： 圖3.2 十字路口模擬圖 3.3 交通燈的路況模擬控制實(shí)驗(yàn)板 在 PLC 交通燈模擬模塊中，主干道東西南北每面都有3個(gè)控制燈，分別為： 圖3.3 十字路口

46、模塊圖 禁止通行燈 （亮?xí)r為紅色） 準(zhǔn)備禁止通行燈 （亮?xí)r為黃色） 直通燈 （亮?xí)r為綠色） 結(jié)合十字路口交通燈實(shí)際情況設(shè)計(jì)交通燈模擬控制系統(tǒng)如下： 當(dāng)交通燈系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，南北向（列）和東西向（行）主干道均設(shè)有綠燈 90S，綠燈閃亮2S,黃燈5S。當(dāng)南北主干道紅燈點(diǎn)亮?xí)r，東西住干道應(yīng)依次點(diǎn)亮綠燈， 綠燈閃亮，黃燈，反之，當(dāng)東西主干道紅燈點(diǎn)亮?xí)r，南北主干道依次點(diǎn)亮綠燈，綠燈 閃，黃燈。 4 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1.1 PLC 智能化控制交通燈的方法 傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈，通常是事先經(jīng)過(guò)交通流量的調(diào)查，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法 將兩個(gè)方向紅綠 燈的延時(shí)預(yù)先設(shè)置好。

47、然而實(shí)際上交通流量的變化往往是不確定的， 有的路口在不同的時(shí)段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行、適用的方案， 仍然會(huì)發(fā)生這樣的現(xiàn)象：綠燈方向幾乎沒(méi)有什么車輛，而紅燈方向卻排著長(zhǎng)隊(duì)等候通 過(guò)。這種流量變化的偶然性是無(wú)法建立準(zhǔn)確模型的，統(tǒng)計(jì)的方法已不能適應(yīng)迅猛發(fā)展 的交 通現(xiàn)狀，需要有一種能夠根據(jù)流量變化情況自適應(yīng)控制的交通燈。而模糊控制恰 恰具有這方面的優(yōu)勢(shì)。此系統(tǒng)就是應(yīng)用可編程序控制器(PLC)對(duì)十字路口交通控 制燈 實(shí)現(xiàn)模糊控制傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈，通常是事先經(jīng)過(guò)交通流量的調(diào)查，運(yùn)用統(tǒng) 計(jì)的方法將兩個(gè)方向紅綠燈的延時(shí)預(yù)先設(shè)置好。然而實(shí)際上交通流量的變化往往是不 確定的，有的路口

48、在不同的時(shí)段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行、適 用的方案，仍然會(huì)發(fā) 生這樣的現(xiàn)象：綠燈方向幾乎沒(méi)有什么車輛，而紅燈方向卻排著 長(zhǎng)隊(duì)等候通過(guò)。這種流量變化的偶然性是無(wú)法建立準(zhǔn)確模型的，統(tǒng)計(jì)的方法已不能適 應(yīng)迅猛發(fā)展的交通現(xiàn)狀，需要有一種能夠根據(jù)流量變化情況自適應(yīng)控制的交通燈。而 模糊控制恰恰具有這方面的優(yōu)勢(shì)。 4.1.2 三菱 PLC 選型 1.三菱FX系列PLC的概述 FX系列PLC是日本三菱公司繼F1、F2系列PLC之后推出的小型機(jī)。它同時(shí)具有單元 式PLC的簡(jiǎn)單易用和模塊、式PLC的功能強(qiáng)大、配置靈活的優(yōu)點(diǎn)，其機(jī)型種類較多，主 要有FX0S、FX0N、FX1、 FX1N、FX2

49、 、FX2N 、FX2NC等。系統(tǒng)配置既固定又靈活，基 本上能滿足各種工業(yè)控制要求。當(dāng)控制要求較簡(jiǎn)單時(shí)，可選用容量較小的FX0S或FX0N 機(jī)型；當(dāng)控制要求較復(fù)雜時(shí)，可選用性能高、處理速度快、容量大的FX2N或FX0N機(jī)型。 FX2N系列是小型化、高速度、高性能等很多方面都是相當(dāng)于FX系列中最高檔次的 超小型程序裝置。除輸入輸出16-256點(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以適用于多個(gè)基礎(chǔ)組件間 的連接、模擬控制、定位控制等特殊用途，是一套可以滿足廣泛需要的PLC。 2.FX2N系列PLC的特點(diǎn)： （1）系統(tǒng)配置既固定又靈活 可進(jìn)行16-256點(diǎn)的靈活輸入輸出組合?？蛇B接擴(kuò)展模塊，包括FX0N系列擴(kuò)展模塊。

50、 （2）編程簡(jiǎn)單，指令豐富 編程種類如表4.1。 表4.1 簡(jiǎn)單的編程種類 指令種類 指令數(shù)目/種 基本指令 27 步進(jìn)梯形指令 2 應(yīng)用指令 128（298個(gè)） 功能指令種類多，有高速處理指令、便利指令、數(shù)據(jù)處理、特殊用途指令等。 （3）品種豐富 可選用16/32/48/64/80/128/點(diǎn)的主機(jī)，可以采用最小8點(diǎn)的擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展。也可 根據(jù)電源及輸入輸出形式，自由選擇。 （4）高性能 內(nèi)置程序容量8000步，最大可擴(kuò)充至16K步，可輸入注釋，還有豐富的軟主件。 （5）多種特殊用途 FX2N系列中，1臺(tái)基本單元最多可連接8臺(tái)擴(kuò)展模塊或特殊功能模塊，連接上相當(dāng) 的特殊功能模塊后，可應(yīng)用在模

51、擬控制、定位控制等特殊場(chǎng)合。 （6）外部機(jī)器通信簡(jiǎn)單簡(jiǎn)化 一臺(tái)FX2N主機(jī)可安裝一個(gè)機(jī)能擴(kuò)充板，使用FX2N-485-BD及FX0N-485ADP的 FX2N系列PLC間，可作簡(jiǎn)易PLC通信連接。 4.2 交通燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.2.1 GX Developer 編程軟件介紹 1、編程語(yǔ)言 (1）梯形圖 一種圖形語(yǔ)言 可編程序控制器是按照用戶的控制要求編寫程序來(lái)進(jìn)行工作的。程序的編制就是 用一定的編程語(yǔ)言把一個(gè)控制任務(wù)描述出來(lái)。程序的表達(dá)方式基本有四種：梯形圖、 指令表、邏輯功能圖和高級(jí)語(yǔ)言。絕大部分 PLC 是使用梯形圖和指令表編程。 梯形圖是一種圖形語(yǔ)言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中

52、的繼電器觸點(diǎn)、線圈、 串并聯(lián)等術(shù)語(yǔ)和圖形符號(hào)，而且還加進(jìn)了許多功能強(qiáng)而又使用靈活的指令，將微機(jī)的 特點(diǎn)結(jié)合進(jìn)去，使得編程容易。世界上各生產(chǎn)廠家的 PLC 都把梯形圖作為第一用戶編 程語(yǔ)言。 (2）指令表 一種助記符編程語(yǔ)言 所謂指令就是用字母來(lái)表達(dá) PLC 各種功能的助記符號(hào)。常用的助記符由指令構(gòu)成 的能完成控制任務(wù)的指令組合就是指令表，每一條指令一般由指令助記符和作用器件 編號(hào)兩部分組成。圖 4.2 給出用 PLC 實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/停止控制的兩種編程語(yǔ) 言的表示方法。圖中符號(hào)的含義如下：X0 和 X1 是兩個(gè)輸入點(diǎn)的表示符號(hào)，通常作為輸 入繼電器的觸點(diǎn)；Y0 是輸出接點(diǎn)表示符號(hào)，一般

53、看作是一個(gè)輸出繼電器的線圈，同時(shí) 又表示該繼電器的觸點(diǎn)。在梯形圖中，常用兩種圖型符號(hào)：符號(hào)“Y0”表示輸 出變量，符號(hào)“Y0”表示輸入變量，ED 表示程序結(jié)束。 圖 4.2 兩種編程方式 2、GX Developer 編程軟件 GX Developer 是三菱 PLC 的編程軟件。適用于 Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX 等全系列可編程控制器 。支持梯形圖、指令表、SFC、 ST 及 FB、Label 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)， 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫 PLC 程序功能。 3、GX Developer 的特點(diǎn) (1) 軟件的共通化 GX Develope

54、r 能夠制作 Q 系列，QnA 系列，A 系列（包括 運(yùn)動(dòng)控制（SCPU） ）,FX 系列的數(shù)據(jù) ,能夠轉(zhuǎn)換成 GPPQ,GPPA 格式的文檔。 此外， 選擇 FX 系列的情況下，還能變換成 FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文檔。 (2) 利用 Windows 的優(yōu)越性，使操作性飛躍上升能夠?qū)xcel,Word 等作成的 說(shuō)明數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，粘貼，并有效利用。 (3) 程序的標(biāo)準(zhǔn)化 標(biāo)號(hào)編程 用標(biāo)號(hào)編程制作可編程控制器程序的話，就不需要認(rèn)識(shí)軟元件的 號(hào)碼而能夠根據(jù)標(biāo)示制作成標(biāo)準(zhǔn)程序。用標(biāo)號(hào)編程做成的程序能夠依據(jù)匯編從而作 為實(shí)際的程序來(lái)使用。 功能塊（以下，略稱作 FB） FB 是

55、以提高順序程序的開(kāi)發(fā)效率為目的而開(kāi) 發(fā)的一種功能。把開(kāi)發(fā)順序程序時(shí)反復(fù)使用的順序程序回路塊零件化，使得順序程 序的開(kāi)發(fā)變得容易。此外，零件化后，能夠防止將其運(yùn)用到別的順序程序時(shí)的順序 輸入錯(cuò)誤。 宏 只要在任意的回路模式上加上名字（宏定義名）登錄（宏登錄）到文檔， 然后輸入簡(jiǎn)單的命令就能夠讀出登錄過(guò)的回路模式，變更軟元件就能夠靈活利用了。 (4) 能夠簡(jiǎn)單設(shè)定和其他站點(diǎn)的鏈接 由于連接對(duì)象的指定被圖形化而構(gòu)筑成 復(fù)雜的系統(tǒng)的情況下也能夠簡(jiǎn)單的設(shè)定。 (5) 能夠用各種方法和可編程控制器 CPU 連接。 經(jīng)由串行通訊口 ； 經(jīng)由 USB； 經(jīng)由 MELSECNET/10(H)計(jì)算機(jī)插板 ； 經(jīng)由

56、 MELSECNET()計(jì)算機(jī)插板 ； 經(jīng)由 CC-Link 計(jì)算機(jī)插板； 經(jīng)由 Ethernet 計(jì)算機(jī)插板； 經(jīng)由 CPU 計(jì)算機(jī)插板； 經(jīng)由 AF 計(jì)算機(jī)插板。 (6) 豐富的調(diào)試功能 由于運(yùn)用了梯形圖邏輯測(cè)試功能，能夠更加簡(jiǎn)單的進(jìn)行調(diào)試作業(yè)。 在幫助中有 CPU 錯(cuò)誤，特殊繼電器 /特殊寄存器的說(shuō)明，所以對(duì)于在線中 發(fā)生錯(cuò)誤，或者是程序制作中想知道特殊繼電器 /特殊寄存器的內(nèi)容的情況下 提供非常大的便利。 數(shù)據(jù)制作中發(fā)生錯(cuò)誤況時(shí)，會(huì)顯示是什么原因或是顯示消息，所以數(shù)據(jù)制作的時(shí)間能夠 大幅度縮短。 4、GX Developer 的應(yīng)用 要安裝這個(gè)軟件，先要打開(kāi) GX 編程軟件 MELSO

57、FTEnvMEL里的 SETUP 這個(gè)程 序。這個(gè)安裝程序是共通部件。 需注意以下幾點(diǎn)： 1去掉文件夾名稱中的中文字符。 2先安裝 GX DeveloperEnvMEL 里的環(huán)境包。 3打開(kāi) GX Developer 里的 SETUP.EXE 這個(gè)安裝文件，開(kāi)始安裝，中間會(huì)要你 輸入 ID 序列號(hào)，最好安裝時(shí)候關(guān)閉 殺毒軟件，完成后再打開(kāi)。 注意安裝時(shí)不要 選擇監(jiān)控模式，如果有不清楚的，就用默認(rèn)的，直接點(diǎn)擊下一步就可以了。 Gx Developer 的工具條： Gx Developer 常用的按鈕如圖 4.3（a） 、(b)所示： 圖 4.3（a）重要按鈕 圖 4.3(b) 編輯修改程序時(shí)用到

58、的按鈕 編輯程序的生成： （1）用鼠標(biāo)左鍵雙擊 Gx Developer 圖標(biāo)啟動(dòng) Gx Developer 編程軟件，如圖 4.4 所 示： 圖 4.4 Gx Developer 編程軟件的啟動(dòng) （2）在打開(kāi)的 Gx Developer 編程軟件的界面 創(chuàng)建新工程，如圖 4.5 所示： 圖 4.5 新工程的創(chuàng)建 （3）打開(kāi)創(chuàng)建的新工程界面，將深藍(lán)色矩形光標(biāo)放在欲放置元件的位置，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊 “功能鍵”和“功能圖”中要放置的元件按鈕，將彈出“輸入元件”對(duì)話框，如圖 4.6 所示。在文本框中輸入元件號(hào)，輸入完后點(diǎn)擊【確定】按鈕，元件被放置在光標(biāo)制定 的位置。最終完成梯形圖的編輯，如圖 4.7 所示

59、。 圖 4.6 輸入元件對(duì)話框 圖 4.7 梯形圖編輯畫面 (4)將編輯好的編程程序（梯形圖）進(jìn)行保存，如圖 4.8 所示： 圖 4.8 編程程序的保存 4.2.2 軟件設(shè)計(jì)任務(wù) （1）軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)控制系統(tǒng)要求將順序功能圖轉(zhuǎn)換為梯形圖，在 程序設(shè)計(jì)的時(shí)候最好將使用的軟元件（如內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等）列表， 標(biāo)明用途，以便于程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、檢修時(shí)查閱。 （2）模擬調(diào)試。將設(shè)計(jì)好的程序下載到PLC 主單元中。由外接信號(hào)源加入測(cè) 試信號(hào)，可用按鈕或小開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào)，用指示燈模擬負(fù)載，通過(guò)各種指示燈的 亮暗情況了解程序運(yùn)行的情況，觀察輸入 /輸出之間的變化關(guān)系及邏輯狀

60、態(tài)是否符 合設(shè)計(jì)要求，并及時(shí)修改和調(diào)整程序，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。 4.2.3.根據(jù)控制要求確定 I/O 分配表 1、分析控制系統(tǒng)的控制要求 熟悉被控對(duì)象的工藝要求，確定必須完成的動(dòng)作及動(dòng)作完成的順序，歸納出順 序功能圖。 如圖 4.9 所示 圖 4.9 順序功能圖 2、確定 I/O 分配表 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，確定 I/O 點(diǎn)數(shù)和 I/O 點(diǎn)的類型（數(shù)字量、模擬量等），并 列出 I/O 點(diǎn)清單，如圖 4.10。進(jìn)行內(nèi)存容量的估計(jì)，適當(dāng)留有余量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 對(duì)于一般開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)，用戶程序所需存儲(chǔ)器的容量等于I/O 總數(shù)乘以 8；對(duì) 于只有模擬量輸入的控制系統(tǒng)，每路模擬量需要100 個(gè)存儲(chǔ)器字；