畢業(yè)設計（論文）PLC在交通燈控制系統(tǒng)中的應用

1、 東北石油大學秦皇島分校畢業(yè)論文摘要隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速公路，在高速公路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。而城市高速道路在構造上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路和普通道路耦合出交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道，城區(qū)與周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題，plc是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而

2、形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（iec）頒布了對plc的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。根據(jù)交通等工藝控制要求和特點，我們采用了日本三菱公司fx2n_48mr。三菱plc有小型化，高速度，高性能等特點，三菱可編程控

3、制器指令豐富，可以接各種輸入，輸出擴充設備，有豐富的特殊擴展設備，其中的模擬輸入設備和通信設備是系統(tǒng)所必需的，能夠方便地聯(lián)網通信。本系統(tǒng)就是應用可編程控制器（plc）對十字路口交通控制等實現(xiàn)控制。關鍵詞 交通燈；plc設計；交通燈控制；系統(tǒng)調試；監(jiān)控系統(tǒng)目錄摘要i第1章 緒論11.1 交通燈的作用和意義11.2 本文研究的內容1第2章 plc的概述32.1 plc的簡介32.2 plc的特點42.3 plc的基本結構和工作原理52.4 西門子s7-200系列plc的硬件72.4.1 s7-200系列plc主要由下面幾個部分組成72.4.2 主機72.4.3 cpu的主要特點82.4.4 存儲系

4、統(tǒng)82.4.5 擴展單元82.4.6 特殊功能模塊92.5內部軟元件102.6 plc基本指令11第三章 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計133.1 mcgs組態(tài)軟件簡介133.2 基于mcgs的交通燈監(jiān)控界面設計153.3 mcgs組態(tài)的過程15第四章 系統(tǒng)的設計174.1 控制要求174.2 交通燈的放置174.3 交通信號燈plc的輸入/輸出點的分配表184.4 交通信號燈plc控制硬件接線圖184.5 軟件設計194.5.1 交通信號燈plc控制梯形圖194.5.2 交通信號燈plc控制的指令204.6 程序說明224.7 交通信號燈的狀態(tài)波形圖23參考文獻24致 謝2525東北石油大學秦皇島分校畢業(yè)

5、論文第1章 緒論1.1 交通燈的作用和意義交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。為了實現(xiàn)交通道路的管理，力求交通管理先進性、科學化。用可編程控制器實現(xiàn)交通燈管制的控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設計方法，實驗證明該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、經濟，能夠有效地疏導交通，提高交通路口的通行能力。分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結合交通的實際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡單實用的城市交通燈控制系統(tǒng)的plc設計方案?？删幊绦蚩刂破髟诠I(yè)自動化中的地位極為重要，廣泛的應用于各個行業(yè)。隨著科技的發(fā)展，可編程控制器的功能日益完善，加上小型化

6、、價格低、可靠性高，在現(xiàn)代工業(yè)中的作用更加突出。城市交通與人民群眾生產生活息息相關。目前我市發(fā)展迅速，經濟收入逐年增長，人民群眾生活條件越來越好，私人轎車越來越多，城區(qū)道路交通壓力與日俱增，許多路段已經超出道路設計負荷，經常發(fā)生堵車、交通事故等現(xiàn)象；雖然政府有關部門積極采取相應措施進行緩解，但效果不太明顯；特別在節(jié)假日、上、下班高峰時間，堵車現(xiàn)象更為嚴重，而交通路段中十字路口處的車輛暢通與否尤顯重要。在加上80年代后期，我國許多大城市如北京上海等地紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒

7、有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在構造上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。這些都給市民的正常出行造成了困擾。人、車、路三者關系的協(xié)調，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。道路交通信號燈是為了加強道路交通管理，減少交通事故的發(fā)生，提高道路使用效率，改善交通狀況的一種重要工具，指導車輛和行人安全有序地通行。它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控重要的組成部分。1.2 本文研究的內容plc

8、是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（iec）頒布了對plc的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。本文分四章，第1章介紹了交通燈的作用和意義；

9、第2章介紹了plc的發(fā)明、發(fā)展、plc的一般結構以及他的應用領域；第3章監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計；第4章系統(tǒng)的設計與仿真。東北石油大學秦皇島分校畢業(yè)論文第2章 plc的概述2.1 plc的簡介plc即可編程控制器（programmable logic controller），是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（international electrical committee）頒布的plc標準草案中對plc做了如下定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計

10、數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程 。可編程控制器及其有關外部設備，都應按易于工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計?？傊删幊炭刂破魇且慌_專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的計算機，它是將傳統(tǒng)的繼電器技術，計算機技術和通信技術相融合而發(fā)展起來的一種新型的控制裝置 。在具體的國內工業(yè)應用中，由于它不是針對某一具體工業(yè)應用，因此它的硬件應根據(jù)實際需要來進行配置，其軟件則根據(jù)控制要求進行編寫。隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模、集成電路技術的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信技術的不斷進步，plc也迅速發(fā)展其發(fā)展過程大致可以分為三個階段。1. 早期的plc早期

11、的plc稱為可編程邏輯控制器。這時，plc主要功能只是執(zhí)行原先由繼器完成的順序控制、定時等。早期的plc的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂、便于安裝、體積小、能耗低、有故障指示及能重復使用等。其中plc特有的編程語言梯形圖，一直沿用到現(xiàn)在。2. 中期的plc這時plc產品已使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理，通信技術是plc的應用得到了進一步的發(fā)展。在硬件方面，除了保留原有的開發(fā)模塊外，還增加了模擬量模塊、遠程i/o模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使plc的范圍更大。在軟件方面，還

12、增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送通信、直診斷等功能。3. 近期的plc由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，微處理器價格的大幅度下降，使的各種類型的plc所采用的微處理器的檔次普遍提高。為了提高plc的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。 世界上生產plc產品的廠家多達200多個，其中比較著名的有美國的ab、通用(ge)，日本的三菱(mitsbishi)、 歐姆龍(omron)、松下，德國的西門子(siemens)，韓國的三星(sumsung)、 lg等。2.2 plc的特點目前，plc在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等

13、各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾點：1. 可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。plc由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。由于plc模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，所以的i/o接口電路均采用光電隔離;在結構上對、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮;在硬件上采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施;在軟件上采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施。以上這些使plc具有較高的抗干擾能力。2. 控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強在plc控制系統(tǒng)中，只需要在plc輸入/輸出端子上接入相應的信號線即可，不需要連接如繼電器之類的

14、低壓電器和大量而又復雜的硬件接線線路 ，大大簡化了控制系統(tǒng)的結構。，plc的輸入/輸出可直接與交流220v、直流24v等強電相連，并且具有較強的帶負載能力。3. 編程方便，易于使用plc作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用plc的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。4. 功能完善plc發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯

15、處理功能以外，現(xiàn)代plc大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來plc的功能單元大量涌現(xiàn)，使plc滲透到了位置控制、溫度控制、cnc等各種工業(yè)控制中。在plc內部具備許多控制功能，如：邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步進控制、pid控制、數(shù)據(jù)控制、通信和聯(lián)網，還有其他特殊功能模塊。5. 設計、施工、調試的周期短plc用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。6. 體積小，維護操作方便plc體積小，質量輕，便于安裝，不需要

16、專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與plc相應的i/o端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。2.3 plc的基本結構和工作原理2.3.1 plc的基本結構在種類繁多的plc中，其組成結構和工作原理都基本相同。用plc實施控制，其實質是按一定算法進行輸入/輸出轉換，并將這個轉換給予物理實現(xiàn)，并應用于工業(yè)現(xiàn)場。plc專為工業(yè)現(xiàn)場而設計，采用了典型的計算機結構，它主要由cpu、電源、存儲器和專門設計的輸入/輸出接口電路等組成。1. 中央處理器(cpu)中央處理器(cpu)一般由控制器運算器和寄存器組成。它們都集成在

17、一個芯片內，cpu通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元輸入/輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣，cpu是plc的核心，它按照plc中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮plc有條不序地進行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，當plc處于運行方式時，cpu按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。cpu的主要任務如下：(1) 按plc系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器輸入用戶程序和數(shù)據(jù)。(2) 用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。(3) 診斷電源或plc內部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。(4) 在plc進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶，程序經過命令解釋后，按指令

18、規(guī)定的任務產生相應的控制信號，去啟、閉有關控制電路，分時地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較、變換等動作。完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運算或算術運算等任務。根據(jù)運算結果更換有關標志位的狀態(tài)和輸入映像寄存器的內容，實現(xiàn)輸出、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等控制。2. 存儲器plc的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩個部分。(1)系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器是指用來存放plc的系統(tǒng)程序的存儲器。它由plc生產廠家編寫并固化在rom內，用戶不能直接更改。它使plc具有基本的功能，能夠完成plc設計者規(guī)定的各項工作。其主要內容包括3個部分：系統(tǒng)管理程序、 用戶指令解釋程序和標準程序模塊與系統(tǒng)調試。(2)用戶存儲器用戶存儲

19、器由用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分組成，其主要任務作用是用來存放用戶針對具體控制任務用規(guī)定的plc編程語言編寫的各種用戶程序。plc使用的存儲器有3種類型：隨機存取存儲器(ram)、只讀存儲器(rom)和可擦除可編程只讀存儲器(eepro)。3. 輸入/輸出接口單元plc的輸入和輸出信號類型可以是開關量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出接口單元從廣義上可分為2個部分：一部分是與被控制設備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。4. 擴展接口和通信接口plc具有擴展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)擴展接口的作用是將擴展單元和功能模塊與基本單元相連，是plc的配置更加靈活以滿足不同控

20、制的系統(tǒng)需求。(2)通信接口的作用是通過這些通信接口可以與監(jiān)視器打印機和其他的，plc或計算機相連從而實現(xiàn)”人-機”或”機-機”之間的對話。5. 電源部分plc一般使用220交流電源，內部的開關電源位plc的中央處理器、存儲器等。電路提供5v、±12v、24v等直流電源使plc能正常工作。6. 編程設備編程設備的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監(jiān)視。7. 其他部件有些plc還可以有errom寫入器、存儲器卡等其他外部設備，用于增強plc的存儲容量和擴展功能。2.3.2 plc的工作原理plc在程序運行方式、輸入輸出操作、特殊功能模塊等方面做了特別的考慮2。1. plc的3個工

21、作階段當plc投入運行后，其工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段三個階段完成。上述3個階段即為一個周期。在整個運行期間plc的cpu以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述3個階段。(1)輸入采樣階段plc。在輸入采樣階段，先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態(tài)存入對應的輸入元件映像寄存器。此時，輸入元件映像寄存器被刷新，接著進入用戶程序執(zhí)行階段。在用戶程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器與外界隔離，無論輸入端子信號如何變化，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新內容重新寫入。(2)用戶程序執(zhí)行階段。根據(jù)plc梯形圖程序掃描規(guī)則，plc以

22、先左后右，先上后下的步序逐句掃描。當指令中涉及輸入/輸出時，plc從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應輸出映像寄存器的當前狀態(tài)。然后，進行相應的運算，運算結果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說，每一個元件的狀態(tài)會隨程序的執(zhí)行過程而變化。(3)輸出刷新階段。在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態(tài)在（通/斷）在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅動外部負載。對于小型plc，i/o點數(shù)較少，用戶程序較短，用集中采樣集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應速度，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。

23、2. plc對輸入/輸出的處理規(guī)則plc對輸入/輸出的處理規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入點在上有個刷新期間的通/斷狀。2.4 西門子s7-200系列plc的硬件西門子公司的plc產品包括s7-200、s7-300、s7-400、logo、hmi人機界面、工業(yè)網絡、工業(yè)軟件等。s7系列plc具有體積小、速度快、標準化，具有網絡通信能力，功能更強，可靠性更高的優(yōu)點。s7系列plc產品可分為微型plc（s7-200）、小規(guī)模性能要求的plc（s7-300）和中高規(guī)模性能要求的plc（s7-400）等。其中s7-200系列的plc的出色主要表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性，極豐

24、富的指令集，易于掌握，便捷的操作，豐富的內置集成功能，實時特性，強勁的通信能力，豐富的擴展模塊。2.4.1 s7-200系列plc主要由下面幾個部分組成1. 基本單元基本單元又稱為cpu模塊，有的也稱為主機或本機。它包括cpu、存儲器、基本輸入/輸出點和電源等，是plc的主要部分。實際上它就是個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨完成一定的任務。2. 擴展單元s7-200 cpu22*系列plc具有2到7個擴展模塊，用戶可以根據(jù)需要擴展各種i/o模塊。 3. 特殊功能模塊當需要完成某些特殊功能的控任務時，需要擴展模塊和功能模塊。它是完成某種特殊控制任務的一些裝置。4. 相關設備為了充分利用系統(tǒng)硬件和軟件資

25、源而開發(fā)的相關設備，主要包括編輯設備、網絡設備和人機操作界面等。5. 為了能夠更好地使用以上設備開發(fā)的配套程序。它主要由標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口軟件等幾大類構成。2.4.2 主機s7-200 cpu22*系列的cpu模塊主要包括一個中央處理器、電源、通信口及i/o接口。它的主要作用有：執(zhí)行程序；從現(xiàn)場設備中采集信號；輸出控制信號；驅動外部負載。s7-200 cpu22*系列的plc具有以下5種不同的結構配置：(1)cpu221具有6個輸入點和4個輸出點，共計10個i/o點。無擴展能力。有4路高速計數(shù)器（30khz），2路高速脈沖輸出，1個rs485通信/編程口，2個獨立的輸入端，

26、可同時作加、減計數(shù)，可連接2個相位差為90度的a/b相增量編碼器。程序和數(shù)據(jù)存儲容量較小，適用于少點的控制系統(tǒng)。(2)cpu222具有8個輸入點和6個輸出點，共計14個i/o點。1個模擬量電位器，最多可擴展10ai/ao點。4kb用戶程序區(qū)和2kb數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有4路高速計數(shù)器（30khz），2路高速脈沖輸出，1個rs485通信/編程口，2個獨立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接2個相位差為90度的a/b相增量編碼器。可以進行一定模擬量的控制和2個模塊的擴展，因此是應用更廣泛全功能控制器。(3)cpu224具有14個輸入點和10個輸出點，共計24個i/o點。2個模擬量電位器，最多可擴展35ai/

27、ao點。8kb用戶程序區(qū)和5kb數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有6路高速計數(shù)器（30khz），2路高速脈沖輸出，1個rs485通信/編程口，有7個擴展模塊。它具有更強的模擬量處理能力，是s7-200系列產品中使用最多的。(4)cpu226。具有24個輸入點和16個輸出點，共計40個i/o點。2個模擬量電位器，最多可擴展35ai/ao點。8kb用戶程序區(qū)和5kb數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有6路高速計數(shù)器（30khz），2路高速脈沖輸出，2個rs485通信/編程口。它主要用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。(5)cpu226xm。這是西門子公司推出的一種增強型主機。它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展，其他指標

28、和cpu226相同。2.4.3 cpu的主要特點1. 內部集成的具有強勁的通信能力的ppi接口是s7-200的用戶口，cpu接口物理特性為rs485，可在三種方式下工作。(1)ppi方式：通過ppi方式，s7-200系列plc與計算機之間或者是plc相互之間可通過普通的兩芯屏蔽雙絞電纜進行聯(lián)網。(2)mpi方式：通過mpi方式，s7-200可以通過內置接口連接到mpi網絡上，它可以與s7-300/s7-400cpu進行通信。(3)自由口通信方式；通過自由口通信方式，s7-200系列plc可以與任何通信協(xié)議公開的其他設備、控制器進行通信。2. 豐富的內置集成功能(1)集成的24v負載電源，可直接

29、連接到傳感器和變送器(2)對于不同的設備類型，其cpu各有2個類型，具有不同的電源電壓和控制電壓。(3)中斷輸入，允許以極高的速度對過程信號的上升沿作出響應。(4)具有4到6個高數(shù)計數(shù)器（30khz）。(5)2路脈沖輸出由于控制步進電機，或伺服電機的運動，從而實現(xiàn)對目標的定位任務。3. 豐富的擴展模塊對數(shù)字量和模擬量擴展模塊可方便選用。4. 具有易于掌握，便捷的操作以及豐富的指令集。2.4.4 存儲系統(tǒng)s7-200系列plc的存儲系統(tǒng)由ram和eeprom兩種類型的存儲器構成，cpu模塊內部配備了一定容量的ram和eeprom。同時，s7-200系列plc的cpu模塊支持可選的eeprom存儲

30、器卡。在cpu模塊內部的超級電容和電池模塊用于長時間的保存數(shù)據(jù)，用戶數(shù)據(jù)可通過主機的超級電容存儲若干天。2.4.5 擴展單元當cpu需要進行某種特殊的功能控制或其i/o的擴展，通常i/o擴展包括i/o的點數(shù)擴展和功能模塊的擴展兩類。1. i/o擴展模塊s7-200系列plc提供了五大類擴展模塊：(1)數(shù)字量輸入擴展模板em221（8路擴展輸入）。(2)數(shù)字量輸出擴展模板em222（8路擴展輸出）。(3)數(shù)字量輸入和輸出混合擴展模板em223（8i/o，16i/o，24i/o）。(4)模擬量輸入擴展模塊em231，每個em231可擴展3路模擬量輸入通道，a/d轉換時間25us，分辨率為12位。(

31、5)模擬量輸入擴展模塊em235，每個em235可同時擴展3路模擬輸入和1路模擬量輸出通道，其中a/d轉換時間25us，d/a轉換時間100us，分辨率均為12位。2. 熱電偶/熱電阻擴展模塊3. 通信擴展模塊表2-1 s7-200 i/o編址信息類型cpu221cpu222cpu224cpu226i_數(shù)字量輸入0.0-15.70.0-15.70.0-15.70.0-15.7q_數(shù)字量輸出0.0-15.70.0-15.70.0-15.70.0-15.7m_中間標志位0.0-15.70.0-15.70.0-15.70.0-15.7c_計數(shù)器0-2550-2550-2550-255t_計時器0-2

32、550-2550-2550-255aiw_模擬輸入字0-300-300-30aqw_模擬輸出字0-300-300-30 2.4.6 特殊功能模塊s7-200系列plc的特殊功能模塊有數(shù)字量擴展模板、模擬量擴展模塊、熱電偶/熱電阻擴展模塊、通信擴展模塊和現(xiàn)場設備接口模塊。1. 數(shù)字量擴展模板(1)em221 數(shù)字量輸入模板，24v，8輸入。(2)em222 數(shù)字量輸出模板，24v，8輸出。(3)em223 數(shù)字量混合模板，24v。2. 模擬量擴展模塊(1)em231 4模擬輸入點，2w，12位。(2)em232 2模擬輸入點，2w，12位。(3)em235 4模擬輸入點，1模擬輸出點， 2w，1

33、2位。3. 熱電偶/熱電阻擴展模塊em231為常用的熱電偶/熱電阻擴展模塊。其功率損失為1.8w，15位加符號位，wm231 ai4熱電偶有4模擬量輸入點，em231 ai2 熱電阻有2模擬量輸入點。4. 通信擴展模塊em277 jprofibu-dp模塊是常用的通信擴展模塊，它用于plc現(xiàn)場總線通信連接。其波特變化范圍為960011500波特。5. 現(xiàn)場設備接口模塊cpu243-2通信處理器是as-i主站連接部分，專用于s7-200 cpu22*，連接的同時顯著增加了s7-200可利用的i/o點數(shù)。2.5內部軟元件用戶使用的plc中的每一個i/o、內部存儲單元、定時器和計數(shù)器都稱為軟元件。各

34、個軟元件的功能不同，都有其固定的地址。軟元件是plc內部具有一定功能的器件，這些器件實際上都是由電子電路、寄存器及存儲單元等組成的。它的特點是；它具有繼電器的特性，但它沒有機械性的特點，它的最大的優(yōu)點是其觸點可以無限次使用，并且它們的壽命長。編程時，用戶只要記住軟元件的地址就可以了。下面對軟元件介紹一下。1. 輸入繼電器（i）它是plc用來接收用戶設備輸入信號的接口。當外部開關信號閉合，則輸入繼電器的線圈得電，在程序中的常開觸點閉合，常觸點斷開，這些觸點可以在編程時任意使用，不受次數(shù)限制。輸入繼電器位存取的地址編號范圍為i0.0i15.7，輸入繼電器的數(shù)據(jù)存取可采用位、字節(jié)、字或雙字來存取。2

35、. 輸出繼電器（q）它是用來將輸出信號傳送到負載的接口，每一個輸出繼電器線圈都與相應的plc輸出端相連，并有無數(shù)對常開和常閉觸點供編程時使用。輸出繼電器位存取的地址編號范圍為q0.0q15.7，輸出繼電器可采用位、字節(jié)、字或雙字來存取。3. 通用輔助繼電器（m）通用輔助繼電器又稱為內部標志位存儲器，它的作用和繼電接觸器控制系統(tǒng)的中間繼電器相同，它是用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)。內部標志位存儲器可采用位、字節(jié)、字或雙字來存取。內部標志位存儲器位存取的地址編號為m0.0m31.7，共32個字節(jié)。4. 特殊繼電器（sm） 特殊繼電器是指用來存儲系統(tǒng)的狀態(tài)變量有關的控制參數(shù)和信息的具有特殊功能的輔

36、助繼電器。特殊標志位存儲器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。cpu224的sm的位地址編號范圍為sm0.0sm179.7，共180個字節(jié)。常用的特殊存儲器的用途如下：(1) sm0.0 運行監(jiān)視。sm0.0始終為1狀態(tài)。當plc運行時可以利用其觸點驅動輸出繼電器，在外部顯示程序是否處于運行狀態(tài)。(2) sm0.1 初始化脈沖。(3) sm0.3 開機進入run時，接通一個掃描周期，可在啟動操作之前，給設備提前預熱。(4) sm0.4、0.5 占空比為50%的時鐘脈沖。當plc處于運行狀態(tài)時，sm0.4產生周期為1min的時鐘脈沖，sm0.5產生周期為1s的時鐘脈沖。(5) sm0.6 掃描時鐘，一

37、個掃描周期on，另一個為off，循環(huán)交替。(6) sm0.7 改造方式開關位置指示，開關放置在run位置時為1。(7) sm1.0 零標志位，運算結果=0，該位置1。(8) sm1.1 溢出標志位，結果溢出或為非法值時，該位置1。(9) sm1.2 負數(shù)標志位，運算結果為負數(shù)時，該位置1。(10) sm1.3 被0除標志位。5. 變量存儲器（v）變量存儲器主要用于存儲變量。它可以存放程序執(zhí)行過程中控制邏輯操作的中間結果，也可以使用變量存儲器來保存與工序或任務相關的其他數(shù)據(jù)。變量存儲器可以是位尋址，也可以是按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號范圍根據(jù)cpu的型號不同，cpu221/222為

38、v0.0v2047.7，共2kb存儲容量，cpu224/226為v0.0v5119.7，共5kb存儲容量。6. 局部變量存儲器（l）局部變量存儲器和變量存儲器十分相似，都是用來存儲變量的存儲器。區(qū)別在于局部變量存儲器用來存放局部變量，而不存儲全局變量。局部變量存儲器位存取的地址編號范圍為l0.0l63.7，它可以按位、字節(jié)、字、雙字直接尋址。7. 順序控制繼電器（s）通常用在順序控制或步進控制中，并與其指令一起使用以實現(xiàn)順序或步進控制功能流程圖的編程。順序控制繼電器的地址編號范圍為s0.0s31.7。8. 定時器（t）它是累計時間增量的內部器件，作用相當于繼電器控制系統(tǒng)中的時間繼電器。其設定時

39、間由程序設置。并且每個定時器可提供無數(shù)對常開觸點和常閉觸點供編程使用。定時器的定時精度分別為1ms、10ms和100ms三種，cpu222、cpu224及cpu226的定時器地址編號范圍為t0t255，它們的分辨率、定時范圍并不相同，用戶根據(jù)所用cpu型號及時基，正確選用定時器的編號。9. 計數(shù)器（c）計數(shù)器用于累計計數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數(shù)，主要用于對產品進行計數(shù)或進行特定功能的編程。計數(shù)器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用，其設定值由程序賦予。計數(shù)器的地址編號范圍為c0c255。10. 模擬量輸入映像寄存器（ai）和模擬量輸出映像寄存器（aq）11. 高速計數(shù)器（hc）12

40、. 累加器（ac）2.6 plc基本指令s7-200系列plc的基本指令包括常用指令、堆棧操作指令、計數(shù)指令、定時器指令、比較指令和程序控制指令等1。1. 觸點指令觸點指令包括邏輯取和線圈驅動指令，它有兩種連接形式，即串聯(lián)和并聯(lián)。(1)邏輯取和線圈驅動指令。指令格式為：ld 取指令；ldn 取反指令；= 線圈輸出指令。(2)觸點串聯(lián)指令。指令格式為：a 常開觸點串聯(lián)：an 常閉觸點串聯(lián)。(3)觸點并聯(lián)指令。指令格式為：o 常開觸點并聯(lián)：on 常閉觸點并聯(lián)。2. 邏輯電路塊的連接指令電路塊連接指令主要有兩種形式：串聯(lián)電路塊的并聯(lián)指令和并聯(lián)電路塊的串聯(lián)指令。串聯(lián)電路塊的并聯(lián)指令其格式為：old；并

41、聯(lián)電路塊的串聯(lián)指令其格式為：ald。3. 置位，復位指令置位指令的格式為：s bit, n;復位指令的格式為：r bit n。4. 取反指令其格式為：not。5. 邏輯入棧lps、邏輯出棧lpp和邏輯讀棧lrd指令邏輯入棧lps的功能是用于生成一條新的邏輯母線，右側為新的邏輯塊，是分支電路邏輯塊的開始。邏輯出棧lpp的功能是用于lps產生新母線右側的最后一個邏輯塊，結束lps開始的這個分支電路邏輯塊。邏輯讀棧lrd的功能是用于lps開始的分支電路邏輯塊中第二條邏輯塊，本身不進行任何進棧和出棧操作。6. 計數(shù)器指令增計數(shù)器指令ctu：其指令格式為：ctu cx, pv。x為計數(shù)器編號。減計數(shù)器指

42、令ctd：其指令格式為：ctd cx, pv。x為計數(shù)器編號。增減計數(shù)器指令ctud：其指令格式為：ctud cx, pv。x為計數(shù)器編號。7. 定時器指令接通延時指令ton：其指令格式為：ton tx, pt。x為定時器編號。斷開延時指令tof：其指令格式為：tof tx, pt。x為定時器編號。有記憶接通延時指令tonr：其指令格式為：tor tx, pt。x為定時器編號。8. 結束及暫停指令結束指令可分為有條件結束指令end和無條件結束指令mend。暫停指令的指令格式為：stop。9. 子程序指令子程序指令包括3個指令：建立子程序、子程序調用和子程序返回。子程序調用指令又有2條指令：子程

43、序調用指令call和子程序條件返回指令cret。第三章 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計3.1 mcgs組態(tài)軟件簡介mcgs(monitor and control generated system，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制 。 圖3.1 組態(tài)環(huán)境圖mcgs組態(tài)軟件（以下簡稱mcgs）由“mcgs組態(tài)環(huán)境”和“mcgs運行環(huán)境”兩個系統(tǒng)組成。兩部分互相獨立，又緊密相關，如圖3.2所示。 圖3.2 組態(tài)運行圖mcgs組態(tài)環(huán)境是生成用戶應用系統(tǒng)的工作

44、環(huán)境，由可執(zhí)行程序mcgsset.exe支持，其存放于mcgs目錄的program子目錄中。用戶在mcgs組態(tài)環(huán)境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作后，生成擴展名為.mcg的工程文件，又稱為組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫，其與mcgs運行環(huán)境一起，構成了用戶應用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程”。mcgs運行環(huán)境是用戶應用系統(tǒng)的運行環(huán)境，由可執(zhí)行程序mcgsrun.exe支持，其存放于mcgs目錄的program子目錄中。在運行環(huán)境中完成對工程的控制工作。mcgs組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構成，每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作，

45、具有不同的特性。主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個設備窗口和多個用戶窗口，負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設計封面圖形，確定自動啟動的窗口，設定動畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時間等。設備窗口：是連接和驅動外部設備的工作環(huán)境。在本窗口內配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設備，注冊設備驅動程序，定義連接與驅動設備用的數(shù)據(jù)變量。用戶窗口：本窗口主要用于設置工程中人機交互的界面，諸如：生成各種動畫顯示畫面、報警輸出、數(shù)據(jù)與曲線圖表等。實時數(shù)據(jù)庫：是工程各個部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將mcgs工程的各個部分連接成有機的整體。

46、在本窗口內定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象。運行策略：本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序（腳本程序），選用各種功能構件，如：數(shù)據(jù)提取、歷史曲線、定時器、配方操作、多媒體輸出等。圖3.3 mcgs工控組態(tài)軟件圖3.2 基于mcgs的交通燈監(jiān)控界面設計控制面板主要包括了：東西和南北方向的12盞燈以及數(shù)碼管計時器等器件組成。其原理為：當起動開關接通時信號燈系統(tǒng)開始工作，數(shù)碼管從70s開始倒計時，且南北紅燈亮，東西綠燈亮。當起動開關停止時，所有的燈信號全部熄滅。工作時東西綠燈亮30s，并閃爍3次（即3s），黃燈亮2s，且南北紅燈35s。此

47、時數(shù)碼管顯示數(shù)字為35。這時南北綠燈開始亮30s,并閃爍3次（即3s），黃燈亮2s，且東西紅燈亮35s。此時數(shù)碼管顯示數(shù)字為0。然后數(shù)碼管按照此時間進行循環(huán)。圖3-4 交通燈監(jiān)控系統(tǒng)3.3 mcgs組態(tài)的過程項工程項目系統(tǒng)分析：分析工程目的系統(tǒng)構成、技術要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和監(jiān)控對象的特征，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設備采集及輸出通道與軟件中實時數(shù)據(jù)庫變量的對應關系，分清哪些變量是要求與設備連接的，哪些變量是軟件內部用來傳遞數(shù)據(jù)及動畫顯示的。工程立項搭建框架：mcgs稱為建立新工程。主要內容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動窗口（封面窗口退出后接著顯示的窗口）名

48、稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設定動畫刷新的周期。經過此步操作，即在mcgs組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結構框架。封面窗口和啟動窗口也可等到建立了用戶窗口后，再行建立。設計菜單基本體系：為了對系統(tǒng)運行的狀態(tài)及工作流程進行有效地調度和控制，通常要在主控窗口內編制菜單。編制菜單分兩步進行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對各級菜單命令進行功能組態(tài)。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實際需要，隨時對菜單的內容進行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設計和動態(tài)屬性設置兩個過程。前一部分類似于“畫畫”，用戶通過mcgs組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動畫構件庫，

49、在用戶窗口內“組合”成各種復雜的畫面。后一部分則設置圖形的動畫屬性，與實時數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關性的連接關系，作為動畫圖形的驅動源。編寫控制流程程序：在運行策略窗口內，從策略構件箱中，選擇所需功能策略構件，構成各種功能模塊（稱為策略塊），由這些模塊實現(xiàn)各種人機交互操作。mcgs還為用戶提供了編程用的功能構件（稱之為“腳本程序”功能構件），使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。完善菜單按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報表、報警信息輸出等功能；建立工程安全機制等。編寫程序調試工程：利用調試程序產生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動畫顯示和控制流程是

50、否正確。連接設備驅動程序：選定與設備相匹配的設備構件，連接設備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設備屬性的設置。此項操作在設備窗口內進行。工程完工綜合測試：最后測試工程各部分的工作情況，完成整個工程的組態(tài)工作，實施工程交接。mcgs為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網絡等功能。使用mcgs，用戶無須具備計算機編程的知識，就可以在短時間內輕而易舉地完成一個運行穩(wěn)定，功能成熟，維護量小并且具備專業(yè)水準的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。mcgs具有操作簡便、可視性好、可維護性強、

51、高性能、高可靠性等突出特點，已成功應用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農業(yè)自動化、航空航天等領域，經過各種現(xiàn)場的長期實際運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。第四章 plc系統(tǒng)設計4.1 控制要求1.信號燈由一個按鈕控制其啟動，一個按鈕控制其停止。2.信號燈分為南北綠燈，南被黃燈，南北紅燈和東西綠燈，東西黃燈，東西紅燈及報警燈。3.南北紅燈亮，并維持25s。當南北紅燈亮時，東西綠燈也亮，維持20s后，東西綠燈閃爍3s后熄滅，然后東西黃燈亮2s后熄滅，接著東西紅燈亮，南北綠燈亮。4.東西紅燈亮，并維持30s。當東西紅燈亮時， 南北綠燈也亮，維持25s后， 南北綠燈閃爍3s后熄滅，然后南北黃燈亮2s后熄滅，接著南北紅燈亮， 東西綠燈亮。按以上方式周而復始地工作。如表4-1