基于三菱PLCFX2N控制的城市交通燈

1、畢業(yè)設(shè)計題 目: 城市交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計 所屬系、部 : 電氣工程學(xué)院 年級、 專業(yè): 2010級電氣自動化技術(shù) 姓 名: 學(xué) 號: 指 導(dǎo) 教 師: 完 成 時 間: 任務(wù)書1.畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求1 設(shè)計一個基于PLC控制的城市交通燈控制系統(tǒng)，用于十字路口的車輛及行人的交通管理。2 十字路口的每個方向具有車輛左拐、直行及行人通行3種通行指示燈。3 十字路口的每個方向具有計時牌，顯示路口通行轉(zhuǎn)換剩余時間，在出現(xiàn)緊急情況時，可由交警手動實現(xiàn)全路口車輛禁行而行人通行狀態(tài)。4 對設(shè)計方案進(jìn)行分析論證。5 完成系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，并詳細(xì)說明設(shè)計過程及所用元器件。2指定查閱

2、的主要參考文獻(xiàn)及說明1 廖常初，PLC編程及應(yīng)用. 重慶大學(xué)出版社。2000。2 高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計.人民郵電出版社,2001.33 路林吉.PLC應(yīng)用開發(fā)技術(shù)與工程實踐.人民郵電出版社,1999.54 路林吉,王堅，江龍康.可編程控制器原理及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，20025 齊從謙,王士蘭.PLC技術(shù)及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2000. 86 陳宇.可編程控制器基礎(chǔ)及編程技巧.華南理工大學(xué)出版社，2000. 13進(jìn)度安排設(shè)計（論文）各階段內(nèi)容起 止 日 期1搜集資料，方案論證,確定整體方案第4-5周2硬件設(shè)計第6-8周3軟件設(shè)計第9-10周4系統(tǒng)調(diào)試第11周5撰寫論文第12-1

3、3周注：本表在學(xué)生接受任務(wù)時下達(dá) 題目： 城市交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計 系： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)： 電氣自動化技術(shù) 班級： 電氣自動化技術(shù) 學(xué)生： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 接受任務(wù)時間： 教研室主任（簽名） 系主任（簽名） 教務(wù)處制摘 要自從交通燈誕生以來，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進(jìn)，設(shè)計方法也開始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。尤其是近幾年來，隨著電子與計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路分析和設(shè)計方法有了很大的改進(jìn)，電子設(shè)計自動化也已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的工具和手段，現(xiàn)在，交通控制更是趨向智能化方向發(fā)展，LED交通信號燈在持續(xù)發(fā)光、雨淋、灰塵等惡劣的氣候條件下，仍然能保持較好的工作性

4、能，而且價格更低廉。本文主要通過西門子PLC 控制交通紅綠燈。用可編程控制器（PLC）實現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計方法，實驗證明該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、經(jīng)濟(jì)，能夠有效地疏導(dǎo)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(jié)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(shè)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(yīng)用于各個行業(yè)。關(guān)鍵詞：智能化 自動化 西門子 PLC 交通燈控制系統(tǒng)Abstract Since the birth of traffic lights, the circuit in its

5、internal control system have continually been improved, also began to design methods varied, so that traffic lights become more intelligent. In particular, in recent years, with electronics and the rapid development of computer technology, electronic circuit analysis and design methods have greatly

6、improved, electronic design automation has become a modern electronic system in an indispensable tool and means now, more traffic control Trend is the development of intelligent, LED traffic lights in the continuing luminescence, rain, dust and other adverse weather conditions, can still maintain go

7、od work performance and lower prices. In this paper, Siemens PLC control traffic through the traffic lights PLC controlled traffic control system, and the system hardware and software design method, the experiment proved that the system is simple, economic and can be effectively relieves traffic, im

8、prove traffic intersection traffic capacity of. Analyzes modern urban traffic control and management problems, based on the status of the traffic to the actual situation of traffic control system is expounded the working principle, this paper presents a simple and practical urban traffic control sys

9、tem of PLC design scheme. Programmable controller in industrial automation the status is very important, widely used in various industries. Key words: Intelligent Automation Traffic light control system PLC 目錄1 緒 論11.1 前言11.2 設(shè)計背景11.3交通燈的控制現(xiàn)狀22 系 統(tǒng) 設(shè) 計 方 案32.1 系統(tǒng)控制要求32.2 系統(tǒng)設(shè)計方案43 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計83.1 PLC

10、簡介83.1.1 PLC概述83.1.2 PLC的硬件組成83.1.3 PLC的工作原理93.2 PLC的選型103.3 I/O分配113.4 PLC外部接線設(shè)計114 系統(tǒng)程序設(shè)計134.1 PLC的編程語言與編程結(jié)構(gòu)134.1.1 順序功能圖（SFC）144.1.2 梯形圖（LD）144.1.3 功能圖塊（FBD）164.1.4 指令表（IL）164.2 順序控制梯形圖的設(shè)計方法164.2.1 起保停電路的編程方式164.2.2 以轉(zhuǎn)換為中心的編程方式174.3 以轉(zhuǎn)換為中心的梯形圖設(shè)計175 調(diào) 試 及 性 能 分 析235.1 系統(tǒng)調(diào)試235.1.1 在系統(tǒng)設(shè)計中注意的問題235.1.

11、2 程序調(diào)試中遇到的問題及解決方法235.2 PLC 的 性 能 分 析236 結(jié) 論277 致 謝288 參 考 文 獻(xiàn)29附錄301 緒 論1.1 前言十字路口的紅綠燈指揮著行人和車輛的安全運(yùn)行,實現(xiàn)紅綠燈的自動指揮能使交通管理工作得到改善,也是城市交通管理工作自動化的重要標(biāo)志之一。可編程序控制器(PLC) 是一種新型的通用的自動控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體,是專能加強(qiáng)、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點。因此,本文介紹了三菱公司的PLC 產(chǎn)品來實現(xiàn)交通燈的自動控制。1.2 設(shè)計背景可變成序控制器（PLC）是以計算機(jī)技術(shù)為核心的通用

12、自動控制裝置，在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。PLC是一種數(shù)字式運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，PLC的平均無故障運(yùn)行時間（又稱平均故障間隔時間MTBF）已經(jīng)高達(dá)幾十萬小時。其次，PLC具有通用性強(qiáng)，使用方便的特點。由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，PLC配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，可以組成能滿足各種控制要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設(shè)計和制作硬件裝置。用戶在硬件方面的設(shè)計工作只是

13、確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線。一個控制對象的硬件配置確定以后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。PLC還具有功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣的特點，現(xiàn)代PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、計時、計數(shù)、順控等功能，數(shù)值運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能。因此，它既可對開關(guān)量進(jìn)行控制，也可以對模擬量進(jìn)行控制，既可控制一臺生產(chǎn)機(jī)械、一條生產(chǎn)線，也可控制一個生產(chǎn)過程。PLC還具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，可與上位計算機(jī)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。用戶只需根據(jù)控制的規(guī)模和要求，適當(dāng)選擇PLC的型號和硬件配置，就可以組成所需的控制系統(tǒng)。隨著交通的不斷發(fā)展和汽車化進(jìn)程的加快，交通擁擠加劇，交通事故頻發(fā)，交通環(huán)境惡化，已經(jīng)成為引人注目的城市

14、問題之一。交通問題不僅的發(fā)展中國家，就在發(fā)達(dá)國家也是一個令人困擾的嚴(yán)重問題。眾所周知，緩解交通擁擠的最直接和最有效辦法是提高路網(wǎng)的通信能力。但無論哪個國家的大城市，不可能無限制地修建道路，不論是資金因素還是土地因素，都限制了道路的無節(jié)制增長。因此，不可能通過無限制地修建道路難滿足日益增長的交通需求。與此同時，通過限制車輛增加削減交通需求也因受到客觀因素的制約而無法取得滿意的結(jié)果。事實上，由于交通系統(tǒng)是一個相當(dāng)復(fù)雜的大系統(tǒng)，無論單獨從車輛方面考慮還是從道路方面考慮，都很難從根本上解決問題。早在19世紀(jì)，人們就開始研究交通信號，用信號指揮車通行，控制車輛進(jìn)出交叉口的次序。據(jù)文獻(xiàn)記述，早在1868年

15、，英國倫敦的威斯特明斯特(Westminster)街就安裝了紅、綠色兩色的交通信號燈。到1917年，美國的鹽湖城開始使用由人工控制的紅、黃、綠3色的信號燈。1925年，這種由人工控制的3色信號燈也首次出現(xiàn)在英國倫敦的皮克的時路口。次年，英國人研制出了自己的自動控制信號機(jī)。道路通交通系統(tǒng)是一個地區(qū)、一個城市的主要組成部份，這個系統(tǒng)的運(yùn)行狀況如何，直接反映了一個地區(qū)、一個城市的現(xiàn)代化管理水平。在這一系統(tǒng)中，道路不僅僅是易變化的部分，而其它組成部分則存在著較大的可變性和隨機(jī)性。只有對這一系統(tǒng)的組成及其運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行科學(xué)客觀的分析研究，對能制定出科學(xué)有效的管理和控制對策，從而保障系統(tǒng)的有效運(yùn)行。1.3交

16、通燈的控制現(xiàn)狀隨著城市機(jī)動車量的不斷增加，許多大城市出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)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澎路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)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藕合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道車流量繁忙的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門待解決的主要問題。 2 系 統(tǒng) 設(shè) 計 方 案2.1 系統(tǒng)控制要求（1

17、）設(shè)置兩個開關(guān)控制，用于交通燈控制系統(tǒng)運(yùn)行的啟動和停止。（2）系統(tǒng)默認(rèn)有一種運(yùn)行模式，并設(shè)置了一個另一種選時模式開關(guān)，通過選擇開關(guān)選擇十字運(yùn)行模式，而且兩種運(yùn)行模式都能正常運(yùn)行。（3）通過不同的選擇開關(guān)可以選擇不同的運(yùn)行模式，各個模式適合不同的交通情況。假想交通情況如下：針對東西方向的車流量與南北方向的車流量一樣的交通情況，設(shè)置方案1，具體要求詳見表2-1。 表2-1 方案1交通燈設(shè)置情況東西方向信號紅燈亮左轉(zhuǎn)綠燈亮左轉(zhuǎn)綠燈閃直右綠燈亮直右綠燈閃黃燈亮?xí)r間23S17S3S17S3S3S南北方向信號左轉(zhuǎn)綠燈亮左轉(zhuǎn)綠燈閃直右綠燈亮直右綠燈閃黃燈亮紅燈亮?xí)r間17S3S17S3S3S23S針對東西方向

18、車流量大于南北方向車流量的交通情況，設(shè)置方案2，具體控制要求詳見表2-2。東西方向信號紅燈亮左轉(zhuǎn)綠燈亮左轉(zhuǎn)綠燈閃直右綠燈亮直右綠燈閃黃燈亮?xí)r間15S9S3S9S3S3S南北方向信號左轉(zhuǎn)綠燈亮左轉(zhuǎn)綠燈閃直右綠燈亮直右綠燈閃黃燈亮紅燈亮?xí)r間9S3S9S3S3S15S2.2 系統(tǒng)設(shè)計方案按照交通燈系統(tǒng)控制要求下，結(jié)合三菱PLC的FX-2N系列可編程控制器的特性（見附錄），選擇適合的型號。設(shè)計思想分析如下：以下就方案1進(jìn)行具體分析。首先，打開方案一選擇開關(guān)，東西方向道路處于禁止通行的狀態(tài)，南北方向道路處于允許通行的狀態(tài)。東西方向道路亮紅燈狀態(tài)過程中，東西紅燈亮23S，需計時器設(shè)定延時23S，才會轉(zhuǎn)入下

19、一狀態(tài)南北左轉(zhuǎn)綠燈亮、南北黃燈閃爍、南北紅燈亮；同時，南北方向道路也一起亮左轉(zhuǎn)綠燈17S，需計時器設(shè)定延時17S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)南北綠燈閃爍，南北綠燈閃爍3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使南北綠燈閃爍，還要需計時器設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)南北黃燈亮，南北黃燈亮3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使南北綠燈閃爍，計時器需設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)南北直右紅燈亮23s；東西直右綠燈亮17S，需要計時器設(shè)定延時17S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)東西直右綠燈閃爍，東西直右綠燈閃爍3S，需要計時器設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)東西黃燈亮3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使東西黃燈閃爍，計時器需設(shè)定延時3

20、S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)東西直右紅燈亮23s；其次，南北方向道路處于禁止通行的狀態(tài)，東西方向道路處于允許通行的狀態(tài)。南北方向道路亮紅燈狀態(tài)過程中，南北紅燈亮23S，需計時器設(shè)定延時23S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)東西左轉(zhuǎn)綠燈亮、東西黃燈閃爍、東西紅燈亮；同時東西方向道路也一起亮左轉(zhuǎn)綠燈17S，需計時器設(shè)定延時17S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)東西綠燈閃爍，東西綠燈閃爍3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使東西綠燈閃爍，還要需計時器設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)東西黃燈亮，東西黃燈亮3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使東西綠燈閃爍，計時器需設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)東西直右紅燈亮23s；南北直右綠燈亮17S，需要計

21、時器設(shè)定延時17S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)南北直右綠燈閃爍，南北直右綠燈閃爍3S，需要計時器設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)南北黃燈亮3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使南北黃燈閃爍，計時器需設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)南北直右紅燈亮23s；如此循環(huán)下去。以下就方案2進(jìn)行具體分析。東西方向道路亮紅燈狀態(tài)過程中，東西紅燈亮15S，需計時器設(shè)定延時15S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)南北左轉(zhuǎn)綠燈亮、南北黃燈閃爍、南北紅燈亮；同時，南北方向道路也一起亮左轉(zhuǎn)綠燈9S，需計時器設(shè)定延時9S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)南北綠燈閃爍，南北綠燈閃爍3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使南北綠燈閃爍，還要需計時器設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)南

22、北黃燈亮，南北黃燈亮3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使南北綠燈閃爍，計時器需設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)南北直右紅燈亮15s；東西直右綠燈亮9S，需要計時器設(shè)定延時9S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)東西直右綠燈閃爍，東西直右綠燈閃爍3S，需要計時器設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)東西黃燈亮3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使東西黃燈閃爍，計時器需設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)東西直右紅燈亮15s；其次，南北方向道路處于禁止通行的狀態(tài)，東西方向道路處于允許通行的狀態(tài)。南北方向道路亮紅燈狀態(tài)過程中，南北紅燈亮15S，需計時器設(shè)定延時15S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)東西左轉(zhuǎn)綠燈亮、東西黃燈閃爍、東西紅燈亮；同時東西方

23、向道路也一起亮左轉(zhuǎn)綠燈9S，需計時器設(shè)定延時9S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)東西綠燈閃爍，東西綠燈閃爍3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使東西綠燈閃爍，還要需計時器設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)東西黃燈亮，東西黃燈亮3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使東西綠燈閃爍，計時器需設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)東西直右紅燈亮15s；南北直右綠燈亮9S，需要計時器設(shè)定延時9S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)南北直右綠燈閃爍，南北直右綠燈閃爍3S，需要計時器設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)南北黃燈亮3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使南北黃燈閃爍，計時器需設(shè)定延時3S，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)南北直右紅燈亮15s；如此循環(huán)下去。 圖2-1

24、十字路口交通燈示意圖十字路口這兩組16個交通燈有以下14種狀態(tài)：1、南北紅燈、東西直行綠燈亮；2、南北紅燈亮、東西左轉(zhuǎn)綠燈閃；3、南北紅燈亮、東西黃燈亮；4、南北綠燈亮、東西直行紅燈亮；5、南北綠燈亮、東西左轉(zhuǎn)紅燈亮；6、南北黃燈閃、東西紅燈亮；7、南北黃燈閃、東西左轉(zhuǎn)紅燈亮； 8、東西紅燈、南北直行綠燈亮；9、東西紅燈亮、南北左轉(zhuǎn)綠燈閃；10、東西紅燈亮、南北黃燈亮；11、東西綠燈亮、南北直行紅燈亮；12、東西綠燈亮、南北左轉(zhuǎn)紅燈亮；13、東西黃燈閃、南北紅燈亮；14、東西黃燈閃、南北左轉(zhuǎn)紅燈亮。這14種狀態(tài)由時序圖2-2可以直觀的看出，圖中只表示十字路口運(yùn)行模式各個方案的時序狀態(tài)，每個狀態(tài)

25、持續(xù)的具體時間與各方案具體要求一一對應(yīng)。 3 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計3.1 PLC簡介3.1.1 PLC概述 可編程控制器（Programmable Controller，PC），早期主要用于計數(shù)、定時以及開關(guān)量的邏輯控制，為了和個人計算機(jī)（Person Computer）相區(qū)分，把可編程控制器縮寫為PLC（Programmable Logic Controller，PC）。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計算機(jī)、通信、聯(lián)網(wǎng)以及自動控制技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置?？删幊绦蚩刂破魇请S著技術(shù)的進(jìn)步與現(xiàn)代社會生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，為適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn)的需要，生產(chǎn)發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制裝置。PLC

26、從1969年問世以來，雖然至今只有40余年，但由于其具有通用靈活的控制性能簡單方便的使用性能，可以適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境的可靠性，因此在工業(yè)自動化各領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用 。3.1.2 PLC的硬件組成如圖3-1所示，PLC基本組成包括中央處理器（CPU）、存儲器、輸入寄存器、輸出寄存器、其他接口等。PLC內(nèi)部各組成單元之間通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接，外部則根據(jù)實際控制對象配置相應(yīng)設(shè)備與控制裝置構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)。其他接口電路中央處理單元輸出電路輸入寄存器用戶程序存儲器系統(tǒng)程序存儲器輸出寄存器輸入電路輸入量圖3-1 PLC的組成示意圖以下介紹PLC各組成部分及其作用。（1）中央處理

27、單元（CPU）可編程控制器的中央處理器常采用通用微處理器。與一般計算機(jī)一樣，CPU是PLC的核心，它按PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC進(jìn)行工作。CPU的性能關(guān)系到PLC處理控制信號能力與速度，CPU位數(shù)越高，運(yùn)算速度越快。（2）存儲器PLC使用的物理存儲器與一般計算機(jī)相同。有隨機(jī)存取存儲器（RAM），只讀存儲器（ROM）及可電擦除可編程只讀存儲器等。（3）輸入寄存器輸入寄存器可按位進(jìn)行尋址，每一位對應(yīng)一個開關(guān)量。CPU可以讀其值，但不可以寫或進(jìn)行修改。（4）輸出寄存器輸出寄存器的每一位都表明了PLC在下一個時間段的輸出值，而程序循環(huán)執(zhí)行開始時的輸出寄存器的值，表明的是上一時間段的真實輸出值

28、。只有程序執(zhí)行到一個循環(huán)的尾部時的值才影響下一時間段的輸出。（5）其他接口單元其它接口單元用于提供PLC與其它設(shè)備和模塊進(jìn)行連接通信的物理條件。3.1.3 PLC的工作原理（1）可編程控制器的工作原理可編程控制器必須接入電路，與主令器件、傳感器件及執(zhí)行器件共同構(gòu)成系統(tǒng)才能承擔(dān)控制任務(wù)。可編程控制器作為控制裝置的工作原理可以描述如下?？删幊炭刂破鲗⒐I(yè)控制中的各種控制信號存入自己的輸入存儲單元，也將運(yùn)算的結(jié)果存入自己的輸出存儲單元，并且將運(yùn)算結(jié)果作為輸出信號去控制執(zhí)行器件已完成工業(yè)控制。而作為輸入存儲單元及輸出存儲單元聯(lián)系的應(yīng)用程序則是控制的核心。（2）可編程控制器執(zhí)行程序是PLC實現(xiàn)控制的核心

29、工作，這些工作項目大致可以分為以下三部分。第一部分是上電處理。PLC上電后對系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模塊配置檢察，停電保持范圍設(shè)定等。第二部分是掃描過程。一是掃描執(zhí)行系統(tǒng)程序，二是掃描執(zhí)行應(yīng)用程序。每次執(zhí)行應(yīng)用程序前先完成輸入處理，其次完成與其他外設(shè)的通信處理，再次進(jìn)行時鐘、特殊寄存器更新。第三部分是出錯處理。PLC每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常，檢查出異常時，CPU面板上的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼。當(dāng)出現(xiàn)致命錯誤時，CPU被強(qiáng)制為STOP方式，所有的掃描停止。以上三部分內(nèi)容中，掃描過程是最主要的、最經(jīng)常的工作。

30、 3.2 PLC的選型通過對系統(tǒng)控制要求的分析可知，系統(tǒng)共需開關(guān)量輸入點6個，開關(guān)量輸出點8個，參照三菱FX2N系列特性（見附錄），選用主機(jī)型號FX2N-48MR可以滿足要求，其外形如圖3-3。FX2N-48MR輸入電路采用了雙向光電耦合器，24V DC極性可任意選擇。具有24個輸入端子，24個輸出端子。COM1為輸出端子Y0-Y7的公共端，COM2為輸出端子Y10-Y17的公共端，COM3為輸出端子Y20-Y27的公共端。若使用某一輸入端子，則要把這一輸入端子所在的公共端接至對應(yīng)的電源的一端COM為輸入端子X0-X7，X10-X17，X20-X27所有的公共端。若使用任一輸出端子，則要把這一

31、輸出端子所在的公共端接至電源的COM端。FX2N-48MR具有256個定時器，其中接通/關(guān)斷延遲時間精度為1ms有T246-T249，其中接通/關(guān)斷延遲時間精度為10ms有T200-T245，其中接通/關(guān)斷延遲時間精度為100ms有T0-T199、T250-T255。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2 路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。 圖3-3 FX2N-48MR 外形圖3.3 I/O分配由于本設(shè)計所需輸出口較多，故只能選用輸出端口較

32、多的FX2N-48MR,其I/O分配如表3-1。 表3-1 I/O口分配3.4 PLC外部接線設(shè)計根據(jù)設(shè)計的具體要求，對交通燈PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了外部接線設(shè)計，PLC外部接線如圖3-2所示，由于選擇丁字路口模式時，北方向的信號燈始終不亮，故南北方向的信號燈不像東西方向的信號燈那樣，相同的信號燈并聯(lián)在一個輸出端口上，南北方向的信號燈各接一個輸出端口。CPU有交流220V供電和直流24V供電安排，本設(shè)計采用直流24V供電。 圖3-2 PLC外部接線圖4 系統(tǒng)程序設(shè)計4.1 PLC的編程語言與編程結(jié)構(gòu)現(xiàn)代的PLC一般備有多種編程語言，供用戶使用。但不同廠家的PLC的編程語言有很大的區(qū)別，用戶不得不學(xué)

33、習(xí)多種編程語言和查找故障的方法。因此，IEC（國際電工委員會）1994年5月公布了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)由以下5部分組成：通用信息、設(shè)備與測試要求、PLC的編程語言、用戶指南和通訊。由其制定的編程語言即滿足目前市場的要求，又適應(yīng)未來技術(shù)的發(fā)展。同時，IEC11313圖4-1plc的編程語言詳細(xì)說明了句法、語義和下述5種PLC編程語言如圖4-1所示。順序功能圖梯形圖功能塊圖指令表文本結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中有兩種圖形語言梯形圖（LD）和功能塊圖（FBD），還有兩種文字語言指令表（IL）和結(jié)構(gòu)文本（ST），可以認(rèn)為順序功能圖（SFC）是一種結(jié)構(gòu)塊控制程序流程圖。4.1.1 順序功能圖（SFC）SFC提供了一

34、種組織程序的圖形方法，在SFC中可以用別的語言嵌套編程。步、轉(zhuǎn)換和動作（Action）是SFC中的三種主要元件（見圖5）。步是一種邏輯塊，即對應(yīng)于特定的控制任務(wù)的編程邏輯；動作是控制任務(wù)的獨立部分；轉(zhuǎn)換是從一個任務(wù)到另一個任務(wù)的原因。作為梯形圖語言，SFC提供用戶了以上三種基本結(jié)構(gòu)（見圖5）。在順序結(jié)構(gòu)中，CPU首先反復(fù)執(zhí)行1中的動作，直到轉(zhuǎn)換1變?yōu)椤?”狀態(tài)，CPU才處理第2步。在選擇支路中，取決于哪一個轉(zhuǎn)換是活動的，CPU只執(zhí)行一條支路。在并行支路中，所有的支路被同時執(zhí)行。對于目前大多數(shù)PLC來說，SFC還僅僅作為組織編程的工具使用，尚需用其它的編程語言（如梯形圖）將它轉(zhuǎn)換為PLC可執(zhí)行的

35、程序。因此，通常只是將SFC作為PLC的輔助編程工具，而不是一種獨立的編程語言。4.1.2 梯形圖（LD）梯形圖是使用得最多的PLC圖形編程語言，有時又被稱為電路或程序。它是一種軟件信息，是一種反映PLC的輸入輸出控制邏輯關(guān)系的程序軟件，它與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)的梯形圖（硬件）電路不同，不是真正的物理（硬件）電路，一定不能把它們當(dāng)作硬件電路來看待。由于梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，因此很容易被工廠熟悉繼電器控制的電氣技術(shù)人員掌握，特別適用于開頭量邏輯控制。IEC1131-3的梯形圖中除了線圈、常開觸點和常閉觸點外，還允許增加功能和功能塊。梯形圖的主要特點（1）.PL

36、C梯形圖是的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等。但是它們不是真實物理繼電器（即硬件繼電器），而是在軟件中使用的編程元件。（2）.梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為公共母線（Bus bar）。在分析梯形圖的邏輯關(guān)系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以想象左右兩側(cè)母線之間有一個左正右負(fù)的直流電源電壓。當(dāng)圖6中的觸點1、2接通時，可假設(shè)“概念電流”或“能流”（Power flow）從左向右流動，這一方向與執(zhí)行用戶程序時的邏輯運(yùn)算的順序一致。能流的方向只能從左向右流動，因此圖6中（a）圖應(yīng)改為圖（b）所示的等效電路。（3）.根據(jù)梯形圖中各觸點的狀態(tài)和邏輯關(guān)系，求出

37、與圖中各線圈對應(yīng)的編程元件的狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。邏輯運(yùn)算是按梯形圖中從上到下、從左到右的順序進(jìn)行的。解算的結(jié)果立即可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯結(jié)算是根據(jù)輸入映象寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時外部輸入觸點的狀態(tài)來進(jìn)行的。（4）.梯形圖中的線圈應(yīng)放在最右邊，如圖4-2所示。（a）的電路應(yīng)改為圖7（b）中的電路。（5）.梯形圖中各編程元件的常開觸點和常閉觸點均可無限次的使用。梯形圖經(jīng)驗設(shè)計方法：（1）.可根據(jù)原有的繼電邏輯控制圖進(jìn)行轉(zhuǎn)化設(shè)計；（2）.沒有固定的方法和步驟可遵循，試探性和隨意性強(qiáng)；（3）.由于需要中間變量完成記憶聯(lián)鎖互鎖，需要考慮的因素很多；（4）.設(shè)計耗時長，且修改麻煩

38、；梯形圖編規(guī)則：（1）.每個繼電器的線圈和它的觸點均用同一編號，每個元件的觸點使用時沒有數(shù)量限制。（2）.梯形圖每一行都是從左邊開始，線圈接在最右邊（線圈右邊不允許再有接觸點），如圖3-2所示。 (a） (b）圖4-2梯形圖的形式 (a）錯誤 (b）正確（3）.線圈不能直接接在左邊母線上。（4）.在一個程序中，同一編號的線圈如果使用兩次，稱為雙線圈輸出，它很容易引起誤操作，應(yīng)盡量避免。圖4-3錯誤梯形圖（5） .在梯形圖中沒有真實的電流流動，為了便于分析PLC的周期掃描原理和邏輯上的因果關(guān)系，假定在梯形圖中有“電流”流動，這個“電流”只能在梯形圖中單方向流動即從左向右流動，層次的改變只能從上向

39、下。如圖3-3所示。4.1.3 功能圖塊（FBD） 功能圖塊是一種類似于數(shù)字邏輯電路的編程語言，熟悉數(shù)字電路的技術(shù)人員比較容易掌握。該編程語言用類似“與門”、“或門”的方框來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入短、輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，信號自左向右流動。4.1.4指令表（IL）有的廠家將指令稱為語句，由若干條指令組成的程序叫做指令表程序。PLC的指令是一種與微機(jī)的匯編語言中的指令相似的助記符表達(dá)式，但是小型PLC的指令系統(tǒng)比匯編語言的簡單得多，有的PLC的指令系統(tǒng)僅有20來條指令。指令表程序較難閱讀，其中的邏輯關(guān)系很難一眼看出，所以在設(shè)計時一般使用梯形

40、圖語言。如果使用圖形編程器，可以直接將梯形圖送入PLC，并在顯示器上顯示出來。如果使用簡易編程器，則必須將梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表后再送入PLC，這種轉(zhuǎn)換的規(guī)則是很簡單的。在用戶存貯器中，指令按步序號順序排列。4.2 順序控制梯形圖的設(shè)計方法4.2.1起保停電路的編程方式根據(jù)順序功能圖設(shè)計梯形圖時，可以用為存儲器位M來代表步，某一步為活動步時，對應(yīng)的存儲器位為1狀態(tài)，某一轉(zhuǎn)換實現(xiàn)時，改轉(zhuǎn)換的后續(xù)步為活動步，前級步變?yōu)樗啦健Ｆ鸨Ｍｋ娐穬H僅使用與觸電和線圈有關(guān)的指令，設(shè)計起保停電路的關(guān)鍵是找出它的啟動條件和停止條件。根據(jù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的基本規(guī)則，轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的基本條件是前級步為活動步，并且滿足相應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件，該步

41、才為1狀態(tài)，并且后續(xù)步為死步。 對于并行序列，如果某一步的前面有N個轉(zhuǎn)換（即有N個分支進(jìn)入該步），則代表該步的輔助繼電器的啟動電路有N條支路并聯(lián)而成，各支路由某一前級步對應(yīng)的輔助繼電器的常開觸點與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件對應(yīng)的觸點或電路串聯(lián)而成。4.2.2已轉(zhuǎn)換為中心的編程方式在順序功能圖中，如果某一轉(zhuǎn)換所有的前級步都是活動步并且滿足相應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件，則轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。在以轉(zhuǎn)換為中心的編程方法中，將改轉(zhuǎn)換所有前級步對應(yīng)的存儲器位的常開觸點與轉(zhuǎn)換對應(yīng)的觸點或電路串聯(lián)，該串聯(lián)電路即為起保停電路的啟動電路，用它作為使所有后續(xù)步對應(yīng)的存儲器位置位，和所有前級步對應(yīng)的前級步對應(yīng)的存儲器位復(fù)位。4.3 以轉(zhuǎn)換為中心的梯形圖

42、設(shè)計在順序功能圖中，如果某一轉(zhuǎn)換所有的前級步都是活動步并且滿足相應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件，則轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。在以轉(zhuǎn)換為中心的編程方法中，將改轉(zhuǎn)換所有前級步對應(yīng)的存儲器位的常開觸點與轉(zhuǎn)換對應(yīng)的觸點或電路串聯(lián)，該串聯(lián)電路即為起保停電路的啟動電路，用它作為使所有后續(xù)步對應(yīng)的存儲器位置位，和所有前級步對應(yīng)的前級步對應(yīng)的存儲器位復(fù)位。根據(jù)順序控制的順序功能圖得到如下以轉(zhuǎn)換為中心的梯形圖： 5 調(diào) 試 及 性 能 分 析5.1 系統(tǒng)調(diào)試5.1.1在系統(tǒng)設(shè)計中注意的問題（1）在系統(tǒng)設(shè)計中要注意寄存器、定時器等元件的編號是按八進(jìn)制進(jìn)行的。 （2）在計數(shù)器的使用時，一定要設(shè)置計數(shù)器的初始化復(fù)位，并在計數(shù)器使用完 畢后一步使其復(fù)位

43、，否則將不能使用設(shè)置好的計數(shù)器，或者不能按設(shè)置要求 來進(jìn)行計數(shù)。5.1.2程序調(diào)試中遇到的問題及解決方法 問題（1）：輸完指令后執(zhí)行程序，設(shè)置好控制輸出的燈沒有完全亮。分析：說明控制該燈的步不正確或是死步。解決方案：檢查梯形圖，發(fā)現(xiàn)東西方向的輸出未寫入梯形圖，修改梯形圖并轉(zhuǎn)換為指令，插入到程序中，再運(yùn)行程序，所有設(shè)置輸出均正常。問題（2）交通燈未出現(xiàn)閃爍，并且未進(jìn)入到下一步狀態(tài)分析：說明控制該步轉(zhuǎn)換條件的定時器有問題，是根據(jù)三菱PLC的定時器來設(shè)計的，可能是繼電器代碼記錯了。解決方案：查看三菱PLC參考資料，發(fā)現(xiàn)其定時器的使用與西門子的設(shè)置有區(qū)別，在三菱PLC中，定時器的設(shè)置雖是0.1999秒定時器，但可以輸入0.5秒，