基于PLC控制的十字路口红绿灯系统设计

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1、25十字路口交通指示灯PLC的控制系统摘要：可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的应用更加突出。城市交通灯控制采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本文用欧姆龙的可编程控制器控制十字路口信号灯来说明可编程控制器硬件、软件的设计。解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。关键词：PLC 智能交通灯 指令系统 前 言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

2、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，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，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

3、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。 根据交通灯工艺控制要求与特点，我们采用了欧姆龙PLC。欧姆龙PLC有小型化、高速度、高性能等特点，可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制。本系统采用PLC是基于以下四个原因：PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；抗干扰能力强，目前

4、空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。目录绪论1（一）本课题研究的目的和意义1（二）城市智能交通系统的发展现状11 智能交通系统的基本概念12 智能交通的发展简史13 我国的ITS的建设现状2第一章 概述3第二章 可编程控制器简介4（一） 可编程序控制器的产生与发展4（二） 可编程控制器的组成8图2-1. PLC的组成81. 输入寄存器92. 输出寄存器93. 存储器94. CPU单元95. 其它接口单元9（三） 可编程控制器的工作原理9（四）可编程控制器的特点

5、11（五）可编程控制器的主要功能12（六） 可编程控制器的发展趋势16第三章 系统方案设计18（一）装置结构与工艺要求18(二) 统计输入/输出点数并选择PLC型号19（三）分配PLC的输入/输出端子19（四）交通信号灯控制系统功能表图20（五） 交通信号灯的控制系统梯形图21(六).将梯形图转换成指令表程序25（1）交通信号灯控制系统公共程序指令表：26(2)信号灯在东西方向控制指令表：26（3）信号灯在南北方向控制指令表27总结29谢 辞30绪论（一）本课题研究的目的和意义随着我国交通事业的迅速发展，各种公交、运输汽车和汽车进入家庭的步伐加快使得城市的汽车数量逐年增加，城市道路交通堵塞、拥

6、挤问题显得越来越突出，交通在许多城市已经成为“瓶颈”问题。在马路上经常会看到这种现象：如果一辆汽车发生故障，则该条线路将陷入瘫痪；一但某个路口的信号灯出现故障，就有可能在此路口塞车。交通发展的状况是衡量一个国家现代化程度的重要标志之一，从经济的发展形式看，我国的经济增长速度比主要工业发达国家年平均增长速度都要高，随着我国现代化发展的进程，经济必将持续增长，其增长的速度继续在世界处于领先地位，高速度的持续经济发展，必然带来严重的运输和交通问题。车如水、人如潮，这是我国城市交通的真实写照。人员和物资的流通量猛烈的增长，使得交通车辆的拥挤问题明显得暴露了出来。要解决交通拥挤的状况，道路的建设、拓宽和

7、增加车行道固然重要，而现代化交通控制系统的建设，却可大幅度的提高现有道路的利用率，其重大的经济效益和社会效益是不可言语的。目前绝大部分的交通的时间都是单一的、固定的，不管是车流高峰还是低谷，红绿灯的时间都是固定不变的；还有一些交通灯只是能够按照固定的时间来划分高峰和低谷，简单地进行时间段的调整，这比起以前的交通灯是有所进步。但是控制起来不够灵活，还不能解决相对拥挤、混乱的交通次序。本文的设计正是针对这个弊端进行了改进，根据实时的车流量对个路口的红绿灯进行调整，大大加强了其灵活性和实时性，真正实现了智能的交通灯控制。（二）城市智能交通系统的发展现状1 智能交通系统的基本概念 智能交通系统也称为I

8、TS；目前世界上对智能交通系统尚没有统一的定义，其大体的含义是将先进的计算机技术、信息技术、数据通讯技术、人工智能及电子自动控制技术等有效地综合运用于整个交通管理系统，将人、路、车有机的结合起来，以达到最佳的和谐统一，从而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的交通运输综合管理系统。2 智能交通的发展简史 ITS的研究始于上世纪70年代，由于信息处理技术的不成熟曾一度陷入低谷。在80年代中期后，随着信息处理技术的发展，许多国家对智能交通系统的研究投入了大量的人力和物力。并建立以美、日和欧洲为代表的三大研究中心。美国对ITS的研究起步较晚，但由于投入较多，目前已处于该领域的领先

9、水平。出现了很多庞大的连续开发计划。1991年，开始对ITS研究进行投资，仅1994年至1995年就确定了104项目研究，并成立了专门组织，着手制定ITS的研究计划，到1997年投资近7亿美元；1998年6月9日美国前总统克林顿签署了“面向21世纪运输权益法案”。该法案的确定为美国公路系统的继续发展和重建带来了创记录的投资。欧洲在ITS的研究方面采取整个欧洲一体化的方针，由政府、企业和个人三方面共同出资进行智能化交通系统的研究，著名的项目有PROMETHEU和DRIVE等。日本从70年代就开始了对汽车交通综合控制系统的研究，并成立了全国性的推进组织，是ITS进行研究最早、实用化程度最高的国家。

10、目前已建立了较为完备的交通控制、信息服务等综合体系，并基本完成了覆盖全国的电子地图的绘制工作。3 我国的ITS的建设现状 我国ITS的研究和推进还处于起步阶段，但ITS作为跨世纪经济点和交通系统的建设必然选择的重要性已得到国家相关部门的高度重视,1995年中国国家技术监督局ISO/IC204为交通部门正式批准成立了ISO/IC204中国委员会，该委员会把推进中国ITS标准化为主要任务，1997年在北京召开ITS发展趋势国际学术研讨会。1998年交通部正式批复成立交通智能运输系统工程研究中心（ITSC）。加快了对ITS领域的研究步伐，北京、上海、沈阳等大城市陆续从国外引进了一些较为先进的城市交通

11、控制、道路监控系统；我国也自行组织开发了实时自适应城市交通控制系统HT-UTCS，上海交通大学与上海交警总队合作开发的SUTS系统等；并且从2000年起在全国6个城市实施以实现城市交通智能控制为主要内容的“畅通工程”，并逐步推广到全国。第一章 概述可编程控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，在日常生活中得到了广泛的应用。PLC是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，P

12、LC的平均无故障运行时间（又称平均故障间隔时间MTBF）已经高达几十万小时。其次，PLC具有通用性强，使用方便的特点。由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线。一个控制对象的硬件配置确定以后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。PLC还具有功能强，适应面广的特点，现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制，既可控制一台

13、生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。PLC还具有通信联网的功能，可与上位计算机构成分布式控制系统。用户只需根据控制的规模和要求，适当选择PLC的型号和硬件配置，就可以组成所需的控制系统。随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。交通问题不仅的发展中国家，就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。因此，不可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。与此

14、同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。早在19世纪，人们就开始研究交通信号，用信号指挥车通行，控制车辆进出交叉口的次序。据文献记述，早在1868年，英国伦敦的威斯特明斯特(Westminster)街就安装了红、绿色两色的交通信号灯。到1917年，美国的盐湖城开始使用由人工控制的红、黄、绿3色的信号灯。1925年，这种由人工控制的3色信号灯也首次出现在英国伦敦的皮克的时路口。次年，英国人研制出了自己的自动控制信号机。道路通交通系统是一个地区、一个城

15、市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。在这一系统中，道路不仅仅是易变化的部分，而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。只有对这一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，对能制定出科学有效的管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高澎路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速

16、道路的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通状况的制约。所以，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，缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。第二章 可编程控制器简介（一） 可编程序控制器的产生与发展可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因此在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之

17、一。可编程控制器是一种存储器控制器，支持控制系统工作的程序存放在存储器中利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高。它是一种专为在工业环境下应用而设计的

18、数字运算操作的电子装置。它的内部存储器可以执行逻辑运算、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或输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技(Computer Control Communication)相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大 . 可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(DEC )

19、为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子(SIEMENS)公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC

20、。由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍:1982年美国PLC用户中，有48%来自自动程序操作部门(如汽车、拖拉机工业、机械工业等)、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部

21、分来自造纸、采矿、污水处理等部门“。近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。20世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期。PLC发展至今，已有30多年的历史。伴随着半导体技术、计算机技术、通讯技术的发展，工业控制领域已有了翻天覆地的变化，PLC亦再不断发展变化中，PLC正朝着新的技术发展。近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一

22、个核心部件来使用，仅PLC方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。PLC在世界各地得到了广泛应用，同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散

23、控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控

24、制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。 相同I/

25、O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。 通用PLC应

26、用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器(在工业自动化领域，可编程控制器(PLC)作为自动控制的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为大多数自动化系统的设备基础。由于综合了计算机和自动化技术，使它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模

27、集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。1. 向高性能、高速度、大容量发展大型PLC大多采用CPU结构，不断向高性能、高速度、大容量发展。ANA系列PLC使用了世界上第一个在一块芯片上实现PLC全部功能的32位微处理器、即顺序控制芯片，其扫描时间为每条基本指令0.15us。2. 增强小型PLC的功能小型PLC一般指I/O点数小于256的PLC，大多数采用整体结构，小型PLC价格便宜，性价比不断提高，很使用单机自动化，或组成分布式系统。近年来，PLC厂商不断推出功能更强的小型PLC，更新换代的周期越来越短。除了开关量

28、逻辑控制功能以外，现代小型PLC还具有中断功能、脉冲捕获功能、内置的实时钟、用EEPROM代替RAM和锂电池，使PLC成为完成完全免维护的设备，将过去许多需要特殊功能模块完成的功能软件化，如用PID指令实现PID控制，用定位控制实现位置控制。各PLC厂家近年来推出一些价格便宜的专用人机接口装置，用来监视PLC的内部变量和修改参数。与西门子S7-200配套的TD200文本显器可显示两行中文，每行10或20个字符，可用S7-200编程软件设置TD200的显示内容。3. 不断提高编程软件的功能（1）编程软件日益普及（2）编程软件功能不断完善（3）编程语言的标准化（4） 编程软件配备仿真功能，如西门子

29、S7-200与STEP7编程软件配套使用的S7-PLCSIM仿真软件。（5） 通讯功能的增强和标准化（6）PLC的软件化与PC（二） 可编程控制器的组成如图所示，PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行IO变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。 图2-1. PLC的组成1. 输入寄存器输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。2. 输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出

30、值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。3. 存储器存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。4. CPU单元CPU单元控制着IO寄存器的

31、读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是PLC的大脑。5. 其它接口单元其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。（三） 可编程控制器的工作原理CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。如下图所示，CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中可完成以下5个

32、扫描过程。1.自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能。自监视功能主要由时间监视器完成。WDT是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。WDT的定时可由用户修改，一般在100200ms之间。其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。2.与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。3.用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包换扫描过程。该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短

33、，会影响过程所用的时间.4.读输入与写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一时间。个扫描周期内都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。CPU在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器：一个为输入映像寄存器，另一个为输出映像寄存器。用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器中。在输入扫描过程中，CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器；在输出过程中，CPU把输出映像寄存器的值锁定到实际输出点。为了现场调试方便，PLC具有I/O控制功能，用户可以通过编程器封锁或开放IO

34、。封锁IO就是关闭IO扫描过程。下图描述了信号从输入端子到输出端子的传递过程。在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映像寄存器中。在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变输入端子状态变化只能在下一个工作周期的输入阶段才被集中读入。在写输出阶段，将输出映像寄存器的状态集中锁定到输出锁存器，再经输出电路传递到输出端子。由上述分析得出循环扫描有如下特点：1扫

35、描过程周而复始地进行，读输入、写输出和用户程序是否执行是可控的。2输入映像寄存器的内容是设备驱动的，在程序执行过程中的一个工作周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像积存的值来控制程序的执行。3程序执行完后的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出值，而在程序执行阶段，输出映像寄存器的值即可以作为控制程序执行的条件，同时又可以被程序修改用于存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。此时的修改不会影响输出锁存器的现在输出值，这是与输入映像寄存器完全不同的。4对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。由于输出映像寄存器的值可以作为程序执行的

36、条件，所以程序的下一个扫描周期的集中输出结果是与编程顺序有关的，即最后一次的修改决定了下一个周期的输出值，这是编程人员要注意的问题。各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。各PLC厂家为了缩小延迟采取了很多措施，编程人员应对所使用型号的PLC的延迟时间的长短很清楚，它是进行PLC选型时的重要指标。（四）可编程控制器的特点自1969年第一台可控编程控制器问世以来，目前可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。 PLC之所以被广泛应用，是由它的突出特点和优点的性能分不开的，为了满足工业生产对工业控制设备安全可靠的要求，PLC采用了微电子技术，大

37、量的开关动作由无触电的的半导体电路来完成，PLC选用的电子器件一般是工业机，有的甚至是军用机，平均无故障时间很长。PLC具有良好的环境适应性，可用于十分恶劣的工业现场。再电源瞬间断电的情况下仍可以正常工作，具有很强的的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值高达1000V、脉宽10us的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗震能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高，在环境温度-2065度、相对湿度为35%-85%情况下仍可正常工作。可编程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-224主机，I/O点数为40点(14个输入点和10个输出点)，具有2个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MP

38、I通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是S7-200 PLC的一个很有特色的功能，它使S7-200 PLC可以由用户自己定义通讯协议。利于自由通讯口方式，在本系统中PLC可以与变频器和触摸屏方便连接。模拟量输入采用4路12位A/D模拟量输入的EM231模块，具有较高的精度。PLC编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件，它提供一个完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。可编程控制器能如此迅速的发展的原因是由于它具有通用计算机所不具备的特点：1.可靠性可编程控制器采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如：冗余设计、掉电保护设计、故障诊断、和

39、信息保护和恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高。可编程序控制器是为了工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用的计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了简化的编程语言，变成出错率大大降低。在可编程控制器的软件方面，也采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用软件过滤；软件自诊断；简化编程语言；信息保护和恢复。报警和运行信息的显示等。2 易操作性着体现在它的操作方便、编程方便、维护方便。3灵活性编程的灵活性。编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图、和语句表。这种编程的灵活性是继电器顺序控制所不能比拟的，正是由于编程的柔性特点，再柔性制造单元FMC

40、、柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS和计算机集成流程工业系统CIPS，可编程控制系统成为主要的控制设备。扩展的灵活性。它不仅可通过增加输入输出卡件增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统DCS或其他上位机的通信来扩展功能，并与外部设备进行交换等。 （五）可编程控制器的主要功能PLC的外部设备中，最重要的就是编程器，它用来对用户程序进行写入，检查，修改和调试，也可以在线监视 PLC的运行，它经过编程器接口与CPU联系，完成人-机对话。目前，有很多PLC都可以利用 微型计算机作为编程工具，这时应配上相应的编程软件及接口，由于微机的强大功能，使PLC的编程和调试更

41、为方便。另外，PLC的外部设备中还包括打印机：在用户程序编制阶段用来打印带注解的梯形图或指令语句表程序，以利于维修和系统的改造 ；外存储器：存储部分程序或改变生产工艺流程时需要调用的程序，它所存的程序也可重新装入内存，有利于PLC的内存程序的恢复；EPROM写入器：用语将用户程序写入到EPROM中去，它提供了一个非易失性的用户程序保存方法。PLC是一种微机控制系统，工作原理也与微机相同，但它在应用时一般将其等效成输入，输出和内部控制电路三部分。输入部分用于接受被控设备的信息或操作命令等外部信息或操作命令等外部输入信息。输入接线端是PLC与外部的开关，按钮，传感器转换信号等连接的端口，每个端子可

42、等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个由接到输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部件提供，也可由独立的交流电源供给，每个输入继电器可以有无数多个内部触电（动合，动断的形式均可），供用户设计PLC的内部控制电路时使用。内部控制电路是是用户根据控制要求编制的程序，作用是运算和处理由输入部分得到的信息并判断应产生哪些输出。PLC的程序一般用梯形图表示，而梯形图是以继电器控制的电气原理图演变而来的，PLC中的动合、动断触点、线圈等概念与继电器控制电路相同，在PLC内部还有定时器、技术器、移位器、内部辅助继电器等。继电器控制系统中没有器件，他们的线圈自动合，动断触点只能在PLC

43、内部控制电路中使用，如要与外部电路相连，则必须通过输出部分。输出部分作用是驱动外部负载，在PLC内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器（有继电器形、双向硅形，晶体管形等三种形式），它也有无限多个软件实现的动合，动断触点，可在PLC内部控制电路中使用，但对应每个输出只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载，外部复杂的驱动电源接在输出公共端（COM）上。总之，在使用PLC时，可以把输入端为一个继电器线圈，其相应的继电器结点可以在内部控制电路中使用，而输出端又可以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。PLC一般采用循环扫描方式工作，在PLC加电后，先进行初始化处理

44、、开始运行之后，串行的执行器存储器中的程序用PLC 设计一个控制系统时，必须知道有一个输入信号后PLC要经过多长时间才能有一个对应的输出信号，这样才能精确的解决系统各个不见之间配合问题。从PLC受到一个输入信号到PLC向输出端输出一个控制信号所需的PLC I/O响应时间，一般在设计系统时都要对此进行一定的考虑。顺序控制是PLC最基本、应用最广泛的领域。由于它具有编程设计灵活、速度快、可靠性高、成本低、便于维护等优点，所以在实现单机控制、多机群控制、生产流程控制中可以完全取代传统的继电器接触器控制系统。如：有色冶金行业的冶炼厂和选矿厂的物料输送及配料、井下采矿皮带输送系统、选矿厂球磨机及各润滑站

45、系统、冶炼厂余热锅炉振打系统、电收尘输灰系统、冶炼厂转炉本体联锁和加料系统等，其它行业如汽车生产线、印刷机械、加工机床、包装机以及日常生活的电梯控制等。 用于顺序控制的PLC编程语言既不同于高级语言，也不同于汇编语言，它是面向现场、面向问题、面向用户的简单直观的程序控制语言。它可分为逻辑型和动作型两大类。前者可由传统的继电器电路变换而来，如梯形图；后者由机械设备动作变换而来，如流程图。梯型图同继电器电路相似，易于掌握，便于维修。在顺序控制中应用的较为广泛。即使不经过特殊的培训，一般工程技术人员也能很快掌握。对于过程控制的模拟量均采用硬件电路构成的PID模拟调节器来实现开、闭环控制。而现在完全可

46、以采用PLC控制系统，选用模拟量控制模块，其功能由软件完成，系统的精度由位数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现复杂的控制和先进的控制方法，可以同时控制多个控制回路和多个控制参数。例如生产过程中的温度、流量、压力、速度等。功能说明：1逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC设置有“与”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等逻辑指令，根据外部现场（开关、按钮或其它传感器）的状态，根据指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、电机等）。因此，PLC可代替继电器进行开关控制，完成接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。另外

47、，在PLC中一个逻辑位的状态可以无限次的使用，逻辑关系的修改和变更也十分方便。2定时控制功能定时控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。程序执行时，PLC将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时或延时控制，以满足生产工艺的要求。3计数控制功能计数控制功能是PLC的基本功能之一。PLC为用户提供了许多计数器，计数器记到某一个数时，产生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以

48、在运行过程中进行修改。程序执行时，PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个计数过程的计数控制。4步进控制功能PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻辑信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自动进行下一道工序。有些PLC还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用都极为方便。5数据处理功能PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还

49、可以和CRT、打印机相联、实现程序、数据的显示的打印。6回路控制功能有些PLC具有A/D、D/A转换功能，可以方便的完成对模拟量的控制和调节。7通讯联网功能有些PLC采用通讯技术，实现远程I/O控制、多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通讯等。8监控功能 PLC设置了较强的监控功能，利用编程器或监视器，操作人员对PLC有关部分的运行状态进行监视。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调试和维护提供了极大的方便。9停电记忆功能 PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（如备用电池等），以保证存储器

50、中信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。10故障诊断功能 PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。PLC的故障自诊断功能大大提高了PLC控制系统的安全性和可维护性。（六） 可编程控制器的发展趋势随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将PLC理解为开关量控制的时代己经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息

51、处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展:一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下阶：1.可编程控制技术的标准化在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的PLC产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只能是

52、统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。2. CPU处理速度进一步加快 目前PLC的CPU与微型计算机的CPU相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在80486一级。将来会全部使用64位RISC芯片，实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样PLC执行指令的速度将达到纳秒级。3.可编程控制技术的智能化提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。4.系统的开放性和兼容性 开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家同类

53、产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题;另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。5.通用性和专业化的结合 可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于

54、某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括:定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。6.可靠性进一步提高 随着PLC进入过程控制的领域，对PLC可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、I/0单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。MTBF(平均无故障时间)是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其PLC产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。7.控

55、制系统分散化 根据分散控制、集中管理的原则，PLC控制系统的I/0模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主CPU进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。8.控制与管理功能一体化 为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。 综上所述，我们不难得出下面几个结论:（1）.工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路。（2）.智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。（3）.系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。（4）.基于标

56、准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。（5）.通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。第三章 系统方案设计（一） 装置结构与工艺要求1. 起动正常程序时，将起停开关SA1至于接通位置。把SA1至于断开位置，当前循环结束后停止工作。2. 东西方向绿灯HL11亮（车辆通行）20S后，闪烁3S后黄灯HL12亮2S（东西与南北两个方向都停止通行，准备换向），接着红灯HL13亮（车辆停止）25S。3. 南北方向与东西方向相反，如图3-1所示。4. 有应急控制功能，若东西方向需应急强通，将开关SA2置于接通位置，东西方向绿灯HL11亮，南北方向红灯HL23亮。应急强通结束，将开关SA2复

57、位置断开状态，自动转入正常程序的下一个动作。若需南北方向应急强通，则使用开关SA3。 图3-1 交通信号灯示意图(二) 统计输入/输出点数并选择PLC型号输入信号共有3个，考虑到有15%的备用点，即3*(1+15%)=3.45,取整数4，因此共需4个输入点。输入信号共有6个，考虑到有15%的备用点，即6*(1+15%)=6.9,取整数7，因此共需7个输出点。因此可选用C28P CPU类型可编程控制器，它有16个输入点，12个输出点，满足本设计的要求。（三）分配PLC的输入/输出端子1 交通信号灯的PLC输入/输出端子分配表见下表交通信号灯PLC输入/输出端子分配表输入电器输入端子输出电器输出端

58、子起停开关SA10000南北向绿灯HL210505东西向强通开关SA20001南北向黄灯HL220504南北向强通开关SA30002南北向红灯HL230503东西向绿灯HL110502东西向黄灯HL120501东西向红灯HL1305002 输入/输出端子接线图,如图3-2所示图3-2 PLC的外部接线图（四）交通信号灯控制系统功能表图功能表图采用并进行序列结构图形式，如下图3-3所示，左列为东西方向，右列为南北方向。1000181500000110105031201（0001）TIM021202（0002）TIM0312021402TIM04120011020505TIM03#20sTIM04

59、#3s0505110311040504TIM05#2s12011401TIM011202TIM0210010502TIM00#20sTIM01#3s05020501TIM02#2s0500100410031002TIM0012011200TIM05图3-3 交通信号灯控制功能表当PLC通电时，由专用内部继电器1815输出一个扫描周期的初始化脉冲激活初始步1000，当起停开关SA0(0000)接通时，东西方向由TIM00、TIM01、TIM02设定20s、3s、2s，时限作为工步1001、1002、1003、和1004的转换条件。南北方向由TIM03、TIM04、TIM05定时20s、3s和2s

60、，作为1101、1102、1103、1104各工步转换条件。当TIM05定时时间到，工步1004、1104合并，同时分别转移到工步1001与1101，开始下一个循环。1201为东西方向应急强通信号，1401为强通结束后的转移信号。1202为南北方向应急强通信号，1402为强通结束后的转移信号。（五） 交通信号灯的控制系统梯形图为了便于分析，将交通信号灯控制系统梯形图分割为三部分。图一为起停正常程序、强通操作和闪烁信号控制，第1、2行组成闪烁信号发生器，1200产生周期1s,占空比1:1的连续脉冲，改变TIM06的预置，可调整绿灯HL11和HL21的闪烁频率，以获得满足的视觉效果。把起停开关SA

61、0(0000)置于接通位置，信号灯按图1正常程序运行，SA0置于断开位置，当前循环结束工作。100000001002120212011000TIM0010011003130014011002TIM011002100413001003TIM0210031001TIM0512021004100110021003100010011201TIM00#0200TIM01#003010044421003TIM02#002010040502050112001001图二：交通信号灯东西方向控制梯形图0500110110000000TIM0211021201110111011201110311021102120

62、2TIM04TIM0511011300100412021104TIM0311021104130011031402120011031102110311011104050505040503TIM03TIM05TIM04#0200#0030#0020END（01）图三：交通信号灯南北方向控制梯形图东西方向应急强通措施：SA1（0001）置于通电位置，图一中1201导通，1300通电一个扫描周期。如图二、将有关工步1002、1003、1103、1104、复位，1201常闭接触点断开定时器TIM00线圈，锁住南北方向1102工步。无论运行在何种状态，继电器1201迫使东西方向工步1001导通，绿灯HL11(0502)亮，南北方向工步1101导通，HL21(0505)亮。应急强通结束，SA1（0001）断电复位，1201复位断开，如图一所示。1401接通一个扫描周期，作为强通结束后的转移信号，如图二开通工步1002，转入正常程序。南北方向应急强通操作：SA2(0002)置于通电位置，图一中1202导通，1300作为复位脉冲，将东西方向和南北方向有关工作步位，1202常闭触点断开定时器TIM03线圈，锁住东西方向1001工步。继电器1202迫使东西方向工步1004导通，红灯HL13(0500)亮，南北方向工步1102导通，HL21(0505)亮。SA