1、-_引言可编程序控制器（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，PLC 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
2、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，还具有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
3、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。 。众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是增加道路网。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来满足日益增长的交通需求。与此同时，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道路拥挤的问题。道路交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，
4、直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水。-_1 绪论1.1 PLC 的概述可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置，涉及到很多自动控制、电器方面的知识。经过 30 多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，
5、随着 20 世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969 年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：1、编程方便，现场可修改程序；2、维修方便，采用模块化结构；3、可靠性高于继电器控制装置；4、体积小于继电器控制装置；5、数据可直接送入管理计算机；6、成本可与继电器控制装置竞争；7、输入可以是交流 115V；8、输出为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9、在扩
6、展时，原系统只要很小变更；10、用户程序存储器容量至少能扩展到 4KB。 这就是著名的 GM10 条。1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台 PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用-_灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到 1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971 日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台 PLC。1973 年，西欧国家也研制出它们的第一台 PLC。我国从 19
7、74 年开始研制，于 1977 年开始工业应用。PLC 主要由 CPU 模块、输入模块、输出模块和编程器组成，如图 1-1 所示。PLC 的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。CPU 主要由微处理器（CPU 芯片）和存储器组成。在 PLC 控制系统中，CPU 模块相当于认得大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出；存储器用来存储程序和数据。并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。图 1-1PLC 的组成当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描
8、周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 一 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也-_不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 二 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形
9、图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周
10、期才能对排在其上面的程序起作用。三 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设，这时才是PLC 的真正输出。随 着 各 种 交 通 工 具 的 发 展 和 交 通 指 挥 的 需 要 ， 第 一 盏 名 副 其 实 的 三 色 灯 (红 、 黄 、绿 三 种 标 志 )于 1918 年 诞 生 。 它 是 三 色 圆 形 四 面 投 影 器 ， 被 安 装 在 纽 约 市 五 号 街 的 一座 高 塔 上 ， 由 于 它 的 诞 生 ， 使 城 市 交 通 大 为 改
11、 善 。 黄 色 信 号 灯 的 发 明 者 是 我 国 的 胡 汝 鼎 ， 他 怀 着 “科 学 救 国 ”的 抱 负 到 美 国 深 造 ，在 大 发 明 家 爱 迪 生 为 董 事 长 的 美 国 通 用 电 器 公 司 任 职 员 。 一 天 ， 他 站 在 繁 华 的 十 字 路 口等 待 绿 灯 信 号 ， 当 他 看 到 红 灯 而 正 要 过 去 时 ， 一 辆 转 弯 的 汽 车 呼 地 一 声 擦 身 而 过 ， 吓 了他 一 身 冷 汗 。 回 到 宿 舍 ， 他 反 复 琢 磨 ， 终 于 想 到 在 红 、 绿 灯 中 间 再 加 上 一 个 黄 色 信 号 灯 ，提
12、 醒 人 们 注 意 危 险 。 他 的 建 议 立 即 得 到 有 关 方 面 的 肯 定 。 于 是 红 、 黄 、 绿 三 色 信 号 灯 即以 一 个 完 整 的 指 挥 信 号 家 族 ， 遍 及 全 世 界 陆 、 海 、 空 交 通 领 域 了 。 中 国 最 早 的 马 路 红绿 灯 ， 是 于 1928 年 出 现 在 上 海 的 英 租 界 。 从最早的手牵皮带到 20 世纪 50 年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。 最早的交通灯出现于一八六八年英国伦敦。那时的交通灯只有红、绿两色，经改良后，-_再增
13、加一盏黄色的灯，红灯表示停止，黄灯表示准备，绿灯则表示通行。 其实,用这三色来作交通讯号和人的视觉机能结构和心理反应有关。我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞， 。杆状细胞对黄色的光特别敏感，三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。由于这种视觉结构，人最容易分辨红色与绿色。虽然黄色与蓝色也容易分辨，但因为眼球，对蓝光敏感的感光细胞较少，所以分辨颜色，还是以红、绿色为佳。所以，交通灯用什么颜色也是有大学问的 颜色也有活动 (activity)的含意，要表达热或剧烈的话，最强是红色，其次是黄色。绿色则有较冷及平静的含意。因此，人们常以红色代表危险，黄色代表警觉，绿色代表安全。而且，由于红光的
14、穿透力最强，其他颜色的光很容易被散射，在雾天里就不容易看见，而红光最不容易被散射，即使空气能见度比较低，也容易被看见，不会发生事故。所以我们用红色表示禁止。 1.2 十字路口交通灯工作原理可编程控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图很相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。这种用计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上也有某些相似之处。继电器在控制系统中有功率放大、电气隔离、逻辑运算的作用。PLC 有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，PLC 通过执行反映控制
15、要求的用户程序不实现控制功能。为了使 PLC 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至 PLC停机或切换到 STOP 工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC 还要完成内部处理、通信处理等工作，一共有五个阶段如图 2-1 所示。PLC 的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理阶段，PLC 检查 CPU 模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成别的一些内部工作。在通信服务阶段，PLC 与别的带微处理器的智能装置通信，响应编
16、程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当 PLC 处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。PLC 处于运行（RUN）状态时，-_还要完成另外三个阶段的操作。在 PLC 的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映象寄存器和输出映象寄存器。PLC 梯形图中别的编程元件也有对应的（a）RUN (b)STOP映象存储区，它们统称为元件映象寄存器。PLC 的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。在程序执行阶段，当执行指令时，从输入映象寄存器或别的元件映象
17、寄存器中将有关编程元件的“0”/“1”状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映象寄存器中。因此，各编程元件的映象寄存器（输入映象寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。1.3 交通灯模拟控制系统设计要求信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。南北红灯亮维持 25 秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持 20 秒。到 20 秒时，东西绿灯闪亮，闪亮 3 秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持 2 秒。到2 秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯
18、亮。 东西红灯亮维持 25读取输入执行用户程序处理通信请求自诊断检查改写输出读取输入处理通信请求自诊断检查改写输出（a) （b)图 1-2 扫描过程-_秒。南北绿灯亮维持 20 秒，然后闪亮 3 秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持 2 秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮，周而复始。2 交通灯控制系统硬件设计2.1 PLC 机型的选择随着 PLC 技术的发展，PLC 产品的种类也越来越多。不同型号的 PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用 PLC，对于提高 PLC 控制系统的技术经济指标有着重要意义。 通过 I/O 接口模块可以检
19、测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。同时通过 I/O 接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。PLC 从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC 的 I/O 接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，PLC 都有许多 I/O 接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。本设计选用 FX2N-48M 可变程序控制器。2.2 交通灯模拟控制系统硬件图十字路口交通灯
20、模拟图如图 2-1 所示当南北方向红灯（1、7）亮的时候，东西方向绿灯（6，12）先亮再闪烁最后绿灯灭黄灯（5、11）亮。当东西方向红灯（4、10）亮的时候，南北方向绿灯（3、8）先亮在闪烁最后绿灯灭黄灯（2、8）亮。-_图 2-1 交通指挥灯示意图表 2-1 分配表根据十字路口交通灯的输入输出点分配表，画出如图 2.1 所示的 PLC 控制系统 I/O 接线图。输入资源 输出资源输入继电器 元件 作用 输出继电器 元件 作用X0 SB 启动开关 Y0 HL1 南北绿灯X1 SB 转换开关 Y1 HL2 南北黄灯Y2 HL3 南北红灯Y3 HL4 东西绿灯Y4 HL5 东西黄灯Y5 HL6 东
21、西红灯-_图 2-2 接线图3 交通灯的模拟控制系统软件设计3.1 PLC 程序设计基础现代的 PLC 一般备有多种编程语言，供用户使用。但不同厂家的 PLC 的编程语言有很大的区别，用户不得不学习多种编程语言和查找故障的方法。因此，IEC（国际电工委员会）1994 年 5 月公布了可编程序控制器标准（IEC1131）。该标准由以下 5 部分组成：通用信息、设备与测试要求、PLC 的编程语言、用户指南和通讯。由其制定的编程语言即满足目前市场的要求，又适应未来技术的发展。同时，IEC11313-_图 3-1plc 的编程语言详细说明了句法、语义和下述 5 种 PLC 编程语言如图 3-1 所示。
22、顺序功能图梯形图功能块图指令表文本结构标准中有两种图形语言梯形图（LD）和功能块图（FBD），还有两种文字语言指令表（IL）和结构文本（ST），可以认为顺序功能图（SFC）是一种结构块控制程序流程图。1.顺序功能图（SFC）SFC 提供了一种组织程序的图形方法，在 SFC 中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作（Action）是 SFC 中的三种主要元件（见图 5）。步是一种逻辑块，即对应于特定的控制任务的编程逻辑；动作是控制任务的独立部分；转换是从一个任务到另一个任务的原因。作为梯形图语言，SFC 提供用户了以上三种基本结构（见图 5）。在顺序结构中，CPU首先反复执行 1 中的动作，直到
23、转换 1 变为“1”状态，CPU 才处理第 2 步。在选择支路中，取决于哪一个转换是活动的，CPU 只执行一条支路。在并行支路中，所有的支路被同时执行。对于目前大多数 PLC 来说，SFC 还仅仅作为组织编程的工具使用，尚需用其它的编程语言（如梯形图）将它转换为 PLC 可执行的程序。因此，通常只是将 SFC 作为 PLC 的辅助编程工具，而不是一种独立的编程语言。2.梯形图(LD)梯形图是使用得最多的 PLC 图形编程语言，有时又被称为电路或程序。它是一种软件信息，是一种反映 PLC 的输入输出控制逻辑关系的程序软件，它与传统的继电器控制系统的梯形图（硬件）电路不同，不是真正的物理（硬件）电路，一定不能把它们当作硬件电
