1、十字路口交通指示燈PLC的控制系統摘要：可編程序控制器在工業自動化中的地位極為重要，廣泛的應用于各個行業。隨著科技的發展，可編程控制器的功能日益完善，加上小型化、價格低、可靠性高，在現代工業中的應用更加突出。城市交通燈控制采用的可編程制器具有可靠性高、維護方便，用法簡單、通用性強等特點，本文用歐姆龍的可編程控制器控制十字路口信號燈來說明可編程控制器硬件、軟件的設計。解決好公路交通燈控制問題將是保障交通有序、安全、快捷運行的重要環節。關鍵詞：PLC 智能交通燈 指令系統 嚴制文書#前 言隨著社會經濟的發展，城市交通問題越來越引起人們的關注。人、車、路三者關系的協調，已成為交通管理部門需要解決的重

2、要問題之一。城市交通控制系統是用于城市交通數據監測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統，它是現代城市交通監控指揮系統中最重要的組成部分。 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研究和控制，高速道路沒有充分發揮出預期的作用。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。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

3、城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區同周邊地區的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規劃部門亟待解決的主要問題。 根據交通燈工藝控制要求與特點，我們采用了歐姆龍PLC。歐姆龍PLC有小型化、高速度、高性能等特點，可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴充設備，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所必需的，能夠方便地聯網通信。本系統就是應用可編程序控制器(PLC)對十字路口交通控制燈實現控制。本系統采用PLC是基于以下四個原因：PLC具有很高的可靠性，通常的平均無故障時間都在30萬小時以上；編程能力強，可以將模糊化、模糊決策和解模糊都方便地用軟件來實現；抗干擾能力強

4、，目前空中各種電磁干擾日益嚴重，為了保證交通控制的可靠穩定，我們選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環境下正常工作的PLC；近年來PLC的性能價格比有較大幅度的提高，使得實際應用成為可能。目錄緒論1（一）本課題研究的目的和意義1（二）城市智能交通系統的發展現狀11 智能交通系統的基本概念12 智能交通的發展簡史13 我國的ITS的建設現狀2第一章 概述3第二章 可編程控制器簡介4（一） 可編程序控制器的產生與發展4（二） 可編程控制器的組成8圖2-1. PLC的組成81. 輸入寄存器92. 輸出寄存器93. 存儲器94. CPU單元95. 其它接口單元9（三） 可編程控制器的工作原理9（四）可編程控制器

5、的特點11（五）可編程控制器的主要功能12（六） 可編程控制器的發展趨勢16第三章 系統方案設計18（一）裝置結構與工藝要求18(二) 統計輸入/輸出點數并選擇PLC型號19（三）分配PLC的輸入/輸出端子19（四）交通信號燈控制系統功能表圖20（五） 交通信號燈的控制系統梯形圖21(六).將梯形圖轉換成指令表程序25（1）交通信號燈控制系統公共程序指令表：26(2)信號燈在東西方向控制指令表：26（3）信號燈在南北方向控制指令表27總結29謝 辭30緒論（一）本課題研究的目的和意義隨著我國交通事業的迅速發展，各種公交、運輸汽車和汽車進入家庭的步伐加快使得城市的汽車數量逐年增加，城市道路交通堵

6、塞、擁擠問題顯得越來越突出，交通在許多城市已經成為“瓶頸”問題。在馬路上經常會看到這種現象：如果一輛汽車發生故障，則該條線路將陷入癱瘓；一但某個路口的信號燈出現故障，就有可能在此路口塞車。交通發展的狀況是衡量一個國家現代化程度的重要標志之一，從經濟的發展形式看，我國的經濟增長速度比主要工業發達國家年平均增長速度都要高，隨著我國現代化發展的進程，經濟必將持續增長，其增長的速度繼續在世界處于領先地位，高速度的持續經濟發展，必然帶來嚴重的運輸和交通問題。車如水、人如潮，這是我國城市交通的真實寫照。人員和物資的流通量猛烈的增長，使得交通車輛的擁擠問題明顯得暴露了出來。要解決交通擁擠的狀況，道路的建設、

7、拓寬和增加車行道固然重要，而現代化交通控制系統的建設，卻可大幅度的提高現有道路的利用率，其重大的經濟效益和社會效益是不可言語的。目前絕大部分的交通的時間都是單一的、固定的，不管是車流高峰還是低谷，紅綠燈的時間都是固定不變的；還有一些交通燈只是能夠按照固定的時間來劃分高峰和低谷，簡單地進行時間段的調整，這比起以前的交通燈是有所進步。但是控制起來不夠靈活，還不能解決相對擁擠、混亂的交通次序。本文的設計正是針對這個弊端進行了改進，根據實時的車流量對個路口的紅綠燈進行調整，大大加強了其靈活性和實時性，真正實現了智能的交通燈控制。（二）城市智能交通系統的發展現狀1 智能交通系統的基本概念 智能交通系統也

8、稱為ITS；目前世界上對智能交通系統尚沒有統一的定義，其大體的含義是將先進的計算機技術、信息技術、數據通訊技術、人工智能及電子自動控制技術等有效地綜合運用于整個交通管理系統，將人、路、車有機的結合起來，以達到最佳的和諧統一，從而建立起的一種在大范圍內、全方位發揮作用的實時、準確、高效的交通運輸綜合管理系統。2 智能交通的發展簡史 ITS的研究始于上世紀70年代，由于信息處理技術的不成熟曾一度陷入低谷。在80年代中期后，隨著信息處理技術的發展，許多國家對智能交通系統的研究投入了大量的人力和物力。并建立以美、日和歐洲為代表的三大研究中心。美國對ITS的研究起步較晚，但由于投入較多，目前已處于該領域

9、的領先水平。出現了很多龐大的連續開發計劃。1991年，開始對ITS研究進行投資，僅1994年至1995年就確定了104項目研究，并成立了專門組織，著手制定ITS的研究計劃，到1997年投資近7億美元；1998年6月9日美國前總統克林頓簽署了“面向21世紀運輸權益法案”。該法案的確定為美國公路系統的繼續發展和重建帶來了創記錄的投資。歐洲在ITS的研究方面采取整個歐洲一體化的方針，由政府、企業和個人三方面共同出資進行智能化交通系統的研究，著名的項目有PROMETHEU和DRIVE等。日本從70年代就開始了對汽車交通綜合控制系統的研究，并成立了全國性的推進組織，是ITS進行研究最早、實用化程度最高的

10、國家。目前已建立了較為完備的交通控制、信息服務等綜合體系，并基本完成了覆蓋全國的電子地圖的繪制工作。3 我國的ITS的建設現狀 我國ITS的研究和推進還處于起步階段，但ITS作為跨世紀經濟點和交通系統的建設必然選擇的重要性已得到國家相關部門的高度重視,1995年中國國家技術監督局ISO/IC204為交通部門正式批準成立了ISO/IC204中國委員會，該委員會把推進中國ITS標準化為主要任務，1997年在北京召開ITS發展趨勢國際學術研討會。1998年交通部正式批復成立交通智能運輸系統工程研究中心（ITSC）。加快了對ITS領域的研究步伐，北京、上海、沈陽等大城市陸續從國外引進了一些較為先進的城

11、市交通控制、道路監控系統；我國也自行組織開發了實時自適應城市交通控制系統HT-UTCS，上海交通大學與上海交警總隊合作開發的SUTS系統等；并且從2000年起在全國6個城市實施以實現城市交通智能控制為主要內容的“暢通工程”，并逐步推廣到全國。第一章 概述可編程控制器（PLC）是以計算機技術為核心的通用自動控制裝置，在日常生活中得到了廣泛的應用。PLC是一種數字式運算操作的電子系統，專為工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術等操作指令，并通過數字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC具有可靠性高，抗干擾能力強等優

12、點，PLC的平均無故障運行時間（又稱平均故障間隔時間MTBF）已經高達幾十萬小時。其次，PLC具有通用性強，使用方便的特點。由于PLC產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，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件方面的設計工作只是確定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，方便快速地適應工藝條件的變化。PLC還具有功能強，適應面廣的特點，現代PLC不僅具有邏輯運算、計時、計數、順控等功能，數值運算和數據處理等功能。因此，它既可對開關量進行控制，也可以對模擬量進行控制，既可控

13、制一臺生產機械、一條生產線，也可控制一個生產過程。PLC還具有通信聯網的功能，可與上位計算機構成分布式控制系統。用戶只需根據控制的規模和要求，適當選擇PLC的型號和硬件配置，就可以組成所需的控制系統。隨著交通的不斷發展和汽車化進程的加快，交通擁擠加劇，交通事故頻發，交通環境惡化，已經成為引人注目的城市問題之一。交通問題不僅的發展中國家，就在發達國家也是一個令人困擾的嚴重問題。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

14、。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果。事實上，由于交通系統是一個相當復雜的大系統，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，人們就開始研究交通信號，用信號指揮車通行，控制車輛進出交叉口的次序。據文獻記述，早在1868年，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。道路通交通系統是一個地區、

15、一個城市的主要組成部份，這個系統的運行狀況如何，直接反映了一個地區、一個城市的現代化管理水平。在這一系統中，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性。只有對這一系統的組成及其運行機理進行科學客觀的分析研究，對能制定出科學有效的管理和控制對策，從而保障系統的有效運行。隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市出現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澎路的系統研究和控制，高速道路沒有充分發揮出預期的作用。而城市高速道路在構造上的特點，也決定了城

16、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，越來越成為交通運輸管理和城市規劃部門待解決的主要問題。第二章 可編程控制器簡介（一） 可編程序控制器的產生與發展可編程控制器（PLC）是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發展起來的一種通用的工業自動控制裝置。它具有體積小、功能強、靈活通用與維護方便等一系列的優點。特別是它的高可靠性和較強的適應惡劣環境的能力，受到用戶的青睞。因此在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了廣泛的應用，成為了現代工業控制的三大

17、支柱之一。可編程控制器是一種存儲器控制器，支持控制系統工作的程序存放在存儲器中利用程序來實現控制邏輯，完成控制任務。在可編程控制器構成的控制系統中，要實現一個控制任務，首先要針對具體的被控對象，分析它對控制系統的要求，然后編制出相應的控制程序，利用編程器將控制程序寫入可編程控制器的程序存儲器中。系統運行時，可編程控制器依次讀取程序存儲器中的程序語句，對它們的內容加以解釋并執行。根據輸入設備的狀態和其他條件，可編程控制器將其程序執行結果輸出給相應的輸出設備，控制被控對象工作。可編程控制器是利用軟件來實現控制邏輯的，能夠適應不同的控制任務的需要，通用、靈活、可靠性高。它是一種專為在工業環境下應用而

18、設計的數字運算操作的電子裝置。它的內部存儲器可以執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入或輸出控制各種類型的機械或生產過程。PLC是在繼電器控制邏輯基礎上，與3C技(Computer Control Communication)相結合，不斷發展完善的。目前已從小規模單機順序控制，發展到包括過程控制、位置控制等場合的所有控制領域。PLC早期主要應用于工業控制，但隨著技術的發展，其應用領域正在不斷擴大 . 可編程控制器(Programmable Logical Controller)簡稱PC或PLC，是60年代末發明的工業控制器件，是美國數字公司(DE

19、C )為美國通用公司(GM)研制開發并成功應用于汽車生產線上，可編程控制器自此誕生。隨著計算機技術的飛速發展，PLC軟硬件水平與規模也發生了質與量的變化，其控制技術也朝著智能化方向不斷發展，同時推動了先進制造技術的相應發展。現代PLC已經成為真正的工業控制設備。最初，PLC主要是用在生產線控制和大型機械的控制上。但不久，西德的西門子(SIEMENS)公司、BBC公司就開始研制PLC，當時主要是用于軋鋼機、升降設備等大型設備上。70年代初，日本的OMRON也推出了他們的PLC。三菱、日立、富土、東芝、橫河、日電等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美國和西德首先出現了微電腦化的小型

20、PLC。由于PLC是為工業控制所生產的通用性很強，適合于大批量生產的裝置，所以成本迅速下降;加上其是專為工業控制所設計，所以具有極好的抗干擾性能;并且他的使用和維護都極為方便，實現了低水平的操作、高性能的控制，所以在機械制造業深受歡迎。小型PLC開始步入諸如塑料注塑機、包裝機械、橡膠機械、紡織機械等輕工機械的控制領域，其成本的低廉和性能的優良對直接使用微機作為控制單元的做法構成了強有力的挑戰，更有全面取代傳統繼電器控制屏的趨勢。據國外資料介紹:1982年美國PLC用戶中，有48%來自自動程序操作部門(如汽車、拖拉機工業、機械工業等)、13%來自石油化工業、9%來自食品飲料業、7%來自冶金工業、

21、其余部分來自造紙、采礦、污水處理等部門“。近年來，隨著我國對外開放，日、美、西德等國生產的PLC己通過多種途徑進入了我國，引起了各方面的重視并得到應用。如寶鋼工程應用了數百臺PLC，首鋼、武鋼、開灤煤礦也分別應用了美國和西德的PLC。20世紀80年代至90年代中期是PLC發展最快的時期。PLC發展至今，已有30多年的歷史。伴隨著半導體技術、計算機技術、通訊技術的發展，工業控制領域已有了翻天覆地的變化，PLC亦再不斷發展變化中，PLC正朝著新的技術發展。近年來隨著科技的飛速發展，PLC的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的PLC應用系統中，PLC往往是

22、作為一個核心部件來使用，僅PLC方面知識是不夠的，還應根據具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，加以完善。交通信號燈的出現，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。隨著中國加入WTO，我們不但要在經濟、文化、科技等各方面與國際接軌，在交通控制方面也應與國際接軌。PLC在世界各地得到了廣泛應用，同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發揮著十分重要的作用。 作

23、為離散控的制的首選產品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發展，世界范圍內的PLC年增長率保持為20%30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數的不斷擴大，近年來PLC在工業發達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領域占據著十分重要的位置。 PLC是由摸仿原繼電器控制原理發展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編

24、制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執行一步該計數器自動加后再返回起始步循環運算。PLC每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。 相

25、同I/O點數的系統，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監控軟件，在設計企業的管理信息系統方面，要容易一些。 近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經濟的高速發展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。 通用P

26、LC應用于專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器(在工業自動化領域，可編程控制器(PLC)作為自動控制的三大技術支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一，成為大多數自動化系統的設備基礎。由于綜合了計算機和自動化技術，使它發展日新月異，大大超過其出現時的技術水平。它不但可以很容易地完成邏輯、順序、定時、計數、數字運算、數據處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產機械數字量和模擬量的聯系，從而實現生產過程的自動控制。特別是超

27、大規模集成電路的迅速發展以及信息、網絡時代的到來，擴展了PLC的功能，使它具有很強的聯網通訊能力，從而更廣泛地應用于眾多行業。1. 向高性能、高速度、大容量發展大型PLC大多采用CPU結構，不斷向高性能、高速度、大容量發展。ANA系列PLC使用了世界上第一個在一塊芯片上實現PLC全部功能的32位微處理器、即順序控制芯片，其掃描時間為每條基本指令0.15us。2. 增強小型PLC的功能小型PLC一般指I/O點數小于256的PLC，大多數采用整體結構，小型PLC價格便宜，性價比不斷提高，很使用單機自動化，或組成分布式系統。近年來，PLC廠商不斷推出功能更強的小型PLC，更新換代的周期越來越短。除了

28、開關量邏輯控制功能以外，現代小型PLC還具有中斷功能、脈沖捕獲功能、內置的實時鐘、用EEPROM代替RAM和鋰電池，使PLC成為完成完全免維護的設備，將過去許多需要特殊功能模塊完成的功能軟件化，如用PID指令實現PID控制，用定位控制實現位置控制。各PLC廠家近年來推出一些價格便宜的專用人機接口裝置，用來監視PLC的內部變量和修改參數。與西門子S7-200配套的TD200文本顯器可顯示兩行中文，每行10或20個字符，可用S7-200編程軟件設置TD200的顯示內容。3. 不斷提高編程軟件的功能（1）編程軟件日益普及（2）編程軟件功能不斷完善（3）編程語言的標準化（4） 編程軟件配備仿真功能，如

29、西門子S7-200與STEP7編程軟件配套使用的S7-PLCSIM仿真軟件。（5） 通訊功能的增強和標準化（6）PLC的軟件化與PC（二） 可編程控制器的組成如圖所示，PLC與通用計算機沒有什么區別，只是一臺增強了I/O功能的可與控制對象方便連接的計算機。其完成控制的實質是按一定算法進行IO變換，并將這個變換物理實現，應用于工業現場。 圖2-1. PLC的組成1. 輸入寄存器輸入寄存器可按位進行尋址，每一位對應一個開關量，其值反映了開關量的狀態，其值的改變由輸入開關量驅動，并保持一個掃描周期。CPU可以讀其值，但不可以寫或進行修改。2. 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

30、的輸出值,而程序循環執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。在程序執行過程中,CPU可以讀其值,并作為條件參加控制,還可以修改其值,而中間的變換僅僅影響寄存器的值。只有程序執行到一個循環的尾部時的值才影響下一時間段的輸出，即只有最后的修改才對輸出接點的真實值產生影響。3. 存儲器存儲器分為系統存儲器和用戶存儲器。系統存儲器存儲的是系統程序，它是由廠家開發固化好了的，用戶不能更改，PLC要在系統程序的管理下運行。用戶存儲器中存放的是用戶程序和運行所需要的資源，I/O寄存器的值作為條件決定著存儲器中的程序如何被執行，從而完成復雜的控制功能。4. CPU單元CPU單元控制著IO寄

31、存器的讀、寫時序，以及對存儲器單元中程序的解釋執行工作，是PLC的大腦。5. 其它接口單元其它接口單元用于提供PLC與其它設備和模塊進行連接通信的物理條件。（三） 可編程控制器的工作原理CPU連續執行用戶程序、任務的循環序列稱為掃描。如下圖所示，CPU的掃描周期包括讀輸入、執行程序、處理通信請求、執行CPU自診斷測試及寫輸出等內容。PLC可被看成是在系統軟件支持下的一種掃描設備。它一直周而復始地循環掃描并執行由系統軟件規定好的任務。用戶程序只是掃描周期的一個組成部分，用戶程序不運行時，PLC也在掃描，只不過在一個周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫輸出這幾部分內容。典型的PLC在一個周期中可完成以

32、下5個掃描過程。1.自診斷測試掃描過程。為保證設備的可靠性，及時反應所出現的故障，PLC都具有自監視功能。自監視功能主要由時間監視器完成。WDT是一個硬件定時器，每一個掃描周期開始前都被復位。WDT的定時可由用戶修改，一般在100200ms之間。其它的執行結果錯誤可由程序設計者通過標志位進行處理。2.與網絡進行通信的掃描過程。一般小型系統沒有這一掃描過程，配有網絡的PLC系統才有通信掃描過程，這一過程用于PLC之間及PLC與上位計算機或終端設備之間的通信。3.用戶程序掃描過程。機器處于正常運行狀態下，每一掃描周期內部包換掃描過程。該過程在機器運行中是可控的，即用戶可以通過軟件進行設定。用戶程序

33、的長短，會影響過程所用的時間.4.讀輸入與寫輸出掃描過程。機器在正常運行狀態下，每一時間。個掃描周期內都包含這個掃描過程。該過程在機器運行中是否被執行是可控的。CPU在處理用戶程序時，使用的輸入值不是直接從輸入點讀取的運算的結果也不直接送到實際輸出點，而是在內存中設置了兩個映像寄存器：一個為輸入映像寄存器，另一個為輸出映像寄存器。用戶程序中所用的輸入值是輸入映像寄存器的值，運算結果也放在輸出映像寄存器中。在輸入掃描過程中，CPU把實際輸入點的狀態鎖入到輸入映像寄存器；在輸出過程中，CPU把輸出映像寄存器的值鎖定到實際輸出點。為了現場調試方便，PLC具有I/O控制功能，用戶可以通過編程器封鎖或開

34、放IO。封鎖IO就是關閉IO掃描過程。下圖描述了信號從輸入端子到輸出端子的傳遞過程。在讀輸入階段，CPU對各個輸入端子進行掃描，通過輸入電路將各輸入點的狀態鎖入輸入映像寄存器中。緊接著轉入用戶程序執行階段，CPU按照先左后右、先上后下的順序對每條指令進行掃描，根據輸入映像寄存器和輸出映像寄存器的狀態執行用戶程序，同時將執行結果寫入輸出映像寄存器中。在程序執行期間，即使輸入端子狀態發生變化，輸入狀態寄存器的內容也不會改變輸入端子狀態變化只能在下一個工作周期的輸入階段才被集中讀入。在寫輸出階段，將輸出映像寄存器的狀態集中鎖定到輸出鎖存器，再經輸出電路傳遞到輸出端子。由上述分析得出循環掃描有如下特點

35、：1掃描過程周而復始地進行，讀輸入、寫輸出和用戶程序是否執行是可控的。2輸入映像寄存器的內容是設備驅動的，在程序執行過程中的一個工作周期內輸入映像寄存器的值保持不變，CPU采用集中輸入的控制思想，只能使用輸入映像積存的值來控制程序的執行。3程序執行完后的輸出映像寄存器的值決定了下一個掃描周期的輸出值，而在程序執行階段，輸出映像寄存器的值即可以作為控制程序執行的條件，同時又可以被程序修改用于存儲中間結果或下一個掃描周期的輸出結果。此時的修改不會影響輸出鎖存器的現在輸出值，這是與輸入映像寄存器完全不同的。4對同一個輸出單元的多次使用、修改次序會造成不同的執行結果。由于輸出映像寄存器的值可以作為程序

36、執行的條件，所以程序的下一個掃描周期的集中輸出結果是與編程順序有關的，即最后一次的修改決定了下一個周期的輸出值，這是編程人員要注意的問題。各個電路和不同的掃描階段會造成輸入和輸出的延遲，這是PLC的主要缺點。各PLC廠家為了縮小延遲采取了很多措施，編程人員應對所使用型號的PLC的延遲時間的長短很清楚，它是進行PLC選型時的重要指標。（四）可編程控制器的特點自1969年第一臺可控編程控制器問世以來，目前可編程控制器已經成為一種最重要、最普及、應用場合最多的工業控制器。 PLC之所以被廣泛應用，是由它的突出特點和優點的性能分不開的，為了滿足工業生產對工業控制設備安全可靠的要求，PLC采用了微電子技

37、術，大量的開關動作由無觸電的的半導體電路來完成，PLC選用的電子器件一般是工業機，有的甚至是軍用機，平均無故障時間很長。PLC具有良好的環境適應性，可用于十分惡劣的工業現場。再電源瞬間斷電的情況下仍可以正常工作，具有很強的的抗空間電磁干擾能力，可以抗峰值高達1000V、脈寬10us的矩形波空間電磁干擾，具有良好的抗震能力和抗沖擊能力。一般對環境溫度要求不高，在環境溫度-2065度、相對濕度為35%-85%情況下仍可正常工作。可編程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-224主機，I/O點數為40點(14個輸入點和10個輸出點)，具有2個RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊協議

38、、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。自由通訊口方式是S7-200 PLC的一個很有特色的功能，它使S7-200 PLC可以由用戶自己定義通訊協議。利于自由通訊口方式，在本系統中PLC可以與變頻器和觸摸屏方便連接。模擬量輸入采用4路12位A/D模擬量輸入的EM231模塊，具有較高的精度。PLC編程采用STEP7-Micro/WIN編程軟件，它提供一個完整的編程環境，可進行離線編程和在線連接和調試，并能實現梯形圖與語句表的互相轉換。可編程控制器能如此迅速的發展的原因是由于它具有通用計算機所不具備的特點：1.可靠性可編程控制器采用了一系列可靠性設計的方法進行設計，例如：冗余設計、掉電保護設計、故障診

39、斷、和信息保護和恢復等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高。可編程序控制器是為了工業生產過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用的計算機控制系統更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了簡化的編程語言，變成出錯率大大降低。在可編程控制器的軟件方面，也采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用軟件過濾；軟件自診斷；簡化編程語言；信息保護和恢復。報警和運行信息的顯示等。2 易操作性著體現在它的操作方便、編程方便、維護方便。3靈活性編程的靈活性。編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊圖、和語句表。這種編程的靈活性是繼電器順序控制所不能比擬的，正是由于編程的柔性特點，再柔性制造單元

40、FMC、柔性制造系統FMS、計算機集成制造系統CIMS和計算機集成流程工業系統CIPS，可編程控制系統成為主要的控制設備。擴展的靈活性。它不僅可通過增加輸入輸出卡件增加點數，通過擴展單元來擴大容量和功能，甚至可通過與集散控制系統DCS或其他上位機的通信來擴展功能，并與外部設備進行交換等。 （五）可編程控制器的主要功能PLC的外部設備中，最重要的就是編程器，它用來對用戶程序進行寫入，檢查，修改和調試，也可以在線監視 PLC的運行，它經過編程器接口與CPU聯系，完成人-機對話。目前，有很多PLC都可以利用 微型計算機作為編程工具，這時應配上相應的編程軟件及接口，由于微機的強大功能，使PLC的編程和

41、調試更為方便。另外，PLC的外部設備中還包括打印機：在用戶程序編制階段用來打印帶注解的梯形圖或指令語句表程序，以利于維修和系統的改造 ；外存儲器：存儲部分程序或改變生產工藝流程時需要調用的程序，它所存的程序也可重新裝入內存，有利于PLC的內存程序的恢復；EPROM寫入器：用語將用戶程序寫入到EPROM中去，它提供了一個非易失性的用戶程序保存方法。PLC是一種微機控制系統，工作原理也與微機相同，但它在應用時一般將其等效成輸入，輸出和內部控制電路三部分。輸入部分用于接受被控設備的信息或操作命令等外部信息或操作命令等外部輸入信息。輸入接線端是PLC與外部的開關，按鈕，傳感器轉換信號等連接的端口，每個

42、端子可等效為一個內部繼電器線圈，線圈號即輸入接點號，這個由接到輸入端的外部信號來驅動，其驅動電源可由PLC的電源部件提供，也可由獨立的交流電源供給，每個輸入繼電器可以有無數多個內部觸電（動合，動斷的形式均可），供用戶設計PLC的內部控制電路時使用。內部控制電路是是用戶根據控制要求編制的程序，作用是運算和處理由輸入部分得到的信息并判斷應產生哪些輸出。PLC的程序一般用梯形圖表示，而梯形圖是以繼電器控制的電氣原理圖演變而來的，PLC中的動合、動斷觸點、線圈等概念與繼電器控制電路相同，在PLC內部還有定時器、技術器、移位器、內部輔助繼電器等。繼電器控制系統中沒有器件，他們的線圈自動合，動斷觸點只能在

43、PLC內部控制電路中使用，如要與外部電路相連，則必須通過輸出部分。輸出部分作用是驅動外部負載，在PLC內部，有若干能與外部設備直接相連的輸出繼電器（有繼電器形、雙向硅形，晶體管形等三種形式），它也有無限多個軟件實現的動合，動斷觸點，可在PLC內部控制電路中使用，但對應每個輸出只有一個硬件的動合觸點與之相連，用以驅動需要操作的外部負載，外部復雜的驅動電源接在輸出公共端（COM）上。總之，在使用PLC時，可以把輸入端為一個繼電器線圈，其相應的繼電器結點可以在內部控制電路中使用，而輸出端又可以等效為內部輸出繼電器的一個動合觸點，驅動外部設備。PLC一般采用循環掃描方式工作，在PLC加電后，先進行初始

44、化處理、開始運行之后，串行的執行器存儲器中的程序用PLC 設計一個控制系統時，必須知道有一個輸入信號后PLC要經過多長時間才能有一個對應的輸出信號，這樣才能精確的解決系統各個不見之間配合問題。從PLC受到一個輸入信號到PLC向輸出端輸出一個控制信號所需的PLC I/O響應時間，一般在設計系統時都要對此進行一定的考慮。順序控制是PLC最基本、應用最廣泛的領域。由于它具有編程設計靈活、速度快、可靠性高、成本低、便于維護等優點，所以在實現單機控制、多機群控制、生產流程控制中可以完全取代傳統的繼電器接觸器控制系統。如：有色冶金行業的冶煉廠和選礦廠的物料輸送及配料、井下采礦皮帶輸送系統、選礦廠球磨機及各

45、潤滑站系統、冶煉廠余熱鍋爐振打系統、電收塵輸灰系統、冶煉廠轉爐本體聯鎖和加料系統等，其它行業如汽車生產線、印刷機械、加工機床、包裝機以及日常生活的電梯控制等。 用于順序控制的PLC編程語言既不同于高級語言，也不同于匯編語言，它是面向現場、面向問題、面向用戶的簡單直觀的程序控制語言。它可分為邏輯型和動作型兩大類。前者可由傳統的繼電器電路變換而來，如梯形圖；后者由機械設備動作變換而來，如流程圖。梯型圖同繼電器電路相似，易于掌握，便于維修。在順序控制中應用的較為廣泛。即使不經過特殊的培訓，一般工程技術人員也能很快掌握。對于過程控制的模擬量均采用硬件電路構成的PID模擬調節器來實現開、閉環控制。而現在

46、完全可以采用PLC控制系統，選用模擬量控制模塊，其功能由軟件完成，系統的精度由位數決定，不受元件影響，因而可靠性更高，容易實現復雜的控制和先進的控制方法，可以同時控制多個控制回路和多個控制參數。例如生產過程中的溫度、流量、壓力、速度等。功能說明：1邏輯控制功能邏輯控制功能實際上就是位處理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC設置有“與”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等邏輯指令，根據外部現場（開關、按鈕或其它傳感器）的狀態，根據指定的邏輯進行運算處理后，將結果輸出到現場的被控對象（電磁閥、電機等）。因此，PLC可代替繼電器進行開關控制，完成接點的串聯、并聯、串并聯、并串聯等各種連接

47、。另外，在PLC中一個邏輯位的狀態可以無限次的使用，邏輯關系的修改和變更也十分方便。2定時控制功能定時控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有許多可供用戶使用的定時器，其功能類似于繼電器線路中的時間繼電器。定時器的設定值（定時時間）可以在編程時設定，也可以在運行過程中根據需要進行修改，使用方便靈活。程序執行時，PLC將根據用戶用定時器指令指定的定時器對某個操作進行限時或延時控制，以滿足生產工藝的要求。3計數控制功能計數控制功能是PLC的基本功能之一。PLC為用戶提供了許多計數器，計數器記到某一個數時，產生一個狀態信號，利用該狀態信號實現對某個操作的計數控制。計數器的設定值可以在編程時設定，

48、也可以在運行過程中進行修改。程序執行時，PLC將根據用戶用計數器指令指定的計數器對某個控制信號的狀態改變次數進行計數，以完成對某個計數過程的計數控制。4步進控制功能PLC為用戶提供了若干個移位寄存器，可以實現由時間、計數或其他指定邏輯信號為轉步條件的步進控制。即在一道工序完成以后，在轉步條件控制下，自動進行下一道工序。有些PLC還專門設置了用于步進控制的步進指令和鼓形控制器操作指令，編程和使用都極為方便。5數據處理功能PLC大部分都具有數據處理功能，可以實現算術運算、數據比較、數據傳送、數據移位、數制轉換、譯碼編碼等操作。中、大型PLC數據處理功能更加齊全，可完成開方、PID運算、浮點運算等操

49、作，還可以和CRT、打印機相聯、實現程序、數據的顯示的打印。6回路控制功能有些PLC具有A/D、D/A轉換功能，可以方便的完成對模擬量的控制和調節。7通訊聯網功能有些PLC采用通訊技術，實現遠程I/O控制、多臺PLC之間的同位鏈接、PLC與計算機之間的通訊等。8監控功能 PLC設置了較強的監控功能，利用編程器或監視器，操作人員對PLC有關部分的運行狀態進行監視。利用編程器可以調整定時器、計數器的設定值和當前值，并可以根據需要改變PLC內部邏輯信號的狀態及數據區的數據內容，為調試和維護提供了極大的方便。9停電記憶功能 PLC內部的部分存儲器所使用的RAM設置了停電保持器件（如備用電池等），以保證

50、存儲器中信息能夠長期保存。利用某些記憶指令，可以對工作狀態進行記憶，以保持PLC斷電后的數據內容不變。PLC電源恢復后，可以在原工作基礎上繼續工作。10故障診斷功能 PLC可以對系統構成、某些硬件狀態、指令的合法性等進行自診斷，發現異常情況，發出報警并顯示錯誤類型，如屬嚴重錯誤則自動終止運行。PLC的故障自診斷功能大大提高了PLC控制系統的安全性和可維護性。（六） 可編程控制器的發展趨勢隨著計算機科學的發展和工業自動化愈來愈高的需求，可編程控制技術得到了飛速的發展，其技術和產品日趨完善。僅僅將PLC理解為開關量控制的時代己經過去，PLC不僅以其良好的性能滿足了工業生產的廣泛需要，而且將通信技術

51、和信息處理技術融為一體，其功能也日趨完善。今后，PLC將主要朝著以下兩個方向發展:一個是向超小型專用化和低價格方向發展;另一個是向高速多功能和分布式自動化網絡方向發展。總的趨勢如下階：1.可編程控制技術的標準化在工業自動化產品繁花似錦的今天，各生產廠商既互相競爭又互相合作。一種自動化產品的競爭力除表現在其技術上的個性外，更重要的還在于其滿足國際標準化的程度和水平。標準化一方面保證了產品的出廠質量，另一方面也保證了各個廠家產品的互相兼容。出廠檢驗時各可編程控制產品的廠家都有相應的技術標準作依據。按照這些標準，各種型號的PLC產品對工業應用環境、抗干擾性等條目都給出了明確的規定。但是，這些標準目前

52、只能是統一區域性的產品，而不能實現全球的統一性。為了使各廠家的產品有一個共同的參考平面，制定了國際標準。2. CPU處理速度進一步加快 目前PLC的CPU與微型計算機的CPU相比，還處在比較落后的地步，最高的也僅僅處在80486一級。將來會全部使用64位RISC芯片，實現多CPU并行處理或分時處理或分任務處理，實現各種模塊智能化，且部分系統程序用門陣列電路固化。這樣PLC執行指令的速度將達到納秒級。3.可編程控制技術的智能化提高一個系統的智能程度不僅提高系統的品質，在某種意義上也提高了系統的可靠性。4.系統的開放性和兼容性 開放性和兼容性是不可分割的而且是相輔相成的概念。一方面是某一產品和第三

53、家同類產品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系統尤其是軟件上的開發平臺對使用者有多大的開放程度。當今可編程控制產品種類繁多，加上自動化項目越來越大，致使常常在一個工程項目中出現不同廠家的產品做主從站的現象，這就要求每一廠家的產品族中，都要考慮到和其他廠家產品的兼容性問題;另一方面，可編程控制器與工業控制機等其他裝置的通信難易也體現了開放性的特點。除此之外，同一廠家產品族中的各系列產品兼容性也代表了可編程控制產品的水平。5.通用性和專業化的結合 可編程控制產品是通用的。但是工業的每一領域都有其自己的特點。怎樣才能使一個系統既具有通用性又具備專業化呢?硬件系統的模塊化便是解決這一矛盾的鑰匙。這樣，

54、適合于某個行業或某些特殊問題的專用模塊就可以很容易地集成到通用系統中去。常用的專用模塊包括:定位模塊、溫度測量模塊、高速采樣模塊、網絡接口模塊等。6.可靠性進一步提高 隨著PLC進入過程控制的領域，對PLC可靠性的要求進一步提高。硬件冗余的容錯技術將進一步得到應用，不僅會有CPU單元冗余、通信單元冗余、電源單元冗余、I/0單元冗余、而且整個系統都會實現冗余。但從根本上來講，系統的可靠性取決于系統單元的可靠程度。要保證整個系統的可靠運行，首先要求系統各單元的質量要得到保證。MTBF(平均無故障時間)是衡量產品質量的重要指標。縱觀各著名廠商，其PLC產品都有不同程度的冗余功能，而且發展越來越完善。

55、7.控制系統分散化 根據分散控制、集中管理的原則，PLC控制系統的I/0模塊將直接安裝在控制現場，通過通信電纜或光纖與主CPU進行數據通信。這樣使控制更有效，系統更可靠。8.控制與管理功能一體化 為了滿足現代化大生產的控制與管理的需要，PLC將廣泛采用計算機信息處理技術、網絡通信技術和圖形顯示技術，使PLC系統的生產控制功能和信息管理功能融為一體。 綜上所述，我們不難得出下面幾個結論:（1）.工控機、計算機集散控制系統及PLC正在走著一條相互融合的道路。（2）.智能分布式控制是可編程控制系統基于現場總線的新型控制思想。（3）.系統的智能性將越來越重要，因此系統的分析運算能力將越來越強。（4）.

56、基于標準化的開放性和兼容性是衡量系統質量的重要判據。（5）.通用性、高度專業化的融合是可編程控制系統的新特征。第三章 系統方案設計（一） 裝置結構與工藝要求1. 起動正常程序時，將起停開關SA1至于接通位置。把SA1至于斷開位置，當前循環結束后停止工作。2. 東西方向綠燈HL11亮（車輛通行）20S后，閃爍3S后黃燈HL12亮2S（東西與南北兩個方向都停止通行，準備換向），接著紅燈HL13亮（車輛停止）25S。3. 南北方向與東西方向相反，如圖3-1所示。4. 有應急控制功能，若東西方向需應急強通，將開關SA2置于接通位置，東西方向綠燈HL11亮，南北方向紅燈HL23亮。應急強通結束，將開關SA2復位置斷開狀態，自動轉入正常程序的下一個動作。若需南北方向應急強通，則使用開關SA3。 圖3-1 交通信號燈示意圖(二) 統計輸入/輸出點數并選擇PLC型號輸入信號共有3個，考慮到有15%的備用點，即3*(1+15%)=3.45,取整數4，因此共需4個輸入點。輸入信號共有6個，考慮到有15%的備用點，即6*(1+15%)=6.9,取整數7，因此共需7個輸出點。因此可選用C28P