基于PLC的交通灯设计.docx

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可编程控制器(PLC)以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气 原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活，而且 结构简单，抗干扰能力强。欧姆龙CPM2A系列可编程控制器指令丰富，可以接各种输 入、输出设备，并有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合 交通灯控制系统的要求与特点，能够方便地联网通信。可以利用梯形图和语句表进行 编程，实现了十字路交通灯控制系统的自动化。
关键词：可编程控制器；交通灯；梯形图；语句；
Abstract
Programmable logic controller (PLC) by microprocessor as the core, generally adopted according to the relay contactor controlling system of electrical schematic diagram of the ladder diagram language program design, programming, easy extension, modification, flexible and convenient, simple in structure, strong anti-jamming capability. CPM2A omron series programmable controller can meet all kinds of rich command input and output devices, and has abundant special equipment, including expansion of the analog input devices and communications equipment i s consistent with traffic control system of the request and the characteristic, can be easily networked communication. Can use the ladder-diagram programming and statements, realizing the table of intersection traffic control system of automation.
Key Word: programmable controller, Traffic lights, Ladder diagram, Statements, automation.
绪言
第一章可编程控制器PLC

PLC的发展历程及趋势 2
PLC的硬件结构及原理5
第二章交通灯的系统设计

8

PLC的选型及接线10
PLC 的安装11
PLC 接线11
： 13
第三章系统检测与调试


结论
致谢
参考文献
绪言
随着科学技术的发展，电气控制技术在各个领域得到越来越广泛的应用。可编 程控制器（PLC）作为电气控制领域的一项新技术，经过三十多年的发展，已经形成 了完整的工业产品系列，从功能及技术指标等各个方面，都达到了成熟的工业控制计 算机的软硬件水平。现已广泛地应用在包括逻辑运算、数值运算、数据传送、过程控 制、位置控制、人机对话、网络通信等各种场合。十字路交通灯正是通过可编程控 制器编写梯形图或助记符语言而实现对交通灯的控制，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。
第一章可编程控制器PLC

可编程序控制器(Programmable Logic Controller,缩写PLC )是以微处理器为 基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可 编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变， 生产的需要，。PLC从1969年问世以来， 虽然至今还不到40年，，可 以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将 它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支 柱。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用 于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备 和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模 应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方 向。
PLC的发展历程及趋势
在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用 广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别 是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司()为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断 变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽 可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想 将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优 点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的
“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功 了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的 效果。从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代 传统的继电器控制，通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）。 随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC 中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展， 16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展°PLC不仅控制功能增强， 同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且 具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程 控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
PLC的发展过程大致可以分为如下几个阶段：
1970 — 1980年：PLC的结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型 的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等）， 但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得 °PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域 由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。
1980 — 1990年：PLC的普及阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格 不断下降，PLC被迅速普及。，并且形 成了固定I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构 模型。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要 产品有小型PLC系列产品，K/A系列中、大型PLC产品等。
1990—20年，PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进 步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适 用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场 控制拓展。此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。三菱公司本阶段 的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列产品等。 20年至今：PLC的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工 厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。一方面，PLC在继续提高CPU运算速度， 位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范 围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展， PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为 工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有
FX小型PLC系列产品（包括 最新的FX3u系列产品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列产品等。
从当前产品技术性能来看，PLC发展趋势仍然主要体现在体积的缩小与性能的提 高两大方面。
体积小型化。电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果。现代PLC 无论从内部元件组成还是硬件、软件结构都已经与早期的PLC有了很大的不同，PLC 体积被大幅度缩小。
性能的提高。PLC的性能主要包括CPU性能与I/O性能两大方面。
可编程序控制器在我国的发展状况如下：
（1）我国可编程序控制器的发展与国际上的发展有所不同，国际上可编程序控制 器的发展是从研制、开发、生产到应用，而我国则是从成套设备引进、可编程序控制 器引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。大致可划分为下述三个阶段：
可编程序控制器的初级认识阶段（70年代后期到80年代初期）国际上可编 程序控制器的发展，首先引起了国内工程技术界的极大兴趣，所以我国对可编程序控 制器的认识始于70年代后期到80年代初期的成套设备引进中，当时的上海宝钢一 期工程中有多项工程引进了十几种机型约2多台可编程序控制器。这些可编程序 控制器用于原料码头到高炉、轧钢、钢管等整个钢铁冶炼以及加工生产线上，取代了 传统的继电器逻辑系统，并部分取代了模拟量控制和小型DDC系统。继宝钢一期工 程后，国内许多厂家陆续引进的设备和生产线大都配备了可编程序控制器，其应用范 围包括电站、石油化工、汽车制造、港和码头等各领域。正是在成套设备引进过程 中，我们打开了眼界，了解认识了可编程序控制器，这也促进了可编程序控制器在我 国的发展。
可编程序控制器的引进应用和消化移植阶段（80年代初期到90年代初期）80 年代初期开始，随着我国改革开放的不断深入，在成套设备引进的同时，国外原装的 可编程序控制器开始涌入国内市场。许多部门和单位相继引进可编程序控制器并自己 设计组成控制系统，其应用范围也扩大到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制药、 造纸、橡胶和精细化工等工业领域。
可编程序控制器的广泛发展阶段（90年代初期到现在）进入90年代，我国 的可编程序控制器进入了广泛发展阶段，主要表现在以下几个方面：
（2）政府重视
可编程序控制器的发展得到了政府的高度重视，在当时机械电子工业部的领导 下，于1991年成立了可编程序控制器行业协会。可编程序控制器行业协会在政府和 企事业之间起到了桥梁作用，沟通了情况，为做出决策提供了依据。同时可编程序控 制器的标准化工作也受到了有关部门的重视，于1993年成立了可编程序控制器标准 化技术委员会，为我国可编程序控制器的进一步发展打下了基础。
PLC的硬件结构及原理
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结 构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、 显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括 CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组 合配置。。
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并 存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态； 并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现 场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐 条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区 的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止
运行。
编程器
系统程序存储器［系统程序存储器 I日厢
PLC的结构图
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻 辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必 须等扫描到该触点时才会动作。
考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在1ms以上，而PLC扫描用户 程序的时间一般均小于1ms,因此，PLC采用了 一种不同于一般微型计算机的运行 方式一-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的 处理结果上就没有什么区别了。
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。
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映象区中的相应得单元内。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。
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。
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。
、
用户输出设备
用户输入设备
PLC的扫描工作过程图
PLC的扫描周期图
第二章交通灯的系统设计

信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先 南北红灯亮，东西绿灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。
南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。到 20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持 2S。到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。
东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮维持25S。然后闪烁3S，熄灭。同时南北 黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
周而复始。

按照交通灯系统控制要求下，结合西门子S7-2系列可编程控制器的特性（见附 录），选择适合的型号。设计思想分析如下：给一个启动的输入信号，要配合一个 SB1的按钮，当SB1启动按钮动作，系统工作。
首先，南北方向道路处于禁止通行的状态，东西方向道路处于允许通行的状态。 南北方向道路亮红灯状态过程中，南北红灯亮25S，需计时器设定延时25秒，才会转 入下一状态南北绿灯亮；同时，东西方向道路也一起亮绿灯20S,需计时器设定延时 20秒，才会转下一状态东西绿灯闪烁；东西绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/ 次）动作使东西绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3秒，才会转下一状态东西黄灯亮； 东西黄灯亮2S,需计时器设定延时2秒，才会转入下一状态东西红灯亮。