交通灯PLC控制程序的研究与设计

阳泉职业技术学院毕业设计说明书前 言毕 业 设 计 是 学 生 在 大 学 学 习 的 最 后 一 个 教 学 环 节 ， 是 在教 师 指 导 下 ， 学 生 综 合 运 用 所 学 理 论 知 识 来 分 析 和 解 决 具 有一 定 复 杂 程 度 的 实 际 问 题 的 一 个 实 践 过 程 ;是 提 高 学 生 观 察事 物 ,获 取 信 息 ,理 解 和 表 述 事 物 能 力 及 分 析 ,解 决 实 际 问 题能 力 的 重 要 教 学 环 节 ;是 培 养 学 生 技 术 经 济 分 析 能 力 ,独 立工 作 能 力 ,与 人 合 作 能 力 ,创 新 能 力 及 养 成 理 论 联 系 实 际 的 工作 作 风 和 提 高 工 程 实 践 能 力 的 重 要 途 径 ;是 学 生 走 向 社 会 之前 对 其 本 身 综 合 素 质 与 能 力 的 全 面 检 验 ,也 是 全 面 衡 量 学 校教 育 教 学 质 量 的 一 个 重 要 依 据 .在进行毕业设计过程中，每个学生要全面地运用、巩固和深化所学理论知识，独立的完成调查研究，查阅并收集有关的参考文献和资料；独立地进行设计方案的选定，进行各种设计和计算，创造性的完成毕业设计规定的全部任务。还要求每个学生都要认真地、严肃地对待设计课题，要有科学的敢于创新，要善于独立思考，发挥主观能动性，反对粗心大意，草率从事和不负责任的态度：在毕业设计过程中，注意学习和吸收国内外的先进技术和前人的经验，研究成果，但不要一成不变的照抄照搬，要大胆的提出创造性的设计方案，要认真贯彻国家和有关部门的标准和规定；设计中遇到自己解决不了的问题要主动向指导教师提问，共同探讨解决方法；并能对自己做出的全部技术决定及取得的结果负责。因 此 ,毕 业 设 计 质 量 如 何 ,在 很 大 程 度 上 客 观 ， 全 面 地 反映 了 毕 业 生 的 能 力 和 素 质 ,反 映 了 学 校 教 育 教 学 工 作 的 质 量和 水 平 。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，本文用三菱 FX2N 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。但现在有的交通信号灯控制系统都是单一的固定时序控制，不能够根据实际交通状况进行调节控制。三菱系列的可编程序控制器和传感技术来实现对交通灯的智能信号控制。可用如下方案来控制交通路况:制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下:在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用 PLC 计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。关键词： PLC（可编程序控制器） 三菱 FX2N 传感器探测 交通灯 AbstractThe variable procedure controller is in industry automate the position is extremely important, extensive application in each profession. Along with the development of science and technology, the function of the programmable controller is increasingly perfect, plus rn, the price is low, the credibility is high, the application that is in modern industry is more out standing. The city transportation light control adopts programmable to make the tool contain high credibility, the maintenance convenience, the method of using is simple, the in general use strong etc. characteristics, this text uses the design that the programmable controller of the Mitsubishi FX2N control intersections conveyance light explains the programmable controller hardware software. Resolve the good highway transportation light control problem will is guarantee the transportation contain preface, safety, fast movement of important link. But the transportation signal beacon control systems have now are all the single and fixed cycle times controls, cant carry on regulating the control according to the actual transportation condition enough. The programmable preface controller of the Mitsubishi series and spread the feeling technique to carry out the intelligence signal control toward the transportation light. Can use as follows the project controls the transportation situation on road: the creation spreads the feeling machine to probe into the vehicle quantity the hour of control the transportation light is long. In a specific way and as follows: The at go the into the underground of the each the direction neighborhood the of the street corner the to lay the to respond the coil the according to the trequest, the be the automobile to the pass by the will produce the to flow the to exhaust, the wreath the form insulates the electricity the feeling of the electric the wire to start reduce, can immediately examine pass of an automobile, and convert this signal control importation that is the programmable controller for the standard pulse signal, counteract the PLC to count, long by the hour that the certain control regulation regulates the traffic lights automatically.Keywords：PLC( Programmable Logical Controller)；Trapezoid；diagram ；Instruction In proper order function diagram Transportation light目 录前 言 I摘 要 IIABSTRACT.III第一章 绪 论 .11.1 引言 11.2 课题研究背景 11.3 现在城市路口交通灯控制技术现状 21.4 本课题主要研究内容 3第二章 PLC 功能简介 32.1 概述 32.2 可编程控制器的发展 62.3 主要用途 82.4 可编程控制器特点 92.5 可编程控制器的组成 112.6 PLC 的工作原理 .122.7 主要功能 142.8 可编程控制技术的发展趋势 18第三章 设计系统任务分析及选型 .203.1 系统任务分析 .203.1.1 可编程控制器型号的选择 .203.1.2 可编程控制器 I/O 的选择 .223.1.3 I/O 点数的估算 233.1.4 开关量 I/O 模块的选择 .233.1.5 模拟量 I O 模块的选择 .253.1.6 特殊功能 I/O 模块的选择 .263.1.7 存储器类型及容量选择 .263.1.8 编程器和外部设备的选择 .273.2 几种常见的控制系统 283.2.1 可编程序控制器（ PLC） 、分散控制系统（ DCS） 、现场总线控制系统（ FCS） .283.2.2 PLC、 DCS、 FCS 三大控制系统的基本特点 28第四章 交通灯控制电路的设计 .304.1 PLC 正常时序 .304.2 I/O 地址分配 .314.3 主程序流程图 324.4 正常时序情况 334.5 急车强通情况 354.6 车流量的计算 424.7 运行程序语句表 444.8 运行效果 46结语 .47参考文献 .481 第一章 绪 论1.1 引言十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行,实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善,也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。可编程序控制器(PLC) 是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,是专能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。因此,本文介绍了三菱公司的 PLC 产品来实现交通灯的自动控制。1.2 课题研究背景可变程序控制器（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。1.3 现在城市路口交通灯控制技术现状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。1.4 本课题主要研究内容按照城市交通控制的需要，本文讨论了用 PLC 实现正常时序、急车强通 2 种控制方式，通过传感器与 PLC 完成对交通异常状况（滞留或堵车）的判别及处理。 正常时序控制对路面进行控制.南北方向红灯时,东西方向绿灯.绿灯闪 3 秒紧接着黄灯闪 2 秒,变红灯.南北方向红灯直接变绿灯.东西方向红灯时同理.急车强通时,发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通. 急车强通信号受急车强通开关控制；无急车时，信号灯接正常时序控制；有急车来时，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。交通滞留的异常情况，在路口与路尾设置两个传感器进行检测车流量.交通路段车流量繁忙时，传感器起到勘测车流量的存在与通过的作用。当一方车流量过大的时候,PLC 要对控制这一路段的信号灯进行调控,让滞留或堵车的一方绿灯时间加长,直到交通畅通为止这种工作的好处是避免了交通堵塞造成的不必要的麻烦与事故,就、控制进行很方便,很便捷。第二章 PLC 功能简介2.1 概述可编程控制器（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 )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。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。可编程序控制器的分类：PLC 的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此，PLC 的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、控制规模、实现的功能进行大致的分类。（1）按结构形式分类PLC 按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。整体式 PLC 外观上是一个长方形箱体，又称为箱式 PLC。组合式 PLC 在硬件构成上具有一定的灵活性，其规模可以像拼积木一样的进行组合，构成具有不同控制规模和功能的 PLC，因此这种PLC 又称为积木式 PLC。 整体式 PLC：整体式 PLC 的 CPU、存储器、输入输出安装在同一机体内，这种结构的特点是：结构简单，体积小，价格低；输入输出路数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。 组合式 PLC：组合式 PLC 为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽可安装一个 PLC 模块，不同的模块实现不同的功能。PLC 的 CPU、存储器和电源等做成一个模块，该模块在总线版上的安装位置一般来说是固定的，而且该模块也是构成组合式 PLC 所必需的。其他的模块根据 PLC 的控制规模、实现的功能选取，安装在总线版的其他任一总线槽上。组合式 PLC 安装完成后，需进行登记，使 PLC 对安装在个总线上的模块进行确认。组合式 PLC 的总线板又称为基版。组合式 PLC 的特点是系统构成灵活性高，可构成具有不同控制规模和功能的 PLC；价格较高。（2）按控制规模分类输入输出的总线数，又称 I/O 点数，是表征 PLC 控制规模的重要参数。因此，按控制规模对 PLC 分类时，可根据 I/O 点数的不同大致分为小型、中型和大型 PLC。小型 PLC：I/O 点数较少，在 256 点以下的 PLC。中型 PLC：I/O 点数较多，在 256 点以上、2048 以下的 PLC。大型 PLC：I/O 点数较多，在 2048 点以下的 PLC。（3）按实现的功能分类按照 PLC 所能实现的功能的不同，可以把 PLC 大致的分为低档、中档、和高档机三类。低档机：具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能，还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。中档机：除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。高档机：除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。函数、表格、CRT 显示、打印机打印等功能。一般地，低档机多为小型 PLC，采用整体式机构；中档机可为大、中、小型PLC，其中小型 PLC 多采用整体式结构，中型和大型 PLC 多采用组合式结构；高档机多为大型 PLC，采用组合式结构。目前，在国内工业控制中应用最广泛的是中、低档机。2.2 可编程控制器的发展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 1， 程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END 指令） ，然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/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 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 PC2.3 主要用途PLC 编程一般采用易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的简单指令编制程序，非常形象直观，在了解了 PLC 简单工作原理和它的编程技术后，就可以结合实际需要进行应用设计，进而将 PLC 用语实际控制系统中，此外，PLC 还具有使用和编程方便，抗干扰能力强，运行稳定可靠，在实际运用中设施施工周期短等特点，是一种用于工业自动化控制的理想工具。PLC 诞生后，受到工业界的普遍欢迎，并得到迅速发展，目前，它的应用几乎覆盖了所有工业企业，而且随着 PLC 技术的推广和应用，PLC 将向着标准化，小型化，模块化及低成本，高功能的方向发展。可编程序控制器与一般的计算机的结构相似，由中央处理单元（CPU） ，存储器（MEMERY） ，输入/输出（INPUT/OUTPUT）接口，电源部件外部设备接口等，但由于PLC 专为工业环境下设计的，为了便于接线，扩充功能，操作及维护，它的结构与组成又与一般的计算机系统有所区别。2.4 可编程控制器特点中央处理单元（CPU）是 PLC 控制部件，一般由控制电路，运算器，寄存器等组成，通过地址及数据总线与存储器，I/O 接口电路连接，它主要完成从存储器中读取指令并执行，然后再取下一条指令，处理中断等任务。存储器是具有记忆功能的半导体电路，PLC 的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。其中，系统程序是 PLC 制造厂家编写的控制和完成各种功能的程序，他们一般被固化到只读存储器（RAM）中，允许修改，并用户启动运行。输入/输出借口电路用来连接 PLC 主机与外部设备。为了提高抗干扰能力，一般的输入，输出接口均有光电隔离装置，最常用的是由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。我们所用的 OMRON CPM1A 系列 PLC 的输入/输出借口电路图如下图所示：由于输入及输出的升年时秒度即可能是数字能量，又有可能是开关量或者模拟量，所以，选择接口部件时要考虑接口处的信号的性质。 电源部件用来将用来将外部供电电源转换成供 PLC 的各部分电子电路工作所需的直流电源，是 PLC 能正常工作。由于 PLC 的电源部件有很好的稳压措施，因此它对外部电源的要求并不高，直流 24V 供电的机型，允许电压为 16-32V。交流供电的机型，允许电压为 85-264V，频率为 47-53HZ，一般情况下，PLC 还为用户提供 24V直流电源作为输入电源或负载电源。可编程控制器是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、记数和算术运算等功能。用来对各种机械或生产过程进行控制。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 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、MPI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、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。 2.5 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。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。图 2-1 PLC 的组成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。2.6 PLC 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，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。封锁 IO就是关闭 IO 扫描过程。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：(一) 扫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。(二) 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。(三) 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。(四)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。2.7 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 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、开始运行之后，串行的执行器存储器中的程序。PLC 的内部工作过程用图表示为如本章末之图：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，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。2.8 可编程控制技术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