基于PLC的交通灯控制系统设计.doc

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1、1目录 摘要 目录第1章 绪论11课题的目的和意义12交通信号灯的发展概况13课题的主要内容、原理与方法14主要完成的工作第2章 交通信号灯控制的基本理论2. 1 交通信号灯2. 2 信号灯的设置2. 3 交通信号的控制方式2. 4 城市道路智能交通信号控制系统第3章 控制系统及其应用综述 31 控制系统的发展背景 32 系统的特点33 控制系统应用领域34 控制系统及技术的发展趋势 第4章 设计项目的总体方案设计 41 受控对象的控制要求与控制过程分析42 控制过程建模及分析 43 方案的分析比较 44 总体方案的确定第5章 交通信号灯控制系统设计5.1 控制系统的硬件设计 51.1 PLC

2、的选型51.2 PLC的IO表的确定 51.3 PLC端子接线 5.2 控制系统的软件设计 5.21 控制过程状态图5.22 主要控制环节的设计 5.23 信号灯转换控制程序软件梯形图 5.3 系统测试第7章 总结 参考文献附录：程序清单（指令表）第1章 毕业设计说明11课题设计的目的和意义 可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代化科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。它采用可编程序的存储器,其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算

3、术运算等操作指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC 自产生至今只有30 多年的历史,却得到了迅速发展和广泛应用,成为当代工业自动化的主要支柱之一。 PLC技术展的最终趋势仍然是人们所争论的焦点之一。大多数人认为，PLC将会继续失去市场份额；更有甚者认为，在工业PC面前，PLC将会一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工业应用领域仍将为PLC提供一定的市场份额。在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生

4、巨大变革，几乎到处都有PLC，但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软件PLC(SoftPLC)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统PLC的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲，这是PLC控制器的核心，PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现得非常积极。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将PLC融入更加开放的工业控制行业。 随着PLC 性能价格比的不断提高,一些过去

5、使用专用计算机的场合,也转向使用PLC，PLC 的应用范围在不断扩大。在未来的工业生产中,PLC 技术和机器人以及CAD/ CAM技术将并列成为实现工业生产自动化的三大支柱。鉴于PLC 这种新型工业控制装置在工业应用中的重要性和广泛性,为适应工业生产自动化发展的需求，毕业设计中PLC控制系统设计的选题有着重要的意义。 交通信号灯是随着交通运输行业的发展。交通信号灯成为了不可缺少，不可代替的交通指挥工具。实际应用时, 指示等信号要求的PLC 机I/O (输入/输出) 点较多, 而其可靠性对交通信号灯运行影响不大, 因此可仍保留这部分电路, 即局部替代。但全部PLC化能充分发挥PLC 系统的优势,

6、 其主要表现在： (1) 故障率低。继电器机械触点易氧化, 动作寿命有限; 而PLC 系统本身几乎无故障, 外围电路仅配少量安全必须的继电器和必要的接触器。 (2) 系统简单: 继电器系统, 层站越高采用的继电器越多, 而PLC系统加上扩展单元, 无论层站多少, 仅用一个中型控制柜即可。 (3) 功能性强。复杂电路继电器逻辑不易实现, 用PLC 机可设计更多的功能。PLC 机还具备停电记忆功能, 可保护断电前的状态。 采用PLC可实现交通信号灯常规控制和实现交通信号灯的精确位移控制。PLC可靠性高，程序设计方便灵活随着科学技术的发展及人们对交通信号灯要求的日益提高，在用交通信号灯的改造正朝着实

7、用化、舒适化、美观化等方向发展。经改造后的交通信号灯，由于采用了PLC、变频器等先进元器件及智能控制技术，使原交通信号灯的控制设备大为简化，消除了不少交通信号灯故障的根源，可靠性大幅度提高控制功能增加，运行效率也逐步提高。改造后收到的社会效益和经济效益十分明显，致使交通信号灯改造的发展势头很猛，普及也很快。 综上所述，本毕业设计选题以交通信号灯的PLC控制系统作为毕业设计课题。 12设计项目的发展概况 1868 年，英国伦敦的威斯明斯特地区安装了世界上第一台交通信号灯，揭开了城市交通信号灯控制的序幕。1926 年，英国人首次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，标志着城市交通自动控制的开始

8、。 1964 年，在加拿大的多伦多市完成了数字计算机控制信号灯的实用化，并成为世界上第一个具有电子计算机城市交通控制系统的城市，从此开始了交通控制发展史的新纪元。1967 年英国运输与道路研究实验室（ TRRL ）成功地研究出交通网络研究工具 TRANSYT ，用于脱机优化配时方案，它的广泛应用，把交通控制技术推向更高的发展阶段。后来 TRRL 在 TRANSYT 的基础上开发了 SCOOT 系统，澳大利亚开发了 SCATS 自适应控制系统，这成为世界上两个最优秀的城市交通信号控制系统。 进入 90 年代以来，智能运输系统（ ITS ）这一全新的交通模式应用，对于改善城市交通状况起了很大作用。

9、 ITS 主要包括先进交通管理系统（ ATMS ）、先进的交通信息系统（ ATIS ）、先进的车辆系统（ AVCS ）、先进的公共运输系统（ APTS ）和商用车辆运输系统（ CVOS ）等等。 ATMS 是利用计算机和通信技术将交通管理系统和车辆作为整体的系统，其主要目标是是实现城市道路与市际高速公路综合网络的一体化管理。交通控制系统是 ATMS 的一个基本实施手段，经过几十年的发展，应用已经很广泛，也取得了很好的效果。自80 年代以来，我国的一些大城市引进了国外先进的交通控制系统，比如 上海、广州、沈阳引进了澳大利亚SCATS 系统，北京、大连、青岛引进了英国SCOOT 系统。这些系统对促

10、进城市的畅通虽然起了一定作用，但并没有从根本上解决这些大城市交通拥堵的交通状况。2000年，随着国家公安部提出“畅通工程”的要求，各地都采用智能交通运输系统的理论，利用计算机和通信技术等高科技手段来解决城市的交通问题，加强了交通管理系统和交通控制系统的建设。 13设计项目的主要内容、原理与方法 （1）设计项目的主要内容 通过毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论，基础知识，基本技能分析解决实际问题的基本能力以及协作能力。根据专业培养目标，通过毕业设计使学生掌握电气控制系统的基本设计方法和步骤。使学生受到PLC系统开发的综合训练，达到能够进行PLC系统设计和实施的目的。 本次设计的主要任务及目的

11、是：设计一个应用PLC对交通信号灯模型进行控制的模拟系统。 采用PLC控制方法,它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、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和输出，控制各种类型交通信号的生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 （2）设计项目的原理 计算机用于控制、运行程序时常采用扫描工作方式和中断工作方式。PLC主要采用扫描工作方式，顺序扫描工作方式简单直观，简化了程序设计，并为PLC可靠运行提供有力的保证。在有的场合也插入中断方式，允许中断正在扫描运行的程序，以处理急需处理的

12、事件。 PLC扫描工作的第一步是采样阶段，它通过出入接口将所有输入端子的信号状态读入并存入输入缓冲区，即刷新所有输入信号的原有状态。第二步扫描用户程序，根据本周期输入信号的状态和上周期输出信号的状态，对用户程序逐条进行扫描运算，将运算结果逐一填入输出缓冲区。第三阶段输出刷新，将刷新过的输出缓冲区各输出点状态通过输出接口电路全部送到PLC的输出端子。 PLC周期性的循环执行上述三个步骤，这种工作方式称为PLC扫描工作方式。上述三步骤执行一个周期所用的时间称为扫描周期。PLC扫描周期是PLC的重要参数之一，它反映了PLC对输入信号的灵敏度或滞后程度。通常工业控制要求PLC扫描周期在6030ms以下

13、。PLC工作过程示意图如图1所示图1 PLC工作过程示意图交通信号控制常用的PLC系统型号有欧姆龙C 系列, 三菱F 系列, 富士NB1、NB2 系列, 光洋SR系列等。这些型号原理上大同小异, 但产品结构各成体系。如欧姆龙单元式PLC 机的输入点数比输出多, I/O 端子是组装式的可方便地与主机分离; 而富士同等型号的I/O 点数一般相等, I/O 端子是固定的。选型时应详细学习产品资料, 一般选择自己熟悉的产品。各公司的PLC 机产品呈系列化, 具体型号应根据交通信号灯的具体情况, 一般考虑以下几个方面： (1) 结构：有单元式、模块式、积木式等。单元式I/O 结构固定, 而模块式I/O

14、点可灵活配置。 (2) 存储量：有1K、2K、4K、8K、32K 等。根据程序的复杂程度来选择。 (3) I/O 点数及方式: 如欧姆龙C 系列单元式的C20 为12/8, C40 为24/1 6 等。输入分为开关量或模拟量, 输出为继电器、可控硅、晶体管等形式。 (4) 工作电压: 交流100 240V , 直流24V 等。 PLC系统的外线路结构设计、制造工艺上应有严格的技术措施, 使整个系统有较强的抗干扰能力。这些措施包括: PLC 机与接触器等要有一定距离, 且要可靠接地; 输入电源最好采用隔离变压器供电; 交流接触器线圈加阻容吸收回路, 直流继电器加反并联二极管; 控制柜上强弱电交叉

15、通过, 随行电缆应分开; 重要信号(如光电码盘) , 要用屏蔽线连接。 实践证明, 有了这些措施加上高性能的PLC 机, 整机产品能够适应强电磁干扰、高温、粉尘、电压波动等恶劣环境。 程序编制的简单方法是把原继电器线路图直接变成梯形图, 但继电器受其触点数限制使一些优化电路无法实现。而PLC 机的内部继电器是软件代号, 常开常闭点可重复使用。设计时利用其提供的保持、微分输出、暂存以及特殊的辅助继电器, 灵活地应用比较、移位、跳转等指令, 可使程序简化, 扫描时间缩短。既提高了可靠性, 也为实现更多功能提供了容量。 14此次论文设计分成的章节 此次毕业设计全文共分六章，第一章主要介绍本课题研究的

16、目的和意义、相关技术的发展概况及课题研究的主要内容、原理与方法；第二章主要讲了控制系统及其应用综述包括控制系统的发展背景、系统的特点、控制系统应用领域、控制系统及技术的发展趋势；第三章介绍了设计项目的总体方案设计的确定，主要对受控对象的控制要求与控制过程分析、方案的分析比较，总体方案的确定；第四章主要描述了控制系统的硬件设计过程，包括了PLC的选型、的IO表的确定及控制系统电气原理图的设计；第五章的内容是关于控制系统的软件设计的过程，其包括程序框图或控制过程状态图和主要控制环节的设计；第六章则介绍了系统的模拟调试，最后是对本课题或论文的一个大致的总结及附录。第2章 十字路口信号控制的基本理论和

17、方法 2. 1 交通信号灯在道路上用来传递具有法定意义指挥交通流通行或停止的光、声、手势等，都是交通信号。交通信号是在空间上无法实现分离原则的地方，主要在平面交叉口上，用来在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措施。交通信号灯用轮流显示不同灯色来指挥交通的通行或停止。随着信号灯的发展，各国使用的信号灯存在不同的差别，各自给信号灯赋予不同的含义。我国目前使用的信号灯基本上与国际规定一致，具体含义如下:(l)绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行的行人通行。(2)黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行通道的行人，可以继续通行。(3)红灯亮时，

18、不准车辆、行人通行。(4)绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。(5)黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。(6)右转弯车辆和T形交叉口右边无人行横道的直行车辆，遇黄灯或红灯时，在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下可以通行。2. 2 信号灯的设置当交叉路口的交通量接近路口的通行能力时，考虑在交叉路口设置交通信号控制。信号灯设得合理、正确，能较充分地发挥道路的交通效益，如设置不当，非但浪费了设备和资金，并且会对交通造成不良后果。如有些不合理信号控制的路口，由于主要道路上驾驶员遇红灯而停车，但他在相当长的时间内并未看到次要道路上有车通行，往往会引起有意或无意的闯红灯。因此，信号控

19、制交叉口的交通事故，多发生在交通量较低的交叉口上或交通量较低的时间内。在吸取国外信号灯设置经验的基础上，结合我国目前具体的交通状况，路口信号灯的设置与改进要运用交通工程学理论作指导，根据路口的地形特点、车流状况，作好车辆与行人交通流量的调查，进口道上车辆行驶速度的调查，交通事故及违章调查，车辆可穿越的空当及延误调查等，具体问题具体分析，制定优化的信号配时，保证现代交通高效、节能、低公害运行。交叉路口交通信号灯安装方式有两种，一种是安装在伸向交叉路口中央上空型臂上;一种是安装在路口边或中央的灯柱上。信号灯的排列方式通常分为两种:1、水平排列式从道路的中心线一侧起以红、黄、绿的顺序向路边排列。常用

20、于路面较宽的道路。2、垂直排列式从上往下依次是红、黄、绿灯。这种方式常用于路面较窄的道路。按固定方式排列信号灯有两个好处:一是把红灯信号放在最醒目的位置;二是可使患有色盲的人凭借位置来判断信号的含义。在交叉路口中央上空安装信号灯时应符合车辆通行净空高度界限的要求。信号灯的亮度应保证人们在1O0m以外能看清。2. 3 交通信号的控制方式根据所采用的控制装置的不同，交通信号一般有三种控制方式：1、周期式信号。这种信号的周期长、相位、绿灯时间、转换时间等都是事先确提定的。信号通过规定的周期运行，每个周期的周期长和相位都恒定不变。依靠所供的设备，可用几种预定配时方案，每一种都在一天规定的时间中交替使用

21、。2、半感应式信号。这种信号保证主干路总保持绿灯直到设在次干路上的检测器探到有车辆到达。这时信号经过一个适当的转换间隔后，立刻为次干路显示绿灯，该绿灯就维持到次干路上的车辆全部通过路口或持续到预定的最大绿灯时间为止。在绿波信号系统中，分配给次干路的绿灯时间必须限制在预定的时间内。该系统的周期长和绿灯时间可根据需要随时进行调整。当次干路没有车辆时，主干路总是保持绿灯，事实上分配到次干路的绿灯时间可充分利用，所有“多余的”绿灯时间则都分配给主干路。3、全感应式信号。该信号的所有相位全由传动检测器来控制。一般每个相位都要规定最小与最大绿灯时间。这种控制方式的周期长度和绿灯时间可根据需要作很大的变动。

22、周期中的某些相位是可以任意选择使用的，当检测器未测出交通量时，该时刻的相位可自动取消。目前，许多信号系统都实现了计算机控制，使用计算机系统控制的地理交叉口，其信号一般采用预定周期式控制。有些城市还部分地实现了交替信号的线或面的联动控制，在这样的系统中，计算机充当了主控机和监视器的角色。此时，信号的联动不仅对提高单个信号交叉口的通行能力和服务水平有很大作用，而且还对提高整条道路或整个路网的通行能力发挥着极其重要的作用。2. 4 城市道路智能交通信号控制系统智能交通信号控制系统是城市道路交通管理系统中对交叉路口、行人过街，以及环路出入口采用信号控制的子系统。主要包括交通工程设计、车辆信息采集、数据

23、传输与处理、控制模型算法与仿真分析、优化控制信号调整交通流等。国内外各大中城市己有的交通信号控制系统就是根据不同环境条件，基于各自城市道路的规划和发展水平建立起来的。2.4.1 智能交通信号控制系统的基本组成智能交通信号控制系统的基本组成是：主控中心、路口交通信号控制机以及数据传输设备。其中主控中心包括操作平台、交互式数据库、效益指标优化模型、数据(图像)分析处理等。图2-1 城市道路智能交通信号控制系统框图2.4.2 交通信号控制系统的主要术语和参数1、 周期周期是指信号灯色发生变化，显示一个循环所需的时间，也称周期长，即红、黄、绿灯时间之和。它是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数，用

24、C表示。一般信号灯的最短周期长度不少于36秒，否则就不能保证几个方向的车辆顺利通过交叉口。最长周期长度一般不超过120秒。从疏散交通的角度讲，显然当交通需求越大时，周期应越长，否则一个周期内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉口，就会发生堵塞现象。正确的周期时长应该是，每一个相位的绿灯时间刚好使该相位各入口处等待车队放行完毕。如一个具有两相位(东西向和南北向)交通流的交叉口，设两个相位的交通到达率(到达率)分别是dl、d2，相应相位的通行能力分别为s1，s2，周期时长为C，绿灯时间分别为g1、g2，其中损失时间分别为L1、L2(损失时间是指灯色切换过程中的损失时间和不能被充分利用的绿灯时

25、间，原因是绿灯出现之初车队有个反应和加速的过程)，则： (2-1) (2-2)将上两式相加，并将代入g1+g2=C，得 (2-3)若s1=s2=s，则有 (2-4)由式(2-4)可计算出保证路口不堵塞的一个最小周期值。然而，若交通流的需求过高，堵塞现象将成为不可避免的，信号周期长度的选取应根据某种优化性能指标选择。2、相位相位：即信号相位，是指在周期时间内按需求人为设定的，同时取得通行权的一个或几个交通流的序列组。3、相位差相位差:具有相同周期长的相关路口，在同方向上的两个相关相位的启动时间差，称为相位差。从某一车流方向来看，为使车辆在交叉口处不受阻而流畅通过，与其使相关联信号同时显示同一灯色

26、(特别是绿灯开始时间)，不如使绿灯开始时间错开一些。这里称时间对“错开”为相位差。把干线上某一路口作为基准路口，其他各路口的协调相位起始时刻滞后于基准路口的协调相位起始时刻的最小时间差，称为绝对相位差;车辆行使方向任意相邻路口的协调相位起始时刻的最小时间差，称为相对相位差。通常用时距图表示信号配时与距离的关系。图2-4 时距图以第1个交叉口的信号为基准，则图中的Al、A2、A3分别为交叉口2、3、4的信号的绝对相位差。要确定路口信号间的相对相位差，则需要先确定车辆的行驶方向。当车辆由路口1沿道路驶向路口4时，Bl是路口2信号和路口1信号的相对相位差;B2是路口3信号和路口2信号的相对相位差;当

27、车辆由路口4沿道路驶向路口1时，B3是路口3信号和路口4信号当相对相位差;B4是路口2信号和路口3信号的相对相位差。由时距图可以看出，BZ和B4均表示路口2信号和路口3信号之间的相对相位差，只是因选定行车方向不同而具有不同的数值。两者之和等于一个周期的长度。4、饱和流量:是衡量路口交通流施放能力的重要参数，通常是指一个绿灯时间内的连续通过路口的最大车流量。5、绿灯间隔时间:是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相位绿灯开始所用的时间。6、有效绿灯时间:是指被有效利用的实际车辆通行时间。它等于绿灯时间与黄灯时间之和减去头车启动的损失时间。2.4.3 智能交通信号控制的核心智能交通

28、信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，体现着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。目前，国内外已应用的信号控制系统大多是以优化定周期方案、优化路口绿信号配比以及协调相关路口通行能力为基础的，是根据历史数据和自动检测到的车流量信息，通过设置的控制模型算法选取适当的信号配比控制方案，是被动的控制策略。随着网络技术的发展，交互式控制策略使信号控制由感控到诱导实现了真正的智能，交通信号控制系统不仅可以检测到车流量等交通信息参数，调控路口绿信号配比，变化交通限行、禁行等指路标志，还可以根据系统联接的数据库完成与交通参与者之间的信息交换，向

29、交通参与者显示道路交通信息、停车场信息，提供给交通参与者合理的行驶线路，以达到均衡道路交通负荷的主动的控制策略。尤其重要的是计算机网络技术和数字化使数据传输和信息利用得到了可靠保证。可以说，城市道路智能交通信号控制系统是城市道路交通管理随着信息产业技术迅猛发展的综合产物。2.4.4 智能交通信号控制系统的基本设计步骤根据路口交通现状和预测进行交通渠化设计分析原始交通流数据，通过仿真模型效验，确定控制模式，进行交通参数设定根据交通渠化设计及控制模式的设计要求完成交通工程设计(包括车辆检测器的检测区定位)根据各个路口配备设备的相关性，完成协调设计确定系统和单点控制的优化目标函数，得出最优信号控制方

30、案配置路口信号控制机的固化基础参量，配置主控中心数据库与数据传输置。第3章 控制系统及其应用综述 31 控制系统的发展背景11969 1973 年是PLC 的初创时期。在这个时期,PLC 从有触点不可编程的硬接线顺序控制器发展成为小型机的无触点可编程逻辑控制器,可靠性比以往的继电器控制系统有较大提高,灵活性也有所增强。 1974 1977 年是PLC 的发展中期。在这个时期,由于8 位单片CPU 和集成存储器芯片的出现,PLC 得到了迅速发展和完善,并逐步趋向系列化和实用化,普遍应用于工业生产过程控制。PLC 除了原有功能外,又增加了数值运算、数据的传递和比较、模拟量的处理和控制等功能,可靠性

31、进一步提高,开始具备自诊断功能。 1978 1983 年,PLC 进入成熟阶段。这个时期,微型计算机行业已出现了16 位CPU ,MCS251 系列单片机也由Intel 公司推出,使PLC 也开始朝着大规模、高速度和高性能方向发展,PLC 的生产量在国际上每年以30 %的递增量迅速增长。在结构上,PLC除了采用微处理器及EPROM,EEPROM,CMCS RAM等LSI 电路外,还向微处理器发展,使PLC 的功能和处理速度大大提高 1984 年后,PLC 的规模更大,存储器的容量又提高了1 个数量级(最高可达896 K) ,有的PLC 已采用了32 位微处理器,多台PLC 可与大系统一起连成整

32、体的分布式控制系统,在软件方面有的已与通用计算机系统兼容。编程语言除了传统的梯形图、流程图语句表外,还有用于算术的BASIC 语言、用于机床控制的数控语言等。 32 系统的特点2 1.可靠性高、抗干扰能力强 PLC是专为工业控制而设计的， PLC的平均故障间隔可达几十万小时。一般由程序控制的数字电子设备产生的故障常有两种：一种是软故障，由于外界恶劣环境，如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压等引起的未损坏系统硬件的暂时性故障，另一种是由多种因素而导致元器件损坏所引起的故障，称为硬故障。 PLC的循环扫描工作方式能在很大程度上减少软故障的发生。此外，PLC采用了如下一系列的硬件和软件的抗干扰

33、措施： （1）、硬件方面： 隔离是抗干扰的主要手段之一。在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，同时还可以防止外部高电压进入CPU模块。滤波是抗干扰的又一主要措施。对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，可抑制高频干扰。 （2）、软件方面： a、设置故障检测与诊断程序。PLC在每一次循环扫描过程的内部处理期间，检测 系统硬件是否正常，锂电池电压是否过低，外部环境是否正常，如掉电、欠电压等； b、当软故障条件出现时，立即把现状态重要信息存入指定存储器，软硬件配合封闭 存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防存储信息被冲掉，这样，一旦外界环境正

34、常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。 由于采取了以上抗干扰措施，PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高，可以承受幅值为1000V、上升时间为1ns、脉冲宽度为1us的干扰脉冲。 2. 编程简单、使用方便 目前大多数的PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，这是一种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的微机语言相比更容易被操作人员所接受并掌握。通过阅读PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员可以很快熟悉梯形图语言，并用来编制一般的用户程序。配套的简易编程器的操作和使用也很简单，这也是PLC近年来获得迅速普及和推广的原因之一。 3. 设计、安装容易、维护工作量少 由于PLC已实现了

35、产品的系列化、标准化和通用化，用PLC组成控制系统，在设计、安装、调试和维修等方面，表现出了明显的优越性。设计部门能在规格繁多、品种齐全的系列PLC产品中，选出高性能价格比的产品。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。在用户维修方面，由于PLC本身的故障率极低，维修工作量很小；并且PLC有完善的诊断和显示功能，可以根据PLC上的发光二极管或在线编程器上提供的信息，迅速地查明原因。因此维修极为方便。 4.功能完善、通用性强 现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D、D/A转换，数值运

36、算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可对模拟量进行控制；既可以控制单台设备，也可以控制一条生产线或全部生产工艺过程. 5. 体积小、能耗低 以西门子中小型PLC S7-300为例，CPU 314模块可以扩展为512点开关量，64路模拟量，其外形尺寸为80mm*125mm*130mm，重量仅0.53kg,消耗功率8W。由于体积小，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 6.性能价格比高23 控制系统应用领域3随着PC技术的不断发展，它在工业生产和日常生活中的应用越来越广泛，下面介绍几个PLC的应用实列： 可编程控制器(PLC)的应用领域极其广阔。对于早期的

37、可编程控制器，凡是有继电器的地方就需要可编程控制器；而对于当今的可编程控制器，几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要可编程控制器。就目前的应用情况来看，可编程控制器主要用于有大量开关量和少量模拟量的控制系统方面。小型可编程控制器主要用于单机自动化，而大型可编程控制器则是自动生产线的必不可少的部件。最近我国引进的生产设备和自动生产线绝大多数都是采用可编程控制器作为核心控制部件的。 33 PLC控制系统应用领域3 在发达的工业国家，PLC已经广泛地应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面： 1. 开关量逻辑控制 PLC具有“与”、“或”、“非”等逻

38、辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到民用和家庭中。 2. 运动控制 PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、3轴和多轴联动的位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。PLC的运动控制功能广泛用于各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。 3. 闭环过程控制 闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实

39、现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换与D/A转换，并对模拟量实行闭环PID(比例-积分-微分)控制。其闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 4. 数据处理 现代的PLC具有整数四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位、浮点数运算等运算功能，和数据传送、转换、排序、查表、位操作等功能，也可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。 5. 机器人控制机器人作为工业过程自动生产线中的重

40、要设备，已成为未来工业生产自动化的三大支柱之一。现在许多机器人制造公司，选用PLC作为机器人控制器来控制各种机械动作。随着PLC体积进一步缩小，功能进一步增强，PLC在机器人控制中的应用必将更加普遍。 6. 通信联网 PLC的通信包括PLC与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备(例如计算机、变频器、数控装置)之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。 34 控制系统及技术的发展趋势4 随着新技术、新器件的不断出现，特别是微处理器、单片机、半导体存储器等技术的飞速发展和迅速融合，使得PLC功能更加齐全，适用范围更加广

41、泛，使用更加方便，具有更高的性能价格比。目前，PLC以广泛应用于工业控制各个领域，而且产品更新速度快，有的更新换代周期仅为35年。未来的PLC将有以下几个发展趋势： 1向大型、高性能化方向发展 PLC的输入/输出点数不断上升，可达到8192点，甚至高达10000点以上或号称无限点，这类产品可以满足钢铁工业、石油、化工等大型生产自动控制的需要。它们采用有高速运算能力的高性能16位和32位微处理器，而且常常采用多处理器结构，并吸收以连续量处理为主的集散控制系统（DCS）的优点，热备冗余系统更高速、可靠，进一步增强科学计算、数据处理能力和联网能力，网络更开放，有很高的运行速度并能方便地与微机以及其他

42、控制器构成控制、管理系统和计算机集成过程系统（CIPS）等。操作站系统则采用以微软的Windows9x/NT/2000/XP为平台的工业计算机（IPC）和通用的人机界面软件，并在管理层上应用各种数据库管理软件进行生产过程的处理。这种系统结构将成为主流。 2向方便灵活、小型化发展 为满足工业生产过程对控制系统小型化以及减少体积、降低成本的需要，PLC生产厂家几乎都开发了结构简单、使用方便灵活的小型、微型PLC，这是20世纪80年代中后期发展最快的一类产品。据相关统计数字表明，小型PLC约占市场的1/4。而另一方面，小型PLC的功能不断增加，如增加了数值运算、模拟量处理、与上位机或操作站联网通信的

43、功能。在结构上，一些小型PLC也采用了模块式结构，用户可以根据需要配置系统大小，使用户可以方便地构成易于扩展、灵活经济的最小控制系统。小型化的PLC作为机电一体化的基本构成要素和原始设备制造商（OEM）的重要设备，将是一个重要的发展方向。 3网络结构更开放、通信功能更完善 随着通信网络技术、现场总线技术和互联网技术的飞速发展，PLC的冗余网络、局域网络技术日趋成熟，并向统一、通用的开放网络发展，不同品牌PLC的互操作性将大大提高，工业以太网、过程控制的对象链接和嵌入（OPC）和互联网技术将在PLC系统中大量应用。从控制层、操作层到管理层，实现全方位的多层次、分布的自动化网络管控一体化，成为真正

44、的过程控制解决方案。 4编程组态更方便灵活 除提供传统的梯形图编程环境外，大多数PLC都提供语句表、顺序功能图以及更友好、方便和高效的图形化组态软件和符合IEC1131-3标准的编程组态工具。第4章 设计项目的总体方案设计 41 受控对象的控制要求与控制过程分析 交通信号灯安置如图3所示： 图3 信号灯安置1. 受控对象的控制要求 （1）系统受一个启动开关控制，开关启动时系统开始工作，开关断开所有信号灯熄灭；南北绿灯和东西红灯不能同时亮，否则关闭信号系统并报警。（2）系统工作时，先南北红灯亮，同时东西绿灯亮。（3）南北红灯亮维持25s，东西绿灯亮20s。到20s时，东西绿灯闪亮，绿灯闪亮周期1

45、s（亮0.5s,熄0.5s）；绿灯闪亮3s后熄灭，东西黄灯亮，并维持2s。（4）到2s时，东西黄灯熄，东西红灯亮，同时南北红灯熄，南北绿灯亮。（5）东西红灯亮维持30s，南北绿灯亮维持25s。（6）到25s时，南北绿灯闪亮3s后熄灭，南北黄灯亮，并维持2s。（7）到2s时,南北黄灯熄，南北红灯亮，同时东西红灯熄，东西绿灯亮，开始第2周期的动作。周而复始的循环。 2. 控制过程分析5 给上电源，运行用户程序。安下启动钮后，20000接通且自锁。TIM000接通计时，TIM006同时接通计时，01002接通，南北红灯亮，同时由01002使01004接通，东西绿灯亮。 当TIM006计满20s时，使

46、TIM007接通计时，同时TIM006常闭接点打开，使东西绿灯亮的功能停止，而TIM006的一个常开接点接通，该接点与时钟周期为1s的25502一起控制01004的周期通、断工作，使得东西绿灯闪烁。 当TIM007计满3s后，其常开接点使TIM005计时开始，其另一个常闭接点断开东西绿灯闪烁电路，而一常开接点则使01005接通，东西黄灯亮。 当TIM005计满2s后，东西黄灯断开，完成了循环控制的前半周期。 当TIM005计满2s的同时，恰好TIM000计时满25s，此时循环工作的下半周期开始。TIM000常开接点首先启动TIM004和TIM001定时器开始计时，而其常闭接点断开01002，常

47、开接点接通01006，使得南北红灯熄灭，东西红灯亮，在此同时由01006使01000接通，南北绿灯亮起来。 TIM001计满25s，其一常开接点起动TIM002计时开始，一常闭断开南北绿灯，而另一常开与25502一起使南北绿灯闪烁。 TIM002计满3s后，起动TIM003计时开始，TIM002的一常闭接点使南北绿灯停止闪烁，而TIM002的一常开接点使01001通，南北黄灯亮。 当TIM003计满2s时，断开01001，南北黄灯熄灭。此时也正是TIM004计满30s。TIM004的常闭接点使TIM000断开复位，随后TIM004自动亦被复位。在程序的下一个扫描周期开始时，系统工作的下一个循环开始，即南北红灯亮，东西绿灯亮。 按下停止按钮时，因20000释放，所有灯熄灭。 在运行中若东西、南北绿灯因