《可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)》項目四 交通信號燈的PLC控制-多序列狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計法

項目四交通信號燈的PLC控制——多序列狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計法4.1項目任務(wù)4.2項目分析與實施小結(jié)

鞏固與提高習題與思考學習目標：通過本項目的學習，學生能夠領(lǐng)會可編程序控制器的順序控制設(shè)計思路，熟悉項目分析與實施的步驟，進一步掌握步進指令并熟練應(yīng)用并行序列的設(shè)計方法，形成較強的PLC設(shè)計實踐能力。教學提示：

(1)本項目從交通信號燈的控制入手，以PLC設(shè)計實施步驟為主線，以步進順序控制法為設(shè)計手段，詳細介紹交通紅綠燈控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計過程。

(2)充分利用學校的實驗實訓設(shè)施進行現(xiàn)場調(diào)試與運行，在條件不充裕的情況下，讓學生在仿真環(huán)境中進行模擬調(diào)試與運行。4.1項目任務(wù)十字路口的信號燈的分布情況如圖4-1所示。要求用PLC的指令編寫十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)程序。這是一個經(jīng)典的時間順序控制問題。信號燈的具體控制時序要求如圖4-2所示，說明如下：

(1)當按下啟動按鈕時，交通信號燈控制系統(tǒng)開始工作，初始狀態(tài)為東西紅燈亮，南北綠燈亮。

(2)東西紅燈持續(xù)亮20秒，同時南北綠燈也亮，維持15秒。到15秒時，南北綠燈閃爍，閃爍3秒后熄滅，然后南北黃燈亮，并維持2秒。到2秒時，南北黃燈熄滅，南北紅燈亮，同時東西紅燈熄滅，綠燈亮。

(3)南北紅燈持續(xù)亮20秒，同時東西綠燈持續(xù)亮15秒，接著閃爍3秒后東西黃燈亮，維持2秒后熄滅，然后東西紅燈亮，南北綠燈亮，如此循環(huán)。

(4)當按下停止按鈕時，所有信號燈都熄滅。圖4-1交通燈示意圖圖4-2交通信號燈的時序圖4.2項目分析與實施下面圍繞十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)的控制要求詳細介紹PLC控制的設(shè)計過程，并適時穿插PLC的相關(guān)知識。

1．分析被控對象，明確輸入/輸出信號為了明確控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號，我們結(jié)合圖4-2所示的時序圖分析十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)的工作過程及特點。

(1)東西南北的紅燈不能同時亮，東西南北的綠燈不能同時亮。

(2)東西紅燈亮的時間等于南北綠燈亮、綠燈閃爍加上黃燈亮的時間，南北紅燈亮的時間等于東西綠燈亮、綠燈閃爍加黃燈亮的時間。閃爍周期是亮0.5?s，滅0.5?s，持續(xù)3次。根據(jù)以上分析，我們確定了系統(tǒng)的輸入信號分別由啟動按鈕和停止按鈕提供，輸出信號包括東西方向的紅燈、東西方向的黃燈、東西方向的綠燈、南北方向的紅燈、南北方向的黃燈、南北方向的綠燈?？紤]到東西方向或南北方向相同顏色的信號燈是同時點亮或熄滅的，因此確定PLC的I/O點數(shù)分別最少為2和6。

2．選擇PLC根據(jù)前面項目選擇PLC的原則及本項目的要求，我們選擇型號為FX2N–16MR的PLC，它的I/O點數(shù)各為8。

3．分配I/O點，畫出電氣接線圖

1)?PLC的I/O分配明確了控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號后，就要與PLC的I/O端一一對應(yīng)，編排地址，列出外部I/O信號與PLC的I/O端地址編號分配表。交通紅綠燈PLC控制系統(tǒng)的I/O端口地址分配表如表4-1所示。

2)?PLC電氣接線圖可編程序控制器的輸入/輸出端子分配好后，就可以進行硬件連接了。交通信號燈PLC控制系統(tǒng)的電氣接線圖如圖4-3所示。表4-1交通紅綠燈PLC控制系統(tǒng)的I/O端口地址分配表圖4-3交通信號燈PLC控制系統(tǒng)的電氣接線圖

4．軟件設(shè)計

【相關(guān)知識9】相關(guān)指令和并行序列介紹FX2N系列可編程序控制器共有2條步進控制指令。下面我們介紹幾種常用的閃爍控制的方法以及并行序列的編程要點。

Ⅰ．閃光電路閃光電路是被人們廣泛應(yīng)用的一種實用控制電路，它既可以控制燈光的閃爍頻率，又可以控制燈光的通斷時間比。同樣的電路也可控制不同的負載，如電鈴、蜂鳴器等。實現(xiàn)燈光閃爍控制的方法很多，常用的方法有以下4種。

(1)?M8013是PLC中一個特殊的輔助繼電器，M8013能產(chǎn)生1?s的時鐘脈沖。用M8013(PLC?1?s脈沖)編程如圖4-4所示，當M8013(PLCRUN運行常開觸點)為ON時，輸出繼電器Y001便以0.5?s為ON、0.5?s為OFF反復運行。如果Y001控制一個燈光，則該燈光亮0.5?s，滅0.5?s，如此循環(huán)不止。

(2)利用兩個時間繼電器交替ON和OFF來實現(xiàn)閃爍。圖4-4所實現(xiàn)的是亮暗時間相等而且固定不變的控制。若要求亮暗時間不相等，則可采用圖4-5所示的電路來實現(xiàn)。它的原理是利用兩個時間繼電器交替ON和OFF來控制輸出繼電器Y001。同理，當Y001控制一個燈時，該燈就可以按設(shè)計要求閃光。例如，圖4-5中T1的K值設(shè)為3，T2的K值設(shè)為7，則Y001控制的燈就如圖4-5(b)中Y001波形圖所示。當M8000為ON時，Y001延時0.3?s亮0.7?s，暗0.3?s，再亮0.7?s，如此循環(huán)不止。圖4-4閃光電路之一圖4-5閃光電路之二

(3)圖4-5中的燈光延時0.3?s后才亮。也就是說，當M8000為ON時燈不亮，在T1動作后，Y001才能動作。如果要求Y001與M8000同時動作，則按圖4-6即可實現(xiàn)。從圖4-6中不難看出，當M8000為ON時，由于T1時間未到，因此其動斷觸頭閉合，Y001為ON。當T1整定時間到時，Y001為OFF，T1的動合觸點閉合使T2開始計時；當T2時間到時，其動斷觸點閉合使T1開始計時，同時Y001也為ON，如此循環(huán)。

(4)閃爍5次后自動停止閃光的控制。如果要求閃光燈閃動5次就自動停止閃光，則可用圖4-7所示的電路實現(xiàn)，圖中將計數(shù)器與圖4-6所示的電路進行了組合。通過對圖4-7的分析可知，Y001閉合1次，計數(shù)器C1就計數(shù)1次。當計數(shù)器C1計數(shù)5次后，其動斷觸點斷開，Y001停止閃動。圖4-6閃光電路之三圖4-7閃光電路之四

Ⅱ．并行序列

1)并行序列及合并的定義并行序列的開始稱為分支。當轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)導致幾個序列同時激活時，這些序列稱為并行序列，如圖4-8所示。當步S30是活動步，并且轉(zhuǎn)換條件X003=1時，步S31、步S32和步S33同時變?yōu)榛顒硬剑絊30變?yōu)椴换顒硬?。為了強調(diào)轉(zhuǎn)換的同步實現(xiàn)，水平連線用雙線表示。步S31、步S32和S33被同時激活后，每個序列中活動步的進展將是獨立的。在表示同步的水平雙線之上，只允許有一個轉(zhuǎn)換符號。并行序列用來表示系統(tǒng)的幾個同時工作的獨立部分的工作情況。并行序列的結(jié)束稱為合并(見圖4-8)。在表示同步的水平雙線之下，只允許有一個轉(zhuǎn)換符號。當直接連在雙線上的所有前級步(步S31、步S32和步S33)都處于活動狀態(tài)，并且轉(zhuǎn)換條件X005=1時，才會發(fā)生步S31、步S32和S33到步S34的進展，即步S31、步S32和S33同時變?yōu)椴换顒硬?，而步S34變?yōu)榛顒硬?。圖4-8并行序列

2)并行序列及合并的編程并行序列編程原則是先集中進行并行分支處理，然后集中進行匯合處理。并行序列的編程方法是先進行并行序列狀態(tài)前的驅(qū)動處理，再按照由左至右的順序進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移處理。例如圖4-8的處理程序如下：

STLS30

LDX003

SETS31；向第一分支轉(zhuǎn)移

SETS32；向第二分支轉(zhuǎn)移

SETS33；向第三分支轉(zhuǎn)移匯合狀態(tài)的編程方法是先進行匯合狀態(tài)前的驅(qū)動處理，再按照由左至右的順序進行匯合狀態(tài)的轉(zhuǎn)移處理。編程時將每一個分支看做一個單序列進行編程處理，然后依次從S31、S32、S33向S34轉(zhuǎn)移。例如圖4-8的匯合處理程序如下：

STLS31

STLS32

TLS33

LDX005

SETS34

3)并行序列的編程下面以大家比較熟悉的組合機床的PLC控制為例來說明并行序列的編程。組合機床是一種針對特定工件和特定加工要求設(shè)計的自動化加工設(shè)備，通常由標準通用部件和專用部件組成，PLC是組合機床電氣控制系統(tǒng)中的主要控制設(shè)備。用于雙面鏜孔的專用鏜床在工件相對的兩面鏜孔，機床由動力滑臺提供進給運動，刀具電動機固定在動力滑臺上。圖4-9為鏜床工作示意圖。圖4-10為專用鏜床控制系統(tǒng)的外部接線圖。圖4-9鏜床工作示意圖圖4-10專用鏜床控制系統(tǒng)的外部接線圖當左右兩個動力滑臺在初始位時，限位開關(guān)X004和X007為ON，工件裝入夾具后，按下啟動按鈕X000，工件被夾緊(見圖4-11)，壓力繼電器X001變?yōu)镺N，并行序列中兩個子序列的起始步S21和S25同時變?yōu)榛顒硬?，兩?cè)的左、右動力滑臺同時進入快速進給(簡稱快進)工步，同時刀具電動機也啟動工作。以后兩個動力滑臺的工作過程是相對獨立的。兩側(cè)的加工均完成后，兩側(cè)的動力滑臺退回原位，限位開關(guān)X004與X007均動作，系統(tǒng)將進入步S29。工件被松開后，限位開關(guān)X010變?yōu)镺N，系統(tǒng)返回初始步S0，一次加工的工作循環(huán)結(jié)束?？刂乒ぜ膴A緊和松開的雙線圈電磁閥本身有記憶功能，只需要Y000和Y007給它的兩個線圈提供脈沖信號即可。圖4-11鏜床的工作流程草圖在圖4-11所示的并行序列中，兩個子序列分別用來表示左、右側(cè)滑臺的進給運動，它們應(yīng)同時開始和同時結(jié)束。實際上左、右滑臺的工作是先后結(jié)束的，為了保證并行序列中的各子序列同時結(jié)束，在各子序列的末尾分別增設(shè)一個等待步(即圖4-11中的步S24和步S28)，它們沒有什么操作，只是用于同步結(jié)束并行序列中的子序列。如果兩個子序列分別進入步S24和步S28，則表示兩側(cè)滑臺的快速退回均已結(jié)束，限位開關(guān)X004和X007均為ON，應(yīng)轉(zhuǎn)換到步S29，將工件松開。因此步S24和步S28之后的轉(zhuǎn)換條件為“=1”，即該轉(zhuǎn)換為二進制常數(shù)1，表示應(yīng)無條件轉(zhuǎn)換。在梯形圖中，該轉(zhuǎn)換可以等效為一根短接線，或理解為不需要轉(zhuǎn)換條件。圖4-11中步S20之后有一個并行序列的分支。當S20是活動步，并且轉(zhuǎn)換條件X001滿足時，步S21與步S25應(yīng)同時變?yōu)榛顒硬?，這是用S20和X001的常開觸點組成的串聯(lián)電路使S21和S25同時置位來實現(xiàn)的。與此同時，步S20應(yīng)變?yōu)椴换顒硬?，這一任務(wù)是系統(tǒng)程序完成的。步S29之前有一個并行序列的合并，該轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的條件是所有的前級步(即步S24和步S28)都是活動步，因為轉(zhuǎn)換條件是“=1”，即不需要轉(zhuǎn)換條件，所以只需將S24和S28的STL觸點串聯(lián)，作為使S29置位的條件即可。步S24和步S28變?yōu)椴换顒硬绞窍到y(tǒng)程序完成的。S24和S28的串聯(lián)觸點均使用STL指令。按圖4-11所示的草圖用SFC語言編寫的程序如圖4-12所示。由SFC圖轉(zhuǎn)換來的梯形圖如圖4-13所示，從梯形圖中可見具體工作過程及編程方法。圖4-12SFC編程圖4-13由SFC轉(zhuǎn)換來的梯形圖

STL指令有以下優(yōu)點：

(1)在轉(zhuǎn)換實現(xiàn)時，前級步的狀態(tài)繼電器和由它驅(qū)動的輸出繼電器的復位是由系統(tǒng)程序完成的，而不是由用戶程序在梯形圖中完成的，因此用STL指令設(shè)計的程序最短。

(2)?STL觸點具有與主控指令(MC)相同的特點，即LD點移到了STL觸點的右端，對于選擇序列的分支對應(yīng)的指明轉(zhuǎn)換條件和轉(zhuǎn)換目標的并聯(lián)電路設(shè)計是很方便的。用STL指令設(shè)計復雜系統(tǒng)的梯形圖時更能顯示其優(yōu)越性。

(3)與條件跳步(CJ)指令類似，CPU不執(zhí)行處于斷開狀態(tài)的STL觸點驅(qū)動的電路塊中的指令，在沒有并行序列時，同時只有一個STL觸點接通，因此使用STL指令可以顯著地縮短用戶程序的執(zhí)行時間，提高PLC的輸入/輸出響應(yīng)速度。

(4)對于不用STL指令的編程方法，一般不允許出現(xiàn)雙線圈現(xiàn)象，即同一編程元件的線圈不能在兩處或多處出現(xiàn)，唯一的例外是允許同一元件的線圈分別在跳步條件相反的跳步區(qū)內(nèi)各出現(xiàn)一次。在用這些編程方法設(shè)計輸出電路時，應(yīng)仔細觀察順序功能圖，對那些在兩步或多步中為ON的輸出繼電器，應(yīng)將各有關(guān)步對應(yīng)的編程元件的常開觸點并聯(lián)后，驅(qū)動相應(yīng)輸出繼電器的線圈。當順序功能圖的步數(shù)很多、輸出繼電器也很多時，設(shè)計輸出電路的工作量是很大的，稍有不慎就會出錯。在使用STL指令的編程方法時，不同的STL觸點可以分別驅(qū)動同一編程元件的一個線圈，輸出電路實際上分散到各STL觸點驅(qū)動的電路塊中。設(shè)計時只需注意某一步有哪些輸出繼電器應(yīng)被驅(qū)動,不必考慮同一輸出繼電器是否在其他步也被驅(qū)動，因此大大簡化了大型復雜系統(tǒng)輸出電路的設(shè)計，可以節(jié)省不少設(shè)計時間。

Ⅲ．復雜的順序功能圖舉例

圖4-14是某剪板機示意圖。圖4-15為剪板機的工作流程草圖。圖4-15中有選擇序列、并行序列的分支與合并。開始時壓鉗和剪刀在上限位置，限位開關(guān)X000和X001為ON，板料的右端在壓鉗和剪刀交接處的下方。按下啟動按鈕X010，工作過程如下：首先板料右行(Y000為ON)至限位開關(guān)X001動作，然后壓鉗下行(Y001為ON)；壓緊板料后，壓力繼電器X004為ON，剪刀開始下行(Y002為ON)。剪斷板料后，X002變?yōu)镺N，壓鉗和剪刀同時上行(Y003和Y004為ON，Y001和Y002為OFF)，它們碰到限位開關(guān)X000和X001后，分別停止上行，均停止后，又開始下一周期的工作，剪完5塊料后停止工作并停在初始狀態(tài)。圖4-14剪板機示意圖控制壓鉗下行和上行的液壓缸的是雙線圈電磁閥，因雙線圈電磁閥具有記憶功能，故在步M3中Y001不用為ON。計數(shù)器C0用來控制剪料的次數(shù)，一次工作循環(huán)完成后，在步M7使C0的當前值加1，沒有剪完5塊料時，C0的當前值小于設(shè)定值5，其常閉觸點閉合，轉(zhuǎn)換條件滿足，將返回M1步，開始剪下一塊料。剪完5塊料后，C0的當前值等于設(shè)定值5，其常開觸點閉合，轉(zhuǎn)換條件C0滿足，將返回初始步M0，等待下一次啟動命令。對C0的加1操作可以放在剪一塊料的工作循環(huán)中的任何一步，對計數(shù)器的復位操作是必不可少的，否則在剪完5塊料，下一次啟動后C0的常開觸點仍然閉合，只能剪一塊料。對計數(shù)器的復位必須在剪一塊料的工作循環(huán)之外進行，如果在工作循環(huán)內(nèi)對計數(shù)器復位，則計數(shù)器的當前值永遠到不了設(shè)定值，剪板機將會不停地剪料。下面具體討論編程方法。圖4-15中有選擇序列的分支與合并、并行序列的分支與合并。如果某一轉(zhuǎn)換與并行序列的分支、合并無關(guān)，則它的前級步和后續(xù)步都只有一個，需要復位、置位的輔助繼電器也只有一個，因此對選擇序列的分支與合并的編程方法實際上與對單序列的編程方法完全相同。如果站在與并行序列無關(guān)的轉(zhuǎn)換的立場上看，則每一個轉(zhuǎn)換都只有一個前級步和一個后續(xù)步，因此各轉(zhuǎn)換對應(yīng)的梯形圖是非常“標準的”。與單序列相同，每一個控制置位和復位的電路塊都由前級步對應(yīng)的輔助繼電器和轉(zhuǎn)換條件對應(yīng)的觸點組成的串聯(lián)電路、一條SET指令和一條RST指令組成。圖4-15剪板機的工作流程草圖步M3之后有一個并行序列的分支，當步M3為活動步時，限位開關(guān)X002動作，將發(fā)生步M3到步M4和步M6的轉(zhuǎn)換。因此用M3和X002的常開觸點組成的串聯(lián)電路來使兩個后續(xù)步對應(yīng)的元件(M4和M6)置位，同時將前級步對應(yīng)的元件M3復位。步M5和步M7是等待步，它們用來同時結(jié)束兩個并行序列。壓鉗和剪刀均上行到位后，限位開關(guān)X000和X001均動作，步M5和步M7都變?yōu)榛顒硬?。如果未剪?塊料，則C0的常閉觸點閉合，轉(zhuǎn)換條件滿足，會發(fā)生步M5和步M7到步M1的進展，步M5和步M7變?yōu)椴换顒硬?，而步M1變?yōu)榛顒硬?。在并行序列的合并處，用前級步M5和步M7的常開觸點與轉(zhuǎn)換條件C0的常閉觸點組成的串聯(lián)電路，將后續(xù)步對應(yīng)的元件Ml置位，并將兩個前級步對應(yīng)的元件M5和M7復位。如果步M5和步M7都變?yōu)榛顒硬?，且剪完?塊料，則C0的常開觸點閉合，轉(zhuǎn)換條件C0滿足，將會返回初始步，步M5和步M7變?yōu)椴换顒硬?，而步M0變?yōu)榛顒硬?。所以用前級步對?yīng)的M5和M7的常開觸點與轉(zhuǎn)換條件C0的常開觸點組成的串聯(lián)電路，將后續(xù)步對應(yīng)的元件M0置位，并將兩個前級步對應(yīng)的元件M5和步M7復位。剪板機控制系統(tǒng)的梯形圖如圖4-16所示。圖4-16剪板機控制系統(tǒng)的梯形圖下面我們對交通信號燈進行PLC程序設(shè)計。

(1)根據(jù)交通信號燈的控制要求畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。我們簡要回顧交通信號燈的控制要求：按下啟動按鈕，交通燈系統(tǒng)開始工作，東西紅燈亮并維持20秒，同時南北綠燈也亮并維持15秒，然后南北綠燈閃爍3秒后黃燈亮并維持2秒，最后南北紅燈亮，同時東西綠燈亮，如此不斷循環(huán)。交通信號燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4-17所示。

(2)根據(jù)交通信號燈的控制要求畫出梯形圖。交通信號燈的梯形圖如圖4-18所示。

(3)按照畫出的梯形圖進行軟件編程，使用軟件轉(zhuǎn)化功能可將梯形圖轉(zhuǎn)化成指令表。交通信號燈的指令表如圖4-19所示。圖4-17交通信號燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖圖4-18交通信號燈的梯形圖圖4-19交通信號燈的指令表小結(jié)

(1)?PLC設(shè)計與實施的步驟(略)。

(2)常用的閃爍控制的方法如下：①采用特殊輔助繼電器M8013產(chǎn)生1?s的時鐘脈沖。②利用兩個時間繼電器交替ON和OFF來實現(xiàn)閃爍。③采用M8000和定時器聯(lián)動實現(xiàn)閃爍。④采用計數(shù)器與定時器聯(lián)動實現(xiàn)閃爍。

(3)并行序列及合并的定義：并行序列的開始稱為分支，當轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)導致幾個序列同時激活時，這些序列稱為并行序列。

(4)并行序列的編程原則是先集中進行并行分支處理，然后集中進行匯合處理。

(5)?STL指令的優(yōu)點如下：①在轉(zhuǎn)換實現(xiàn)時，對前級步的狀態(tài)繼電器和由它驅(qū)動的輸出繼電器的復位是由系統(tǒng)程序完成的，而不是由用戶程序在梯形圖中完成的，因此用STL指令設(shè)計的程序最短。②STL觸點具有與主控指令(MC)相同的特點，即LD點移到了STL觸點的右端，這對于選擇序列的分支對應(yīng)的指明轉(zhuǎn)換條件和轉(zhuǎn)換目標的并聯(lián)電路的設(shè)計是很方便的。用STL指令設(shè)計復雜系統(tǒng)的梯形圖時更能顯示其優(yōu)越性。③與條件跳步(CJ)指令類似，CPU不執(zhí)行處于斷開狀態(tài)的STL觸點驅(qū)動的電路塊中的指令，在沒有并行序列時，只有一個STL觸點接通，因此使用STL指令可以顯著地縮短用戶程序的執(zhí)行時間，提高PLC的輸入/輸出響應(yīng)速度。④對于不用STL指令的編程方法，一般不允許出現(xiàn)雙線圈現(xiàn)象，即同一編程元件的線圈不能在兩處或多處出現(xiàn)，唯一的例外是允許同一元件的線圈分別在跳步條件相反的跳步區(qū)內(nèi)各出現(xiàn)一次。在用這些編程方法設(shè)計輸出電路時，應(yīng)仔細觀