基于PLC的智能交通燈控制系統(tǒng)設計

書目摘要 1關鍵詞 1Abstract. 1Keywords 1引言 21交通燈概述 31.1課題背景 31.2探討目的和意義 31.3本文的主要工作 42可編程程序限制器（PLC） 52.1PLC概述 52.1.1PLC的發(fā)展歷程 52.1.2PLC的發(fā)展趨勢 62.1.3PLC的應用 72.2PLC的硬件結構 72.3PLC的工作原理 82.4本章小結 93帶人行橫道過馬路懇求的交通燈限制系統(tǒng)設計 103.1交通燈限制設計方案分析 103.2交通燈限制系統(tǒng)的工作方式 10帶人行橫道過馬路懇求的工作方式 11帶流量檢測的十字路口設計 123.3車流量檢測設計 133.4硬件設計 143.4.1PLC的選型 14PLC的地址安排 14PLC的外部接線 153.5系統(tǒng)程序設計 15系統(tǒng)的梯形圖 15系統(tǒng)程序分析 193.6本章小結 194系統(tǒng)檢測與調試 204.1檢測與調試 204.2本章小結 21參考文獻 22致謝 23

基于PLC的智能交通燈限制系統(tǒng)設計自動化專業(yè)學生張清路指導老師王秀摘要：自從交通燈誕生以來，其內部的電路限制系統(tǒng)就不斷的被改進。設計方法也起先多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。在一些特殊的十字路口，假如利用一般十字路口的交通燈限制方式，會出現以下狀況：一個方向上綠燈但是沒有車要經過，同時另一個方向上是紅燈卻有車要經過。這樣就降低了道路運用率，奢侈很多時間，因此對待特殊的十字路口要實行特殊的限制方式。選擇西門子可編程限制器S7-200為核心部件，著重進行硬件接口設計，利用梯形圖進行編程，實現了特殊十字路口交通燈限制系統(tǒng)的自動化。關鍵詞：PLC；交通限制；自動化DesignofIntelligentTrafficLightControlSystembaseingonPLCStudentmajoringinAutomationZhangQingluTutorWangxiuAbstract：Sincetheinceptionoftrafficlights,theirinternalcircuitcontrolsystemisconstantlybeingimproved.Anddesignbecomesvarioussothatthetrafficlightsaremoreintelligent.Insomespecialcrossroads,iftheordinarytrafficlightscontrolmethodisused,thefollowingsituationwilloccur:whenthereisnovehiclepassinginonedirection,butthetrafficlightisgreen.Whilethereisvehicle,butthetrafficlightisred,resultinginthereducingoftheroadusageandwastingalotoftime.Therefore,thespecialcontrolmodeisneededonthespecialintersection.ItistochoosetheSiemensS7-200PLCasthecorecomponents,andfocusonthehardwareinterfacedesignandusetheladderdiagramtoprogram.Andbydoingso,theautomationoftrafficlightcontrolsystemonspecialintersectioncouldbeachieved.Keywords:PLC；Trafficcontrol；Automation引言據不完全統(tǒng)計，目前我國城市里的十字路口交通系統(tǒng)大都采納定時來限制(不解除繁忙路段或高峰時段用交警來取代交通燈的狀況)，這樣必定產生如下弊端:當某些特殊交匯路段（如主干道和次干道）的車流量很大時卻要等待紅燈，而此時另一條是空道或車流量相對少得多的道卻長時間亮的是綠燈，這種多等少的尷尬現象是未對實際狀況進行實時監(jiān)控所造成的，不僅讓司機乘客怨聲載道，而且對人力和物力資源也是一種奢侈。

智能限制交通系統(tǒng)是目前探討的方向，也已經取得不少成果，在少數幾個先進國家已采納智能方式來限制交通信號，其中主要運用GPS全球定位系統(tǒng)等。出于便捷和效果的綜合考慮，我們可用如下方案來限制交通路況:在車流量少的路口安裝行人按鈕和制作傳感器探測車輛數量來限制交通燈的變更。具體如下：在車流量少的路口的兩個方向安裝行人按鈕紅外線車流量檢測器，當行人要過馬路時，按下按鈕即可檢測到行人要經過，當汽車經過光電開關時就會阻礙或者反射，經過轉換電路轉換，即可檢測出汽車的通過，并將這一信號轉換為標準脈沖信號作為可編程限制器的限制輸入，并用PLC計數，按這些要求自動調整紅綠燈的變更。

比較傳統(tǒng)的定時交通燈限制與智能交通燈限制，可知后者的最大優(yōu)點在于減緩滯流現象，也不會出現空道占時的情形，提高了馬路交通通行率，較全球定位系統(tǒng)而言成本更低。1交通燈概述1.1課題背景1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行，這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩色旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“留意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。1914年，電氣啟動的紅綠燈出現在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現了帶限制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶限制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行實力、削減交通事故有明顯效果。1968年，聯合國《道路交通和道路標記信號協定》對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標記禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必需讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必需在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已特別接近停車線而不能平安停車時可以進入交叉路口。1.2探討目的和意義在十字路口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通，并為交通參加者的平安供應了強有力的保障。但是隨著社會、經濟的快速發(fā)展，原先的交通燈限制系統(tǒng)已經不能適應現在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈限制系統(tǒng)，使其適應現在的交通狀況，成為探討的課題。傳統(tǒng)的十字路口交通限制燈，通常的做法是：事先經過車輛流量的調查，運用統(tǒng)計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好。然而，事實上車輛流量的變更往往是不確定的，有的路口在不同的時段甚至可能產生很大的差異。即使是經過長期運行、較適用的方案，仍舊會發(fā)生這樣的現象：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變更的偶然性是無法建立精確模型的，統(tǒng)計的方法已不能適應迅猛發(fā)展的交通現狀，更為現實的須要是能有一種能夠依據流量變更狀況自適應限制的交通燈目前，大部分城市中十字路口交通燈的限制普遍采納固定轉換時間間隔的限制方法。由于十字路口不同時刻車輛的流量是困難的、隨機的和不確定的，采納固定時間的限制方法，常常造成道路有效利用時間的奢侈，出現空等現象，影響了道路的暢通。為此，采納不依靠數學模型的模糊限制方法設計交通燈限制器，能較好地解決這個問題。另外隨著眾多高科技技術在日常生活的普遍應用，城市空中各種電磁干擾日益嚴峻，為保證交通限制的牢靠、穩(wěn)定，選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的PLC是必要的。隨著科學技術的日新月異，自動化程度要求越來越高，原有的交通燈裝置遠遠不能滿意當前高度自動化的須要?？删幊滔拗破鹘煌粝拗葡到y(tǒng)集成自動限制技術、計量技術、新傳感器技術、計算機管理技術于一體的機電一體化產品；充分利用計算機技術對生產過程進行集中監(jiān)視、限制管理和分散限制；充分汲取了分散式限制系統(tǒng)和集中限制系統(tǒng)的優(yōu)點，采納標準化、模塊化、系統(tǒng)化設計，配置敏捷、組態(tài)便利?？删幊滔拗破鹘煌粝拗葡到y(tǒng)的特點：①脫機手動工作；②聯機自動就地工作；③上機限制的單周期運行方式；④由上位機通過串口向下位機送入設定配方參數實現自動限制；⑤自動啟動、自動停機限制方式。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。本系統(tǒng)采納PLC是基于以下四個緣由：①PLC具有很高的牢靠性，通常的平均無故障時間都在30萬小時以上；②編程實力強，可以將模糊化、模糊決策和解模糊都便利地用軟件來實現；③抗干擾實力強，目前空中各種電磁干擾日益嚴峻，為了保證交通限制的牢靠穩(wěn)定，我們選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的PLC；依據交通信號燈系統(tǒng)的要求與特點，我們采納了德國西門子公司S7-200型PLC。西門子PLC有小型化、高速度、高性能等特點，是S7-200系列中最高檔次的超小型程序裝置。西門子可編程限制器指令豐富，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(tǒng)所必需的，能夠便利地聯網通信。本系統(tǒng)就是應用可編程序限制器(PLC)對十字路口交通限制燈實現限制[1]。1.3本文的主要工作第一章，回顧交通燈的歷史，隨著社會經濟的發(fā)展，交通管制的要求越來越高，采納可編程程序限制器來代替中間繼電器和過程限制的微型機，設計開發(fā)了交通燈限制系統(tǒng)，才會滿意穩(wěn)定牢靠的交通限制系統(tǒng)需求。其次章，敘述了可編程程序限制器的產生、發(fā)展、應用的歷程，通過論述可編程程序限制器的各種優(yōu)點、卓越性能、結構、原理，有一個感性的總體相識。為完成本次設計任務打下基礎。第三章，結合交通燈限制系統(tǒng)的要求，進行硬件、程序設計，從主要部件的選擇、流程的分析、程序思路的產生，主要功能的實現和各種特殊功能的設計等方面來完成本次設計任務。第四章，最終對系統(tǒng)進行調試和檢測，通過對系統(tǒng)的調試和檢測，再進行系統(tǒng)性梳理，將隱藏的不足之處加以修正和完善，以使主要功能和特殊功能得以完全實現，確保順當應用于現實中。2可編程程序限制器（PLC）2.1PLC概述可編程序限制器（ProgrammableLogicController,縮寫PLC）是以微處理器為基礎，綜合計算機、通信、聯網以及自動限制技術而開發(fā)的新一代工業(yè)限制裝置。可編程序限制器是隨著技術的進步與現代社會生產方式的轉變，為適應多品種小批量生產的須要，生產、發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)限制裝置。PLC從1969年問世以來，雖然至今還不到40年，但由于其具有通用敏捷的限制性能、簡潔便利的運用性能，可以適應各種工業(yè)環(huán)境的牢靠性，因此在工業(yè)自動化各領域取得了廣泛的應用。有人將它與數控技術、CAD/CAM技術工業(yè)機械人技術并稱為現代工業(yè)自動化技術的四大支柱[1]?？删幊绦蛳拗破髟谖覈陌l(fā)展與應用已有30多年的歷史，現在它已經廣泛應用于國民經濟的各個工業(yè)生產領域，成為提高傳統(tǒng)工業(yè)裝備水平和技術實力的重要設備和強大支柱。隨著全球一體化經濟的發(fā)展，努力發(fā)展可編程序限制器在我國的大規(guī)模應用，形成具有自主學問產權的可編程序限制器技術，應當是廣闊技術人員努力的方向。2.1.1PLC的發(fā)展歷程在可編程限制器出現前，在工業(yè)電氣限制領域中，繼電器限制占主導地位，應用廣泛。但是電器限制系統(tǒng)存在體積大、牢靠性低、查找和解除故障困難等缺點，特殊是其接線困難、不易更改，對生產工藝變更的適應性差。1968年美國通用汽車公司（G.M）為了適應汽車型號的不斷更新，生產工藝不斷變更的須要，實現小批量、多品種生產，希望能有一種新型工業(yè)限制器，它能做到盡可能削減重新設計和更換電器限制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。于是就設想將計算機功能強大、敏捷、通用性好等優(yōu)點與電器限制系統(tǒng)簡潔易懂、價格便宜等優(yōu)點結合起來，制成一種通用限制裝置，而且這種裝置采納面對限制過程、面對問題的“自然語言”進行編程，使不熟識計算機的人也能很快駕馭運用。1969年美國數字設備公司（DEC）依據美國通用汽車公司的這種要求，研制勝利了世界上第一臺可編程限制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從今這項技術快速發(fā)展起來。早期的可編程限制器僅有邏輯運算、定時、計數等依次限制功能，只是用來取代傳統(tǒng)的繼電器限制,通常稱為可編程邏輯限制器（ProgrammableLogicController）。隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，20世紀70年頭中期微處理器技術應用到PLC中，使PLC不僅具有邏輯限制功能，還增加了算術運算、數據傳送和數據處理等功能。20世紀80年頭以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術的快速發(fā)展，16位和32位微處理器應用于PLC中，使PLC得到快速發(fā)展。PLC不僅限制功能增加，同時牢靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加敏捷便利，而且具有通信和聯網、數據處理和圖象顯示等功能，使PLC真正成為具有邏輯限制、過程限制、運動限制、數據處理、聯網通信等功能的名符其實的多功能限制器。PLC的發(fā)展過程大致可以分為如下幾個階段：1970—1980年：PLC的結構定型階段。在這一階段，由于PLC剛誕生，各種類型的依次限制器不斷出現（如邏輯電路型、1位機型、通用計算機型、單板機型等），但快速被淘汰。最終以微處理器為核心的現有PLC結構形成，取得了市場的認可，得以快速發(fā)展.推廣。PLC的原理、結構、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟，PLC的應用領域由最初的小范圍、有選擇運用、逐步向機床、生產線擴展。1980—1990年：PLC的普及階段。在這一階段，PLC的生產規(guī)模日益擴大，價格不斷下降，PLC被快速普及。各PLC生產廠家產品的價格.品種起先系列化，并且形成了固定I/O點型、基本單元加擴展塊型、模塊化結構型這三種持續(xù)至今的基本結構模型。PLC的應用范圍起先向依次限制的全部領域擴展。比如三菱公司本階段的主要產品有F.F1.F2小型PLC系列產品,K/A系列中、大型PLC產品等。1990—2000年，PLC的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術的進步，PLC的功能日益增加，PLC的CPU運算速度大幅度上升、位數不斷增加，使得適用于各種特殊限制的功能模塊不斷被開發(fā)，PLC的應用范圍由單一的依次限制向現場限制拓展。此外，PLC的體積大幅度縮小，出現了各類微型化PLC。三菱公司本階段的主要產品有FX小型PLC系列產品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列產品等。2000年至今：PLC的高性能與網絡化階段。在本階段，為了適應信息技術的發(fā)展與工廠自動化的須要，PLC的各種功能不斷進步。一方面，PLC在接著提高CPU運算速度，位數的同時，開發(fā)了適用于過程限制，運動限制的特殊功能與模塊，使PLC的應用范圍起先涉及工業(yè)自動化的全部領域。與此同時，PLC的網絡與通信功能得到快速發(fā)展，PLC不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通入/輸出設備，還可以通過各種總線構成網絡，為工廠自動化奠定了基礎。三菱公司本階段的主要產品有FX小型PLC系列產品（包括最新的FX3u系列產品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列產品等[2]。2.1.2PLC的發(fā)展趨勢從當前產品技術性能來看，PLC發(fā)展趨勢仍舊主要體現在體積的縮小與性能的提高兩大方面。①體積小型化。電子產品體積的小型化是微電子技術發(fā)展的必定結果。現代PLC無論從內部元件組成還是硬件、軟件結構都已經與早期的PLC有了很大的不同，PLC體積被大幅度縮小。②性能的提高。PLC的性能主要包括CPU性能與I/O性能兩大方面?？删幊绦蛳拗破髟谖覈陌l(fā)展狀況如下：(1)我國可編程序限制器的發(fā)展與國際上的發(fā)展有所不同，國際上可編程序限制器的發(fā)展是從研制、開發(fā)、生產到應用，而我國則是從成套設備引進、可編程序限制器引進應用、消化移植、合資生產到廣泛應用。大致可劃分為下述三個階段：①可編程序限制器的初級相識階段（70年頭后期到80年頭初期）國際上可編程序限制器的發(fā)展，首先引起了國內工程技術界的極大愛好，所以我國對可編程序限制器的相識始于70年頭后期到80年頭初期的成套設備引進中，當時的上海寶鋼一期工程中有多項工程引進了十幾種機型約200多臺可編程序限制器。這些可編程序限制器用于原料碼頭到高爐、軋鋼、鋼管等整個鋼鐵冶煉以及加工生產線上，取代了傳統(tǒng)的繼電器邏輯系統(tǒng)，并部分取代了模擬量限制和小型DDC系統(tǒng)。繼寶鋼一期工程后，國內很多廠家接連引進的設備和生產線大都配備了可編程序限制器，其應用范圍包括電站、石油化工、汽車制造、港口和碼頭等各領域。正是在成套設備引進過程中，我們打開了眼界，了解相識了可編程序限制器，這也促進了可編程序限制器在我國的發(fā)展。②可編程序限制器的引進應用和消化移植階段（80年頭初期到90年頭初期）80年頭初期起先，隨著我國改革開放的不斷深化，在成套設備引進的同時，國外原裝的可編程序限制器起先涌入國內市場。很多部門和單位相繼引進可編程序限制器并自己設計組成限制系統(tǒng)，其應用范圍也擴大到建材、輕工、煤炭、水處理、食品、制藥、造紙、橡膠和精細化工等工業(yè)領域。③可編程序限制器的廣泛發(fā)展階段（90年頭初期到現在）進入90年頭，我國的可編程序限制器進入了廣泛發(fā)展階段，主要表現在以下幾個方面：(2)政府重視可編程序限制器的發(fā)展得到了政府的高度重視，在當時機械電子工業(yè)部的領導下，于1991年成立了可編程序限制器行業(yè)協會?？删幊绦蛳拗破餍袠I(yè)協會在政府和企事業(yè)之間起到了橋梁作用，溝通了狀況，為做出決策供應了依據。同時可編程序限制器的標準化工作也受到了有關部門的重視，于1993年成立了可編程序限制器標準化技術委員會，為我國可編程序限制器的進一步發(fā)展打下了基礎。2.1.3PLC的應用PLC的初期由于其價格高于繼電器限制裝置，使得其應用受到限制。但最近十多年來，PLC的應用面越來越廣，其主要緣由是：一方面由于微處理器芯片幾有關元件的價格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增加，它也能解決困難的計算和通信問題。目前PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保和消遣等行業(yè)。PLC的應用范圍通?？煞殖梢韵?種類型：（1）依次限制這是PLC應用最廣泛的領域，也是最適合PLC運用的領域。它用來取代傳統(tǒng)的繼電器依次限制。PLC應用于單機限制、多機群控、生產自動線限制等。例如：注塑機械、印刷機械、、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產線、電鍍流水線及電梯限制等。(2)運動限制PLC制造商目前已供應了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置限制模塊，在多數狀況下，PLC把描述目標位置的數據送給模塊，其輸出移動一軸或數據到目標位置。每個軸移動時，位置限制模塊保持適當的位置和加速度，確保運動平滑。（3）過程限制PLC還能限制大量的過程參數，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度。PID模塊供應了使PLC具有閉環(huán)限制的功能，即一個具有PID限制實力的PLC可用于過程限制。當過程限制中某個變量出現偏差時，PID限制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設定值上。（4）數據處理在機械加工中，PLC作為主要的限制和管理系統(tǒng)用于CNC和NC系統(tǒng)中，可以完成大量的數據處理工作。（5）通信網絡PLC的通信包括主機與遠程I/O之間的通信、多臺PLC之間的通信、PLC和其他智能限制設備（如計算機、變頻器、數控裝置）之間的通信。PLC與其他智能限制設備一起，可以組成“集中管理、分散限制”的分布式限制系統(tǒng)[3]。2PLC在我國的應用

雖然我國在PLC生產方面比較弱，但在PLC應用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入10萬臺套PLC產品，年銷售額30多億人民幣，應用的行業(yè)也很廣。

在我國，一般按I/O點數將PLC分為以下級別（但不確定，國外分類有些區(qū)分）：

微型：32I/O小型：256I/O中型：1024I/O大型：4096I/O巨型：8192I/O

在我國應用的PLC系統(tǒng)中，I/O64點以下PLC銷售額占整個PLC的47%，64點~256點的占31%，合計占整個PLC銷售額的78%。2.2PLC的硬件結構PLC實質是一種專用于工業(yè)限制的計算機其硬件結構基本上與微型計算機從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不行拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以依據確定規(guī)則組合配置。其結構如圖2-1所示。輸出輸出電路輸入電路中心處理單元中心處理單元（CPU）系統(tǒng)程序存儲器系統(tǒng)程序存儲器系統(tǒng)程序存儲器電源編輯器圖2-1PLC的結構圖中心處理單元(CPU)是PLC的限制中樞，它依據PLC系統(tǒng)程序賜予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據、檢查電源、存儲器I/O以及警戒定時器的狀態(tài)；并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態(tài)和數據，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過吩咐說明后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區(qū)或數據寄存器內，等全部的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最終將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行直到停止運行[4]。2.3PLC的工作原理PLC的CPU則采納依次邏輯掃描用戶程序的運行方式，即假如一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的全部觸點(包括其常開或常閉觸點)不會馬上動作，必需等掃描到該觸點時才會動作?？紤]到繼電器限制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采納了一種不同于一般微型計算機的運行方式---掃描技術。這樣在對于I/O響應要求不高的場合，PLC與繼電器限制裝置的處理結果上就沒有什么區(qū)分了。當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以確定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。1輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入全部輸入狀態(tài)和數據，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數據發(fā)生變更，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數據也不會變更。因此，假如輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必需大于一個掃描周期，才能保證在任何狀況下，該輸入均能被讀入。2用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的依次依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的限制線路，并按先左后右、先上后下的依次對由觸點構成的限制線路進行邏輯運算，然后依據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。3輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU依據I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數據刷新全部的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設[5]。PLC的掃描工作過程如圖2-2所示用戶輸出設備輸出端子輸出鎖存用戶輸出設備輸出端子輸出鎖存器輸出映像寄存器程序執(zhí)行輸入映像寄存器輸入鎖存器輸入端子用戶輸入設備圖2-2PLC的掃描工作過程2.4本章小結PLC作為一種工業(yè)標準設備，雖然生產廠家眾多，產品種類眾多；但它們都具有相同的工作原理，運用方法也大同小異。本章從多個層面介紹和講解了有關PLC的基本概念。PLC是計算機技術與繼電接觸式限制技術相結合的產物。專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。牢靠性高，運用便利，應用廣泛。PLC功能的不斷增加，使PLC的應用領域不斷擴大和延長，應用方式也更加豐富。PLC可以在任何工業(yè)自動化領域運用，但最適合的地方還是以開關量為主的單機限制系統(tǒng)和制造業(yè)自動化限制系統(tǒng)。PLC最顯著的特點是抗干擾實力強、牢靠性高、運用簡潔、系統(tǒng)柔性大和功能強。PLC的組成部件主要有中心處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）接口和電源等。PLC按集中采樣、集中輸出，按依次周期性循環(huán)掃描用戶程序的方式工作。當PLC處于正常運行時，它將不斷重復掃描過程，其工作過程的中心內容由輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段組成。PLC有多種編程語言，大家可以依據須要運用；但最常用的梯形圖、SFC，過去一般得PLC都不供應ST編程語言。PLC編程語言的國際標準是IEC61131-33帶人行橫道過馬路懇求的交通燈限制系統(tǒng)設計3.1交通燈限制設計方案分析帶人行橫道過馬路懇求的十字馬路交通燈限制系統(tǒng)，應用于主干道是快速車道而次道是一般車道的十字路口，次道主要用于少量行人、非機動車輛以及一些機動車輛。鑒于當前實際中，一般在主干道是快速車道而次道是人行橫道和一些非機動車通行的十字路口的交通燈仍舊采納固定通行的一般的交通燈系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)，不利于提高道路的利用率，也不利于主要車道的通行，在沒有行人須要通過人行橫道的時候，主要車道上的行人也必需在停止線以外停車侯本車道綠燈亮[7]。本文的提出了一種全新的思路來解決此類問題，在有行人懇求或者是次道有滿意要求的車要穿過的狀況下才會使得主要車道的紅燈點亮，禁止機動車通行。而平常則主干道上始終綠燈亮，允許車輛通行，次道始終紅燈亮，禁止車輛通行。這樣可以大大提高主干道是行車道而此道是人行道和一些非機動車通行的十字路口的利用率。十字馬路交通燈示意如圖3-1所示，其主干道是行車道而次道是人行橫道和一些非機動車通行，在馬路通行及人行橫道通行方向均有紅、黃、綠交通燈，依據交通狀況依次點亮交通信號燈。十字路口如圖所示：人行橫道人行橫道次干道主干道圖3-1十字路口示意圖3.2交通燈限制系統(tǒng)的工作方式帶人行橫道過馬路懇求的交通燈限制系統(tǒng)的簡潔工作方式說明如下：（1）次道不滿意要求過馬路時，主干道交通始終通行，次道始終禁止通行；（2）當有行人懇求過馬路時，按下按鈕，才能得到通行許可。（3）當次道有確定數量的車輛要經過時，次道放行，主干道禁止通行。（4）當次道有車輛要經過但未達到要求數量時，需等待確定時間才可放行。交通燈工作方式流程圖如下所示： 主道始終綠燈主道始終綠燈次道始終紅燈啟動啟動次道有無要次道有無要求過馬路？啟動YN圖3-2十字路口主流程圖依據限制要就進行十字路口的交通燈限制依據限制要就進行十字路口的交通燈限制帶人行橫道過馬路懇求的工作方式本文所設計的交通燈系統(tǒng)是適用于比較特殊的十字路口，一般狀況下，主道路是快速穿過的機動車輛，此道路一般很少有車輛或行人經過，而某一段時間內也會有行人或車輛要經過，比如下班。為了提高道路利用率，我們在路口安放行人按鈕，供須要穿過主道路的行人適用，從解決了這個十字路口等待時間過長的問題，按下啟動按鈕，主道點亮綠燈，次道點亮紅燈，當次道不滿意放行的要求時，即次道沒行人按按鈕或者規(guī)定時間等待車輛未達到確定數量，主道始終綠燈，準許車輛通過，而次道始終紅燈，禁止車輛通過。當次道有行人要通過時，按下懇求按鈕，等待一段時間后，主道綠燈閃耀3s，黃燈點亮2s，在這期間次道始終紅燈。之后主道紅燈點亮，次道綠燈點亮25s，接著次道綠燈閃耀3s，次道黃燈點亮2s。完成之后若無行人按下按鈕則復原原狀，即主道綠燈始終亮，次道紅燈始終亮。此工作方式的流程圖如下圖3-3所示：有行人按下按鈕？有行人按下按鈕？主道綠燈亮，次道紅燈亮主道綠燈亮，次道紅燈亮啟動等待10s，主次道狀態(tài)不變等待10s，主次道狀態(tài)不變主道主道綠燈閃3s，次道紅燈主道黃燈亮2s，次道紅燈主道黃燈亮2s，次道紅燈次道綠燈亮25s，主道紅燈次道綠燈亮25s，主道紅燈次道綠燈閃3s，主道紅燈次道綠燈閃3s，主道紅燈次道黃燈2s，主道紅燈次道黃燈2s，主道紅燈NNY結束結束圖3-3帶人行橫道過馬路懇求方式流程圖帶流量檢測的十字路口設計按下啟動按鈕，主道點亮綠燈，次道點亮紅燈。在次道距離路口處100m安裝車流量監(jiān)測裝置，當次道有車通過時，車流量監(jiān)測裝置給PLC一個信號，PLC起先計時并且計數，當次道等候的車輛超過確定數量，或者車輛等待到確定時間，次道放行。主道綠燈閃耀3s，黃燈點亮2s，在這期間次道始終紅燈。之后主道紅燈點亮，次道綠燈點亮25s，接著次道綠燈閃耀3s，次道黃燈點亮2s。完成之后即復原主道綠燈，次道紅燈。待下一次滿意要求時再重復上述過程。此工作方式的流程圖如下圖3-4所示：次道有車輛經過？次道有車輛經過？主道綠燈亮，次道紅燈亮主道綠燈亮，次道紅燈亮啟動次道黃燈2s，主道紅燈次道黃燈2s，主道紅燈NNY主道綠燈閃3s，次道紅燈主道黃燈亮2s，次道紅燈次道綠燈亮25s，主道紅燈次道綠燈閃3s，主道紅燈結束結束圖3-4帶流量檢測的十字路口設計流程圖3.3車流量檢測設計利用紅外線車輛檢測器。紅外線車輛檢測器是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，通過同步回路檢測物體有無。物體不限于金屬，全部能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在放射器上轉換為光信號射出，接收器再依據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。主道車輛無需檢測，所以只在次道距離十字路口100m處安裝光電開光，每當有車輛經過都會給PLC一個脈沖。而當次道綠燈亮的時候光電開關的工作原理如圖：圖3-5光電開關工作原理簡圖發(fā)送器對準目標放射光束，放射的光束一般來于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外放射二極管。光束不間斷地放射，或者變更脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。在這里選擇光電開關PNP型，高電平輸出有效。每當有車輛經過的時候，光電開關會輸送一個脈沖給PLC，PLC起先計時，并起先計數，計時10分鐘。在這10分鐘之內任何時刻假如經過光電開關的車輛超過5輛，則次道放行，并且綠燈亮時PLC停止計數也停止計時。當等待車輛小于5輛時，只要計時到10分鐘也會放行。3.4硬件設計3.4.1PLC的選型從上面的分析可以知道，系統(tǒng)共有開關量輸入點4個，開關量輸出點7個，假如選用CPU222/PLC，也須要擴展單元PLC，參照西門子S7-200系列特性（見附錄），選用主機為CPU224（14輸入/10繼電器輸出）。其外形圖如3-6所示：圖3-6CPU224外形圖輸入電路采納了雙向光電耦合器，24VDC極性可隨意選擇，1M、2M為輸入端子的公共端。1L、2L為輸出公共端。CPU224另有24V、280mA電源供PLC輸入點運用[8]。PLC的地址安排列出交通信號燈PLC的輸入/輸出點安排表，見表3-2。計數器：CTUCTUDCTD計數器的編號用計數器名稱和數字（0-255）組成。定時器T=PT×S;定時實際時間=設定值×精度1ms:T32,T9610ms:T33～T36,T97～T100100ms:T37～T63,T101～T255表3-5PLC輸入輸出端口安排輸入信號定時/計數元件輸出信號名稱代號輸入點編號名稱代號輸出點編號工作按鈕SB1I0.0T33：主道紅燈工作30s報警燈L0Q0.0T97：主道綠燈閃耀3s主道綠燈L1Q0.1T98:次道綠燈工作25s次道綠燈L2Q0.2T99：次道綠燈閃耀3s主道黃燈L3Q0.3T100：次道黃燈工作2s次道黃燈L4Q0.4T34：主道黃燈工作2s主道紅燈L5Q0.5次道紅燈L6Q0.6行人按鈕SB2I0.1T35:延時10s行人按鈕SB3I0.2T36：延遲10s檢測觸點SB4I0.3T37:計時10minC20：次道車流量計數檢測觸點SB5I0.4T38:計時10minC21：次道車流量計數PLC的外部接線如圖3-6所示： 圖3-6PLC的接線圖端口I0.0為接入系統(tǒng)開關的傳送信號，端口Q0.0接起報警作用的信號燈，端口Q0.1接主道綠燈，端口Q0.2接次道綠燈，端口Q0.3接主道黃燈，端口Q0.4接次道黃燈，端口Q0.5接主道紅燈，端口Q0.6接次道紅黃燈。端口I0.1、I0.2為接入人行橫道懇求開關的傳送信號。端口I0.3、I0.4為接入車流量檢測信號，外接光電開關，每當有車輛經過時，光電開關會放射一個脈沖給端口I0.3或I0.4，PLC接受到后會起先計數并起先計時[9]3.5系統(tǒng)程序設計系統(tǒng)的梯形圖系統(tǒng)程序分析當開關SB1合上時，I0.0觸點接通，Q0.1線圈得電，主道綠燈亮，Q0.6線圈得電，次道紅燈亮，在次道沒有行人按按鈕或者沒有車輛等待要經過的狀況下，始終保持主道綠燈，次道紅燈，提高道路利用率。當次道有行人經過的時候，按下按鈕SB2或者SB3，I0.1或者I0.2觸點接通，協助線圈M0.2得電，M0.2觸點閉合，定時器T35得電起先計時，10S之后T35觸點接通，同時Q0.1線圈得電，主道綠燈亮，在定時器T32的作用下，主道綠燈閃耀，T97計時3S，3S過后T97的觸點接通，Q0.3線圈得電，即主道黃燈亮，定時器T34計時2S,2S過后，定時器T33得電起先計時，同時Q0.5線圈得電，即主道紅燈亮。主道紅燈亮的同時線圈Q0.2得電，即次道綠燈亮。定時器T98定時25S，同時T99也起先計時，計時3S，在定時器T32的作用下Q0.2線圈間歇得電，即次道綠燈閃3S。3S之后定時器T100得電起先計時，計時2S,同時線圈Q0.4得電，即次道黃燈亮2S。之后主道綠燈亮，次道紅燈亮，在沒有行人按下懇求按鈕的狀況下，始終保持這種狀態(tài)。當次道有車經過時，車流量檢測器會給PLC一個脈沖，即I0.3或者I0.4接通，計數器C20或者C21起先計數，每當過去一輛車計數器增加1，在這同時，定時器T38或者T37起先計時，計時10min，當車輛超過5亮或者計時到10min時，次道會放行，即協助線圈M0.2得電，M0.2觸點閉合，定時器T35得電起先計時，10S之后T35觸點接通，同時Q0.1線圈得電，主道綠燈亮，在定時器T32的作用下，主道綠燈閃耀，T97計時3S，3S過后T97的觸點接通，Q0.3線圈得電，即主道黃燈亮，定時器T34計時2S,2S過后，定時器T33得電起先計時，同時Q0.5線圈得電，即主道紅燈亮。主道紅燈亮的同時線圈Q0.2得電，即次道綠燈亮。定時器T98定時25S，同時T99也起先計時，計時3S，在定時器T32的作用下Q0.2線圈間歇得電，即次道綠燈閃3S。3S之后定時器T100得電起先計時，計時2S,同時線圈Q0.4得電，即次道黃燈亮2S。之后主道綠燈亮，次到紅燈亮，在沒有車輛經過的狀況下，始終保持這種狀態(tài)。1S的時鐘脈沖是通過兩個定時器產生的，當定時器T32得電的狀況下，起先計時0.5S，T32的常開觸點與定時器T96串聯，T96的常閉觸點與T32串聯，當T32定時0.5S時，T32的常開觸點閉合，T96得電起先計時，計時0.5S后，T96的常閉觸點斷開使得T32復位，同時T32的常開觸點斷開使得T96也復位，從而產生1S時鐘脈沖[10]3.6本章小結本章介紹S7-200系列PLC交通燈限制系統(tǒng)的應用設計,關鍵是系統(tǒng)總體設計,核心則是限制程序設計。重點要駕馭PLC系統(tǒng)設計的基本原則和設計的一般流程,要有一個整體的概念。在滿意限制要求、環(huán)境要求和性價比等條件下，合理選擇PLC的機型和硬件配置，正確地進行估算，合理選擇輸入/輸出模塊，完成PLC的硬件與軟件的設計。通過這次可編程限制器的課程設計，讓我對PLC有了一個全新的相識，充分體會到PLC作為限制器的強大功能，同時也溫習了以前學的PLC學問，對PLC的應用更加得心應手。更加體會到PLC的牢靠性高，抗干擾實力強，通用性強，限制程序可變，運用便利等優(yōu)點；更加熟識了西門子編程軟件運用方法與各種基本指令。4系統(tǒng)檢測與調試4.1檢測與調試PLC程序的調試可以分為模擬調試和現場調試兩個調試過程，在此之前，首先要對PLC外部接線作細致檢查，這一個環(huán)節(jié)很重要。外部接線確定要精確無誤。也可以用事先編寫好的試驗程序對外部接線做掃描通電檢查來查找接線故障。不過為了平安考慮，最好將主電路斷開。當確認接線無誤后再連接主電路，將模擬調試好的程序送入用戶存儲器進行調試，直到各部分的功能都正常，并能協調一樣地完成整體的限制功能為止。1.程序的模擬調試將設計好的程序寫入PLC后，首先逐條細致檢查，并改正寫入時出現的錯誤。用戶程序一般現在試驗室模擬調試，實際的輸入信號可以用鈕子開關和按鈕來模擬，各輸出量的通/斷狀態(tài)用PLC上有關的發(fā)光二極管來顯示，一般不用接PLC實際的負載（如接觸器、電磁閥等）?？梢砸罁δ鼙韴D，在適當的時候用開關或按鈕來模擬實際的反饋信號，如限位開關觸點的接通和斷開。對于依次限制程序，調試程序的主要任務是檢查程序的運行是否符合功能表圖的規(guī)定，即在某一轉換條件實現時，是否發(fā)生步的活動狀態(tài)的正確變更，即該轉換全部的前級步是否變?yōu)椴换顒硬?，全部的后續(xù)步是否變?yōu)榛顒硬?，以及各步被驅動的負載是否發(fā)生相應的變更。在調試時應當充分考慮各種可能的狀況，對系統(tǒng)各種不同的工作方式、用選擇序列的功能表圖中的每條支路、各種可能的進展路途，都應逐一檢查，不能遺漏。發(fā)覺問題后應當剛好修改梯形圖和PLC中的程序，直到各種可能的狀況下輸入量與輸出量之間的關系完全符合要求。假如程序中某些定時器或計數器的設定值過大，為了縮短調試時間，可以在調試時將它們減小，模擬調試結束后再寫入它們的實際設定值。在設計和模擬調試程序的同時，可以設計。制作限制臺或限制柜，PLC之外的其他硬件的安裝、接線工作也同時進行。2.程序的現場調試完成上述工作后，將PLC安裝在限制現場進行聯機調試，在調試過程中將暴露出系統(tǒng)中可能存在的傳感器、執(zhí)行器和硬接線等方面的問題，以及PLC的外部接線圖和梯形圖程序設計中的問題，應對出現的問題剛好加以解決。假如調試達不到指標要求，則對相應軟件和硬件部分作適當調整，通常只需修改程序就可能達到調整的目的。全部調試通過后，經過一段時間的考驗，系統(tǒng)就可以投入實際的運行了PLC現場調試是指全部設備都安裝好后，全部連接線都接好后的實際調試。也是PLC程序的最終調試?，F場調試的具體過程大體是：（1）要查接線、核對地址。要逐點進行，要確保正確無誤?？刹粠щ姾藢Γ蔷褪遣榫€，較麻煩。也可帶電查，加上信號后，看電控系統(tǒng)的動作狀況是否符合設計的目的（2）檢查模擬量輸入輸出?？摧斎胼敵瞿K是否正確，工作是否正常。必要時還可用標準儀器檢查輸入輸出的精度。（3）檢查與測試指示燈。限制面板上如有指示燈，應先對應指示燈的顯示進行檢查。一方面，查看燈壞了沒有，另一方面檢查邏輯關系是否正確。指示燈是反映、系統(tǒng)工作的一面鏡子，先調試好它，將對進一步調試供應便利。（4）檢查手動動作及手動限制邏輯關系。完成了以上調試，繼而可進行手動動作及手動限制邏輯關系調試。要查看各個手動限制的輸出點，是否有相應的輸出以及輸出對應的動作，然后再看，各個手動限制是否能夠實現。如有問題，馬上解決。（5）半自動工作。如系統(tǒng)可自動工作，那先調半自動工作能否實現。調試可一步步推動直至完成整個限制周期。哪個步驟或者環(huán)節(jié)出現問題，就著手解決哪個步驟或、環(huán)節(jié)的問題。（6）自動工作。在完成半自動調試后，可進一步調試自動工作，要多視察幾個工作循環(huán)，以確保系統(tǒng)能正確無誤的連續(xù)工作。（7）模擬量調試、參數確定。以上調試的都是邏輯限制的項目。這是系統(tǒng)調試時，首先要通電。這些調試基本完成后，可著手調試模擬量、