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1、-基于PLC控制的交通信号灯控制系统设计毕业论文-第 - 16 - 页 基于PLC控制的交通信号灯控制系统设计 目 录一、PLC的概念3二、PLC的基本结构及分类4三、PLC的特点及应用领域5四、PLC的工作原理5五、PLC的编程语言7六、三菱F1-40MR型编程组件和指令系统9七、PLC的编程方法11八、十字路口交通灯设计13九、小结19十、参考文献19 摘 要 PLC工作原理、特点和硬件结构，以三菱的PLC为例，介绍了PLC的编程组件与指令系统、梯形图的设计方法，以顺序功能图为基础的顺序控制设计方法和顺序控制编程方法。本论文举了一个十字交通信号灯控制系统的例子，通过这个例子，可以知道PLC
2、的设计方法和设计的步骤。一、PLC的概述1985年，国际电工委员会（IEC）的PLC标准草案第三稿对PLC做出了如下义：“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”PLC的历史与发展 多年来，人们用电磁继电器控制顺序型的设备和生产过程。系统很复杂，查找排除故障往往非常困难，有时可能会花费大量的时间。现代社会要求制造业对市场需求做
3、出迅速的反应，生产出小批量、品种多、规格高、低成本和高质量的产品，老式的继电器控制系统已经成为实现这一目标的巨大障碍。显然，在这种思想下，PLC迅速发展，并在工业上得到广泛的应用。 1968年，美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司（GM）提出了研制PLC的基本设想，即：能用于工业现场；能改变其控制“逻辑”，而不需要变动组成它的组件和修改内部接线；出现故障时，容易诊断和维修。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC。我国有不少厂家研制和生产过PLC，近年来国产PLC有了很大的发展，但是目前我国使用的PLC主要还是国外的品牌的产品。二、 PLC的基本结构PLC主要由CPU模块、
4、输入模块、输出模块、和编程模块组成(见图1.1)。 2.1、CPU模块 CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要是由微处理器和存储器组成。CPU的作用类似人的大脑。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下的工作：输入处理、程序执行、输出处理。 2.2、I/O模块 I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。 2.3、编程设备与电源 编程设备用来生成、检查和修改用户程序，还可以用来监视用户程序的执行情况。手持式编程器一般不能直接输入和编辑梯形图。它的体积小携带方便，一般用来给小型PL
5、C编程，或者用于现场的调试和维护。三、 PLC的特点及应用领域 3.1、PLC的特点（1）编程方法简单易学（2）硬件配套齐全，用户使用方便（3）通用性和适应性强（4）可靠性高，抗干扰能力强（5）系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小，维修方便（7）体积小，能耗低 3.2、PLC的应用领域 目前，PLC已经广泛地应用于所有的工业部门，随着PLC性能价格比的不断提高，过去许多使用专用计算机控制设备的场合也可以使用PLC。PLC的应用领域不断的扩大，主要有以下几个方面：（1）、开关量的逻辑控制，这是PLC的最基本和最广泛的应用（2）、运动控制（3）、闭环过程控制（4）、数据处理（5）、通信
6、联网 并不是所用的PLC都具有上述全部功能，有些小型PLC只具有上述部分的功能，但是价格较低。四 、PLC 的工作原理 PLC 是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路相似，梯形图中的某些编程组件也沿用了继电器这一名称。在介绍PLC的工作原理之前，首先简单介绍继电器（物理继电器）的结构和工作原理。1、 继电器与逻辑运算 （1）继电器 继电器是一种用弱电信号控制输出信号的电磁开关，是继电器控制系统中的最基本的组件。其主要由电磁线圈，铁芯，触点和复位弹簧组成。其触点有常开和常闭两种，如下图所示。 继电器在控制系统中的作用：功率放大和电气隔离。（2）逻辑运算 在开关量控制系统中，
7、变量仅有两种相反的工作状态，它们分别用0和1表示。逻辑运算包括与，或，非三种逻辑关系。接触器的结构和工作原理与继电器基本相同。，区别仅在于继电器的触点的额定电流较小，而接触器可以控制大的电流负载。2、 PLC 的工作原理 PLC有两种工作模式，即运行模式和停止模式。在运行模式，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时的响应可能随时变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP模式。除了读取外部输入信息，执行用户程序和将程序执行的结果送到输出模块之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理，通信服务等工作，一次循
8、环分为5个阶段。PLC的这些周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。五个阶段：内部处理阶段：通信服务阶段：当PLC处于停止状态时，只执行以上的两步操作。当PLC处于运行模式时，还要完成另外3个阶段的操作。 输入处理阶段： 程序执行阶段： 输出处理阶段：五、PLC的编程语言现代的PLC一般备有多种编程语言用户选用.不同厂家的PLC的编程语言有较大的区别,用户不得不学习多种编程语言和查找故障的方法.吸收了最终用户、厂家和学者的意见,IEC(国际电工委员会)1994年5月公布了PLC标准(IEC61131).该标准由以下5部分组成:通用信息、设备与测试要求、PLC的编程语言、用户指南和通信.其中的三
9、部分是PLC的语言编程标准.IEC61131-3标准对厂家和用户都是有好处的,用户在使用新的控制系统时,可以减少培训的时间.对于厂家,使用标准可以减少产品开发的时间,因此可以投入更多的精力去满足用户的特殊要求.IEC61131-3详细地说明了句法、语义和下述5种PLC编程语言的表达方式:（1）、顺序功能图;（2）、梯形图;（3）、功能块图;（4）、指令表;（5）、结构文本.标准中的两种图形语言梯形图(LD)和功能块图(FBD),还有两种文字语言指令表(IL)和结构文本(SFC)是一种结构块控制程序流程图.如下：(1)顺序功能图(SFC)SFC提供了一种组织程序的图形方法,在SFC中可以用别的语
10、言嵌套编程.步、转换和动作是SFC中的三种主要组件.步是一个逻辑块,即对应于特定的控制任务的编程逻辑,动作是控制任务的独立部分,转换是从一个任务到另一个任务的原因.梯形图(LD)梯形图是使用的最多的PLC图形编程语言.梯形图与继电器控制系统的电路图很相似,具有直观易懂的优点,很容易被工厂熟悉继电器的电气人员掌握,特别适用于开关量逻辑控制.在编程软件中,用户程序可以在不同的编程语言之间切换.指令表(IL)由若干条指令组成的程序称为指令程序.PLC的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式,小型的指令系统比汇编语言的简单得多,仅用20来条指令就可以实现开关量的控制.功能块图(FBD)这
11、是一种似于数学逻辑电路的图形编程语言,有数字电路基础的热很容易掌握.功能块图用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系,方框的左侧为逻辑运算的输入变量,右侧为输出变量,输入、输出端的小圆圈表示“非”运算,信号是自左向右流动的.就像电路图那样,功能块图的组件被“导线”连接在一起.结构文本(ST)结构文本是为IEC61131-3标准创建的一种专用的高级编程语言,可以增加PLC的数学运算、数据处理、图形显示、报表打印等功能,方便拥护的使用.六、三菱F1-40MR型编程组件和指令系统(一)F1系列的PLC的基本顺序指令1、F1系列的PLC的指令分为两大类:(1)基本逻辑指令:又称通用逻辑指令,用于顺序
12、控制梯形图程序的设计,共有20条。(2)特殊功能指令:共有87条,可用于编制特殊程序,如高速I/O处理，数据传输,记数器的特殊用法,算术运算和模拟运算等。基本逻辑指令是最基本的编程语言,掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法,用基本逻辑指令基本上就能满足开关量逻辑控制系统的编程了。各种型号的PLC的基本逻辑指令都大同小异,我们以F1系列的PLC为学习机型逐条地了解其指令功能和方法。掌握了F1的指令系统,对其它机型的学习可以起到触类旁通的作用。2、F1系列的PLC的基本逻辑指令可分为四大类:(1)作用于的指令:如LD,AND,OR等。(2)作用于线圈的指令:如OUT等。(3)数据处理指令:如S,
13、R,RST,SFT等。以上三种指令后面需要有操作目标组件号。(4)独立使用的指令:如ANB,ORB,END,RST等。该类指令画面无需目标无组件号,可独立使用。（二）、与指令操作相关的三种内部寄存器:1.I/O状态表:是RAM中的一块,属于数据存储器,用于存放I/O接口的输入状态和输出状态,供用户程序执行时使用。2.结果寄存器(R):用于寄存逻辑运算中的中间结果。3.堆栈(S):用于梯形图的程序中的电路块的串并联时的情况。（三）、基本顺序指令(通用逻辑指令)LD/LDI/OUT(输入输出指令)1.取指令(LD)和取反指令(LDI)用途：（1）用于一个梯形图的起始触点； （2）用于一个电路块的快
14、起点； （3）用于与主控触点相连的触点； （4）用于与STL指令相连的触点。取指令（LD）：作用于常开触点 实现操作：取反指令（LDI）：作用于常闭触点(四)、F140MR的编程组件：F140MR的编程组件的名称由字母和数字表示，它们分别表示组件的类型和组件号。组件号用八进制数表示，各种编程组件的编号的取值范围有严格的规定，不同的组件编号均不相同，互不重叠，具体安排如下：输入继电器（X）：X400X413，X500X513输出继电器（Y）：Y430Y437，Y530Y537定时器（T）：T50T57，T450T457，T550T557，T650T657计数器（C）：C60C67，C460C46
15、7，C560C567，C660667辅助继电器（M）：M100M377 （其中M300M377断电保持）状态寄存器（S）： S600S647特殊辅助继电器（M）：M70，M71，M72，M73，M76，M77等16个(五)、某些编程组件使用特性及含义：1 F140MR的12个移位寄存器分别是下列辅助继电器组成：M100M117 M120M137 M140M157 M160M177M200M217 M220M237 M240M257 M260M277M300M317 M320M337 M340M357 M360M3772 部分特殊辅助继电器的含义：M70：运行监视，当PLC的运行开关接通时，M7
16、0接通。M71：初始化脉冲，在PLC的运行开关接通之后的第一个扫描周期内接通。M72：100ms时钟，提供周期为100ms的时钟脉冲信号。M73：10ms时钟，提供周期为10ms的时钟脉冲信号。M76：锂电池电压指示。锂电池电压不足时接通。M77：禁止输出。在程序执行过程中，若梯形图中M77的线圈接通，所有的输出继电器将自动断开，但是辅助继电器、定时器、计数器仍将继续工作。在紧急情况下，可以用M77切断全部输出。3 定时器：F1系列PLC有24个0.1-999S的定时器，编号为：T50-T57，T450-T457，T550-T557。F1系列PLC有8个0.01-99.9S的定时器，编号为：T
17、650-T657。4 计数器：F1系列PLC有32个最大计数值为999的三位减法计数器，编号为：C60C67，C460C467，C560C567，C660C667。F1系列PLC将两个三位计数器C660和C661组成计数器对作为一个6位BCD码加减计数器使用，其中C660是低三位，C661是高三位，其计数及工作方式由特殊辅助继电器M470M472等的ON/OFF状态控制决定，它既可以对高速脉冲（最高2KHz）计数，也可以作为普通计数器使用。七、顺序控制梯形图的编程方法7.1、使用STL指令的编程方法基本编程方法 步进梯形(step ladder)指令简称为STL指令,FX序列还有一条使STL指
18、令复位的指令RET指令.利用这两条指令,可以很方便地编程顺序控制梯形图程序.STL指令与编程组件状态配合使用. FX1S仅有128点断电保持的状态(S0-S127),FX1N和FX2N有1000点，(S0-S999).FX2N序列的PLC的S0-S9用于初始步,S10-S19用于返回原点,S20-S49是通用状态，使用STL指令的状态的常开触点称为STL触点,它们在梯形图中的组件符号如图5.2所示.从该图可以看出顺序功能图与梯形图之间的对应关系,STL触点驱动的电路块具有三个功能,即对负载的驱动处理,指定转换条件和指定转换目标.STL指令有以下特点: 1.与STL触点相连的触点应使用LD或LD
19、I指令,即LD点移到STL触点的右侧,直到出现下一条STL指令或出现RET指令,RET指令使LD点返回左侧母线.各个STL触点驱动的电路一般放在一起.最后一个电路结束时,一定要使用RET指令,否则程序会出错. 2.STL触点可以直接驱动或通过别的触点驱动Y,M,S,T等组件的线圈,STL触点也可以使Y,M,S等组件置位或复位. 3.STL触点断开时,CPU不执行它驱动的电路块,即CPU只执行活动步对应的程序.在没有并行序列时,任何时后只有一个活动步,因此可以PLC的扫描周期. 4.由于CPU只执行活动步对应的电路块,使用STL指令时允许双线圈输出,即同一元件的几个线圈可以分别被几个不同闭合的S
20、TL触点驱动. 5.STL指令只能用于状态,在没有并行状态时,一个状态的STL触点在梯形图中只能出现一次. 6.STL触点驱动的电路块中不能使用MC和MCR指令,当是可以使用CJ指令. 7.像普通的辅助继电器一样,可以对状态使用LD,LDI,AND,ANI,OR,ORI,SET,RST,OUT等指令,这时状态的触点的画法与普通的画法相同。 8.使状态置位的指令如果不在STL触点驱动的电路块内，执行置位指令时，系统程序不会自动地将前级步对应的状态复位。 9.在转换条件对应的电路中，不能使用ANB，ORB，MPS，MRD和MPP指令。可以用转换条件对应的复杂电路来驱动辅助继电器，再用后者的常开触点
21、作转换条件。八、十字路口交通灯设计 1、实验课题：十字路口交通信号灯控制系统 2、实验内容：在十字路口用PLC控制交通灯的亮或灭，十字路口上有红灯、绿 直行灯、绿左转灯和黄灯。控制过程如下：东西南北方向主干道的红灯一直点亮状态，提示主干道上左转通行时直行停止，直行通行时左转禁止通行，只有红灯亮时该方向的车辆禁止通行。主干道车辆通行时交通信号灯的变化规律：左转绿灯亮15秒后闪烁3秒，黄灯亮2秒，然后直行绿灯亮（同时东西方向绿灯亮），15秒后闪烁3秒，黄灯亮2秒，然后绿灯全部熄灭，只有红灯亮，车辆禁止通行。 该系统属于连续循环工作的控制系统，要求系统启动后能够周期性地连续循环工作，故系统中设置两个
22、输入信号分别控制系统的启动和禁止。PLC选三菱F140MR基本单元，I/O接口数为24/16。分析系统的控制模型可以看出，人行道斑马线上的绿灯状态与直行绿灯信号相同可用同一个控制信号。故整个控制系统需设置两个输入接口：X400接启动输入开关SB1，X401接停止输入开关SB2；再设置九个输出端口分别控制PLC的I/O接口分配如图二所示。根据系统的控制模型和控制要求可画出系统中各输出信号的控制时序如图三所示。3、实验步骤如下：（1）、由实验内容和分析控制过程，得出控制规律，根据以上分析绘出顺序功能图如下： （2）、由顺序功能图绘出的PLC梯形图如下图：(3)、根据梯形图写出的指令如下：LD M7
23、1 OUT T51 K=30 S 605S S600 LDI T456 STL S605LD X400 OUT T457 K=4 OUT Y430OR M100 LD T457 OUT T54 K=30ANI X401 OUT T456 K=5 LDI T551OUT M100 OUT Y431 OUT T550 K=5STL S600 LD T51 LD T550LD M100 S 603 OUT T551 K=6S 601 STL S603 OUT Y432STL S601 OUT Y430 LD T54OUT Y430 OUT Y433 S S606OUT Y431 OUT Y434 S
24、TL S606OUT Y434 OUT Y534 OUT Y430OUT Y534 OUT T52 K=20 OUT Y434OUT T50 K=150 LD T52 OUT Y433LD T50 S 604 OUT Y534S S602 STL S604 OUT T55 K=20STL S602 OUT Y430 LD T55OUT Y430 OUT Y432 S S607OUT Y434 OUT T53 K=150 STL S607OUT Y534 LD T53 OUT Y430OUT Y434 OUT Y434 LD 453OUT Y434 OUT Y534 S 614OUT Y531
25、OUT Y533 STL S614OUT Y534 OUT T451 K=20 OUT Y430OUT T56 K=150 LD T451 OUT Y434LD T56 S S612 OUT Y534S S610 STL S612 OUT Y533STL S610 OUT Y430 OUT T454 K=20OUT Y430 OUT Y434 LD T454OUT Y434 OUT Y532 S S600OUT Y534 OUT T452 K=150 RETOUT T57 K=30 LD T452 ENDLDI T552 S S616OUT T553 K=4 STL 613LD T553 OU
26、T Y430OUT T552 K=5 OUT Y434OUT Y531 OUT T453 K=30LD T57 LDI T555 S S611 OUT T554 K=4STL S611 LD T554STL S611 OUT T555 K=5OUT Y430 OUT Y532九、小结 通过这次创新实验，我发现实验的过程很重要，理论有点空洞，做实验能让自己更加理解理论。在做实验的时候，发现有很多的错误，得自己去检查，查看哪写指令合法，有没有语法错误，去调试，通过调试可以让你发现问题，从而可以优化程序。通过调试，发现错误指令，然后更改，可以让自己记得更加深刻。 做实验的时候，得按照一定的顺序去做，
27、首先把需求关系分析好，其次得把顺序功能图画出来，分析每步的执行条件，活动步得干什么，执行那些动作，然后把程序输入PLC，再去运行，调试PLC，使程序最优化。做实验得认真，不能马虎，马虎就会出错 这次实验使自己更加了解PLC，熟悉了PLC的大部分指令，以及更加了解PLC的工作原理，为以后能更好的使用PLC打下了扎实的基础。使我对这句话：“实践是检验真理的标准”理解更深刻。十、参考文献 1、中华人民共和国国家标准 电气制图M，北京：中国标准出版社，1987.2、阳宪惠 工业数据通信与控制网络M，北京：清华大学出版社，2003.3、廖常初主编 PLC编程及应用（第二版）M，北京：机械工业出版社，20
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