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1、第一章 绪 论1.1 交通信号灯的作用和意义随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人，车，路三者关系 的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市 交通数据监测，交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通 监控指挥中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京，上海，南京等出现了交通超负 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公路，在 高速公路 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 乏对高速道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
2、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和普通道路耦 合出交通状况的制约。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，缓解主干道与匝道，城区与周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交 通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题，根据交通等工艺控制要求和特点，我们采用了日本三菱公司FX2N_48MR。三菱PLC 有小型化，高速度，高性能等特点，三菱可编程控制器指令丰富，可以接各种输入，输 出扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的， 能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程控制器（PLC）对十字路口交
3、通控制等实 现控制。本系统采用PLC是基于以下四个原因：（1）PLC 具有很高的可靠性，抗干扰能力。通常的平均无障碍时间都在 30万小时 以上；（2）系统设计周期短，维护方便，改造容易，功能完善，实用性强；（ 3）干扰能力强，具有硬件故障的自我检查功能，目前空中各种电磁干扰日益严 重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作 的 PLC；（4）近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，是的实际应用成为可能。1.2 本文的研究内容PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技 术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继
4、电器、执行逻辑、记 时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会IEC）颁布了对PLC 的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。 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，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易 于扩充其功能的原则设计。本文分六章，第1章介绍了交通灯的作用和意义；第2章介绍了 PLC的发明、发展、 PLC的一般结构以及他的应用领域；第3章交通灯的软件编程；第4章介绍了系统的控
5、制要求，系统的I/O分配表和实物图，系统的梯形图；第5章介绍了系统整体调试的硬 件安装和软件调试；第 6 章总结本次设计所学到的知识。第二章 可编程控制器概况可编程控制器(PROGRAMMABLE CONTROLLER,简称PC)。与个人计算机的PC相区别， 用PLC表示。2.1 PLC 的发展 在可编程控制器出现前，在工业电器控制领域中，继电器控制占主导地位。但是电 气控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、 不易更改，对生产工艺变化的适应性差。 1969 年美国数字设备公司根据美国通用汽车公 司的要求研制成功了世界上第一台PLC，并在通用汽车公司的自动装配
6、线上使用，取得 很好的成果。从此这项技术迅速发展起来。早期的PLC仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电 器控制，故称为可编程控制器。随着微电子和计算机技术的发展， 20 世纪70 年代中期 微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑运算，还增加了算术运算、数据处理 和数据传送等功能。20世纪 80 年代后，随着大规模，超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展， 16 位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制能力增强，同时 可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通 信和联网、数据处理和图像显示等功能，
7、使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运 动控制、数据处理，联网通信等功能的名副其实的 多功能控制器。自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅 速的发展。PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。2.11 PLC的发展趋势(1) 向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响 应速度和更大的储存容量。(2) 向超大型、超小型两个方向发展。以适应不同类型的自动控制系统的需要。(3) PLC大力开发智能模块，加强联网通信功能。为了扩大适用范围，厂家还制定了 通用的通信彼岸准，已构成更大的网络系统。(4) 增强外部故
8、障的检测与处理能力。外部故障的几率很大，因此，PLC厂家致力于 研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性(5) 编程语言多样化。PLC结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富。多 种语言并存、互补与发展是 PLC 进步的一种趋势。2.2 PLC 的一般结构2.2.1 可编程控制器的结构分类(1) 按硬件的结构类型分类：编程控制器是专门为工业生产环境设计的。为了便于 在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别，常见的有箱 体式，模块式，及叠装式三种结构。箱体式PLC 一般用于规模小，输入输出点数固定，不需要扩展的场合。模块式PLC 一般用于规
9、模较大，输入输出点数多，输入输出点数比例灵活的场合。叠装式PLC具有 二者的优点。(2) 按应用规模及功能分类：为了适应不同工业生产过程的应用要求，PLC能够处理 的输入信号数量是不一样的。一般将一路信号称作一个店，将输入输出点数的总和称为 机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小，小,中，打，超大等五类型如下表2-1：表2-1 PLC按规模分类超小型小型中型大型超大型64点以下64128 点128512 点5128192 点8192点以上2.2.2 可编程控制器的配置可编程控制器虽然外观各异，但硬件结构大体相同。主要由中央处理器（ CPU）， 存储器（RAM/ROM），输入输出（I/O接
10、口），电源及编程设备几大部分组成。PLC的硬 件结构框图如下所示：图 2-1 基本构成（1）CPU的构成：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少 有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方 式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器 中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控 制电路。与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、 控制及状态总线构成，还有外
11、围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、 工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由 震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电 路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性 能，能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及
12、设定或控制开关。 一般讲， CPU 模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱 体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口， 用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模 块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。（2）I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按 I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本 配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了 PLC的I/O电路，其输入暂存器反映
13、输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。(3) 电源模块：有些 PLC 中的电源，是与 CPU 模块合二为一的，有些是分开的， 其主要用途是为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电 源，加的为直流电压，常用的为 24V。(4) 底板或机架：大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现 各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使 各模块构成一个整体。(5) PLC的外部设备：外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类
14、 编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监 控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护 不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。 设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。 存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户 数据，使用户程序不丢失，如 EPROM、 EEPROM 写入器等。 输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电 位器，打印机等。(6) PLC的通信联网：PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上 位计算机以及其
15、他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控 制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口， 通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。当然， PLC 之间的通讯网络是各厂家专用的， PLC 与计算机之间的通讯，一些生产 厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与 计算机之间可以方便地进行通讯与联网。了解了 PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既 经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。2.3 PLC 的应用领域目前， PLC 在国内外已
16、广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽 车、轻纺、交通运输、保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几类：(1) 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统 的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多 机群控制及自动化流水线。如电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机、组合机床、磨床 包装生产线、电镀流水线等。(2) 模拟量控制 在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流 量、液位和速度等都是模拟量。为了使PLC能处理模拟信号，PLC厂家生产有配套的A/D、 D/A 转换模块，使 PLC 可用于模拟量控制。(3) 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说， 早期直接用开关
