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桂林電子科技大學畢業(yè)（論文）報告專用紙
目 錄
引言 1
1 交通燈控制系統(tǒng)概述 2
1.1 智能交通燈系統(tǒng)的發(fā)展背景 2
1.1.1英國TRANSYT路面交通控制系統(tǒng) 2
1.1.2澳大利亞SCAT路面控制系統(tǒng) 2
1.1.3英國SCOOT路面控制系統(tǒng) 2
1.1.4日本城市路面控制系統(tǒng) 3
1.2 交通控制存在的問題 3
1.3 本課題的主要研究內(nèi)容 4
2 PLC功能介紹 4
2.1 PLC的基本概念和基本結(jié)構(gòu) 4
2.1.1 PLC的基本概念 4
2.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) 4
2.2 PLC的特點和應(yīng)用領(lǐng)域 6
2.2.1 PLC的特點 6
2.2.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 7
2.3 PLC的工作原理 7
2.3.1輸入采樣階段 8
2.3.2.用戶程序執(zhí)行階段 8
2.3.3.輸出刷新階段 8
2.4 PLC的性能指標和軟件系統(tǒng) 9
2.4.1 PLC的性能指標 9
2.4.2 PLC的軟件系統(tǒng) 9
2.5 PLC編程語言 10
2.5.1梯形圖 10
2.5.2語句表 10
2.6 PLC基本編程指令 12
2.6.1輸入輸出指令（LD/LDI/OUT） 12
2.6.3?電路塊的并聯(lián)和串聯(lián)指令（ORB、ANB） 13
2.6.4?程序結(jié)束指令（END） 14
2.7 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計概要 14
2.7.1設(shè)計的基本原則和內(nèi)容 14
2.7.2設(shè)計的步驟和實現(xiàn)過程 15
3 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計 15
3.1 PLC型號的選定以及可行性分析 15
3.1.1?FX2N-64MR?控制器主要性能指標 16
3.2 設(shè)計思路 16
3.3 模擬十字路口交通燈規(guī)則設(shè)計實物模型設(shè)計 18
3.3.1控制要求 18
4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計 24
4.1 PLC程序流程圖設(shè)計 24
4.2 PLC程序?qū)崿F(xiàn) 24
4.2.1 梯形圖程序（狀態(tài)步進形式的梯形圖） 26
4.2.2 指令表（梯形圖對應(yīng)的指令語句） 40
5 總結(jié) 47
5.1 設(shè)計總結(jié) 47
5.2 檢測和調(diào)試 47
5.2.1硬件調(diào)試 47
5.2.2軟件調(diào)試 48
謝 辭 49
參考文獻 50
第 50 頁 共 50 頁
桂林電子科技大學畢業(yè)（論文）報告專用紙
引言
據(jù)一項對美國主要城市交通狀況的調(diào)查顯示：1982年至2000年，美國城市在上下班高峰期間的交通堵塞狀況不斷加劇，由交通堵塞造成的時間和汽油浪費而帶來的經(jīng)濟損失每年高達680億美元。以廣州為例來講，現(xiàn)在市區(qū)平均車速只有每小時12公里。用這個目標速度代入歐美標準計算，廣州人為交通堵塞所付出的經(jīng)濟代價總值：每年耗費1.5億小時，減少生產(chǎn)總值117億元。相當于該市整個生產(chǎn)總值的7%。
在北美、澳大利亞等大城市，道路面積率高達35%--40%，而北京只有20%。緩解交通擁堵，加快道路建設(shè)是當務(wù)之急。據(jù)悉，到2010年，北京將投資500億元用于城市道路建設(shè)，到2005年，北京僅高速公路通車里程就達到600公里。但一味發(fā)展城市道路，也會刺激私家車超常規(guī)發(fā)展，兩者發(fā)展速度的失衡，最終還是逃不出“擁堵—修路—再擁堵”的怪圈。
當今時代是一個自動化時代，交通燈控制等很多行業(yè)的設(shè)備都與計算機密切相關(guān)。因此，一個好的交通燈控制系統(tǒng)，將給道路擁擠、違章控制等方面給予技術(shù)革新。隨著大規(guī)模集成電路及計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能在控制技術(shù)方面的廣泛運用，智能設(shè)備有了很大的發(fā)展，是現(xiàn)代科技發(fā)展的主流方向。本設(shè)計介紹了一個智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計。該智能交通燈控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能有：對某市區(qū)的四個主要交通路口進行監(jiān)控；各路口有固定的工作周期，并且在道路擁擠時中控中心能改變其周期；對路口違章的機動車能夠即時拍照，并提取車牌號。在世界范圍內(nèi)，一個以微電子技術(shù)，計算機和通信技術(shù)為先導(dǎo)的，以信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)為中心的信息革命方興未艾。而計算機技術(shù)怎樣與實際應(yīng)用更有效的結(jié)合并有效的發(fā)揮其作用是科學界最熱門的話題，也是當今計算機應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域。本文主要從單片機的應(yīng)用上來實現(xiàn)十字路口交通燈智能化的管理，用以控制過往車輛的正常運作。
交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。為了實現(xiàn)交通道路的管理，力求交通管理先進性、科學化。用可編程控制器實現(xiàn)交通燈管制的控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計方法，實驗證明該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、經(jīng)濟，能夠有效地疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合交通的實際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡單實用的城市交通燈控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計方案?？删幊绦蚩刂破骱喎Q為PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中，PLC在其他領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動化設(shè)備中的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。
隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機控制已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性。可編程序控制器（Programmable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。
1 交通燈控制系統(tǒng)概述
1.1 智能交通燈系統(tǒng)的發(fā)展背景
1.1.1英國TRANSYT路面交通控制系統(tǒng)
英國道路研究所花費了十幾年的時間，在大量的實驗和經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上，研制出了TRANSYT路面交通控制系統(tǒng)。被全球400多個車市廣泛采用，可以說TRANSYT系統(tǒng)的成功是顯而易見的。TRANSYT內(nèi)部通過有線來經(jīng)行通信。采用靜態(tài)模式來控制交通信號燈，這種控制方案中通過數(shù)學模型來控制綠信比和相位差。但是這種交通控制系統(tǒng)還是存在一定的缺陷，例如它無法優(yōu)化周期，而且想要獲得最優(yōu)的整體分配方案是相當困難的。如果想要經(jīng)行離線優(yōu)化，必須采用大量的路網(wǎng)幾何和交通數(shù)據(jù)流。
1.1.2澳大利亞SCAT路面控制系統(tǒng)
70年代末期，澳大利亞開發(fā)了SCAT路面控制系統(tǒng) 。SCAT采用分層遞階的計算機形式，這是一種較為先進的計算機網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。SCAT通過有線來通信。在地區(qū)聯(lián)機，在中央即采用聯(lián)機也采用脫機模式。在控制的過程中，SCAT會預(yù)先設(shè)定幾個參數(shù)，在對路面情況經(jīng)行分析的基礎(chǔ)之上，根據(jù)實際的情況來選定具體采用那個數(shù)據(jù)。計算機結(jié)構(gòu)好改變，控制方案好變換，而SCAT系統(tǒng)充分的利用了計算機的這些優(yōu)點。但是，由于SCAT對于硬件的要求高，這也就限制了它的移植能力，以及信息的無即時反饋性。
1.1.3英國SCOOT路面控制系統(tǒng)
在TRANSYT系統(tǒng)改進和改良的基礎(chǔ)之上，通過8年的研究，英國道路交通研究所又設(shè)計出了一款自適應(yīng)的SCOOT路面控制系統(tǒng)，其全名為動態(tài)交通控制系統(tǒng)。由于采用動態(tài)的交通控制方式，其性能各個方面都要優(yōu)于以靜態(tài)為核心的路面交通控制系統(tǒng)。這種交通控制方式同樣被許多國家大量的采用。 SCOOT路面控制系統(tǒng)以有線的方式進行通信。通過聯(lián)機的方式來控制各個路口的交通信號燈，這與傳統(tǒng)的控制方式來比，其效率大大提高。但是SCOOT路面控制系統(tǒng)依然有他的缺點，其一它的相位一旦確定之后就不能自動的增減了，其二他對于固定的路口只有固定的相序，其三它的安裝困難度也過高。
1.1.4日本城市路面控制系統(tǒng)
日本設(shè)計的路面控制系統(tǒng)有交通控制中心和VICS中心，交通控制中心主要在東京等地區(qū)運營，它極具代表意義，在控制一般城市路面交通的同時有著顯著的高效性。通過收集，處理和發(fā)布交通信息，控制中心不僅可以對交通信號進行控制還可以進行信息交流等。通過對超聲波、雷達、紅外檢測器、直升機、攝像機等信息收集系統(tǒng)收集來的信息進行分析，該控制系統(tǒng)可以利用后臺許許多多的計算機網(wǎng)絡(luò)進行高速的運算，通過這種流量分析以及提前的預(yù)定方案的選擇，可以實時的指揮路面各個交通燈路口的紅綠燈情況。在指揮的同時，他還會以各種方式將車流量、堵塞情況等信息通過各種方式向社會發(fā)布。
1.2 交通控制存在的問題?
我國城市交通運輸?shù)默F(xiàn)狀和存在的問題，借鑒國外城市交通管理的先進經(jīng)驗，強調(diào)建立城市交通管理體制的重要性，提出加強城市交通研究的交通規(guī)劃，建立穩(wěn)定的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的資金出道，實行公交優(yōu)先政策，建立先進的交通信息系統(tǒng)等對策。?隨著城市機動車增長速度的加快。1994年臥軌城市機動車保有量已接近500完輛。20世紀90年代以來，經(jīng)濟的發(fā)展加快，從1985年到1995年，機動車增長率達13%左右，近幾年更是增多。?
然而，在此同時，城市道路建設(shè)規(guī)模也在加大，我國城市普遍存在道路密度，道路面積率偏低的問題，這是我國城市喲其是大城市有機的一個重要原因。我國城市道路的密度只有6.8km每平方千米，而在20世紀80年代，世界發(fā)達國家就已到達20km每平方千米。20世紀90年代，我國部分城市道路面積率，北京為5.9%，上海為6.4%，而國外東京為13.8%，巴黎為25%，普遍高于我國。近幾年，國家雖加大城市道路建設(shè)的力度，但仍趕不上車輛的增長速度，且與世界其他國家相比，差距仍很大。出租車以及公交的發(fā)展運營情況并不盡如人意，雖然車輛和線路長度增長，但運營速度成了瓶頸，新增的運力被運輸效率低下所抵消。?
交通管理方面水平還欠發(fā)展，隨著交通需求越來越旺盛，而我國城市中小交通管理和交通安全的現(xiàn)代化設(shè)施卻做得不足。在車輛，道路和交通管理系統(tǒng)，城市交通信號控制系統(tǒng)，城市交通管制中應(yīng)用人工智能技術(shù)，信息?采集和信息提供技術(shù)等方面都與發(fā)達國家有很大差距。近幾年，雖然有部分城市研究和引進一些國外先進的交通信號管理系統(tǒng)，但是由于交通管理設(shè)施不足等原因，我國交通事故率居高不下。城市車流行駛速度逐年下降，目前不少城市交通運量年年增長，但運輸速度普遍下降，這都源于交通通行不佳。
1.3 本課題的主要研究內(nèi)容
此次設(shè)計的主要內(nèi)容是在傳統(tǒng)的交通燈基礎(chǔ)之上，通過PLC進行編程，設(shè)計出一款能夠根據(jù)車流量的變化來智能化調(diào)整交通燈讀秒時間的交通燈控制系統(tǒng)。要實現(xiàn)預(yù)期目的的初期設(shè)想是在十字路口東西南北各個方向上安裝光電計數(shù)器，以此來統(tǒng)計各個路口的車流量，再將數(shù)據(jù)輸入計算機中央控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)經(jīng)行分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，智能化的判斷各個交通路口的擁堵情況，從而通過PLC控制系統(tǒng)來適當?shù)恼{(diào)整紅綠燈的讀秒時間。并且在此基礎(chǔ)之上，若交通燈路口遇到特殊車輛或者緊急情況，該系統(tǒng)也能切換到人工控制模式，實現(xiàn)強通控制，從而保證路面交通的正常運行。此系統(tǒng)不僅成本低，維護方便，而且能在最大程度上緩解交通壓力，節(jié)約交通資源。
2 PLC功能介紹
2.1 PLC的基本概念和基本結(jié)構(gòu)
2.1.1 PLC的基本概念
?可編程控制器（Programmable?Controller）是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable?Logic?Controller），簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機（Personal?Computer）的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。
2.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)?
（1）中央處理器（CPU）
CPU是PLC的核心部件，CPU模塊在PLC中相當于大腦和心臟，是整個PLC控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。它的主要功能如下：
1）接受和儲存用戶程序和數(shù)據(jù)
2）掃描現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，存入數(shù)據(jù)區(qū)
3）檢測和診斷電源，PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和程序中的語法錯誤
4）從存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過指令解釋后，去開啟或關(guān)閉相關(guān)控制電路，完成相關(guān)的邏輯運算和算術(shù)運算。
5）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新相關(guān)標識位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表的內(nèi)容，以實現(xiàn)輸出控制，制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。
PLC中采用的CPU一般有三大類：通用處理器、單片機芯片和微處理器。其中小中型PLC一般采用微處理器或單片機，而大型的PLC大多采用高速位片式處理器。檔次越高，PLC的位次也越多，運行的速度越快，功能也會更強大。
（2）存儲器
存儲器一般分兩種：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器存儲的是系統(tǒng)程序，它是由廠家開發(fā)固化好了的，用戶不能更改，PLC要在系統(tǒng)程序的管理下運行。用戶存儲器中存放的是用戶程序和運行所需要的資源，I/O寄存器的值作為條件決定著存儲器中的程序如何被執(zhí)行，從而完成復(fù)雜的控制功能。常用的存儲器類型有CMOS RAM、EPROM、EEPROM.由于系統(tǒng)程序用來管理PLC系統(tǒng)，用戶不能直接存儲，因此PLC產(chǎn)品中所說的存儲類型及其容量，是指用戶程序存儲器而言。PLC中所配用的用戶存儲器的容量大小有較大差別，小型的在8K以下，大型的可以達到256K.
（3）輸入輸出（I/O）模塊
輸入模塊和輸出模塊簡稱I/O模塊，他是聯(lián)系外部設(shè)備和CPU模塊的橋梁。PLC的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，輸出模塊用來送出PLC運算后得出的控制信息，并通過機外的執(zhí)行機構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。PLC有多重I/O模塊，常見的有數(shù)字I/O模塊、模擬量I/O模塊、快速響應(yīng)模塊，高速計數(shù)模塊和PID控制模塊等。
（4）電源
PLC配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源，用來將外部供電電源轉(zhuǎn)換成供PLC內(nèi)部的CPU、存儲器和I/O接口等電路工作所需的直流電源。PLC使用AC 220V電源或DC 24V電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供不同等級的直流電源。小型的PLC可以為輸入電路和外部的電子傳感器（例如接近開關(guān)）提供DC 24V電源，驅(qū)動PLC負載的直流電源一般由用戶提供。小型PLC的電源往往和CPU單元合為一體，大中型PLC都有專門的外部電源部件，驅(qū)動PLC負載的直流電源一般由用戶提供。為防止PLC內(nèi)部重要數(shù)據(jù)的丟失，PLC還帶有鋰電池作為后備電源。
（5）編程器
編程器用來生成用戶程序，一般分為手持式編程器和圖形編程器。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入好編輯指令表程序，因此又叫做指令編輯器。它的體積小，價格便宜，一般用來給小型的PLC編程，或者用與現(xiàn)場調(diào)試和維護。圖形編程器既可以用指令語句進行編程，又可以用梯形圖編程；既可聯(lián)機編程，又可脫機編程，操作方便、功能強。
現(xiàn)在，很多PLC都可以用計算機作為編程工具，在計算機上直接生成和編輯梯形圖或指令表，并可以實現(xiàn)其轉(zhuǎn)換。最重要的是這種程序可以存盤或者打印，也可通過網(wǎng)絡(luò)遠程傳送。
圖2.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖
?
2.2 PLC的特點和應(yīng)用領(lǐng)域
2.2.1 PLC的特點
（1）編程方法簡單易學。PLC采用一種面向控制過程、面向問題的梯形圖語言。梯形圖和繼電器原理圖相似，易學易懂，一般工程師或者工藝人員都可以在短時間內(nèi)學會。
（2）功能完善、適應(yīng)性強。PLC產(chǎn)品已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，具有邏輯運算、計時、計數(shù)、A/D轉(zhuǎn)化、網(wǎng)絡(luò)通信和生產(chǎn)監(jiān)控等功能。若工藝條件發(fā)生改變，修改相應(yīng)的用戶程序既可滿足要求。
（3）安裝、設(shè)計、調(diào)試的工作量少。大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器的使用使得安裝、設(shè)計、接線的工作大大減少。并且PLC具有完善的自診斷和顯示功能，故障率很低。
（4）可靠性高、抗干擾能力強。由于采用微電子技術(shù)和大量的無觸點半導(dǎo)體電路來控制開關(guān)動作，其可靠性比使用機械觸電的繼電器高很多。PLC的輸入輸出部分采用了光電隔離，有效的隔離了PLC內(nèi)部的電路和輸入、輸出間的電關(guān)系。有效避免了干擾信號引起的誤操作。并且PLC還具有防治空間電磁干擾的功能。
（5）體積小、重量輕、功率低、性價比高。大量的使用半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路，這個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、功率低。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，PLC具有很高的性價比，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。
2.2.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域
（1）開關(guān)量的邏輯控制。這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。。
（2）模擬量與過程控制。在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制等。
（3）運動控制。PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。
（4）過程控制.過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用
（5）數(shù)據(jù)處理?？梢赃M行數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)換、排序、查表等一系列操作，也可以通過通信設(shè)備傳輸?shù)絼e的設(shè)備。
（6）通信聯(lián)網(wǎng)。通過雙絞線或者同軸電纜等可實現(xiàn)PLC與PLC之間或者PLC與計算機之間的信息交換。易于建立工廠的自動化辦公網(wǎng)絡(luò)。
2.3 PLC的工作原理??
PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。?
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以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段：?
2.3.1輸入采樣階段?
在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。?
2.3.2.用戶程序執(zhí)行階段?
在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序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(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)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。?
2.3.3.輸出刷新階段?
當掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。圖2.2描述了信號從輸入端子到輸出端子的傳遞過程。
圖2.2 PLC工作原理圖
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2.4 PLC的性能指標和軟件系統(tǒng)
2.4.1 PLC的性能指標
（1）編程語言及指令功能.。PLC常用的編程語言有梯形圖、語言表、流程圖等。對于特定廠家生產(chǎn)的PLC，其編程語言不同，若PLC可用多種語言編程，則其可移植性較好。PLC的指令條數(shù)和綜合性指標能夠反映出該PLC的功能強弱。
（2）I/O點數(shù)。I/O點數(shù)是指系統(tǒng)所能接入和輸出的總的最大數(shù)量。通常用I/O點總數(shù)表示I/O開關(guān)量，而用I/O通道數(shù)表示模擬量。
（3）用戶程序儲存容量。用戶程序儲存容量是指存放用戶程序的儲存器的容量，用字節(jié)K表示。對于一般的邏輯操作指令，一條指令占一個字節(jié)，而對于計時、計數(shù)和位移等則要占用兩個字節(jié)，數(shù)據(jù)操作通常要占用2~4個字節(jié)。
（4）掃描速度。指執(zhí)行1024條基本指令用時。
（5）內(nèi)部寄存器的配置與容量。輔助繼電器、計時器、計數(shù)器、移位寄存器、特殊繼電器等都叫做內(nèi)部寄存器。這些內(nèi)部寄存器可用于存放各種數(shù)據(jù)，內(nèi)部寄存器的大小與多少直接影響用戶編程的靈活與方便。
（6）其他的功能。例如輸入與輸出方式、特殊功能模塊、自診斷功能、通信聯(lián)網(wǎng)功能、高數(shù)計數(shù)、遠程I/O能力和監(jiān)控功能等。
2.4.2 PLC的軟件系統(tǒng)
PLC的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是相輔相成的，就像一個人的骨骼和血肉一樣。骨骼是支撐整個身軀的硬性指標，沒有骨骼其他的就無從說起，而血肉也是一個人正?；顒铀仨毜摹LC的軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)程序和用戶程序。
（1）系統(tǒng)程序
系統(tǒng)程序是由PLC生產(chǎn)廠家提供，并且固化在EPROM中，用戶不能直接讀取。系統(tǒng)程序由管理程序、編譯程序、標準程序三個部分組成。管理程序用于對PLC輸入、輸出、運算等操作的時間順序的管理，規(guī)定數(shù)據(jù)和程序的存放地址。編譯程序則是把程序語言翻譯成機器語言的程序。標準模塊程序由多個獨立的程序模塊組成，每個程序模塊完成一種獨立的功能。根據(jù)要完成不同的共組來選擇不同的功能模塊。
（2）用戶程序
用戶程序是指根據(jù)不同的工作要求，用戶用PLC程序語言編制的應(yīng)用程序，以實現(xiàn)各種控制要求。小型的PLC很簡單，整個程序不用分段，按順序編制。但是大型的PLC的用戶程序很復(fù)雜。為了簡化用戶編程的難度，可以把用戶程序劃分為程序模塊，通過模塊的組合來組成一個大的完整的用戶程序。
用戶程序的模塊：
1） 組織模塊。用于控制主程序的運行方式及個組織模塊的組織關(guān)系。
2）程序模塊。按電氣控制的要求，把不同的控制內(nèi)容劃分為程序段。
3） 功能模塊。用來描述特定功能的程序模塊。它的使用使得PLC超出了傳統(tǒng)的順序邏輯、計時、計數(shù)等功能。
4）步進模塊。用于步進順序操作。
5）數(shù)據(jù)模塊?？捎脕泶娣艛?shù)據(jù)，可以是固定的數(shù)據(jù)或者是可變的數(shù)據(jù)，類似于寄存器。
2.5 PLC編程語言
采用面向控制過程，面向問題，簡單直觀的plc編寫程序語言，常用的有：梯形圖，語句表，功能圖。
2.5.1梯形圖
由繼電器控制邏輯演變而來，兩者具有一定程度的相似性，但梯形圖編程語言功能更強更方便。
主要特點：?
(1) 自上而下，從左到右的順序排列，兩列垂直線為母線。每一邏輯行，起使左 母線；
(2）梯形圖中采用繼電器名稱，但不是真實物理繼電器稱為“軟繼電器”;??
(3）每個梯級流過的是概念電流，從左向右，其兩端母線設(shè)有電源；
(4）輸入繼電器，用于接入信號，而無線圈，輸入繼電器，通過輸入接入的繼電器，晶體及晶閘管才能實現(xiàn)。
2.5.2語句表
又叫指令表，類似計算機匯編語言形式，用指令的記助符編程。例：下圖是三菱公司的FX2N系列產(chǎn)品的最簡單的梯形圖例：
圖2.3 梯形圖例
它有兩組，第一組用以實現(xiàn)啟動、停止控制。第二組僅一個END指令，用已結(jié)束程序。
梯形圖與助記符的對應(yīng)關(guān)系：?助記符指令與梯形圖指令有嚴格的對應(yīng)關(guān)系，而梯形圖的連線又可把指令的順序予以體現(xiàn)。一般講，其順序為：先輸入，后輸出（含其他處理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形圖就可將其翻譯成助記符程序，上圖的助記符程序如下所示。
表2－1 助記符程序
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2.6 PLC基本編程指令
2.6.1輸入輸出指令（LD/LDI/OUT）?
下面把LD/LDI/OUT三條指令的功能、梯形圖表示形式、操作元件?以列表的形式加以說明：
符號??
?功???能??
梯形圖表示??
操作元件???
LD（?。?
常開觸點與母線相連?
?
X，Y，M，T，C,S?????
LDI（取反）
常閉觸點與母線相連???
???X，Y，M，T，C,S?
OUT（輸出）?????
線圈驅(qū)動?
??Y，M，T，C，S,F
表2－2輸入輸出指令
LD與LDI指令用于與母線相連的接點，此外還可用于分支電路的起點。?OUT?指令是線圈的驅(qū)動指令，可用于輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器、狀態(tài)寄存器等，但不能用于輸入繼電器。輸出指令用于并行輸出，能連續(xù)使用多次。
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2.6.2觸點串連指令（AND/ANDI）、并聯(lián)指令（OR/ORI）?
表2－3觸點串并連指令
符號（名稱）?
??功?????能?
???梯形圖表示?
操作元件?
AND（與）
常開觸點串聯(lián)連接???????
?X，Y，M，T，C,S???
ANDI（與非）
?常閉觸點串聯(lián)連接??
?X，Y，M，T，C,S???
OR（或）?????
常開觸點并聯(lián)連接??????????
?X，Y，M，T，C，S???
?ORI（?或非）?
常閉觸點并聯(lián)連接????
X，Y，M，T，C，S
AND、ANDI指令用于一個觸點的串聯(lián)，但串聯(lián)觸點的數(shù)量不限，這兩個指令可連續(xù)使用。?OR、ORI是用于一個觸點的并聯(lián)連接指令。???
??????????????
?2.6.3?電路塊的并聯(lián)和串聯(lián)指令（ORB、ANB）
表2－4電路塊的并聯(lián)和串聯(lián)指令
符號（名稱）
???功????能?
??梯形圖表示???
????操作元件?
ORB（塊或）????
電路塊并聯(lián)連接?????
??? 無???
ANB（塊與）
電路塊串聯(lián)連接?????????????????????
?????????????無?
含有兩個以上觸點串聯(lián)連接的電路稱為“串聯(lián)連接塊”，串聯(lián)電路塊并聯(lián)連接時，支路的起點以LD或LDNOT指令開始，而支路的終點要用ORB指令。ORB指令是一種獨立指令，其后不帶操作元件號，因此，ORB指令不表示觸點，可以看成電路塊之間的一段連接線。如需要將多個電路塊并聯(lián)連接，應(yīng)在每個并聯(lián)電路塊之后使用一個ORB指令，用這種方法編程時并聯(lián)電路塊的個數(shù)沒有限制；也可將所有要并聯(lián)的電路塊依次寫出，然后在這些電路塊的末尾集中寫出ORB的指令，但這時ORB指令最多使用7次。
2.6.4?程序結(jié)束指令（END）
表2－5程序結(jié)束指令
符號（名稱）
???功????能?
??梯形圖表示???
????操作元件?
（END）
程序結(jié)束指令
無
在程序結(jié)束處寫上END指令，PLC只執(zhí)行第一步至END之間的程序，并立即輸出處理。若不寫END指令，PLC將以用戶存貯器的第一步執(zhí)行到最后一步，因此，使用END指令可縮短掃描周期。另外。在調(diào)試程序時，可以將END指令插在各程序段之后，分段檢查各程序段的動作，確認無誤后，再依次刪去插入的END指令。
2.7 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計概要
2.7.1設(shè)計的基本原則和內(nèi)容
我們在學習了PLC的大量相關(guān)知識后，要能夠把其運用在實際設(shè)計當中。當然，要設(shè)計經(jīng)濟、可靠、簡潔的PLC控制系統(tǒng)，需要豐富的專業(yè)知識和實際的工作經(jīng)驗。那么，我們首先來看一下PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原則和內(nèi)容。
(1)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則
1)最大限度地滿足被控對象的控制要求；
2)保證控制系統(tǒng)的高可靠、安全；
3)滿足上面條件的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、實用和維修方便；
4)選擇PLC時，要考慮生產(chǎn)和工藝改進所需的余量。
(2)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容
1)選擇合適的用戶輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象；
2)分配I/O，設(shè)計電氣接線圖，考慮安全措施；
(3)選擇適合系統(tǒng)的PLC；
(4)設(shè)計程序；
(5)調(diào)試程序，一個是模擬調(diào)試，一個是聯(lián)機調(diào)試；
(6)設(shè)計控制柜，編寫系統(tǒng)交付使用的技術(shù)文件，說明書、電氣圖、電氣元件明細表。
(7)驗收、交付使用。
2.7.2設(shè)計的步驟和實現(xiàn)過程
(1)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟
1)對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，最好繪制編程流程圖，相當于設(shè)計思路；
2)設(shè)計梯形圖；
3)程序輸入PLC模擬調(diào)試，修改，直到滿足要求為止；
4)現(xiàn)場施工完畢后進行聯(lián)機調(diào)試，直至可靠地滿足控制要求；
5)編寫技術(shù)文件；
6)交付使用。
(2)我們在設(shè)計流程圖時，也要遵循以下過程：
1)分析生產(chǎn)工藝過程；
2)根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設(shè)備，分配I/O；
3)選擇PLC；
4)設(shè)計PLC接線圖以及電氣施工圖；
5)程序設(shè)計和控制柜接線施工。
3 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 PLC型號的選定以及可行性分析
在對PLC控制系統(tǒng)進行硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先，要了解各個控制對象的驅(qū)動要求，如：驅(qū)動電壓的等級、負載的性質(zhì)等；其次，要分析對象的控制要求，確定輸入/輸出接口（I/O）數(shù)量；再次，要確定所控制參數(shù)的精度及類型，如：對開關(guān)量、模擬量的控制、用戶程序存儲器的存儲容量等。根據(jù)上述原則，我們要選擇適合的PLC機型及外設(shè)，完成相應(yīng)的PLC硬件結(jié)構(gòu)配置。因此，PLC的選型是設(shè)計中至關(guān)重要的一步。目前，國內(nèi)外PLC生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC品種可達數(shù)百個，其性能各有特點。所以，在設(shè)計時首先要盡可能考慮采用便于學習、掌握、維護方便、備品配件通用性強的PLC。
我國市場上流行的PLC產(chǎn)品有以下幾家：德國西門子(Siemens)公司的產(chǎn)品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產(chǎn)品；美國羅克韋爾(Rockwell)公司所屬的AB(Allen&Bradly)公司的產(chǎn)品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等產(chǎn)品；GE-Fanuc公司的產(chǎn)品；法國施耐德(Schneider)公司的產(chǎn)品；日本三菱的FX2N系列PLC具有繼電器屬于接點開關(guān)型，輸出信號可以控制各種高低壓信號，可以直接通過PLC輸出來驅(qū)動燈負載，驅(qū)動單相馬達，而不再需要借助外部繼電器中轉(zhuǎn)，因為本身就是繼電器型的。
3.1.1?FX2N-64MR?控制器主要性能指標
本次設(shè)計的交通信號燈控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和內(nèi)容集中在程序編寫和梯形圖的繪制，由于在本設(shè)計中用到了大量的開關(guān)量、繼電器、計數(shù)器以及計時器等。并且，在目前相關(guān)領(lǐng)域的控制設(shè)計中，日本三菱公司產(chǎn)品的應(yīng)用比較廣泛。另外從經(jīng)濟性，擴展性，容量以及I/O模塊來考慮，三菱FX2N都比較合適。綜上所述，我們采用的是三菱公司的FX2N系列的FX2N-64MR?控制器，它的主要性能指標如下：
（1） 內(nèi)置8K容量的RAM存儲器，最大可以擴展到16K???
（2） CPU運算處理速度0.08μS/基本指令??
（3） 在FX2N系列右側(cè)可連接輸入輸出擴展模塊和特殊功能模塊??
（4） 基本單元內(nèi)置2軸獨立最高20kHz定位功能(晶體管輸出型）????端子排型高性能標準機型。?
（5） 以高速、強大的基本性能，適用于一般邏輯控制以及其他廣泛用途
（6） 控制規(guī)?？蛇_64點,采用繼電器方式可達輸入32點/輸出32點
3.2 設(shè)計思路
設(shè)計一個十字路口交通燈控制電路，根據(jù)設(shè)定好的周期時間能夠指揮車輛在十字路口完成左轉(zhuǎn)和直行交替運行。往南和往北的信號一致，即紅燈（綠燈或黃燈）同時亮或同時熄滅。用兩個數(shù)碼管來顯示被點亮的指示燈還將點亮多久。往東和往西方向的信號一致，其工作方式與南北方向一樣，也采用兩個數(shù)碼管來倒計時。當南北方向為綠燈和黃燈時，東西向的紅燈點亮禁止通行；而東西方向為綠燈和黃燈時，南北向的紅燈點亮禁止通行。程序開始運行先南北段通行、東西段禁止75s，后東西段通行、南北段禁止75s，依此循環(huán)。
首先南北直行方向通行25秒（綠燈亮15秒，綠燈閃5秒，黃燈亮5秒）、其他方向禁止通行（亮紅燈）；具體過程是南北直行綠燈亮15秒，同時數(shù)碼管顯示南北直行方向正常通行時間（倒計時15秒）；15秒計時完畢后，南北直行綠燈開始閃爍（閃爍頻率為1Hz），閃爍持續(xù)時間為5秒，同時數(shù)碼管顯示南北直行方向5秒加速通行時間（倒計時5秒）；綠燈閃爍5秒后，南北直行黃燈點亮，維持時間是5秒，同時數(shù)碼管顯示南北直行方向5秒黃燈通行時間（倒計時5秒）。
其次南北左行方向通行25秒（綠燈亮15秒，綠燈閃5秒，黃燈亮5秒）、其他方向禁止通行（亮紅燈）；具體過程是南北左行綠燈亮15秒，同時數(shù)碼管顯示南北左行方向正常通行時間（倒計時15秒）；15秒計時完畢后，南北左行綠燈開始閃爍（閃爍頻率為1Hz），閃爍持續(xù)時間為5秒，同時數(shù)碼管顯示南北左行方向5秒加速通行時間（倒計時5秒）；綠燈閃爍5秒后，南北左行黃燈點亮，維持時間是5秒，同時數(shù)碼管顯示南北左行方向5秒黃燈通行時間（倒計時5秒）。
然后東西直行方向通行25秒（綠燈亮15秒，綠燈閃5秒，黃燈亮5秒）、其他方向禁止通行（亮紅燈）；具體過程是東西直行綠燈亮15秒，同時數(shù)碼管顯示東西直行方向正常通行時間（倒計時15秒）；15秒計時完畢后，東西直行綠燈開始閃爍（閃爍頻率為1Hz），閃爍持續(xù)時間為5秒，同時數(shù)碼管顯示東西直行方向5秒加速通行時間（倒計時5秒）；綠燈閃爍5秒后，東西直行黃燈點亮，維持時間是5秒，同時數(shù)碼管顯示東西直行方向5秒黃燈通行時間（倒計時5秒）。
最后東西左行方向通行25秒（綠燈亮15秒，綠燈閃5秒，黃燈亮5秒）、其他方向禁止通行（亮紅燈）；具體過程是東西左行綠燈亮15秒，同時數(shù)碼管顯示東西左行方向正常通行時間（倒計時15秒）；15秒計時完畢后，東西左行綠燈開始閃爍（閃爍頻率為1Hz），閃爍持續(xù)時間為5秒，同時數(shù)碼管顯示東西左行方向5秒加速通行時間（倒計時5秒）；綠燈閃爍5秒后，東西左行黃燈點亮，維持時間是5秒，同時數(shù)碼管顯示東西左行方向5秒黃燈通行時間（倒計時5秒）。
至此，一個循環(huán)完成，重新南北直行方向通行25秒，開始新的一個循環(huán)。
下圖3.1南北直行通行,圖3.2南北左拐通行，圖3.3東西直行通行，圖3.4東西左拐通行，所示為其對應(yīng)紅綠燈規(guī)則的狀態(tài)圖。
圖3.2 狀態(tài)S2南北左拐通行
圖3.1 狀態(tài)S1南北直行通行
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圖3.3 狀態(tài)S3東西直行通行
圖3.4 狀態(tài)S4東西左拐通行
基本轉(zhuǎn)換共四種狀態(tài)，分別設(shè)定為如上圖的S1、S2、S3、S4四狀態(tài)，交通燈以這四種狀態(tài)為一個周期，循環(huán)執(zhí)行如下圖3.5所示。
圖3.5 交通燈狀態(tài)循環(huán)圖
3.3 模擬十字路口交通燈規(guī)則設(shè)計實物模型設(shè)計
3.3.1控制要求
(1)信號燈由一個按鈕控制其啟動，一個按鈕控制其停止;
(2)信號燈分為南北雙向直行紅黃綠指示燈和雙向左轉(zhuǎn)彎紅黃綠指示燈，共12個指示燈 ，東西雙向直行紅黃綠指示燈和雙向左轉(zhuǎn)彎紅黃綠指示燈，共12個指示燈，交通燈時序表如表3－1所示
(3)倒計時采用兩位數(shù)碼管靜態(tài)顯示南北直行倒計時；
表3－1?交通燈時序表
南北
直行
信號
綠燈亮
綠燈閃
黃燈亮
紅燈亮
時間
15秒
5秒
5秒
75秒
南北
左行
信號
紅燈亮
綠燈亮
綠燈閃
黃燈亮
紅燈亮
時間
25秒
15秒
5秒
5秒
50秒
東西
直行
信號
紅燈亮
綠燈亮
綠燈閃
黃燈亮
紅燈亮
時間
50秒
15秒
5秒
5秒
25秒
東西
左行
信號
紅燈亮
綠燈亮
綠燈閃
黃燈亮
時間
75秒
15秒
5秒
5秒
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