基于PLC控制交通信号灯控制系统设计大学论文

　 于 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，以的 三菱的 PLC 为例，介绍了 PLC 的编 法 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 个 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 道 例子，可以知道 PLC 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、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 PLC 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，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、C 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. ⑵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. ⑶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. ⑷功能块图(FBD) 这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. ⑸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,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)、F 1 —40MR 的编程组件：

　F 1 —40MR 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：

　文档收集自网络，仅用于个人学习 输 入继电器（X）：X400—X413，X500—X513 输出继电器（Y）：Y430—Y437，Y530—Y537 定时器（T）：T50—T57，T450—T457，T550—T557，T650—T657 计数器（C）：C60—C67，C460—C467，C560—C567，C660—667 辅助继电器（M）：M100—M377 （其中 M300—M377 断电保持）

　状态寄存器（S）：

　S600—S647 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． F 1 —40MR 的 12 个移位寄存器分别是下列辅助继电器组成 ：

　M100—M117

　 M120—M137

　 M140—M157

　 M160—M177 M200—M217

　 M220—M237

　 M240—M257

　 M260—M277 M300—M317

　 M320—M337

　 M340—M357

　 M360—M377 2．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，M70 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。

　文档收集自网络，仅用于个人学习 3 ． 定时器 ：

　F 1 系列 PLC 有 24 个 0.1-999S 的定时器，编号为：T50-T57，T450-T457，T550-T557。

　文档收集自网络，仅用于个人学习 F 1 系列 PLC 有 8 个 0.01-99.9S 的定时器，编号为：T650-T657。

　4 ． 计数器 ：

　F 1 系列 PLC 有 32 个最大计数值为 999 的三位减法计数器，编号为：C60—C67，C460—C467，C560—C567，C660—C667。

　文档收集自网络，仅用于个人学习 F 1 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M470—M472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。

　文档收集自网络，仅用于个人学习 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). 文档收集自网络，仅用于个人学习 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LDI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STL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, 文档收集自网络，仅用于个人学习 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，故系统中设置两个输入信号分别控制系统的启动和禁止。PLC选三菱 F 1 —40MR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SB 1 ，X401接停止输入开关SB 2 ；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。

　文档收集自网络，仅用于个人学习 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：

　 s600s601s602s603s604s605s606s607s610s611s612s613s614M71M71初始化M100M100T50T50T51T51T52T52T53T53T54T54T55T55T56T56T57T57T451T451T452T452T453T453T454T454Y430

　 Y433

　 Y434

　Y534

　 T52 Y430

　 T53

　Y432

　 Y534

　Y430

　Y431

　 Y534

　 T51

　闪烁Y430

　 Y431

　Y434

　Y534

　 T50Y430

　T54

　Y534

　 闪烁

　 Y430

　 Y433

　T55

　 Y434

　 Y534

　 Y430

　 Y434

　T56

　Y433

　Y534

　Y430

　Y434

　T57

　 Y534

　闪烁

　Y430

　434

　Y533

　T451

　Y53

　Y430

　 Y434

　T452

　 Y532

　 Y430

　Y434

　T453

　 闪烁

　Y430

　Y434

　 Y533

　T454

　 Y534

　 （2）、由顺序功能图绘出的PLC梯形图如下图：

　M71S

　 600X400X400X401M100M100

　 S

　601S600S600M100M100Y430Y431Y434Y534T50S

　602T50T50Y430Y434Y534T51T457T456Y431S

　 603S602S602S601S601K30K30T456T456K4K4T457T457K5K5T51T51Y430Y433Y434Y534S

　 604Y430Y432Y534T53S

　 605S603S603T52K20K20T52T52S604S604K150K150K150K150T53T53Y430Y534T54T550T551Y432S

　606S605S605K30K30T551T551K5K5T550T550K6K6T54T54Y430Y434Y433Y534T55S606S606K20K20T55T55S

　607Y430Y434Y531Y534T56S

　 610S607S607K150K150T56T56Y430Y434T453T554T555Y532S

　614K5K5T453T453Y430Y434Y534Y533T451Y430Y434Y532T452S

　 612S

　 613S611S611K20K20T451T451S612S612K150K150T452T452Y430Y434Y534T57T553T552Y531S

　611K30K30T552T552T553T553T57T57S610S610K4K4K5K5S613S613K30K30

　 K4

　 K4T554T554T555T555Y430Y434Y534Y533T454RETS604S604K30K30T454T454S

　600

　(3)、根据梯形图写出的指令如下：

　LD

　M71

　 OUT

　T51 K=30

　S

　605 文档收集自网络，仅用于个人学习 S

　 S600

　LDI

　T456

　 STL

　S605 文档收集自网络，仅用于个人学习 LD

　X400

　 OUT T457 K=4

　 OUT Y430 OR

　M100

　 LD T457

　 OUT

　T54

　K=30 文档收集自网络，仅用于个人学习 ANI X401

　 OUT

　T456 K=5

　 LDI

　 T551 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT M100

　 OUT

　Y431

　 OUT

　T550 K=5 文档收集自网络，仅用于个人学习 STL S600

　LD

　 T51

　LD

　T550 文档收集自网络，仅用于个人学习 LD

　M100

　 S

　603

　OUT T551

　K=6 文档收集自网络，仅用于个人学习 S

　 601

　STL

　S603

　OUT Y432 文档收集自网络，仅用于个人学习 STL S601

　OUT

　Y430

　 LD T54 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT Y430

　 OUT

　Y433

　 S

　S606 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT Y431

　 OUT

　Y434

　 STL

　S606 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT Y434

　 OUT

　 Y534

　OUT Y430 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT Y534

　 OUT

　T52 K=20

　 OUT Y434 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT T50 K=150

　LD

　 T52

　OUT Y433 文档收集自网络，仅用于个人学习 LD

　T50

　S

　604

　OUT Y534 文档收集自网络，仅用于个人学

　习 S

　 S602

　 STL

　S604

　OUT T55 K=20 文档收集自网络，仅用于个人学习 STL S602

　OUT

　Y430

　 LD T55 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT Y430

　 OUT

　Y432

　 S

　S607 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT Y434

　 OUT

　T53

　K=150

　 STL

　S607 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT Y534

　 LD

　 T53

　OUT

　Y430 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT Y434

　OUT Y434

　 LD 453 OUT Y434

　OUT Y534

　 S 614 OUT Y531

　OUT Y533

　STL S614 OUT Y534

　OUT T451

　K=20

　OUT Y430 OUT T56 K=150

　 LD

　T451

　OUT Y434 LD T56

　S

　S612

　 OUT Y534 S

　S610

　 STL S612

　OUT Y533 STL S610

　OUT Y430

　OUT T454 K=20 文档收集自网络，仅用于个人学习 OUT Y430

　OUT Y434

　LD

　T454 OUT Y434

　OUT Y532

　S

　 S600 OUT Y534

　OUT T452

　K=150

　 RET OUT T57 K=30

　LD

　T452

　END LDI T552

　S

　 S616 OUT T553 K=4

　STL 613 LD T553

　 OUT Y430

　OUT T552 K=5

　OUT Y434 OUT Y531

　OUT T453

　K=30 LD T57

　LDI T555

　S

　S611

　 OUT T554 K=4 STL S611

　LD

　T554 STL S611

　OUT T555 K=5 OUT 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，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

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