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1、基于PLC的交通灯控制摘 要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重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，自80年代后期,许多大城市出现了交通超负荷运行的情况。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好城市高速道路，缓解交通拥堵状况，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。传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现，结构复杂，可靠性低，故障率高,较难实现功能的变更。而可编程控制器
2、(PLC)以微处理器为核心，具有可靠性高，控制功能强，使用灵活方便等优点。特别是由PLC实现的控制系统，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，可方便地设置定时时问，编程容易，功能扩展方便，修改灵活等，并且有完善的自诊断和显示功能，维修工作极为简单。关键词：可编程控制器；交通灯；设计；目 录1 PLC交通灯简介11.1 国内城市交通现状面临的及问题11.2 城市交通控制的目的和意义11.3 城市交通控制系统的分类11.3.1 按空间关系划分21.3.2 按控制方式划分31.4交通信号控制系统的控制参数31.5 公路平面交叉口交
3、通控制安全保障技术的研究42 PLC的基础知识72.1 PLC的概述72.2 PLC的特点72.3 PLC的定义72.4 PLC的工作原理82.5 PLC的结构103 PLC在交通灯控制系统设计方案153.1 设计要求153.2十字路口交通灯的路况画出模拟图163.3 交通灯的路况模拟控制实验板174 交通灯控制系统设计184.1 交通灯控制系统硬件设计184.1.1 PLC智能化控制交通灯的方法184.1.2 三菱PLC选型184.2交通灯控制系统软件设计194.2.1 GX Developer编程软件介绍194.2.2软件设计任务244.2.3.根据控制要求确定I/O分配表244.2.4编
4、制外部接线图264.2.5设计应用系统梯形图26总 结27致 谢28参考文献29附 录A30附 录B351.PLC交通灯简介1.1国内城市交通现状面临的及问题根据中国目前的交通现状及面临的问题说明交通控制在经济发展及城市化进程中的重大作用，并提出发展智能交通系统的重要目的和现实意义。我国城市交通现状是：城市交通基础设施建设速度跟不上迅速增长的交通需求;常规公共交通萎缩；出租车和私人小汽车迅速增加;轨道交通开始起步;交通管理技术水平低。以上问题导致交通拥挤、交通事故、环境污染、以及能源问题将会日趋严重。 面临的问题是：车型种类繁杂、混合交通严重;自行车等非机动车数量惊人;城市布局和交通不相适应;
5、出行方式单一、没有选择余地;步行困难、事故多发。1.2 城市交通控制的目的和意义随着社会经济的发展、城市化进程的加快和机动车辆的迅猛增加，城市交通问题日益严重。城市交通拥挤不仅造成交通事故频发、车辆延误增大，而且进一步带来能源浪费和环境污染的加剧，由此引起的不良社会后果更是难以估计。目前，城市交通问题已成为全球经济发展的瓶颈，是全球性的“城市病”之一。交通控制的目的是要在确定的行政规范约束下，应用先进的技术手段，采用合适的运作方式来确保公共和私人运输方式具有最佳的交通条件。(1)减少交通事故，增加交通安全。通过实施交通控制，可以把发生冲突的交通流从时间和空间上进行分离，从而减少交通事故，增加交
6、通安全。(2)缓和交通拥挤，提高交通效益。合理的交通控制，可以对交通流进行有效的引导与调度，使城市交通流保持在一种平稳的运行状态，从而避免或减缓交通拥挤，缩短在路车辆的交通延误，提高交通运输的整体效益。(3)减少环境污染，降低能源消耗。实施良好的交通控制，可以减少在路车辆的停车次数，保持车辆在较佳的状态下运行，大大减少尾气排放和能源消耗。1.3 城市交通控制系统的分类城市道路交通控制系统可以从不同的角度进行分类，这里分别从空间关系、控制方式上对城市道路交通控制系统简单分类。1.3.1 按空间关系划分从空间关系上可以把城市交通系统分划为单交叉口控制(点控制)、交通干线的协调控制(线控制)和区域交
7、叉口的网络控制(面控制)三种形式。(1)单个交叉口的点控制单个交叉口的点控制是一种最基本的控制方式。孤立交叉口点控制的控制参数是信号周期和绿信比，控制的目标一般是车辆延误和交叉口的通行能力。在理想的情况下，希望总延误时间最小和交叉口的通行能力得到最大的利用。由于点控制的设备简单、投资省、维护方便，至今仍是应用较多的一种信号控制方式。从技术上讲，它又分为离线点控制和在线点控制两种形式。前者采用定时信号配时技术，目前仍然是其他控制方式的配时基础;后者是交通响应控制或车辆感应控制，它是根据交叉口各个人*通流的实际分布情况，合理分配绿灯时间到各个相位，从而满足需求。(2)干线交通的协调控制城市路网中的
8、交通干线承担着很重的交通负荷，保证干线的交通畅通对改善一个地区甚至一个城市的交通状况往往起着至关重要的作用。在城市交通路网中，有时交叉口相距很近，两个相邻的交叉口之间的距离通常不足以使一小队车流在有限时间内完全疏散。单个交叉口分别设置单点信号控制时，车辆经常遇到红灯，时停时开，行车不畅，环境污染严重。为了减少车辆在各个交叉口的停车次数，特别是当干线的车辆比较畅通时，相邻交叉口之间的控制方案宜采用相互协调的控制策略。最初协调信号计时的方法是基于绿波的概念，相邻交叉口执行相同的信号控制周期，主干线相位的绿灯开启时刻错开一定的时间，交叉口的次干线在一定程度上服从主干线的交通。当一列车队在具有许多交叉
9、口的一条干线上行驶时，协调控制使得车辆在通过干线交叉口时总是在绿灯开始时到达，因而无需停车即可通过交叉口，形成一条交通流的绿波带。绿波控制能有效提高车辆行驶速度和道路通行能力，确保道路畅通，减少车辆在行驶过程中的延误时间和能源消耗。干线交通协调控制的控制参数是周期长度。绿信比和相位差，控制的目标一般是车辆的平均延误和停车次数。区域交通信号控制的对象是城市或某个区域中所有交叉口的交通信号。随着计算机技术、优化方法、自动控制和车辆检测技术的发展，人们研究把一个城市区域内或一个局部小区内所有交叉口的交通信号联合起来综合加以协调控制，以使得区域内的车辆在通过某些交叉口时所产生的总损失最小。在这种控制方
10、式下，交通信号机将交通量数据实时地通过通信网传至上位机，上位机根据路网交通量的实时变化情况，按一定时间步距不断调整正在执行的配时方案。上位计算机同时控制一个城市区域中的多个交叉路口，实现区域中交叉口之间的统一协调管理，提高路网的运行效率。通过这种控制方式，容易实现交通路网的统一调度与优化管理。1.3.2 按控制方式划分按控制方式可以把城市道路交通控制分为定时控制、感应控制、自适应控制和智能控制几种类型。(1)定时控制定时控制方式以历史交通流数据为依据，找出每个日/周和时间段的不同交通流变化规律，用人工方法或计算机仿真等手段预先准备好不同日/周和不同时间区段内使用的配时方案，它属于开环控制，不易
11、根据车流状况实时调整控制方案。由于定时控制对交通信号机的要求低，无需实时交通量的检测，因而仍然是目前城市道路交通系统中应用较为广泛的一种控制策略。(2)感应控制感应控制的原理是根据车辆检测器测量的交通流数据调整相应的绿灯时间的长短和时间顺序，以适应交通流的随机变化。这种方式比定时控制有更大的灵活性。(3)自适应控制自适应控制是根据检测到的有关道路交通信息，并基于预测模型预测到的未来交通需求，从系统信号配时方案库中选择相应的优化方案，或实时计算产生相应的优化控制方案实现交通自动控制。(4)智能控制严格意义上讲，智能控制不仅仅是交通信号的控制，而是整个交通系统的控制，即智能交通系统。智能交通系统是
12、交通控制的最高层次，它将先进的信息技术、数据通讯技术、检测传感技术、自动控制理论、运筹学、人工智能和计算机及其网络等一系列高新技术综合运用于交通运输各个子系统，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用的实时、准确、高效的交通运输综合管理体系。智能交通系统把人、车、路和环境等交通运输系统的各个环节有机整合，从而使车、路的运行功能一体化和智能化。智能交通系统是解决交通问题的必由之路，安全、高效、环保、低耗、快捷、舒适的绿色交通是智能交通的发展方向。1.4交通信号控制系统的控制参数交通信号控制系统是利用道路交叉口设立的交通灯信号对冲突交通流从时间上进行优化分配的装置。基本参数如下： 1) 交通信号灯：机
13、动车与非机动车信号灯通常有三种颜色，即红、绿、黄。红色表示不可通行，绿色表示可以通行，黄色表示越过停车线的车辆可以继续通行，其它不可通行。行人过街信号灯通常有两种颜色，即红、绿。红色表示不可通行，绿色表示可以通行。 2) 绿灯时间G：一个相位绿灯信号保持不变的时间。 3) 相位P：是对于一个路口多方向交通流而言，一组互不冲突的交通流即可构成为一个相位。 4) 周期C：信号灯的各种灯色轮流显示一次所需要的时间。 5) 绿灯间隔：在一个周期内，一个相位有效绿灯转换为下一个有效绿灯之间的时间间隔。 6) 全红时间：在交通信号进行转换期间，为交通安全而设立的所有交通信号为红灯的过渡时间。 7) 绿信比
14、：一个相位信号有效绿灯时长与周期时长之比。 8) 相位差tos：相邻路口同一相位绿灯(或红灯)起始时间之差。 9) 饱和率s：在稳定交通流情况下，一个交叉口每车道可通过的最大流量率。 10) 通行能力ca：在现行信号控制下，单位时间内每车道可通过的最大车辆数。 11) 饱和度：交通流率与通行能力的比，即流量-容量比。1.5 公路平面交叉口交通控制安全保障技术的研究公路平面交叉口交通控制安全保障技术是提高平面交叉口安全水平、改善整个公路系统安全性能的主要途径之一。依托西部交通建设科技项目公路平面交叉口交通安全技术研究，借鉴国内外已有的交通控制安全保障技术理论研究和实践应用成果，本文深入研究了适合
15、我国国情的平面交叉口交通控制安全保障技术的研究方法和关键基础理论，可为交叉口的新建或改造技术提供理论指导、并为交通工程技术人员所实际运用。论文首先分析了交通控制设计所建立的理论基础，包括交通设计理论、交通冲突技术、可接受间隙理论、路权理论、以及延误理论，这些理论方法为交通控制技术的研究提供了有力的理论支撑。公路平面交叉口交通控制安全诊断改善模型的建立是交通控制安全改善过程中一个重要步骤，是改进公路平面交叉口交通安全的前提。本文在分析交通事故产生机理的基础上，并通过对交通事故预防理论的分析，提出了一套非事故分析、预防性的、具有较高应用性的交通控制安全诊断改善方法，该方法能够快速诊断、分析、科学评
16、价交义口的安全隐患，并引入安全危险度指数概念，从安全隐患的显著性、导致事故严重程度的可能性两方面进行分析，找出影响交叉口交通控制的主要安全问题，并针对主要安全问题提出相应的改善对策，通过对所提出的改善措施进行成本效益分析事故折减系数和对策造价比两个指标，找出最合理的改善措施。对于交通控制方式选择的研究，主要是针对交通信号灯设置依据的研究分析，运用可接受间隙理论、交通冲突理论、延误理论、排队论等理论分析方法建立了一套完整、实用的交通信号灯设置依据、设置程序、以及信号灯移去的准则，其设置依据分别为：基于可接受间隙理论的8小时流量、基于排队论的4小时车流量、基于延误理论的高峰小时车流量、基于交通冲突
17、理论的车流量、基于行人流量、学童过街、以及基于交通事故的信号灯设置依据，每条设置依据各有特点及适用对象。当交通状况发生改变时，交通信号灯设置不再需要，则需要通过一定的研究分析并依据信号灯移去准则米决定是否移去信号灯。信号相位设计是交通信号设计中最具创造性的部分，是论文第三部分研究内容。对信号相位方案的设计主要包括左转保护相位、右转相位、直行相位的设计，重点研究分析了左转保护相位的设置。对于左转保护相位的设置是基于安全和交通效率两方面，运用交通冲突理论、延误理论、定性和定量相结合的方法建立了左转保护相位的设置原则和设置条件，以及判断流程，并对典型左转保护相位的形式进行了研究，讨论了其各自适用情况
18、和设置条件。同样对右转相位讨论了其设置条件、相位形式、适用情况及红灯右转的设置条件。绿灯间隔时间包括黄灯时间和全红时间。在分析绿灯间隔时间内车辆的运行特性基础上，并基于困境区的理论以及交通冲突分析，分别建立了黄灯时间模型以及全红时间模型，并提供了不同车速和交叉口宽度下的绿灯间隔时间的计算值，然后根据实践经验，给出了绿灯间隔时间的推荐值。对于公路平面交叉口控制设施保障技术的研究是本论文的最后一部分研究内容，主要是建立不同控制方式下的交叉口控制设施保障技术。对于全无控制交叉口，在考虑路口宽度、路口大小、行车位置、车辆尺寸、行车速度以及反应时间、车辆加减速度等因素，利用三角视距原理、侧撞受损分析、驾
19、驶行为等方法来分析路权分配原则；对于停车、减速让行控制交叉口，针对交通控制所存在的问题，提出了相应的安全控制设施措施，包括停车、减速让行标志的尺寸、设置位置、识别距离、以及相应的辅助设施；对于信号控制交叉口，详尽探讨了交通信号灯的分类、灯色次序、显示方式、镜面的设计尺寸、数量、安装方式、安装位置、水平位置、竖直高度、识别距离等，其中重点分析了信号箭头灯的应用条件、绿闪灯的优缺点、倒计时对交通安全的影响，并提出了车辆在信号交叉口困境区的保护措施，以及对闯红灯自动拍摄装置执行容限的探讨；最后研究分析交通标志的设计。通过问卷调查、统计分析方法来对目前交通标志进行图形改善设计，并进行补充对交通安全有利
20、的交通标志、基于驾驶员视觉特征的交通标志设置位置的分析、以及交通标志信息量的选择方法。2 PLC的基础知识 2.1 PLC的概述 可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置，涉及到很多自动控制、电器方面的知识。经过30多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。2.2 PLC的特点1 可靠性高，抗干
21、扰能力强；2 通用性高，使用方便；3程序设计简单，易学，易懂；4采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；5系统设计周期短；6安装简便，调试方便，维护工作量小；7对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产。2.3 PLC的定义 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避
22、免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。 PLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association） 经过四年的调查工作，于1984 年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC 作了如下定义“PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子
23、计算机若是从事执行PC 之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年2 月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定 时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系 统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制
24、造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.4 PLC的工作原理 PLC的工作原理：1.扫描工作方式PLC有两种工作模式，即运行（RUN）模式与停止（STOP）模式。在运行模式中，PLC通过反复执行反应要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。除了执行用户程序之外，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
25、次循环可以分为5个阶段。如图2.1。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理阶段，PLC检查CUP模块内部的硬件是否正常，将监视定时器复位，以及完成一些其他内部工作。当PLC处于停止（STOP）模式时，只执行以上的操作。PLC处于运行（RUN）模式时，还要完成另外三个阶段的操作。内部处理通信服务输入处理程序执行输出处理RUN内部处理通信服务STOP图2.1 扫描工作方式2.扫描技术 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称
26、作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(1) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(2) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左
27、边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面
28、的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (3) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。3.扫描周期PLC在RUN工作模式时，执行一次图1.2所示的扫描操作所需的时间成为扫描周期，其典型值约为1100ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的
29、关系。当程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。编程软件可以提供扫描周期的当前值、最大值和最小值。2.5 PLC的结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：输入模块输出模块CPU模块 编程设备可编程控制器输入信号输出信号图2.2 PLC的基本结构 1 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别
30、存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。为了进一步提高PLC 的可靠性近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统或采用三CPU 的表决式系统，这样即使某个CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套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
31、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。 CPU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，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。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。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控
32、制器指挥下工作。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速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模2 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器； 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。1 PLC 常用的存储器类型 （1） RAM (Random Assess Memory)，这是一种读/写存储器(随机存储器) ，其存取速度最快，由锂电池支持。（2）EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容
33、保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。2 PLC 存储空间的分配虽然各种PLC 的CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：(1)系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序、等由制造厂商将其固化在EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该
34、PLC 的性能。(2)系统RAM 存储区(包括I/O 映象区和系统软设备等) 系统RAM 存储区包括I/O 映象区以及各类软设备如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。 I/O 映象区，由于PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O 的状态和数据，这些单元称作I/O 映象区，一个开关量I/O 占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O 占用存储单元中的一个字(16 个bit)， 因此整个I/O 映象区可看作两个部分组成：开关量I/O 映
35、象区，模拟量I/O 映象区。系统软设备存储区，除了I/O 映象区区以外，系统RAM 存储区还包括PLC 内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区，该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当PLC 断电时数据被清零。1) 逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM 存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器，另外不同的PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。2) 数据寄存器与模拟量I/O 一样，每个数据寄存器占用系
36、统RAM 存储区中的一个字(16bits) 另外PLC 还提供数量不的特殊数据寄存器，具有不同的功能。3) 计时器4) 计数器(3) 用户程序存储区用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的PLC 其存储容量各不相同。3 电源PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去。4 I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器
37、反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下： 1.开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 2.模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 3.除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 4.按I/O点数确定模块
38、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。 5 PLC系统的其它设备编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，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，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及6 PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效
39、地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。 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
40、联网。7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: 1. 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。2. 监控设备：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。3. 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。4. 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。了解了PLC的基本结构，我们在
41、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。3 PLC在交通灯控制系统设计方案3.1 设计要求 一、设计目的：(1)掌握用PLC控制交通信号灯的设计方法；(2)熟悉PLC的编程方法和程序调试，了解用PLC解决实际问题的全过程。二、设计要求：(1)十字路口分A道和B道，A、B道轮流放行，A道放行1分钟零30秒，B道放行1分钟。(2)有紧急车辆要求通过时，系统要能禁止普通车辆通过,A、B道均为红灯，紧急车有K3开关模拟。(3)绿灯转换成红灯时绿灯闪烁2秒、黄灯亮5秒。(4)要求有启动按钮，两种以上的模式，分别用开关K1、K2开关控制。三、设计步骤及原理：（
42、1）熟悉课题，明确任务，查阅相关资料，确定设计方案；（2）根据各部分的功能划分功能模块，确定每一模块的软硬件组成，合理选取具有相应功能的元器件；（3）进行硬件设计，把各器件组成相应功能的模块，并把各功能模块进行电气连接，形成总的功能系统；（4）进行软件设计，编写程序，实现各模块功能，使整个系统能够良好的运行；（5）进行仿真调试，检查各模块功能能否完全实现，综合考虑系统的灵活性、稳定性、误差大小及测温效率调整各器件的各项参数。使系统的处在最佳性能状态。经分析总结，确定总的设计流程如图3.1所示。图3.1设计步骤3.2十字路口交通灯的路况画出模拟图一种方案：另一种方案： 图3.2 十字路口模拟图
43、3.3 交通灯的路况模拟控制实验板在PLC交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有3个控制灯，分别为：图3.3 十字路口模块图禁止通行灯 （亮时为红色）准备禁止通行灯 （亮时为黄色）直通灯 （亮时为绿色）结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统如下： 当交通灯系统启动开关接通时，南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯90S，绿灯闪亮2S,黄灯5S。当南北主干道红灯点亮时，东西住干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯，反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯。4 交通灯控制系统设计4.1 交通灯控制系统硬件设计4.1.1 PLC智能化控制交通灯的方法 传统的十字
44、路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿 灯的延时预先设置好。然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交 通现状，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。而模糊控制恰恰具有这方面的优势。此系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控 制灯实现模糊控制传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将
45、两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、适用的方案，仍然会发 生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。而模糊控制恰恰具有这方面的优势。4.1.2 三菱PLC选型 1.三菱FX系列PLC的概述 FX系列PLC是日本三菱公司继F1、F2系列PLC之后推出的小型机。它同时具有单元式PLC的简单易用和模块、式PLC的功能强大、配置灵活的优点，其机型
46、种类较多，主要有FX0S、FX0N、FX1、 FX1N、FX2 、FX2N 、FX2NC等。系统配置既固定又灵活，基本上能满足各种工业控制要求。当控制要求较简单时，可选用容量较小的FX0S或FX0N机型；当控制要求较复杂时，可选用性能高、处理速度快、容量大的FX2N或FX0N机型。FX2N系列是小型化、高速度、高性能等很多方面都是相当于FX系列中最高档次的超小型程序装置。除输入输出16-256点的独立用途外，还可以适用于多个基础组件间的连接、模拟控制、定位控制等特殊用途，是一套可以满足广泛需要的PLC。2.FX2N系列PLC的特点：（1）系统配置既固定又灵活可进行16-256点的灵活输入输出组合。可连接扩展模块，包括FX0N系列扩展模块。（2）编程简单，指令丰富编程种类如表4.1。 表4.1 简单的编程种类 指令种类 指令数目/种 基本指令 27 步进梯形指令 2 应用指令 128（298个）功能指令种类多，有高速处理指令、便利指令、数据处理、特殊用途指令等。（3）品种丰富
