【正文】 世紀(jì) 60 年代初。 1967 年，英國(guó)運(yùn)輸與道路實(shí)驗(yàn)室 (TRRL)成功開(kāi)發(fā)出 TRANsYT(TraffioNetworkStudyTools)交通控制系統(tǒng)，后來(lái)又在 TRANsYT 的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了 seOOT(split Cyele and offset OPtimization Technique)系統(tǒng)。澳大利亞在 70 年代末也開(kāi)發(fā)了基于配時(shí)方案實(shí)時(shí)選擇方法來(lái)實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的 SCAT(Sydney Coordinated Adaptive Traffic Method)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)己經(jīng)在西方國(guó)家的城市網(wǎng)絡(luò)交通中取得了成功的應(yīng)用。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代后期，隨著城市化進(jìn)程的加快和汽車的普及，城市交通擁擠、阻塞現(xiàn)象日趨惡化，由此引發(fā)的事故、噪聲和環(huán)境污染己成為日益嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，交通問(wèn)題成為困擾世界各國(guó)的普遍性難題。人們對(duì)交通系統(tǒng)的規(guī)模復(fù)雜性和開(kāi)放性特征有了更深一層的認(rèn)識(shí)，并開(kāi)始意識(shí)到單獨(dú)考慮車輛或道路方 8 面很難從根本上解決交通擁擠現(xiàn)象，只有把路口交通流運(yùn)行與信號(hào)控制的藕合作用綜合考慮，且賦以現(xiàn)代的各種高新技術(shù)方可徹底消除有關(guān)問(wèn)題。于是 ，智能交通系統(tǒng) (ITS)應(yīng)運(yùn)而生，并得到迅猛發(fā)展。除在技術(shù)和功能上得到增強(qiáng)和完善的SCOOT 和 SCATS 以外， STREAM、 ITACA、 MOTION、 RTTRACS、 SURFZ000、 PRODYN和 UTOPIA 等新一代城市交通控制系統(tǒng)相繼推出并投入應(yīng)用。 目前城市交通控制研究的新發(fā)展主要體現(xiàn)在城市交通網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面 :區(qū)域交通信號(hào)燈和城市快速公路匝道口 雜道口扎道口 的新的控制方法上 。實(shí)現(xiàn)區(qū)域和快速公路的集成控制 。采用動(dòng)態(tài)路由導(dǎo)航與交通網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)合 :以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)車輛控制系統(tǒng) AvcS為主的智能交通系統(tǒng) (ITS)。以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)交通管理系統(tǒng) ATMS和先進(jìn)駕駛員信息系統(tǒng) ATIS 為主的城市多智能體交通控制系統(tǒng) 。以及一些輔助的交通策略如道路自動(dòng)計(jì)費(fèi)、公共交通優(yōu)先等。 可以說(shuō)，在近百年的發(fā)展中，道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了無(wú)感應(yīng)控制到有感應(yīng)控制、手動(dòng)控制到自動(dòng)控制再到智能控制、單點(diǎn)控制 (點(diǎn)控 )到干線控制 (線控 )再到區(qū)域控制和網(wǎng)絡(luò)控制 (面控 )的過(guò)程。 二、 PLC 的應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展 1. PLC 的國(guó)內(nèi)外狀況 世界上公認(rèn)的第一臺(tái) PLC 是 1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制的。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。 20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件都以繼電器命名。此時(shí)的 PLC 為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì) 算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn) 9 代工業(yè)中的地位。 20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期 發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了 PLC 的應(yīng)用。目前，我國(guó)自己已可以 生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的 CF 系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的 DKK 及 D 系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的 S 系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的 YZ 系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無(wú)錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國(guó)比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入， PLC 在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地 。 2. PLC 未來(lái)展望 21 世紀(jì)， PLC 會(huì)有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計(jì)算機(jī)技術(shù)的新成果會(huì)更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計(jì)和制造上，會(huì)有運(yùn)算速度更快、存儲(chǔ) 容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會(huì)進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會(huì)更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備會(huì)更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求；從市場(chǎng)上看，各國(guó)各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會(huì)隨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的加劇而打破，會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)品牌壟斷國(guó)際市場(chǎng)的局面，會(huì)出現(xiàn)國(guó)際通用的編程語(yǔ)言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來(lái)看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng) DCS（ Distributed Control System）中已有大 10 量的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)和國(guó)際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。 三 、 本文的主要工作 第一部分 ，回顧交通燈的歷史，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通管制的要求越來(lái)越高，采用可編程程序控制器來(lái)代替中間繼電器和過(guò)程控制的微型機(jī)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了交通燈控制系統(tǒng)，才會(huì)滿足穩(wěn)定可靠的交通控制系統(tǒng)需求。 第二部分 ，敘述了可編程程序控制器的產(chǎn)生、發(fā)展、應(yīng)用的歷程，通過(guò)論述可編程程序控制器的各種優(yōu)點(diǎn)、 卓越性能、結(jié)構(gòu)、原理，有一 個(gè)感性的總體認(rèn)識(shí)。 第三部分 ，結(jié)合交通燈控制系統(tǒng)的要求，進(jìn)行硬件、程序設(shè)計(jì)，從主要部件的選擇、流程的分析、程序思路的產(chǎn)生來(lái)完成本次設(shè)計(jì)任務(wù)。 第四部分 ，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試和檢測(cè)以及元器件的選用，再進(jìn)行系統(tǒng)性梳理，將隱藏的不足之處加以修正和完善，確保系統(tǒng)能順利運(yùn)行。 11 第二 部分 PLC 的基礎(chǔ)知識(shí)和工作原理 一、 PLC 的基礎(chǔ)知識(shí) 1. PLC 的概述 可編程控制器（ Programmable Logic Controller, 簡(jiǎn)稱 PLC）是計(jì)算機(jī)家族的一員是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。它是 以微處理器為核心，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)融為一體的一種專門為適應(yīng)惡的工業(yè)環(huán)境下面設(shè)計(jì)的工業(yè)控制裝置，涉及很多自動(dòng)控制、電氣方面的知識(shí)。它主要用來(lái)代替電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中最重要、應(yīng)用最多的控制裝置，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)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(jiǎn)稱 PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)（ Personal Computer）的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程控制器簡(jiǎn)稱 PLC。其應(yīng)用的深度和廣度成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化程度高低的標(biāo)志。 2. PLC 的定義 國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）于 1982 年 11 月頒發(fā)了 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案第 1 稿， 1985年 1 月發(fā)表了第 2 稿， 1987 年 2 月有辦法了第 3 稿。在草案中對(duì) PLC 定義如下： 可編程控制器（ Programmable Logic Controller,， PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)計(jì)數(shù)和算術(shù)操作 等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入∕輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC 及其有關(guān)外圍設(shè)備， 都按易于工業(yè)系統(tǒng)連成一個(gè)整體，按易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 此定義還強(qiáng)調(diào)了 PLC 是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，即它是“專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)”的計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運(yùn)算 、 順序控制 、 定時(shí) 、 計(jì)數(shù) 、 和算術(shù)操作等，它還具有“數(shù)字量或模擬量的輸入 ∕ 輸出控制”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系 12 統(tǒng)連成一體”，易于“擴(kuò)充”， PLC 的整體認(rèn)識(shí)如圖 21 所示。 實(shí) 實(shí) 現(xiàn) 現(xiàn) 面向用戶 實(shí) 現(xiàn) 的指令 實(shí) 實(shí) 現(xiàn) 現(xiàn) 圖 21 PLC 的整體認(rèn)識(shí) 3. PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 的結(jié)構(gòu)與一般計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，下面分別對(duì) PLC 的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行介紹。 一、 PLC 的硬件系統(tǒng) 不管是整體式、模塊式還是混合式結(jié)構(gòu)的 PLC，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大體上都是相似的，其 硬件系統(tǒng)基本上由基本單元包括中央處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器（用戶程序儲(chǔ)存器、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）、（ I∕ O） 接口、通信接口、電源和外部設(shè)備等組成。其中， CPU 是 PLC 的核心， I/O 接口電路是連接現(xiàn)場(chǎng) I/O 設(shè)備與 CPU之間的橋梁，通信接口用于與編程器、上位計(jì)算機(jī)等外圍設(shè)備連接 .PLC 的基本結(jié)構(gòu)，如圖 22 所示。 下面是對(duì) PLC 各主要組成部分逐一進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 1. 中央處理單元（ CPU） 邏輯運(yùn)算 PLC 定時(shí)、計(jì)數(shù) 數(shù)字量或模擬量的輸入∕輸出控制 算 術(shù)操作 順序控制 工業(yè)領(lǐng)域 13 同一般的微機(jī)一樣， CPU 是 PLC 的核心。 PLC 中所配置的 CPU 隨機(jī)型 接收 驅(qū)動(dòng) 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào) 負(fù)載 圖 22 PLC 的基本結(jié)構(gòu) 不同而不同，常用有三類，通用微處理器（如 Z80、 808 80286 等）、單片微處理器 (如 803 8096 等 )和位片式微處理器（如 AMD29 等）。小型 PLC 大多采用 8位通 用處理器和單片微處理器，中型 PLC 大多采用 16位通用微處理器或單片微處理器，大型 PLC 大多采用高速位片式微處理器。 目前，小型 PLC 為單 CPU 系統(tǒng)，而中、大型 PLC 則大多為雙 PLC 系統(tǒng)，甚至有些 PLC 中多達(dá) 8 個(gè) CPU。對(duì)于雙 CPU 系統(tǒng)，一般一個(gè)為字處理器，通常采用 8位或 16 位處理器，另一個(gè)為位處理器，采用由各廠商設(shè)計(jì)制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編輯器進(jìn)行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實(shí)現(xiàn) PLC 編輯語(yǔ)言向機(jī)器語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換。為處理器的采用提高可 PLC 得速度，使 PLC 更好的滿足 實(shí)時(shí)控制的要求。 在 PLC 中， CPU 按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮 PLC 有條不紊地進(jìn)行工作，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面： （ 1） 接收從編輯器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。 （ 2） 診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編輯中的語(yǔ)言錯(cuò)誤等。 （ 3） 通過(guò)輸入接口接收現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。 （ 4） 從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)解釋后執(zhí)行。 （ 5） 根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，通過(guò)輸出單元實(shí)現(xiàn)輸出控制。有些 PLC 還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 CPU 輸 出 接 口 電源 CPU 輸