【文章內(nèi)容簡介】 /O 等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 編程簡單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算 機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 。取代傳統(tǒng)的繼電器，不僅可以控制單臺設(shè)備，也可以 智能交通燈設(shè)計 8 控制多機群及自動化流水線，這是它應(yīng) 用的最廣泛的領(lǐng)域。 ?？梢詫囟取毫?、流量、液位等模擬量進行控制，還可以用于位置控制、速度控制以及過程控制等。 。 PLC 可以用于圓周運動或者直線運動的控制，驅(qū)動步進電機或者伺服電機， PLC 廣泛的應(yīng)用于機械、機床、機器人等。 。可以進行數(shù)學(xué)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。 。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)。 PLC 的工 作原理 CPU 不斷的執(zhí)行用戶的程序和任務(wù)的語句，這一過程稱為掃描。一個掃描的周期包括輸入、執(zhí)行、處理、自診斷、輸出等過程。這一過程的運行時循環(huán)往復(fù)不斷經(jīng)行的。它的過程如圖 22 所示。 PLC 由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成。再硬件系統(tǒng)滿足要求，軟件系統(tǒng)已經(jīng)編制好的情況下，它會不斷的執(zhí)行軟件系統(tǒng)以及預(yù)設(shè)好的指令代碼。掃描周期和用戶程序不是一個概念，掃描周期包括用戶程序。即使用戶程序不執(zhí)行，掃描周期也在繼續(xù)，只是這一過程不再包含用戶程序、輸入、輸出這三個方面。 。 PLC 的自監(jiān)視過程不僅可以保障設(shè) 備還可以實時的反映故障。時間監(jiān)視器完成這種自監(jiān)視。當(dāng)一個掃描周期開始時， PLC 中的硬件計時器會自動的更新。而用戶可以根據(jù)自己的需要來修改 WDT，它的數(shù)值在 100到 200，而且設(shè)計人員可以通過標(biāo)志位來處理錯誤的結(jié)果。 。大型有網(wǎng)絡(luò)的 PLC 有網(wǎng)絡(luò)掃描過程，而小型的PLC 則沒有這種掃描過程。 PLC 與 PLC 之間以及 PLC 與計算機之間可以通過網(wǎng)絡(luò)寬帶來進行通信。 。只要機器是正常運行的，那么，該掃描過程會移植存在。用戶可以通過軟件來根據(jù)自己的需要來有目的的控制這一過程。掃描過程 的時間與用戶程序的長短有著密切的關(guān)系。 。同樣，只要機器是正常運行的，這一過程貫穿于整個掃描過程。并且該過程同樣是可控的。如果 CPU 要處理程序，它不從及既不從輸入點讀取，也不直接送到輸出點。而是通過計算機內(nèi)部的輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。輸入映像寄存器控制輸入值，而輸出映像寄存器則保存運算的結(jié) 智能交通燈設(shè)計 9 果。在一個掃描過程中，輸入點的狀態(tài)會被所入到輸入映像寄存器，而一樣，輸出映像寄存器的指會被所入到相應(yīng)的輸出點。未來滿足現(xiàn)場施工和運作的要求，PLC 支持 I/O 接口可受用戶控制的特點。用戶可以鎖定 或者開鎖 I/O 接口，而且鎖定后， I/O 接口的掃描過程便不再運行。這一過程的好處是，可以有效的節(jié)約I/O 端口的掃描時間，提高效率。 在讀輸入階段， CPU 對各個輸入端子進行掃描，通過輸入電路將各輸入點的狀態(tài)鎖入輸入映像寄存器中。緊接著轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段， CPU 按照先左后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進行掃描， PLC 在執(zhí)行用戶程序時會事先參考輸入映像寄存器和輸出映像寄存器，最后將結(jié)果傳送到輸出映像寄存器中。程序執(zhí)行時，就算輸入子端變化，這一個工作周期，輸入寄存器也不會改變，只是會在下一個周期被讀入。同樣，輸出鎖存 器會鎖定輸出映像寄存器，通過輸出電路，這一結(jié)果會被輸出。 由上述分析得出循環(huán)掃描有如下特點： ⑴ 掃描過程周而復(fù)始地進行，讀輸入、寫輸出和用戶程序是否執(zhí)行是可控的。 ⑵ 輸入映像寄存器的內(nèi)容是設(shè)備驅(qū)動的，在程序執(zhí)行過程中的一個工作周期內(nèi)輸入映像寄存器的值保持不變， CPU 采用集中輸入的控制思想，只能使用輸入映像積存的值來控制程序的執(zhí)行。 ⑶ 程序執(zhí)行完后的輸出映像寄存器的值決定了下一個掃描周期的輸出值，而在程序執(zhí)行階段，輸出映像寄存器的值即可以作為控制程序執(zhí)行的條件，同時又可以被程序修改用于存儲中間結(jié)果或下一 個掃描周期的輸出結(jié)果。此時的修改不會影響輸出鎖存器的現(xiàn)在輸出值，這是與輸入映像寄存器完全不同的。 ⑷ 對同一個輸出單元的多次使用、修改次序會造成不同的執(zhí)行結(jié)果。由于輸出映像寄存器的值可以作為程序執(zhí)行的條件，所以程序的下一個掃描周期的集中輸出結(jié)果是與編程順序有關(guān)的，即最后一次的修改決定了下一個周期的輸出值，這是編程人員要注意的問題。 各個電路和不同的掃描階段會造成輸入和輸出的延遲，這是 PLC 的主要缺點。各 PLC 廠家為了縮小延遲采取了很多措施，編程人員應(yīng)對所使用型號的 PLC的延遲時間的長短很清楚，它是進行 PLC 選型時的重要指標(biāo)。 PLC 的性能指標(biāo)和軟件系統(tǒng) PLC 的性能指標(biāo) 智能交通燈設(shè)計 10 .。 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(biāo)能夠反映出該 PLC 的功能強弱。 。 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。 。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)。 。指執(zhí)行 1024 條基本指令用時。 。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。 。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(yuǎn)程 I/O 能力和監(jiān)控功能等。 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(biāo)，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?PLC 的軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)程序和用戶程序。 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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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。 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： 智能交通燈設(shè)計 11 ⑴ 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。 ⑵ 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。 ⑶ 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。 ⑷ 步進模塊。用于步進順序操作。 ⑸ 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。 智能交通燈設(shè)計 12 第三章 基于 PLC 的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計 PLC 型號的選定以及可行性分析 本設(shè)計擬采用三菱 FX2― 64MR― 001 型 PLC,此型號是 PLC 家族中最先進的PLC 之一。它具有一些顯著的特點：最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合 世界各個國家不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，因此在選定的過程中，他有著廣泛的選定范圍。它的各方面參數(shù)如下： I/O 總數(shù)為 6輸入數(shù)目為 3輸出數(shù)目為 3型號為漏型。采用 24V、400mA 直流電源，它優(yōu)良的快速斷開端子塊使得接著線纜也可以更換單元，并且它的遠(yuǎn)程維護功能使得遠(yuǎn)處的編程軟件可通過調(diào)制解調(diào)器通信來監(jiān)測、上載和卸載程序和數(shù)據(jù)。與其他 PLC 相比，本 PLC 價格便宜，功能齊全，除了有著速度、邏輯、定位等優(yōu)越之處而且還安裝簡單，維修方便。本設(shè)計中的十字路口東西南北四個方向各有一個光點計數(shù)器來 統(tǒng)計通過車子的輛數(shù)，再加上啟動開關(guān)和停止開關(guān)總共需要 6 個輸入接口。而東西南北每個方向各有紅綠黃燈一個，一起總共有交通信號燈 12 個，也就是需要 12 個輸出接口。據(jù)此看來，選擇三菱 FX2―64MR― 001 型 PLC 完全能夠滿足要求。 光電計數(shù)器與選型 光電計數(shù)器的原理 光電計數(shù)器是通過光感應(yīng)器將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M而進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計的一種器械，現(xiàn)在市面上的觀點感應(yīng)器種類繁多，其基本原理如圖： 圖 31 光電計數(shù)器的基本原理 信號產(chǎn)生：由發(fā)光二極管將電信號轉(zhuǎn)化成光信號 ，有電流經(jīng)過時會發(fā)出光來。 信號采集：發(fā)光二極管的 PN 節(jié)處通過管殼的玻璃窗口能夠接受外部光源從而將光信號轉(zhuǎn)變成電信號。 信號處理：對信號進行放大和整形。 數(shù)字顯示：通過十進制計數(shù)芯片將電信號轉(zhuǎn)變成可讀的數(shù)字。 光電計數(shù)器的電路圖如下： 信號產(chǎn)生 信號采集 信號處理 數(shù)字顯示 智能交通燈設(shè)計 13 圖 32 光電計數(shù)器的電路圖 光電計數(shù)器的選擇 普通的光電開關(guān)在市面上種類繁多，而且價格便宜，基于本設(shè)計對于光電計數(shù)器的要求較高，要求光電計數(shù)器在各種氣象條件下均能保持良好的運行狀態(tài)，并且使用壽命長，無需經(jīng)常更換。在參考市面上各種光電計數(shù)器的性能指標(biāo) 以及相對經(jīng)濟性的情況下，本設(shè)計擬采用樂清市柳市普邦接近開關(guān)廠生產(chǎn)的NI35CP40FZ3X2 型號光電開關(guān)，該開關(guān)采用最常用的無接觸檢測解決方案。即接近傳感器是電感型的，即通過電磁波，來感應(yīng)經(jīng)過傳感器檢測面附近的金屬物體 。該鏟平采用專用的 IC，抗干擾能力強，并且檢測距離是普通產(chǎn)品的 到 2倍。該產(chǎn)品的抗噪能力強，漏電流為 ，殘留電壓 以下。接近開關(guān)與電纜接近部位采用強化電纜使其彎曲度和使用壽命是一般開關(guān)的 9 倍以上。別且該開關(guān)內(nèi)部還內(nèi)置過壓，過流，反接保護電路。 圖 33 NI35CP40FZ3X2 型光電開關(guān) 光電計數(shù)器的鋪設(shè) 通過對路面車流量長期的觀測，以及對數(shù)據(jù)經(jīng)行分析，最終和小組成員討論 智能交通燈設(shè)計 14 出將光電計數(shù)器安裝在距離十字路口 30 米出較為合適。通過光電計數(shù)器的計數(shù)，可以統(tǒng)計出在路口為紅燈時光電計數(shù)器到十字路口交叉口處這一段范圍內(nèi)的車輛數(shù)。進而完成對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計工作。十字路口的情況以及光電計數(shù)器的鋪設(shè)狀況如圖： 圖 34 十字路口光電計數(shù)器的鋪設(shè)情況 設(shè)計思路 正常時序時：交通燈控制系統(tǒng)的 控制要求如下 ，當(dāng)起動開關(guān)接通時，信號系統(tǒng)開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。 倘若要所有信號燈熄滅，則關(guān)閉啟動開關(guān) 。 ，如果同時亮 則信號系統(tǒng)應(yīng)該停止運行 ，并報警。 25S。在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮， 東西綠燈持續(xù)亮 20S。到 20S 時，東西綠燈閃爍 3S，之 后熄滅。在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮 2S 后熄滅 。到 2S 時， 當(dāng) 東西黃燈熄 時 ，東西紅燈亮。同時，南北紅燈熄滅，南北綠燈亮。 30S。南北綠燈亮 25S。然后 南北綠燈 閃 爍 3S，熄滅。同時 在南北綠燈熄滅的時候， 南北黃燈亮 2S 后熄滅，這時南北紅燈，東西綠燈 。 。 智能交通燈設(shè)計 15 設(shè)計思路的流程圖如下： 南北的車流量小于 東西的車流量 南北的車流量 大于東西的 車流量 南北的車流量小于 東西的出流量 南北的車流量大 于東西的車流 量 圖 35 設(shè)計流程圖 開始 南北方向為綠燈，東西方向為紅燈，持續(xù) 30 秒 比較南北與東西的車流量 南北為綠燈，東西為紅燈，持續(xù) 30 秒 比較南北與東西的車流量 南北為綠燈，東西為紅燈，持續(xù) 30 秒 南北的綠燈閃爍 3 秒后變?yōu)辄S燈，且黃燈持續(xù) 2 秒，東西為紅燈 南北為紅燈，東西為綠燈，計數(shù)器清零，并且持續(xù) 30秒 循環(huán)比較 南北的綠燈閃爍 3 秒后變?yōu)辄S燈，且黃燈持續(xù) 2 秒，東西為紅燈 南北為紅燈，東西為綠燈，計數(shù)器清零，持續(xù) 30 秒 循環(huán)比較 南北的綠燈閃爍 3 秒后變?yōu)辄S燈，且黃燈持續(xù) 2 秒，東西為紅燈 南北為 紅燈，東西為綠燈，計數(shù)器清零，持續(xù) 30 秒 循環(huán)比較 智能交通燈設(shè)計 16 當(dāng)啟動開關(guān)打開時，南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，在 南北方向的綠燈和東西方向的紅燈亮的過程中，東西南北各個方向的計數(shù)器持續(xù)計數(shù)。 30s 后將南北方向的計數(shù)器讀數(shù)相加得到數(shù)據(jù) N1，東西方向的計數(shù)器讀數(shù)相加得到數(shù)據(jù)D1，將南北方向的數(shù)據(jù) N1 和東西方向的數(shù)據(jù) D1，進行比較倘若 N1＞＝ D1，則南北方向的綠燈繼續(xù)持續(xù) 30s，東西方向的紅燈繼續(xù)持續(xù) 30s，這一過程中計數(shù)器在上一個 30s 的基礎(chǔ)上持續(xù)累加。 30s 后，南北方向的計數(shù)器讀數(shù)相加得到數(shù)據(jù)N2，東西方向的計數(shù)器讀數(shù)相加得到