【文章內(nèi)容簡介】 PLC 的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由主機(jī)、輸入 /輸出接口、電源、編程器擴(kuò)展器接口和外部設(shè)備接口等幾個(gè)主要部分組成。 PLC 的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示： （三） PLC 的工作原理 PLC 是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在 PLC運(yùn)行時(shí)， CPU 根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從 第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。 PLC 的掃描一個(gè)周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。 PLC 在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。 PLC 在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，執(zhí)行的結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存 器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。 輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)輸出設(shè)備工作。 輸入模塊C P U模塊輸出模塊可編程序控制器編程裝置接觸器電磁閥指示燈電源 電源 限位開關(guān)選擇開關(guān)按鈕 12 MCGS 系統(tǒng)介紹 （一）什么是 MCGS MCGS (Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng) )是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于 Microsoft 的各種 32 位 Windows 平臺(tái)上運(yùn)行， 通過對現(xiàn)場 數(shù)據(jù)的采集處理 ， 以 動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 MCGS 組態(tài)軟件功能強(qiáng)大，操作簡單，易學(xué)易用，普通工程人員經(jīng)過短時(shí)間的培訓(xùn)就能迅速掌握多數(shù)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作。同時(shí)使用 MCGS 組態(tài)軟件能夠避開復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟、硬件問題，集中精力去解決工程問題本身，根據(jù)工程作業(yè)的需要和特點(diǎn)，組態(tài)配置出高性能、高可靠性和高度專業(yè)化的工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)。 （二） MCGS 的構(gòu)成 MCGS 系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。 用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán) 境中進(jìn)行，它相當(dāng)于一套完整的工具軟件，幫助用戶設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個(gè)數(shù)據(jù)庫文件，稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。 運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。運(yùn)行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫一起作為一個(gè)整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。一旦組態(tài)工作完成，運(yùn)行環(huán)境和組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫就可以離開組態(tài)環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上。 支持軟件不僅編制 PLC 程序需要，監(jiān)控 PLC 運(yùn)行，特別是監(jiān)視 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況也需要。所以 ，多數(shù)支持編程的軟件，也具有監(jiān)視 PLC 工作的功能。 此外，也有專用于監(jiān)控 PLC 工作的軟件，它多與 PLC 的監(jiān)視終端連用。 十字路口交通燈控制任務(wù) 信號燈受一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)控制，當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)接通時(shí)，信號燈系統(tǒng)開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)斷開時(shí)，所有信號燈都熄滅。 南北紅燈亮維持 25 秒，在南北紅燈亮的同時(shí)東西綠燈也亮，并維持 20秒。到 20秒時(shí)，東西綠燈閃亮，閃亮 3 秒后熄滅。在東西綠燈熄滅時(shí)，東西黃燈亮，并維持 2秒。到 2 秒時(shí)，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時(shí)，南北紅燈熄滅，綠燈亮。 東西紅燈亮維持 30 秒。南北綠燈亮維持 20 秒，然后閃亮 3秒后熄滅。同時(shí)南北 13 黃燈亮，維持 2 秒后熄滅，這時(shí)南北紅燈亮，東西綠燈亮，周而復(fù)始。 研究目的和意義 在十字路口設(shè)置交通燈可以對交通進(jìn)行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強(qiáng)有力的保障。但是隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原先的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統(tǒng)，使其適應(yīng)現(xiàn)在的交通狀況，成為研究的課題。 傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈，通常的做法是：事先經(jīng)過車輛流量的調(diào)查，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法將兩個(gè)方向 紅綠燈的延時(shí)預(yù)先設(shè)置好。然而，實(shí)際上車輛流量的變化往往是不確定的，有的路口在不同的時(shí)段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過長期運(yùn)行、較適用的方案，仍然會(huì)發(fā)生這樣的現(xiàn)象：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊(duì)等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準(zhǔn)確模型的，統(tǒng)計(jì)的方法已不能適應(yīng)迅猛發(fā)展的交通現(xiàn)狀，更為現(xiàn)實(shí)的需要是能有一種能夠根據(jù)流量變化情況自適應(yīng)控制的交通燈。 目前，大部分城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔的控制方法。由于十字路口不同時(shí)刻車輛的流量是復(fù)雜的、隨機(jī)的和不確定的，采用固定時(shí) 間的控制方法，經(jīng)常造成道路有效利用時(shí)間的浪費(fèi)，出現(xiàn)空等現(xiàn)象，影響了道路的暢通。為此，采用不依賴數(shù)學(xué)模型的模糊控制方法設(shè)計(jì)交通燈控制器，能較好地解決這個(gè)問題。 可編程控制器交通燈控制 系統(tǒng)集 成 自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)量技術(shù)、新傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)管理技術(shù)于一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品；充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，配置靈活、組態(tài)方便。另外隨著眾多高科技技術(shù)在日常生活的普遍應(yīng)用，城市空中各種電磁干擾日益嚴(yán)重，為保證交通控制的 可靠、穩(wěn)定，選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的 PLC 是必要的。 方案比較 采用數(shù)字 邏輯電路設(shè)計(jì) 工作原理 :選用十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74161和 3線 8線譯碼器 74LS138。 經(jīng)過譯碼后，輸出十字路口南北、東西二個(gè)方向的控制信號。其中黃燈信號必須滿足間歇閃耀；在夜間時(shí)黃燈一直閃耀，而綠、紅燈滅。 基本組成 :主要由控制器部分和數(shù)字顯示部分 ,秒脈沖發(fā)生器等 組成。 顯示控制部分實(shí)際上是一個(gè)定時(shí)控制電路。當(dāng)綠燈亮?xí)r，使減 14 法計(jì)數(shù)器開始工作（用對方的紅燈信號控制），每來一個(gè)秒脈沖，使計(jì)數(shù)器減 1，直到計(jì)數(shù) 器為 “0” 停止。譯碼顯示可用 74LS47 驅(qū)動(dòng) BCD 碼七段譯碼器，計(jì)數(shù)器采用可預(yù)制加、減計(jì)數(shù)器，如 74LS16 74LS190、 74LS193 等 數(shù)字電路的特點(diǎn) :數(shù)字電路的信號是不連續(xù)變化的數(shù)字信號，所以在數(shù)字電路中工作的器件多數(shù)工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，而放大區(qū)只是過渡狀態(tài)。數(shù)字電路的主要研究對象是電路的輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系，因而在數(shù)字電路中就不能采用模擬電路的分析方法，例如，微變等效電路法等就不適用了。這里的主要分析工具是邏輯代數(shù)，表達(dá)電路的功能主要用真值表，邏輯表達(dá)式及波形圖等 。 其 在任何時(shí)刻的輸出，僅取決于電路此刻的輸入狀態(tài)，而與電路過去的狀態(tài)無關(guān)，它們不具有記憶功能。 或者在任何時(shí)候的輸出，不僅取決于電路此刻的輸入狀態(tài)，而且與電路過去的狀態(tài)有關(guān)，它們具有記憶功能。 PLC 設(shè)計(jì) 采用計(jì)算機(jī)和 FX2N48M2 系列 PLC，在計(jì)算機(jī)上編譯調(diào)試好交通燈控制程序，啟動(dòng) PLC 寫入程序，經(jīng)過運(yùn)行后， 輸出十字路口南北、東西二個(gè)方向的控制信號。其中黃燈信號必須滿足間歇閃耀；在夜間時(shí)黃燈一直閃耀，而綠、紅燈滅。 可編程控制器交通燈控制 系統(tǒng)的特點(diǎn) ：編程簡單，維修方便 ； 聯(lián)機(jī)自動(dòng) 就地工作；上機(jī)控 制的 單周期運(yùn)行 方式；由上位機(jī)通過串口向下位機(jī)送入設(shè)定配方參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)停機(jī)控制方式 。 近年來 PLC 的性能價(jià)格比有較大幅度的提高，使得實(shí)際應(yīng)用成為可能。 本系統(tǒng)采用 PLC 是基于以下四個(gè)原因： ① PLC 具有很高的可靠性，通常的平均無故障時(shí)間都在 30 萬小時(shí)以上； ② 編程能力強(qiáng)，可以將模糊化、模糊決策和解模糊都方便地用軟件來實(shí)現(xiàn)； ③ 抗干擾能力強(qiáng)，目前空中各種電磁干擾日益嚴(yán)重，為了保證交通控制的靠穩(wěn)定，我們選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的 PLC； ④安裝簡單維修方便， PLC 不需要專門的機(jī) 房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需要將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端連接，系統(tǒng)便可投入運(yùn)行。 第二章 交通信號控制系統(tǒng)實(shí)況 十字路口交通燈控制實(shí)際情況描述 15 十字路口交通燈控制實(shí)驗(yàn)面板圖： 實(shí)驗(yàn)面板圖中，甲模擬東西向車輛行駛狀況；乙模擬南北向車輛行駛狀況。東西南北四組紅綠黃三色發(fā)光二極管模擬十字路口的交通燈 控制 任務(wù) 要求 信號燈受一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)控制，當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)接通時(shí)，信號燈系統(tǒng)開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)斷開時(shí)，所有信號燈 都熄滅。 南北紅燈亮維持 25 秒，在南北紅燈亮的同時(shí)東西綠燈也亮，并維持 20秒。到 20秒時(shí)，東西綠燈閃亮，閃亮 3 秒后熄滅。在東西綠燈熄滅時(shí)，東西黃燈亮，并維持 2秒。到 2 秒時(shí)，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時(shí)，南北紅燈熄滅，綠燈亮。 東西紅燈亮維持 30秒。南北綠燈亮維持 20秒，然后閃亮 3 秒后熄滅。同時(shí)南北黃燈亮，維持 2 秒后熄滅，這時(shí)南北紅燈亮，東西綠燈亮，周而復(fù)始。 結(jié)合十字路口交通燈的路況畫出模擬圖 十字路口交通燈模擬控制時(shí)序圖 交通指揮信號燈控制系統(tǒng)工作時(shí)， 對指揮燈的控制要求按一定時(shí)序進(jìn)行，如圖 618北 南 東 西 交通指揮燈示意圖 綠 黃 紅 綠 黃 紅 紅 黃 綠 綠 紅 黃 16 所示。 交通燈控制流程圖 根據(jù)交通燈的實(shí)際控制情況，可得出其流程圖如下： 第三章 可編程控制器程序設(shè)計(jì) 啟動(dòng) / 停止 南北紅燈 東西綠燈 東西黃燈 東西紅燈 南北綠燈 南北黃燈 交通信號 燈時(shí)序狀態(tài)示意圖 17 可編程控制器 I/O 端口分配 根據(jù)對交通指揮信號燈系統(tǒng)控制要求分析，系統(tǒng)采用自動(dòng)控制方式，輸入有系統(tǒng)開啟與停止按鈕信號；輸出有東西方向、南北方向各兩組指示信號。 甲模擬東西向車輛行駛狀況；乙模擬南北向車輛行駛狀況 由此可知，該系統(tǒng)所需的輸入點(diǎn)數(shù)為 1，輸出點(diǎn)數(shù)為 8，全部是開關(guān)量，則可將 I//O 分配用 下表 表示。 輸入元件 輸入地址 輸出元件 輸出地址 開啟 /停止 按鈕 SB 南北綠燈 Y0 南北黃燈 Y1 南北紅燈 Y2 東西綠燈 Y3 東西黃燈 Y4 東西紅燈 Y5 甲 Y6 乙 Y7 交通指揮燈的 I/O 分配表 PLC 的外部接線圖 /輸出接線列表 PLC 外部接線原理圖 根據(jù)上述 I/O 表可知， I/O 所需點(diǎn)數(shù)只有 9點(diǎn)，故選用 FX2N48MR 微型 PLC 即可。則 PLC 外部輸入輸出的信號接線如 圖 所示。 輸入 接線 SD X0 輸出 接線 南北 G 南北 Y 南北 R 東西 G 東西 Y