【文章內(nèi)容簡介】 資修建的城市高速道路，緩解主干道車流量繁忙的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門待解決的主要問題。 按照城市交通控制的需要，本文討論了用 PLC 實現(xiàn)正常時序、急車強(qiáng)通 2種控制方式，通過傳感器與 PLC 完成對交通異常狀況（滯留或堵車）的判別及處理。 正常時序控制對路面進(jìn)行控制 。 南北方向紅燈時 ， 東西方向綠燈 。 綠燈閃 3 秒緊接著黃燈閃 2秒 ， 變紅燈 ， 南北方向紅燈直接變綠燈 。 東西方向紅燈時同理 。 急車強(qiáng)通時發(fā)送信號給交通燈 控制系統(tǒng)， 讓其對來急車方向的交通燈進(jìn)行綠燈暢通 。 急車強(qiáng)通信號受急車強(qiáng)通開關(guān)控制；無急車時，信號燈 按 正常時序控制；有急車來時，一律強(qiáng)制讓急車方向的綠燈亮，使急車放行，直至急車通過為止。 交通滯留的異常情況 ，在路口與路尾設(shè)置兩個傳感器進(jìn)行檢測車流量 。 交通路段車流量繁忙時，傳感器起到勘測車流量的存在與通過的作用。當(dāng)一方車流量過大的時候 ,PLC 要對控制這一路段的信號燈進(jìn)行調(diào)控 ,讓滯留或堵車的一方綠燈時間加長 ,直到交通暢通為止這種工作的好處是避免了交通堵塞造成的不必要的麻 煩與事故 。 二 、 可編程程序控制器（ PLC） 概述 可編程序控制器 （ Programmabie Logic Controller,縮寫 PLC） 是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計算機(jī)、通信、聯(lián)網(wǎng)以及自動控制技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置。可編程序控制器 是隨著技術(shù)的進(jìn)步與現(xiàn)代社會生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，為適應(yīng)多品種 、 小批量生產(chǎn)的需要，生產(chǎn)發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制裝置。 PLC 從 1969 年問世以來，雖然至今還不到 40 年，但由于其具有通用靈活的控制性能 和 簡單方便的使用性能，可以適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境的可靠性，因此在工業(yè)自動化各領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。有人將它與數(shù)控技術(shù)、 CAD/CAM 技術(shù)工業(yè)機(jī)械人技術(shù)并稱為現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)的四大支柱。 可編程序控制器在我國的發(fā)展與應(yīng)用已有 30 多年的歷史，現(xiàn)在它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，成為提高傳統(tǒng)工業(yè)裝備水平和技術(shù)能力的重要設(shè)備和強(qiáng)大支柱。隨著全球一體化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，努力發(fā)展可編程序控制器在 我國的大規(guī)模應(yīng)用，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可編程序控制器技術(shù) 。 5 （ 1） PLC的發(fā)展歷程 在可編程控制器出現(xiàn)前，在工業(yè)電氣控制領(lǐng)域中，繼電器控制占主導(dǎo)地位，應(yīng)用廣泛。但是電器控制系統(tǒng)存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點，特別是其接線復(fù)雜 、不易更改，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性差。 1968 年美國通用汽車公司（ ）為了適應(yīng)汽車型號的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設(shè)計和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。于是就設(shè)想將計算機(jī)功能強(qiáng)大、靈活、通用性好等優(yōu)點與電器控制系統(tǒng)簡單易懂、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，而且這種裝置采用面向控制過程、面向問題的“ 自然語言 ” 進(jìn)行編程，使不熟悉計算機(jī)的人也能很快掌握使用。 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）根據(jù) 美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項技術(shù)迅速發(fā)展起來。 早期的可編程控制器僅有邏輯運算、定時、計數(shù)等順序控制功能，只是用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制 ,通常稱為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller ）。隨著 微電子 技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 20 世紀(jì) 70 年代中期微處理器技術(shù)應(yīng)用到 PLC中，使 PLC 不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能。 20世紀(jì) 80 年代以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，16位和 32 位微處理器應(yīng)用于 PLC 中，使 PLC 得到迅速發(fā)展。 PLC不僅控制功能增強(qiáng)，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使 PLC 真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實的多功能控制器。 PLC 的發(fā)展過程大致可以分為如下幾個階段： 1970— 1980 年： PLC 的結(jié)構(gòu)定型階段。在這一階段，由于 PLC 剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)（如邏輯電路型、 1 位機(jī)型、通用計算機(jī)型、單板機(jī)型等），但迅速被淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有 PLC 結(jié)構(gòu)形成，取得了市場的認(rèn)可，得以迅速發(fā)展 和 推廣。 PLC 的原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟， PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域由最初的小范圍、有選擇使用、逐步向機(jī)床、生產(chǎn)線擴(kuò)展。 1980— 1990 年： PLC 的普及階段。在這一階段， PLC 的生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，價格不斷下降， PLC 被迅速普及。各 PLC 生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的價格 、 品種開始系列化，并且形 6 成了 固定 I/O點型、基本單元加擴(kuò)展塊型、模塊化結(jié)構(gòu)型這三種延續(xù)至今的基本結(jié)構(gòu)模型。 PLC 的應(yīng)用范圍開始向順序控制的全部領(lǐng)域擴(kuò)展。比如三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 F、 F F2小型 PLC系列產(chǎn)品 ,K/A 系列中、大型 PLC 產(chǎn)品等。 1990— 2020 年， PLC 的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步， PLC 的功能日益增強(qiáng)， PLC 的 CPU 運算速度大幅度上升、位數(shù)不斷增加，使得適用于各種特殊控制的功能模塊不斷被開發(fā)， PLC 的應(yīng)用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。此外， PLC 的體積大幅度縮小，出現(xiàn)了各類微型 化 PLC。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 FX小型 PLC 系列產(chǎn)品， AIS/A2US/Q2A 系列中，大型 PLC 系列產(chǎn)品等。 2020 年至今： PLC的高性能與網(wǎng)絡(luò)化階段。在本階段，為了適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展與工廠自動化的需要， PLC 的各種功能不斷進(jìn)步。一方面， PLC 在繼續(xù)提高 CPU 運算速度，位數(shù)的同時，開發(fā)了適用于過程控制，運動控制的特殊功能與模塊，使 PLC的應(yīng)用范圍開始涉及工業(yè)自動化的全部領(lǐng)域。與此同時， PLC 的網(wǎng)絡(luò)與通信功能得到迅速發(fā)展， PLC 不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通入 /輸出設(shè)備，還可以通過各種總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，為工廠 自動化奠定了基礎(chǔ)。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 FX 小型 PLC 系列產(chǎn)品（包括最新的 FX3u 系列產(chǎn)品）， Qn,QnPH 系列中，大型 PLC 系列產(chǎn)品等。 （ 2） PLC的發(fā)展趨勢 從當(dāng)前產(chǎn)品技術(shù)性能來看， PLC 發(fā)展趨勢仍然主要體現(xiàn)在體積的縮小與性能的提高兩大方面。 ①體積小型化。電子產(chǎn)品體積的小型化是微電子技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果?，F(xiàn)代 PLC無論從內(nèi)部元件組成還是硬件、軟件結(jié)構(gòu)都已經(jīng)與早期的 PLC 有了很大的不同， PLC體積被大幅度縮小。 ②性能的提高。 PLC 的性能主要包括 CPU 性能與 I/O 性能兩大方面。 可編程序控制器在我國 的發(fā)展 狀況如下： (一 ) 我國可編程序控制器的發(fā)展與國際上的發(fā)展有所不同，國際上可編程序控制器的發(fā)展是從研制、開發(fā)、生產(chǎn)到應(yīng)用，而我國則是從成套設(shè)備引進(jìn)、可編程序控制器引進(jìn)應(yīng)用、消化移植、合資生產(chǎn)到廣泛應(yīng)用。大致可劃分為下述三個階段： ① 可編程序控制器的初級認(rèn)識階段（ 70 年代后期到 80 年代初期）國際上可編程序控制器的發(fā)展，首先引起了國內(nèi)工程技術(shù)界的極大興趣，所以我國對可編程序控制器的認(rèn)識始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套設(shè)備引進(jìn)中，當(dāng)時的上海寶鋼一期工程中有多項工程引進(jìn)了十幾種機(jī)型約 200 多臺可編程序控制器。這些可編程序 7 控制器用于原料碼頭到高爐、軋鋼、鋼管等整個鋼鐵冶煉以及加工生產(chǎn)線上，取代了傳統(tǒng)的繼電器邏輯系統(tǒng)，并部分取代了模擬量控制和小型 DDC 系統(tǒng)。繼寶鋼一期工程后，國內(nèi)許多廠家陸續(xù)引進(jìn)的設(shè)備和生產(chǎn)線大都配備了可編程序控制器，其應(yīng)用范圍包括電站、石油化工、汽車制造、港口和碼頭等各領(lǐng)域。正是在成套設(shè)備引進(jìn)過程中，我們打開了眼界，了解認(rèn)識了可編程序控制器，這也促進(jìn)了可編程序控制器在我國的發(fā)展。 ② 可編程序控制器的引進(jìn)應(yīng)用和消化移植階段（ 80 年代初期到 90 年代初期） 80年代初期開始 ，隨著我國改革開放的不斷深入，在成套設(shè)備引進(jìn)的同時，國外原裝的可編程序控制器開始涌入國內(nèi)市場。許多部門和單位相繼引進(jìn)可編程序控制器并自己設(shè)計組成控制系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍也擴(kuò)大到建材、輕工、煤炭、水處理、食品、制藥、造紙、橡膠和精細(xì)化工等工業(yè)領(lǐng)域。 ③ 可編程序控制器的廣泛發(fā)展階段（ 90 年代初期到現(xiàn)在） 進(jìn)入 90年代，我國的可編程序控制器進(jìn)入了廣泛發(fā)展階段，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： (二 ) 政府重視 可編程序控制器的發(fā)展得到了政府的高度重視，在當(dāng)時機(jī)械電子工業(yè)部的領(lǐng)導(dǎo)下，于 1991 年成立了可編程序控制器行 業(yè)協(xié)會?？删幊绦蚩刂破餍袠I(yè)協(xié)會在政府和企事業(yè)之間起到了橋梁作用，溝通了情況，為做出決策提供了依據(jù)。同時可編程序控制器的標(biāo)準(zhǔn)化工作也受到了有關(guān)部門的重視，于 1993 年成立了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，為我國可編程序控制器的進(jìn)一步發(fā)展打下了基礎(chǔ)。 （ 3） PLC的應(yīng)用 PLC 的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其應(yīng)用受到限制。但最近十多年來， PLC 的應(yīng)用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于微處理器芯片幾有關(guān)元件的價格大大下降，使得 PLC的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增強(qiáng)，它也能解決復(fù)雜的計算和通 信問題。目前 PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、 石油 、化工、 電力 、 機(jī)械制造 、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。 PLC 的應(yīng)用范圍通?？煞殖梢韵?5種類型： 1）順序控制 這是 PLC應(yīng) 用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合 PLC 使用的領(lǐng)域。它用來取代傳統(tǒng)的 繼電器順序控制。 PLC 應(yīng)用于單機(jī)控制、多機(jī)群控、生產(chǎn)自動線控制等。例如：注塑機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。 8 2)運動控制 PLC 制造商目前已提供了拖動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，在多數(shù)情況下， PLC 把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模塊，其輸出移動一軸或數(shù)據(jù)到目標(biāo)位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)奈恢煤图铀俣?，確保運動平滑。 3）過程控制 PLC 還能控制大量的過程參數(shù)，例如 ：溫度、流量、壓力、液位和速度。 PID 模塊提供了使 PLC 具有閉環(huán)控制的功能，即一個具有 PID 控制能力的 PLC可用于過程控制。當(dāng)過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時， PID 控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定植上。 4）數(shù)據(jù)處理 在機(jī)械加工中， PLC 作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于 CNC 和 NC 系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。 5）通信網(wǎng)絡(luò) PLC 的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程 I/O 之間的通信、多臺 PLC 之間的通信、PLC 和其他智能控制設(shè)備（如計算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。 PLC 與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成 “ 集中管理、分散控制 ” 的分布式控制系統(tǒng)。 雖然我國在 PLC 生產(chǎn)方面比較弱，但在 PLC 應(yīng)用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入 10萬臺套 PLC 產(chǎn)品，年銷售額 30 多億人民幣，應(yīng)用的行業(yè)也很廣。 在我國，一般按 I/O 點數(shù)將 PLC 分為微型 （ 32 I/O）、 小型 （ 256 I/O）、 中型 （ 1024 I/O）、 大 型（ 4096 I/O）、 巨型 （ 8192 I/O）幾個型號。 在我國應(yīng)用的 PLC 系統(tǒng)中， I/O64 點以下 PLC 銷售額占整個 PLC 的 47%， 64 點~256 點的占 31%，合計占整個 PLC 銷售額的 78%。 的硬件結(jié)構(gòu) PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)從結(jié)構(gòu)上分， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 其結(jié)構(gòu)如圖 21所示。 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞，它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)、檢查電源、存儲器 I/O以及警戒定時器 的狀態(tài)；并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng) PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 9 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)，等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行直到停止運行。 圖 21 PLC的結(jié)構(gòu)圖 的工作原理 PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸 出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點 (包括其常開或常閉觸點 )不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。 考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時間一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了一種不同于一般微型計算機(jī)的運行方式 掃描技術(shù)。這樣在對于 I/O 響應(yīng)要求不高的場合， PLC 與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)別了。 當(dāng) PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀 10 態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃