【文章內(nèi)容簡介】 個系統(tǒng)的核心，它按 PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮 PLC 有條不紊的進行工作。主要用于接受并存儲從編程器輸入的用戶程序，檢查編程是否出錯，進行系統(tǒng)診斷，解釋并執(zhí)行用戶程序，完成通信及外設的某些功能。目前， PLC 采用的微處理器有通用微處理器、單片微處理器 （即單片機）、位片式微處理器。 電源： PLC 可直接采用普通單相交流電，允許電源電壓在額定電壓的 15%～ +10%范圍內(nèi)波動，也可用直流 24V 供電。 內(nèi)部的開關電源為 PLC 的中央處理器，存儲器等電路提供 5V、 12V、 24V 直流電源，使 PLC 能正常地工作。 存儲器：在 PLC 主機內(nèi)部配有三種不同類型的存儲器，系統(tǒng)存儲器 ROM、用戶程序存儲器 RAM 和工作數(shù)據(jù)存儲器。 輸入 /輸出單元（ I/O 單元）： I/O 單元又稱為 I/O 接口電路。輸入接口電路的輸入方式有直流輸入（直流 12V 或 24V）和交流輸入（交流 100120V 或 200240V）。輸出接口電路為適應不同負載需要，有三種方式，即繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出。繼電器電源 擴展接口 通信接口 輸出接口 輸入接口 CPU 存儲器 各類輸入 通信設備 各類輸出 擴展單元 總線 圖 21PLC 的基本結構圖 6 輸出方式最常用，適用于交、直流負載，其特點是帶負載能力強，但動作頻率與響應速度慢；晶體管輸出適用于直流負載，其特點是動作頻率高，響應速度快，但帶負載能力?。痪чl管輸出適用于交流負載，響應速度快，帶負載能力不大。 其他部件：有些 PLC 還可以有 ERROM 寫入器、存儲器卡等其他外部設備，用于增強 PLC 的存儲容量和擴展功能。 PLC 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的運行方式 掃描技術。這樣在對于 I/O 響應要求不高的場合， PLC 與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區(qū)別了。 當 PLC 投入運行后其工作過程一般分為三個階段即輸入采樣、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執(zhí)行上述三個階段。 （ 1） 輸入采樣階段 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映像 區(qū)中的相應得單元內(nèi)。輸入采樣結束后轉(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 映像 區(qū)中的相應單元的狀態(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描周期 ， 才能保證在任何情況下 ， 該輸入均能被讀入。 （ 2） 程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段 ， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描 用戶程序 (梯形圖 )。在掃描每一條梯形圖時 ， 又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路 ， 并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構成的控制線路進行邏輯運算 ， 然后根據(jù)邏輯運算的結果 ，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應位的狀態(tài) ； 或者刷新該輸出線圈在 I/O 映像 區(qū)中對應位的狀態(tài) ； 或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 在用戶程序執(zhí)行過程中 ， 只有輸入點在 I/O 映像 區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化 ， 而其他輸出點和軟設備在 I/O 映像 區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化 ， 而且排在上面的梯形圖 ， 其程 序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用 ； 相反 ， 排在下面的梯形圖 ， 其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 （ 3） 輸出刷新階段 7 在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態(tài)在（通 /斷）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅(qū)動外部負載。對于小型 PLC， I/O 點數(shù)較少，用戶程序較短，用集中采樣集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應速度，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。 在 PLC 的存儲器中，設 置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。 PLC 梯形圖中別的編程元件也有對應的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。 PLC 的掃描工作過程如圖 2圖 23 所示 。 圖 22 PLC 的掃描工作過程圖 圖 23 PLC 的掃描周期圖 8 3 交通燈系統(tǒng)設計 控制系統(tǒng)的控制要求 信號燈受啟動及停止按鈕的控制，當按下啟動按鈕時，信號燈系統(tǒng)開始工作，并周而復始地循環(huán)工作，當按下停止按鈕時，系統(tǒng)將停止在初始狀態(tài)，所 有信號燈都熄滅。 （ 1） 控制要求 ： 南北主干道 綠燈亮 20S 綠燈閃 3S 黃燈亮 2S 紅燈亮 25S 南北人行道 紅燈亮 30S 綠燈 亮 17S 綠燈閃 3S 東西主干道 紅燈亮 25S 綠燈亮 20S 綠燈閃 3S 黃燈亮 2S 東西人行道 綠燈亮 17S 綠燈閃 3S 紅燈亮 30S （ 2） 正常循環(huán)控制方式： 交通燈變化順序表（單循環(huán)周期 50 秒）： 1） 南北向（列）和東西向（行）主干道均設有綠燈 20S，綠燈閃亮 3S，黃燈 2S 和紅燈 25S。當南北主干道紅燈點亮時，東西主干道應依次點亮綠燈，綠燈閃亮和黃燈；反之 ，當東西主干道紅燈點亮時，南北主干道依次點亮綠燈，綠燈閃亮和黃燈。 2） 南北向和東西向人行道均設有通行綠燈和禁行紅燈。南北人行道通行綠燈應在南北向主干道直行綠燈點亮 3S 后才允許點亮，然后接 3S 綠閃，其他時間為紅燈；同樣，東西人行道通行綠燈于東西向主干道直行綠燈點亮 3S 后才允許點亮，然后接 3S 綠閃，其它時間為紅燈。 （ 3） 急車強通控制方式： 1） 急車強通信號受急車強通開關控制。無急車時，按正常循環(huán)時序控制，有急車來時，將急車強通開關接通，不管原來信號狀態(tài)如何，一律強制讓急車來車方向的綠燈亮，直到急車通過為止 ，將急車強通開關斷開，信號的狀態(tài)立即轉(zhuǎn)為急車放行方向的綠燈閃亮3 次。隨后按正常時序控制。 2） 急車強通信號只能響應一路方向的來車，若兩個方向先后來急車，則響應先來的一方，隨后再響應另一方。 9 系統(tǒng)設計方案分析 系統(tǒng)設計時序圖 根據(jù)以上描述可簡單繪制交通燈的時序波形圖，如圖 3圖 32 所示，南北方向綠燈和東西方向紅燈先亮。 圖 31 十字路口主干道交通燈模擬控制時序圖 圖 32 十字路口人行道交通燈模擬控制時序圖 10 系統(tǒng)設計 流程圖 分析系統(tǒng)控制要求 ， 可繪制系統(tǒng)的設計流程圖如圖 3圖 34 所示。 圖 33 主干道模擬控制流程圖 啟動開關 東西紅燈亮 東西綠燈亮 東西綠燈閃 南北綠燈亮 結束 南北紅燈亮 南北綠燈閃 東西人行道 南北人行道 圖 34 人行道模擬控制流程圖 17S 17S 3S 30S 3S 30S 啟動開關 東西紅燈亮 東西綠燈 亮 東西綠燈閃 東西黃燈亮 南北綠燈亮 南北紅燈亮 結束 南北黃燈亮 南北綠燈 閃 東西主干道 南北主干道 20S 3S 2S 25S 25S 2S 3S 20S 11 硬件設計 交通信號 燈 PLC 的 I/O 的分配表 硬件結構設計必須了解各個對象的控制要求 ， 分析對象的控制要求 ， 確定輸入 /輸出(I/O)接口的數(shù)量 ， 確定所控制參數(shù)的精度及類型。如對開關量 ， 模擬量的控制 ， 用戶存儲器的存儲容量等。選擇合適的 PLC 機型及外設 ， 以完成 PLC 的硬件結構配置。 根據(jù)任務要求，可以算出 I/O 點數(shù)，根據(jù) I/O 點數(shù)及功能要求，選擇 FX2N48MR 型PC 機 。繼電器輸出 ， 輸入 24 點 ， 輸出 24 點，交流電源， 24V 直流輸入類型。 FX2N 是FX 系列中功能最強、速度最高的微型 PLC， 內(nèi)置用戶存儲器 8K 步，可擴展到 16K 步，最大 可擴展到 256 個 I/O 點，可有多種特殊功能擴展，實現(xiàn)多種特殊控制功能（ PID、高速計數(shù)、 A/D、 D/A、等）。有功能很強的數(shù)學指令集。通過通信擴展板或特殊適配器可實現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)鏈接。 本系統(tǒng) 共使用了 6 個輸入端子， 10 個輸出端子。 根據(jù)上述選型及控制要求 ， 編制 PLC控制交通燈的 I/O 接口功能表 ， 具體 I/O 的分配 見表 31。 表 31 I/O 分配表 輸入信號 輸出信號 正常循環(huán)按鈕 SB0 X00 南北主干道綠燈 Y00 啟動按鈕 SB1 X01 南北主干道黃燈 Y01 停止按鈕 SB2 X02 南北主 干道紅燈 Y02 急行停止按鈕 SB4 X04 南北人行道紅燈 Y03 南北急行開按鈕 SB5 X05 南北人行道綠燈 Y04 東西急行開按鈕 SB6 X06 東西主干道紅燈 Y10 東西主干道綠燈 Y11 東西主干道黃燈 Y12 東西人行道綠燈 Y13 東西人行道紅燈 Y14 12 十字路口交通燈示意圖 該模擬交通信號燈分為南北和東西兩個方向，分別由綠、黃、紅三種顏色， 在 PLC交通燈模擬模塊中，主干道東西南北每面都有 3 個控制燈，分別為： ● 禁止通行燈 （亮時為紅色） ● 準備禁止通行燈 （亮時為黃色） ● 直通燈 （亮時為綠色） 另外行人道東西南北每面都有 2 個控制燈 ， 分別為： ● 禁止通行燈 （亮時為紅色） ● 直通燈 （亮時為綠色） 十字路口交通燈示意圖如圖 35 所示 。 圖 35 十字路口交通燈示意圖 13 交通信號燈 PLC 控制硬件接線圖 FX2N 通過儲存的程序周期運轉(zhuǎn)。正常時序和急車強通可由可編程控制器 (PLC)來實現(xiàn)。選用 PLC 作為控制器件是因為可編程控制器核心是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境而設計制造的計算機。它具有高可靠性豐富的輸入 /輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力 ；它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算 ， 順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程 。它采用模塊化結構，編程簡單，維修方便。 根據(jù)上述選型及控制要求 ， 繪制 PLC 控制交通燈的電路接線原理圖 ， 該模擬交通信號燈分為南北和東西兩個方向，分別由綠、黃、紅三種顏色，其中， COM 端為交通 燈的公共端。 PLC 的外部接線圖 如圖 36 所示 。 圖 36 PLC 的外部接線圖 14 軟件設計 交通信號燈 PLC 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設計 因為實際的紅綠燈控制中行人道的紅綠燈和主干道的紅綠燈是有這一定的對應關系的，所以在編程前一定要理清它們，這樣有利于在編程時簡化程序、減少 PLC 不必要的運算。 交通燈的閃動是用周期為 1S 的時鐘脈沖 M8013 的觸點實現(xiàn)。根據(jù)要求車道交通燈可以用并行序列來表示它們的工作情況。本篇研究的交通信號燈控制系統(tǒng)的 PLC 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 37 所示。 圖 37 系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 交通信號燈 PLC 梯形圖設計 本系統(tǒng)采用的是三菱公司生產(chǎn)的 FX2N 系列 PLC，主題有三部分組成，主要包括微處理器 CPU、存儲器、輸入 /輸出模塊，另外還有內(nèi)部電源、通信 接 口等其他部分。程序如 圖 38 所示。 綠閃 3S 綠燈 20S 紅燈 3S S 紅燈 25S 南北主干道 南北人行道 東西主干道 東西人行道 南北急行 東西急行 紅燈 28S 綠燈