【正文】 .......... 32 外文資料翻譯 ........................................................................................ 33 1 前 言 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分 不同的城市有不同城市的問題，但共性就是混合交通流問題。同時隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，隨著城市機(jī)動車量的不斷增加，人民的生活水平日漸提高，越來越多的汽車進(jìn)入尋常老百姓的家庭，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運行的情況，再加上政府大力發(fā)展的道交、出租車，使得車輛越來越多，這不僅要求道路要越來越寬闊，而且要求有新的交通管理模式和交通規(guī)則的出臺。然而，隨著交通量的快速增長和缺 乏對道路的系統(tǒng)研究和控制，加寬道路并沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。 于是，舊的交通控制系統(tǒng)的弊病和人們越來越高的要求激化了矛盾，使原來不太突出的交通問題被提上了日程。 由于交通路口的形狀和規(guī)模不一，所采用的信號燈的數(shù)量、控制要求不一，控制的復(fù)雜程度也就不一樣，為此、有關(guān)部門愈來 愈多的注重在交通管理中引進(jìn)自動化、智能化技術(shù)，比如“電子警察”、自適應(yīng)交通信號燈以及耗資巨大的交通指揮控制系統(tǒng)等。對交通的管控能力，也就從一個側(cè)面體現(xiàn)了這個國家對整個社會的管理控制能力，因此各國都很重 2 視用各種高科技手段來強(qiáng)化對交通的管控能力。通過對交通信號燈的控制要求分析，對 PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計，并通過實驗證明該系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、運行可靠，具有很高的實用價值 . 3 第 1 章 PLC 的概述 PLC 的產(chǎn)生 20 世紀(jì) 20 年代起，人們把各種繼電器。接觸器及其觸點按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng) .由于它結(jié)構(gòu)簡單。價格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位 .但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點：設(shè)備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難與實現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特 別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r，原有的接線和控制盤就要更換，所以通用性和靈活性較差 .【 1】 20 世紀(jì) 60 年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對整個開展系統(tǒng)重新配置 .為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場競爭要求， 1968 年美國通用汽車公司公開向社會招標(biāo)，對汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是： 1. 編程方便，可現(xiàn)場修改程序 ； 2. 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu) ； 3. 可靠性高于 繼電器控制裝置 ； 4. 體積小于繼電器控制盤 ； 5. 數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機(jī) ； 6. 成本可與繼電器控制盤競爭 ； 7. 輸入可以是交流 150V 以上 ； 8. 輸出為交流 115V，容量要求在 2A以上，可直接驅(qū)動接觸器，電磁閥等 ； 9. 擴(kuò)展時原系統(tǒng)改變最小 ； 10. 用戶存儲器至少能擴(kuò)張到 4KB（適應(yīng)當(dāng)時汽車裝配過程的需要） 。 【 2】 PLC 的定義 美國國際電工委員會（ IEC）在 1987 年對可編程序控制器做出如 下定義：可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部進(jìn)行存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等功能的面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 【 1】 定義強(qiáng)調(diào)了 PLC 應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。 定義還強(qiáng)調(diào)了 PLC 是“數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計算機(jī)，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的”工業(yè)計算機(jī)。它能完成邏輯運算、順序運算、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入和輸出”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴(kuò)充”。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。 PLC 的功能不斷增加，將原來大、中型 PLC 才有的功能部分地移植到小型 PLC 上。另外，存儲容量大大增加。 4. 基于 PC 的編程軟件取代編程器 隨著計算機(jī)的日益普及，越來越多的用戶使用基于個人計算機(jī)上的編程軟件。 5. PLC 編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化 與個人計算機(jī)相比， PLC 的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開放的。 PLC 的編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)式也不一致，因此各廠家的可遍程序控制器互不兼容。標(biāo)準(zhǔn)中共有 5 種編程語言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語言，這使編程能夠選擇不同的語言來適應(yīng)特殊的工作。 7. 組態(tài)軟件與 PLC 的軟件化 個人計算機(jī)（ PC）的價格便宜，有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機(jī)交互的功能。 9. 開發(fā)新型特殊功能模塊 I/O 組件可以提高 PLC 的智能化、高密集度和增大處理能力。 【 4】 PLC 的特點 1. 抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好 PLC 在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗，主要 模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。具體措施主要有以下幾個方面： （ 1）隔離：這是抗干擾的主要措施之一。這種光電隔離措施，使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對于 PLC 的影響，同時防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。在 PLC 的電源電路和輸入 /輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對高頻干 擾信號進(jìn)行有效的抑制。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨立，以避免電源之間的干擾。 （ 5） 利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并采用信息保護(hù)和恢復(fù)措施。 （ 7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。 3. 編程方便，易于使用 PLC 是面向用戶的設(shè)備， PLC 的設(shè)計者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣， PLC 程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。 4. 功能完善 PLC 的輸出 /輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量的輸入 /輸出。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實現(xiàn)延時、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強(qiáng)制 I/O 等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運算、顯示、監(jiān)控、打印、 及報表生成等功能。而采用 PLC 控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在 PLC 到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計周期，使設(shè)計和施工可同時進(jìn)行。 PLC 的輸入 /輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場總線信號的變化狀態(tài)，還能通過 各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 8. 可實現(xiàn)三電一體化 PLC 將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結(jié)（運動控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。 1. 定時 /記數(shù)控制功能 定時 /記數(shù)控制功能指用 PLC 提供 的定時器、記數(shù)器指令實現(xiàn)對某種操作的定時或記數(shù)控制，以取代時間繼電器和記數(shù)繼電器。 3. 步進(jìn)控制功能 步進(jìn)控制功能是指用步進(jìn)指令來實現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進(jìn)行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進(jìn)控制器。 5. 運動控制功能 運動控制 功能是指通過高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進(jìn)行單軸或多軸運動控制。 9 7. 擴(kuò)展功能 擴(kuò)展功能是指通過連接輸入輸出擴(kuò)展單元（即 I/O 擴(kuò)展單元）模塊來增加輸入輸出點數(shù)，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC 的控制功能。 9. 通信聯(lián)網(wǎng) 功能 通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過 PLC 之間的聯(lián)網(wǎng)、 PLC 與上位機(jī)的鏈接等，實現(xiàn)遠(yuǎn)程 I/O 控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復(fù)雜控制。 【 6】 PLC 的基本結(jié)構(gòu)及原理 1. PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 目前 PLC 種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都 大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。由此可見， PLC 的基本結(jié)構(gòu)有控制部分輸入和輸出組成。運算器也稱為算術(shù)邏輯單元，它的功能就是進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算。他的重要功能如下： a. 診斷 PLC 電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。 c. 按用戶程序存儲器中存放的先后順序逐條讀取指令，進(jìn)行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運算和操作。 e. 應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請求。 二大部分是用戶存儲器，包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。輸入接口 11 通過 PLC 的輸入端子接受現(xiàn)場輸入設(shè)備的控制信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU 所能接受和處理的數(shù)字信號。 (5) 輸入輸出 I/O 擴(kuò)展接口 若主機(jī)單元的 I/O 點數(shù)不能滿足輸入輸出點數(shù)需要時，可通過此接口用扁平電纜線將 I/O 擴(kuò)展單元與主機(jī)單元相連接。對每個程序， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃 描周期。 a. 輸入刷新階段 在輸入刷新階段， CPU 掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。 b. 程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。 12 圖 12 PLC 的掃描全過程 顯然掃描周期的長短主要取決與程序的長短。由于每一個掃描周期只進(jìn)行一次 I/O 刷新，即每一個掃描周期 PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描的 I/O 刷新期間輸出才會發(fā)生變化。這是因為輸入采樣僅在輸入刷新階段進(jìn)行， PLC 在一個工作周期的大部分時間里實際上是外設(shè)隔離的。但是對于控制時間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后等不良影響。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機(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，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC 增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。此 時的 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 【 8】 20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段，計算機(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。 20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。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)用都得到了長足的發(fā)展。最初是在引進(jìn)設(shè)備中 大量使用了可編程控制器。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家。 【 9】 PLC 未來展望 21 世紀(jì)， PLC 會有更大的發(fā)展。目前的計算機(jī)集散控制系統(tǒng) DCS 中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。 【 9】 15 第 2 章 交通燈信號燈控制系統(tǒng) 控制要求 信號燈手啟動開關(guān)控制，當(dāng)啟動開關(guān)接通時，信號燈系統(tǒng)開始工作，先南北紅燈亮，東西紅燈亮。 1. 南北紅燈不能同時亮：如果同時亮應(yīng)關(guān)閉信號燈系統(tǒng)，并立刻報警； 2. 南北紅燈亮維持 25s。到 20s 時，東西綠燈亮，閃亮 3s 后熄滅。 3. 東西紅燈亮維持 30s。這是南北紅燈亮，東西綠燈亮。 設(shè)計步驟 更具控制要求，畫出交通燈的狀態(tài)圖，如圖 21 所示。更具輸入輸出點數(shù)及功能要求， 選 FX2— 48MR 型 PC機(jī)完全滿足控制系統(tǒng)要求。但是作為一個控制設(shè)備，單獨用它構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)有其局限性，主要表現(xiàn)為，無法顯示各種實時圖形，無法顯示漢字和打印漢字報表，無法大量存儲數(shù)據(jù)，沒有良好的用戶界面。上位機(jī)通過組態(tài)軟件用來實現(xiàn)采集信息的存儲、處理、顯示報表等功能，同時還要分析診斷出現(xiàn)的異常信息如故障和警報，利用屏幕畫面及圖表，對整個系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)視，畫面中的各類參數(shù)具有實時性，還可以對運行過程進(jìn)行干預(yù)控制等。下面我們以 OMRONPLC 為例作一介紹 。