交通灯PLC可编程课程设计.docx
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交通灯PLC可编程课程设计
摘要
PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。
它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。
由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。
因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。
可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。
在该设计中，还引入EDA模拟十字路口红绿灯闪亮及车辆通行，十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。
关键词：
十字路口交通灯PLC
1PLC的基础
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
总之，可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计的计算机，它是将传统的继电器技术，计算机技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置。
在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体工业应用，因此它的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。
随着微处理器的出现，大规模、超大规模、集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展其发展过程大致可以分为三个阶段[1]。
1.早期的PLC
早期的PLC称为可编程逻辑控制器。
这时，PLC主要功能只是执行原先由继器完成的顺序控制、定时等。
早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示及能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言－－梯形图，一直沿用到现在。
2.中期的PLC
这时PLC产品已使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术是PLC的应用得到了进一步的发展。
在硬件方面，除了保留原有的开发模块外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的范围更大。
在软件方面，还增加了算术运算、数据处理和传送通信、直诊断等功能。
3.近期的PLC
由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器价格的大幅度下降，使的各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
为了提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片。
世界上生产PLC产品的厂家多达200多个，其中比较著名的有美国的AB、通用（GE），日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、松下，德国的西门子（SIEMENS），韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。
1.1PLC的特点
PLC具有以下主要特点：
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
由于PLC模块均采用大规模与超大规模集成电路，所以的I/O接口电路均采用光电隔离;在结构上对、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑;在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施;在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。
以上这些使PLC具有较高的抗干扰能力。
2.控制系统结构简单，通用性强
在PLC控制系统中，只需要在PLC输入/输出端子上接入相应的信号线即可，不需要连接如继电器之类的低压电器和大量而又复杂的硬件接线线路，大大简化了控制系统的结构。
，PLC的输入/输出可直接与交流220V、直流24V等强电相连，并且具有较强的带负载能力。
3.编程方便，易于使用
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4.功能完善
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
在PLC内部具备许多控制功能，如：
逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、PID控制、数据控制、通信和联网，还有其他特殊功能模块。
5.设计、施工、调试的周期短
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
6.体积小，维护操作方便
PLC体积小，质量轻，便于安装，不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
1.2PLC的结构和工作原理
PLC的基本结构
在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。
PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成[2]。
1.中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）一般由控制器运算器和寄存器组成。
它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不序地进行工作。
用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU的主要任务如下：
（1）按PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。
（2）用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。
（3）诊断电源或PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。
（4）在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。
完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。
根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。
2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。
（1）系统存储器
系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器。
它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。
它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
其主要内容包括3个部分：
系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。
（2）用户存储器
用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。
PLC使用的存储器有3种类型：
随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和可擦除可编程只读存储器（EEPRO）。
3.输入/输出接口单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分：
一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。
4.扩展接口和通信接口
PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：
（1）扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。
（2）通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。
5.电源部分
PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位PLC的中央处理器、存储器等。
电路提供5V、+-12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。
6.编程设备
编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
7.其他部件
有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展功能。
PLC的工作原理
PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面做了特别的考虑。
1.PLC的3个工作阶段
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段完成。
上述3个阶段即为一个周期。
在整个运行期间PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。
（1）输入采样阶段PLC。
在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。
此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。
在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。
（2）用户程序执行阶段。
根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。
当指令中涉及输入/输出时，PLC从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。
然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。
对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。
（3）输出刷新阶段。
在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。
对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
2.PLC对输入/输出的处理规则
PLC对输入/输出的处理规则如下：
输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上有个刷新期间的通/断状。
2西门子S7-200系列PLC的硬件单元
西门子公司的PLC产品包括S7-200、S7-300、S7-400、LOGO、HMI人机界面、工业网络、工业软件等。
S7系列PLC具有体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高的优点。
S7系列PLC产品可分为微型PLC（S7-200）、小规模性能要求的PLC（S7-300）和中高规模性能要求的PLC（S7-400）等。
其中S7-200系列的PLC的出色主要表现在以下几个方面[3]：
1.极高的可靠性
2.极丰富的指令集
3.易于掌握
4.便捷的操作
5.丰富的内置集成功能
6.实时特性
7.强劲的通信能力
8.丰富的扩展模块
S7-200系列PLC主要由下面几个部分组成。
1.基本单元
基本单元又称为CPU模块，有的也称为主机或本机。
它包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等，是PLC的主要部分。
实际上它就是个完整的控制系统，可以单独完成一定的任务。
2.扩展单元
S7-200CPU22*系列PLC具有2到7个扩展模块，用户可以根据需要扩展各种I/O模块。
3.特殊功能模块
当需要完成某些特殊功能的控任务时，需要扩展模块和功能模块。
它是完成某种特殊控制任务的一些装置。
4.相关设备
为了充分利用系统硬件和软件资源而开发的相关设备，主要包括编辑设备、网络设备和人机操作界面等。
2.1主机
S7-200CPU22*系列的CPU模块主要包括一个中央处理器、电源、通信口及I/O接口。
它的主要作用有：
执行程序；从现场设备中采集信号；输出控制信号；驱动外部负载。
S7-200CPU22*系列的PLC具有以下5种不同的结构配置：
（1）CPU221具有6个输入点和4个输出点，共计10个I/O点。
无扩展能力。
有4路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，2个独立的输入端，可同时作加、减计数，可连接2个相位差为90度的A/B相增量编码器。
程序和数据存储容量较小，适用于少点的控制系统。
（2）CPU222具有8个输入点和6个输出点，共计14个I/O点。
1个模拟量电位器，最多可扩展10AI/AO点。
4KB用户程序区和2KB数据存储区。
有4路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接2个相位差为90度的A/B相增量编码器。
可以进行一定模拟量的控制和2个模块的扩展，因此是应用更广泛全功能控制器。
（3）CPU224具有14个输入点和10个输出点，共计24个I/O点。
2个模拟量电位器，最多可扩展35AI/AO点。
8KB用户程序区和5KB数据存储区。
有6路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，有7个扩展模块。
它具有更强的模拟量处理能力，是S7-200系列产品中使用最多的。
（4）CPU226。
具有24个输入点和16个输出点，共计40个I/O点。
2个模拟量电位器，最多可扩展35AI/AO点。
8KB用户程序区和5KB数据存储区。
有6路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，2个RS485通信/编程口。
它主要用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。
（5）CPU226XM。
这是西门子公司推出的一种增强型主机。
它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。
2.2CPU的主要特点
1.内部集成的具有强劲的通信能力的PPI接口是S7-200的用户口，CPU接口物理特性为RS485，可在三种方式下工作。
（1）PPI方式：
通过PPI方式，S7-200系列PLC与计算机之间或者是PLC相互之间可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。
（2）MPI方式：
通过MPI方式，S7-200可以通过内置接口连接到MPI网络上，它可以与S7-300/S7-400CPU进行通信。
（3）自由口通信方式；通过自由口通信方式，S7-200系列PLC可以与任何通信协议公开的其他设备、控制器进行通信。
2.丰富的内置集成功能
（1）集成的24V负载电源，可直接连接到传感器和变送器
（2）对于不同的设备类型，其CPU各有2个类型，具有不同的电源电压和控制电压。
（3）中断输入，允许以极高的速度对过程信号的上升沿作出响应。
（4）具有4到6个高数计数器（30KHZ）。
（5）2路脉冲输出由于控制步进电机，或伺服电机的运动，从而实现对目标的定位任务。
3.丰富的扩展模块对数字量和模拟量扩展模块可方便选用。
4.具有易于掌握，便捷的操作以及丰富的指令集。
2.3存储系统
S7-200系列PLC的存储系统由RAM和EEPROM两种类型的存储器构成，CPU模块内部配备了一定容量的RAM和EEPROM。
同时，S7-200系列PLC的CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。
在CPU模块内部的超级电容和电池模块用于长时间的保存数据，用户数据可通过主机的超级电容存储若干天。
2.4扩展单元
当CPU需要进行某种特殊的功能控制或其I/O的扩展，通常I/O扩展包括I/O的点数扩展和功能模块的扩展两类。
1.I/O扩展模块
S7-200系列PLC提供了五大类扩展模块：
（1）数字量输入扩展模板EM221（8路扩展输入）。
（2）数字量输出扩展模板EM222（8路扩展输出）。
（3）数字量输入和输出混合扩展模板EM223（8I/O，16I/O，24I/O）。
（4）模拟量输入扩展模块EM231，每个EM231可扩展3路模拟量输入通道，A/D转换时间25uS，分辨率为12位。
（5）模拟量输入扩展模块EM235，每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时间25uS，D/A转换时间100uS，分辨率均为12位。
2.热电偶/热电阻扩展模块
3.通信扩展模块
信息类型
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
I_数字量
输入
0.0~15.7
0.0~15.7
0.0~15.7
0.0~15.7
Q_数字量
输出
0.0~15.7
0.0~15.7
0.0~15.7
0.0~15.7
M_中间标志位
0.0~15.7
0.0~15.7
0.0~15.7
0.0~15.7
C_计数器
0~255
0~255
0~255
0~255
T_计时器
0~255
0~255
0~255
0~255
AIW_模拟输入字
——
0~30
0~30
0~30
AQW_模拟输出字
——
0~30
0~30
0~30
表1S7-200I/O编址
2.5特殊功能模块
S7-200系列PLC的特殊功能模块有数字量扩展模板、模拟量扩展模块、热电偶/热电阻扩展模块、通信扩展模块和现场设备接口模块。
1.数字量扩展模板
（1）EM221数字量输入模板，24V，8输入。
（2）EM222数字量输出模板，24V，8输出。
（3）EM223数字量混合模板，24V。
2.模拟量扩展模块
（1）EM2314模拟输入点，2W，12位。
（2）EM2322模拟输入点，2W，12位。
（3）EM2354模拟输入点，1模拟输出点，2W，12位。
3.热电偶/热电阻扩展模块
EM231为常用的热电偶/热电阻扩展模块。
其功率损失为1.8W，15位加符号位，WM231AI4热电偶有4模拟量输入点，EM231AI2热电阻有2模拟量输入点。
4.通信扩展模块
EM277JPROFIBU-DP模块是常用的通信扩展模块，它用于PLC现场总线通信连接。
其波特变化范围为9600~11500波特。
5.现场设备接口模块
CPU243-2通信处理器是AS-I主站连接部分，专用于S7-200CPU22*，连接的同时显著增加了S7-200可利用的I/O点数。
2.6内部软元件
用户使用的PLC中的每一个I/O、内部存储单元、定时器和计数器都称为软元件。
各个软元件的功能不同，都有其固定的地址。
软元件是PLC内部具有一定功能的器件，这些器件实际上都是由电子电路、寄存器及存储单元等组成的。
它的特点是；它具有继电器的特性，但它没有机械性的特点，它的最大的优点是其触点可以无限次使用，并且它们的寿命长。
编程时，用户只要记住软元件的地址就可以了。
下面对软元件介绍一下。
1.输入继电器（I）它是PLC用来接收用户设备输入信号的接口。
当外部开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在程序中的常开触点闭合，常触点断开，这些触点可以在编程时任意使用，不受次数限制。
输入继电器位存取的地址编号范围为I0.0~I15.7，输入继电器的数据存取可采用位、字节、字或双字来存取。
2.输出继电器（Q）它是用来将输出信号传送到负载的接口，每一个输出继电器线圈都与相应的PLC输出端相连，并有无数对常开和常闭触点供编程时使用。
输出继电器位存取的地址编号范围为Q0.0~Q15.7，输出继电器可采用位、字节、字或双字来存取。
3.通用辅助继电器（M）通用辅助继电器又称为内部标志位存储器，它的作用和继电接触器控制系统的中间继电器相同，它是用来保存控制继电器的中间操作状态。
内部标志位存储器可采用位、字节、字或双字来存取。
内部标志位存储器位存取的地址编号为M0.0~M31.7，共32个字节。
4.特殊继电器（SM）特殊继电器是指用来存储系统的状态变量有关的控制参数和信息的具有特殊功能的辅助继电器。
特殊标志位存储器能以位、字节、字或双字来存取。
CPU224的SM的位地址编号范围为SM0.0~SM179.7，共180个字节。
常用的特殊存储器的用途如下：
（1）SM0.0运行监视。
SM0.0始终为1状态。
当PLC运行时可以利用其触点驱动输出继电器，在外部显示程序是否处于运行状态。
（2）SM0.1初始化脉冲。
（3）SM0.3开机进入RUN时，接通一个扫描周期，可在启动操作之前，给设备提前预热。
（4）SM0.4、0.5占空比为50%的时钟脉冲。
当PLC处于运行状态时，SM0.4产生周期为1min的时钟脉冲，SM0.5产生周期为1S的时钟脉冲。
（5）SM0.6扫描时钟，一个扫描周期ON，另一个为OFF，循环交替。
（6）SM0.7改造方式开关位置指示，开关放置在RUN位置时为1。
（7）SM1.0零标志位，运算结果=0，该位置1。
（8）SM1.1溢出标志位，结果溢出或为非法值时，该位置1。
（9）SM1.2负数标志位，运算结果为负数时，该位置1。
（10）SM1.3被0除标志位。
5.变量存储器（V）变量存储器主要用于存储变量。
它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。
变量存储器可以是位寻址，也可以是按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围根据CPU的型号不同，CPU221/222为V0.0~V2047.7，共2KB存储容量，CPU224/226为V0.0~V5119.7，共5KB存储容量。
6.局部变量存储器（L）局部变量存储器和变量存储器十分相似，都是用来存储变量的存储器。
区别在于局部变量存储器用来存放局部变量，而不存储全局变量。
局部变量存储器位存取的地址编号范围为L0.0~L63.7，它可以按位、字节、字、双字直接寻址。
7.顺序控制继电器（S）通常用在顺序控制或步进控制中，并与其指令一起使用以实现顺序或步进控制功能流程图的编程。
顺序控制继电器的地址编号范围为S0.0~S31.7。
8.定时器（T）它是累计时间增量的内部器件，作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。
其设定时间由程序设置。
并且每个定时器可提供无数对常开触点和常闭触点供编程使用。
定时器的定时精度分别为1ms、10ms和100ms三种，CPU222、CPU224及CPU226的定时器地址编号范围为T0~T255，它们的分辨率、定时范围并不相同，用户根据所用CPU型号及时基，正确选用定时器的编号。
9.计数器（C）计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数，主要用于对产品进行计数或进行特定功能的编程。
计数器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序赋予。
计数器的地址编号范围为C0~C255。
10.模拟量输入映像寄存器（AI）和模拟量输出映像寄存器（AQ）
11.高速计数器（HC）
12.累加器（AC）
2.7基本指令
S7-200系列PLC的基本指令包括常用指令、堆栈操作指令、计数指令、定时器指令、比
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