毕业设计（论文）-基于PLC控制的交通信号灯设计.doc

毕 业 设 计（论 文）说 明 书 题目 基于PLC控制的 交通信号灯设计 院 别： 毕业设计（论文）任务书学生姓名设计(论文)题 目题目 基于PLC控制的交通信号灯设计基础数据 1. 信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。2. 南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。3. 南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。4.东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮维持25S。然后闪烁3S，熄灭。同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。5. 周而复始。 毕业设计(论文）的主要内容说明部分 1)PLC编程语言2)PLC的硬件结构说明及分类3)PLC的工作原理4)系统设计方案分析说明计算部分 1)十字路口交通灯时序计算2)定时器时间计算绘图部分 1)PLC的结构原理图2)主程序流程图3)十字路口交通灯时序图4)PLC控制接线图5)设计系统的梯形图注：此表与该生毕业设计（论文）一起装订。基于PLC控制的交通信号灯设计摘 要近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中， 单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应适合社会实际情况。因此，本人选择制作十字路口交通灯。关键词：PLC 交通控制 自动化AbstractWith the development at full speed of science and technology in recent years, the application of the one-chip computer is moving towards deepening constantly, drive tradition is it measure crescent benefit to upgrade day to control at the same time. In measuring in real time and automatically controlled one-chip computer application system, the one-chip computer often uses as a key part, only one-chip computer respect knowledge is not enough, should also follow the structure of the concrete hardware , and direct against and use the software of targets characteristic to combine concretly, perfect .The appearance of the traffic signal lamp , make the traffic be controlled effectively, for dredging the flow of traffic, improving the traffic capacity of the road, there are obvious results to reduce the traffic accident. As China joins WTO, we will not only be in line with international standards in such different fields as economy ,culture ,sciencandtechnology ,etc. should be in line with international standards too in traffic control. As the saying goes want rich , repair the roads first , but way build up if control do road well to be unable to ensure the unblocked security in traffic. The traffic signal lamp of the important composition component controlled as the traffic should be suitable for the social actual conditions too. So, I choose to make the crossroad.Key word: Traffic light PLC automatic allies control目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1课题背景11.2研究意义和目的1第二章 PLC的特点及应用42.1概述42.2 PLC的特点42.3 PLC的产生,定义,分类及应用52.4可编程控制器与其他工业控制比较52.5 PLC的应用领域7第三章 PLC编程语言93.1 PLC梯形图93.2可编程控制器的性能指标93.2.1处理器技术指标93.2.2 I/O模板技术指标9第四章 可编程控制器S7-200概述114.1 S7-200系统基本构成114.2主机单元114.3数字量扩展模板13第五章 PLC的结构原理155.1 PLC的硬件结构155.2 PLC5.2PLC的分类165.3 PLC的工作原理185.4基本逻辑指令205.5堆栈操作指令215.6定时器指令22第六章 系统设计236.1控制要求236.2系统设计方案分析236.3 系统程序设计286.3.1系统的梯形图286.3.2语句表316.3.3系统程序分析336.4系统检测与调试34结 论36致 谢37参考文献38附 录39IV第一章 绪论1.1课题背景1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。 1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。1.2研究意义和目的在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。可编程控制器交通灯控制系统的特点：脱机手动工作；联机自动就地工作；上机控制的单周期运行方式；由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；自动启动、自动停机控制方式。近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。本系统采用PLC是基于以下四个原因：PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；根据交通信号灯系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制。第二章 PLC的特点及应用2.1概述PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，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（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.2 PLC的特点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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.配套齐全，功能完善，适用性强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。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎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.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造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。5.体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.3 PLC的产生,定义,分类及应用目的;取代传统的继电器一接控制系统传统; 1.体积大,噪音大.能耗大.2.影响速度慢3.可靠性低,维修困难4.硬连接.硬方案.通用性,灵活性.2.4可编程控制器与其他工业控制比较自从微机计算机诞生以后,工程技术人员就一直努力将微机计算机技术应用到工业控制领域,这样,在工业控制领域就产生了几种有代表性的工业控制器,.可编程控制器(PLC),PID控制器(又称PID调节器),集散控制系统(DCS),工业控制计算机(工业PC).由于PID控制器一般只适用于过程控制中的模拟量控制并且目前的PLC或DCS中均具有PID的功能,所以只需要对可编程控制器与通用的微机计算机,与集散控制系统,与工业控制计算机分别做一下比较。1.采用微电子技术制作的作为工业控制器的可编程控制器,它也是由CPU,RAM,ROM,I/O接口等构成的,与微机有相似的够构造,但又不同于一般的微机,特别是采用了特殊的抗干扰技术,有着很强的接口能力,使它更能适用于工业控制.2.可编程控制器与集散控制系统的比较可编程控制器与集散控制系统都是用于工业现在的自动控制设备,都是以微型计算机为基础的,都可以完成工业生产中大量的控制任务.但是.它们之间又有一些不同.(1)发展基础不同可编程控制器是由继电器逻辑控制系统发展而来,所以它在开关量处理,顺序控制方面具有自己的绝对优势,发展初期主要侧重于顺序逻辑控制方面.集散控制系统是由仪表过程控制系统发展而来,所以它在模拟量处理,回路调节方面具有的优势,发展初期主要侧于回路调节功能.(2)扩展方向不同随着微机计算机的发展,可编程控制器在初期逻辑运算功能的基础上,曾加了数值运算及闭环调节功能.运算速度不断提高,控制规模越来越大,并开始与网络或上位机相连,构成了以PLC为核心部件的分布式控制系统.集散控制系统自20世纪70年代问世后,也逐渐地把顺序控制装置,数据采集装置,回路控制仪表,过程监控装置有机地结合在一起,也构成了能满足各种不同控制要求得集散控制系统.(3)由小型计算机构成的中小型DCS将被PLC构成的DCS所替代PLC与DCS从各自基础出发,在发展过程中互相渗透,互为补偿,两者的功能越来越近,颇有殊路同归之感.目前,很多工业生产既可以用PLC实现控制,也可以用DCS实现控制.但是由于PLC是专为工业环境下应用而设计的,其可靠性要比一般的小型计算机高的多,所以,以PLC为控制器DCS必将逐步占领以小型计算机为控制器的中小型DCS市场.2.5 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1.开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3.运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5.数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6.通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。第三章 PLC编程语言3.1 PLC梯形图梯形图是一种图形编程语言,是面向控制过程的一种自然语言,它沿用继电器的触点,线圈,串并联等术语和图形符号,同时也增加了一些继电器-接触器控制系统中没有的特殊功能符号.梯形图语言比较形象,直观,对于熟悉继电器控制线路的电气技术人员来说,很容易被接受,而且不需要学习专门的计算机知识,因此在PLC应用中,是应用的最基本,最普通的编辑语言.但这种编程方式只能用图形编程器直接编程.PLC的梯形图虽然是从继电器控制线路图发展而来的,但与其又有一些本质的区别.3.2可编程控制器的性能指标3.2.1处理器技术指标处理器技术指标是可编程控制器各项性能指标中最重要的性能指标，在这部分技术指标中，应反映出PLC的类型，用户程序存储器容量，可连接的I/O总点数（开关量多少点，模拟量多少路），指令长度，指令条数，扫描速度（ms?千字）。有的PLC还给出了其内部的各个通道配置，如内部在辅助继电器，特殊辅助继电器，暂存器，保持继电器，数据存储区，定时器/计数器及高速计数器的配置情况，以及存储器的后备电池寿命，自诊断功能等。3.2.2 I/O模板技术指标对于开关量输入模板，要反映出输入点数？块，电源工作电压等级，以及COM端，输入电路等情况。有的PLC还给出了其他有关参数，如输入模板供应的电源情况，输入电阻、以及动作延时情况。对于开关量输入模板，要反映输入点数/块，电源类型，工作电压等级，以及COM端，输入电路等情况。一般可编程控制器的输出电路的形式有3种：继电器输出，集体管输出，晶体管输出，双向晶闸管输出，要根据不同的负载性质选择PLC机输出电路的形式。有的PLC还给出了其他有关参数，如工作电流，带载能力，动作延迟时间等。对于模拟量I/O模板，要反映出输入点数/块，电源类型，工作电压等级，以及COM端，输入电路等情况。有的PLC还给出了其他有关参数，如输入模板供应的电源情况，输入电阻，以及动作延时情况。对于开关量输出模板，要反映输出点数/块，电源类型，工作电压等级，以及COM端，输入电路情况。一般可编程控制器的输出形式有3种：继电器输出，晶体管输出，双向晶闸管输出，要根据不同的负载性质选择PLC机输出电路的形式。有PLC还给出了其他有关参数，如工作电流，带载能力，动作延迟时间等。对于模拟量I/O模板，要反映出它的输入/输出路线，信号范围，分辨率，精度，转换时间，外部输入或输出阻抗，输出码，通道数，端子连接，绝缘方式，内部电源等情况。第四章 可编程控制器S7-200概述德国西门子（SIEMENS）公司是世界上著名的，也是欧洲最大的电气设备制造商，是世界上研制，开发PLC较早的少数几个国家之一，欧洲第一台可编程控制器就是西门子公司于1973年研制成功的。1957年推出SIMATIC S3系列可编程控制器，1979年推出SIMATIC S5系列PLC，20世纪末推出SIMATIC S7系列PLC。西门子公司的PLC在我国应用的十分普遍，尤其是大，中型PLC，由于其可靠性高，在自动化控制领域中久负盛名。西门子公司的小型和微型PLC，其功能也是相当强的。SIMATIC的产品目前较先进的共有S7，M7及C7三个系列。S7系列的可编程控制器根据控制系统规模的不同，分成三个子系列：S7-200 S7-300 S7-400，分别对应小型，中型，大型PLC。而基于SIMATIC系列PLC的各种功能模板，人机界面，工业网络，工业软件及控制方案地迅速发展，使PLC控制系统的功能更加强大，而系统的设计和操作却越来越简便。4.1 S7-200系统基本构成S7-200是整体式结构的，具有很高的性能/价格比的小型可编程控制器，根据控制规模的大小（即输入/输出点数的多少），可以选择相应CPU的主机。除了CPU221主机以外，其他CPU主机均可进行系统扩展。4.2主机单元S7-200的主机单元的CPU共有两系列：CPU21X及CPU22X。CPU21X系列包括CPU212，CPU214，CPU215，CPU215，CPU216，CPU22X系列包括CPU221，CPU222，CPU224，CPU226，CPU226XM。由于CPU21X系列属于S7-200的第一代产品，不再做具体介绍。1. CPU2216输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6KB的程序和数据存储区空间。4个独立的30KHZ的高速计数器，2路独立的20KHZ的高速脉冲输出。1个RS485通信/编程口。具有多点接口MPI通信协议。具有点对点接口PPI通信协议。具有自由通信口。2. CPU2228输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模板单元，最大可扩展至78个数字量I/O点或10路模拟量I/O。6KB的程序和数据存储区空间。4个独立的30HZ的高速计数器，2路独立的20KHZ的高速脉冲输出。具有PID控制器。1个RS485通信/编程口。具有多点接口MPI通信协议。具有点对点接口PPI通信协议。具有自由通信口。3. CPU22414输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模板单元，最大可扩展至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O。13KB的程序和数据存储区空间。6个独立的30HZ的高速计数器，2路独立的20KHZ的高速脉冲输出。具有PID控制器。1个RS485通信/编程口。具有多点接口MPI通信协议。具有点对点接口PPI通信协议。具有自由通信口。I/O端子排可以很容易地整体拆卸。4. CPU22624输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模板单元，最大可扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O。13KB的程序和数据存储区空间。6个独立的30HZ的高速计数器，2路独立的20KHZ的高速脉冲输出。具有PID控制器。2个RS485通信/编程口。具有多点接口MPI通信协议。具有点对点接口PPI通信协议。具有自由通信口。I/O端子排可以很容易地整体拆卸。5. CPU226XM24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模板单元，最大可扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O。26KB的程序和数据存储区空间。6个独立的30HZ的高速计数器，2路独立的20KHZ的高速脉冲输出。具有PID控制器。2个RS485通信/编程口。具有多点接口MPI通信协议。具有点对点接口PPI通信协议。具有自由通信口。I/O端子排可以很容易地整体拆卸。4.3数字量扩展模板S7-200系列目前可以提供三大类共9种数字量输入输出扩展模板。1.EM221 数字量输入（DI）扩展模板，具有8点DC输入，光电耦合器隔离。2.EM222 数字量输出（DO）扩展模板，有2种输出类型：8点24VDC输出型8点继电器输出型3.EM223 数字量混合输入/输出（DI/DO）扩展模板，有6种输出类型：24VDC输入4点/输出4点24VDC输入4点/继电器输出4点24VDC输入8点/输出8点24VDC输入8点/继电器输出8点24VDC输入16点/输出16点24VDC输入16点/继电器输出16点第五章 PLC的结构原理5.1 PLC的硬件结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。其结构如图5-1所示。中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。图5-1结构图5.2PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对 PLC 的分类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类。1.按 I/O 点数分类 PLC按其 I/O 点数多少一般可分为以下 4 类。 (1) 微型 PLC：I/O 点数小于 64点的 PLC 为超小型或微型 PLC。 (2) 小型 PLC：I/O 点数为 256 点以下，用户程序存储容量小于 8KB 的为小型 PLC。它可以连接开关量和模拟量 I/O 模块以及其他各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网等功能。如西门子公司的 S7-200PLC，三菱公司的 F1、F2和 FX0 系列 PLC 都属于小型机。 (3)中型 PLC：I/O 点数在 5122048 点之间的为中型 PLC。它除了具有小型机所能实现的功能外，还具有更强大的通信联网功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。如西门子公司的 S7-300PLC、三菱公司的 A1S 系列 PLC 都属于中型机.(4)大型 PLC：I/O 点数为 2048 点以上的为大型 PLC。它具有极强的软件和硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。另外大型 PLC 还可以采用三个 CPU 构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。如西门子公司的 S7-400 系列 PLC、三菱公司的 A3M、A3N 系列 PLC 都属于大型机。2.按结构分类 PLC按其结构可分为整体式、模块式及叠装式 3 种。 1)整体式 PLC 将 CPU、I/O 单元、电源、通信等部件集成到一个机壳内的称为整体式 PLC。整体式PLC由不同 I/O点数的基本单元(又称主机)和扩展单元组成。 基本单元内有 CPU、 I/O 接口、与 I/O 扩展单元相连的扩展口以及与编程器相连的接口。扩展单元内只有 I/O 接口和电源等，没有 CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。它还配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。整体式 PLC 一般都是小型机。2)模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 的每个工作单元都制成独立的模块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块(有的含在 CPU 模块中)以及各种功能模块。模块式 PLC 由母板(或框架)以及各种模块组成。把这些模块按控制系统需要选取后，安插到母板上，就构成了一个完整的 PLC系统。这种模块式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型 PLC 一般采用模块式结构。例如，西门子公司的 S7-300系列、S7-400 系列 PLC 都采用模块式结构形式。3)叠装式 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。叠装式 PLC 将 CPU 模块、电源模块、通信模块和一定数量的 I/O 单元集成到一个机壳内，如果集成的 I/O 模块不够使用，可以进行模块扩展。其 CPU、电源、I/O 接口等也是各自独立的模块，但它们之间要靠电缆进行连接，并且各模块可以一层层地叠装。叠装式 PLC 集整体式 PLC 与模块式PLC优点于一身，它不但系统配置灵活，而且体积较小，安装方便。西门子公司的 S7-200系列 PLC 就是叠装式的结构形式。4.按功能分类 根据 PLC 所具有的功能不同，可将 PLC 分为低档、中档、高档 3类。 1)低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量的模拟量 I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 2)中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量 I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID (比例、积分、微分控制)控制等功能，以适用于复杂控制系统。 3)高档 PLC 除具有中档 PLC 的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT可编程控制器原理与应用显示、打印和更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。 一般低档机多为小型 PLC，采用整体式结构；中档机可为大、中、小型 PLC，其中小型 PLC 多采用整体式结构，中型和大型 PLC 采用模块式结构。5.3 PLC的工作原理PLC虽具有计算机的许多特点，但它的工作方式却与计算机有很大不同。计算机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序。无键按下，则继续扫描。PLC则采用循环扫描的工作方式。PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU不能同时去执行多个操作，只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。由于CPU的运算速度很高，使得外部出现的结果从宏观来看似乎是同时完成的。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描从存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，也就是按顺序逐条执行用户程序、直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始地重复。1输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。3输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。PLC的扫描工作过程如图5-2、图5-3所示 用户输出设备输入端子输入锁存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读图5-2 PLC的扫描工作过程图输入刷新 程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新图5-3 PLC的扫描周期图PLC的输入、输出处理规则：(1) 输入状态寄存器的内容，由上一个输入采样期间输入端子的状态决定。(2) 输出状态寄存器的状态，由程序执行期间输出指令（OUT）的执行结果所决定，它是随程序执行而改变的。(3) 输出锁存电路的状态，由程序执行期间输出状态寄存器的最后状态来确定。(4) 输出端子板上各输出端的状态，由输出锁存电路来确定。(5) 程序如何执行。取决于输入输出状态寄存器的状态。5.4基本逻辑指令1. 装载指令LD，LDN与线圈驱动指令=LD：将动合触点接在母线上。LDN：将动断触点接在母线上。=：线圈输出。2. 触点串联指令A，ANA：串联动合触点。AN：串联动断点。3. 触点并联指令O，ONO：并联动合触点。ON：并联动断触点4. 置位/复位S/RS：置位指令，将由操作数指定的位开始的1位至最多225位置“1”，并保持。R：复位指令，将由操作数指定的位开始的1位至最多225位清“0”，并保持。5. 边沿触发指令EU和EDEU：上升沿触发指令，在检测信号的上升沿，产生一个扫描周期宽度的脉冲。ED：下降沿触发指令，在检测信号的下降沿，产生一个扫描周期宽度的脉冲。6. 逻辑结果取反指令NOTNOT指令用于将NOT指令左端的逻辑运算结果取非。NOT指令无操作数。7. 立即存取指令I（LDI，LDNI，AI，ANI，OI，ONI，=I，SI，RI）S7-200可通过立即存取指令加快系统的响应速度。立即存取指令允许系统对输入/输出点（只能是I和Q）进行直接快速存取，共有4种方式。（1） 立即读输入指令立即读输入指令是在LD，LDN，A，AN，O，ON指令后加“I”，组成LDI，LDNI，AI，ANI，OI，ONI指令。程序执行立即读输入指令时，只是立即读取物理输入点的值，而不改变输入映像寄存器的值。（2） 立即输入指令=I执行立即输出指令，是将栈顶值立即复制到指令所指定的物理输出点，同时刷新输出映像寄存内容。（3） 立即置位指令SI执行立即置位指令，将从指令指定的位开始的最多128个物理输出点同时置“1”，并且刷新输出映像寄存器的内容。（4）立即复位指令RI名称堆栈结构说明STACK0S0第1级堆栈（栈顶）STACK1S1第2级堆栈STACK2S2第3级堆栈STACKS3第4级堆栈STACK4S4第5级堆栈STACK5S5第6级堆栈STACK6S6第7级堆栈STACK7S7第8级堆栈STACK8S8第9级堆栈（栈底）执行立即复位指令，将从指令指定的位开始的最多128个物理输出点同时清“0”，并且刷新输出映像寄存器的内容。5.5堆栈操作指令在S7-200中，有一个9层堆栈，用于处理逻辑操作，故称为逻辑堆栈。PLC的堆栈与一般计算机的堆栈结构是一致的，它是一组存取数据的临时存储单元，是由9个堆栈位存储器组成的串联堆栈。堆栈的结构见表4-1所示。1. 触点块串联指令ALD2. 触点块并联指令OLD3. 逻辑入栈指令LPS 逻辑出栈指令LPP4. 逻辑读栈指令LRD5. 装载堆栈指令LDS5.6定时器指令S7-200的CPU22X系列的PLC有3种类型的定时器：通电延时定时器TON，保持型通电延时定时器TONR和断电延时定时器TOF，总共提供256个定时器T0T225，其中TONR为64个，其余192个可定义为TON或TOF。定时精度可分为3个等级：1ms,1ms,100ms.第六章 系统设计6.1控制要求交通灯控制系统的控制要求如下：1 信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。2 南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。3 南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。4东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮维持25S。然后闪烁3S，熄灭。同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。5 周而复始。 6.2系统设计方案分析按照交通灯系统控制要求下，结合西门子S7-200系列可编程控制器的特性（见附录），选择适合的型号。设计思想分析如下：给一个启动的输入信号，要配合一个SB1的按钮，当SB1启动按钮动作，系统工作。首先，南北方向道路处于禁止通行的状态，东西方向道路处于允许通行的状态。南北方向道路亮红灯状态过程中，南北红灯亮25S,需计时器设定延时25