人行道和车道指示灯PLC控制系统设计

1、摘要：本设计主要介绍三菱FX系列可编程控制器，对人行道指示灯的控制，阐述控制方案。 实现人行道交通灯的方法这有多种方法，可以采用早期的模拟数字电路技术，或是模拟电路 与数字电路的混合电路，随着科技发展，现在也采用可编程控制器来控制。本设计主要采 FX 2N-16MR-001型PLC作为核心控制器对人行道交通灯的控制设计采用顺序功能图设计法, 设计出顺序功能图 ,梯形图指令 ,指令表程序 ,并进行程序调试 . 第 1 章 可编程控制器概述 1 .1 PLC 的定义特点 . 1.1.1 PLC 的定义 可编程控制器是在传统顺序控制器的基础上引入微电子技术 .计算机技术 ,自动控制技术 和通信技术而

2、形成的新型工业控制装置 .早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制 ,因 此称它为可编程逻辑控制器 (Cprogrammable Logiccontroller .PLC) 随着技术的发展国外一些厂 家采用微处理器(Microprocessor)作为中央处理单元，使其功能大大增强，现已经广泛应用于工 业控制的各个领域.1980年美国电器制造商协会(NEMA)将它命名为可编程控制器由于个人计 算机简称PC为避免混淆可编程控制器仍简称 PLC. 国际电工委员会(IEC曾于1987年2月对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数 字运算操作的电子系统 ,专为在工业环境下应用而设计 .它采用了可

3、编程的存储器 ,用来在其内 部存储执行逻辑运算 ,顺序控制 ,定时,计数和计数操作等面向用户的指令 ,并通过数字式或模拟 式的输入 /输出,控制各种类型的机械或生产过程” PLC的特点 1 可靠性高，抗干扰能力强 PLC是为工业控制而设计的，可靠性高，抗干扰能力强是它重要的特点之一。PLC的 平均无故障间隔时间可达几十万小时。 PLC在硬件和软件上均采用了提高可靠性的措施。 2 编程简单、使用方便。 PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言。近年来又发展了面向对象的顺 序功能图语言，使编程更简单方便。 3 通用性好，组合灵活。 PLC是通过软件来实现控制目的，同一台PLC可用于不同的

4、控制对象，只需改变软件就 可以实现不同的控制要求，充分体现了灵活性和通用性。 4、功能完善，适应面广。 PLC 不仅可以完成逻辑运算、计数、定时和算术运算功能。配合特殊功能模块还可实现定 位控制、过程控制和数字控制等功能。 5、体积小，功耗低。 PLC是采用半导体集成电路制成的，因此具有体积小，重量轻，功耗低的特点。 6、设计施工周期短。 1. 2 PLC的分类 121 按结构形式分类 根据PLC的结构形式可将PLC分为整体式和模块式两类。 1、整体PLC是将电源、CPU存储器及I/O等各个功能集成在一个机壳内，其特点是结 构紧凑，体积小、价格低。小型 PLC一般多采用这种结构。 2、 模块式

5、PLC是将电源模块、CPU模块、I/O接口模块作为单独的模块安装在同一底版 或框架上的PLC其特点是配置灵活、装配维护方便。大、中型PLC多采用这种结构。 1 . 2. 2按I/O点数和存储容量可将PLC分为大型、中型、小型三类。 1、I/O点数在256点以下存储容量为2K步的为小型PLC 2、I/O点数在2562048点之间，存储容量为2K8K步之间的为中型PLC 3、I/O点书在2048以上。存储容量为8K步以上的为大型PLC PLC的应用领域 随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断降低，而功能却不断增强，目前，在先 进工业国家PLC已成为工业控制中的标准设备，应用领域已覆盖整个工

6、业企业，概括起来主 要应用在以下几个方面： 1 逻辑控制2 过程控制 3 运动控制4 通信联网 5 数据处理 第2章PLC指令系统 FX系列PLC的基本逻辑指令 2.1.1 LD、LDI、OUT 指令 LD:取指令，是从左母线取常开触点指令，表示常开触点与母线相连。操作对象有：X、 Y、M、S、T、C LDI :取反指令，是从左母线上去常闭触点指令，表示常闭触点与母线相连。操作对象 有: X、 Y、 M、 S、 T、 C OUT:输出指令，表示对输出继电器 Y、辅助继电器M、状态继电器S定时器T、计 数器C的线圈进行驱动的指令，但不能用于输入继电器。 2.1.2 触电的串并联指令 1 AND、

7、 ANI 指令 AND:与指令，用于单个常开触点的串联，操作对象有：X、Y、M、ST、C ANI :与非指令，用于单个常闭触点的串联，操作对象有：X、丫、M、ST、C AND和ANI串联的触点数量无限制，并且可以多次使用。 2 OR、 ORI 指令 OR或指令，用于单个常开触点的并联，操作对象有：X、丫 M、S T、C ORI:或非指令，用于单个常开触点的并联，操作对象有：X、丫 M、S、T、C OR、ORI指令紧接在LD、LDI指令后使用，亦即对LD LDI指令规定的触点再并联一 个触点，并联次数无限制。 2.1.3电路块的串并联指令 1串联电路的并联指令 ORB多触点电路块的并联连接指令。

8、 ORB指令是不带操作元件的指令。 2. 并联电路的串联指令 ANB:多触点电路块的串联连接指令。 ANB指令是不带操作元件的指令。 2.1.4 置位与复位指令 1. SET置位指令，使操作保持 ON的指令。 2. RST复位指令，使操作保持OFF的指令。 2.1.5 取反指令 INV:取反指令，表示将INV指令电路之前的运算结果取反。在梯形图上用一条短斜线 表示，它不带操作元件，不能直接与母线连接也不能像 OR、OR、ORP ORF一样单独使用。 2.1.6 空操作指令 NOP:空操作指令，使该步进行空操作。 2.1.7 程序结束指令 END:为程序结束指令，将输入输出处理到零。 编程元件

9、1 输入继电器和输出继电器 1. 输入继电器（ X） PLC的输入端子是从外部接收信号的窗口， PLC内部与输入端子连接的输入继电器 （X）是光电隔离的电子继电器，线圈的吸合与释放只取决于 PLC外部触点的状态。 2. 输出继电器（ Y） PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口，输出继电器的线圈由程序控制，且 外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用。输出继电器常开/常闭触电的使用次 数不限。 2.2.2 辅助继电器（ M） PLC内部有很多辅助继电器，启动作原理与输出继电器一样，只能由程序驱动。辅 助继电器也称中间继电器，主要包含以下三类： 1 通用辅助继电器 2锁存（断电保护

10、 ）辅助继电器 3. 特殊辅助继电器 2.2.3 状态继电器（ S） 状态继电器是用于编制顺序控制程序的一种编程元件（状态标志） ，常与STL指令（步 进梯形指令）配合使用，主要用于编程过程中顺控状态的描述和初始化， FX2n系列PLC的状 态继电器通常分为以下几类： 初始化使用：S 0S9（ 10点） 返回原点状态器：S10S19（ 10点） 通用型：S20S499（ 480 点） 断电保持型：S500S899（ 400点） 报警型： S900S999（100 点） 224定时器（T）与计数器（C） 定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器。定时器的元件号及其设定值如下： 1. 100ms

11、定时器T0T199,共200点，计时范围：; 2. 10ms定时器T200T245共46点，计时范围:; 3. 1ms积算定时器T246T249共4点，计时范围： 4. 100ms积算定时器T250T255共6点，计时范围： 计数器是在执行扫描操作时对内部元件 X、Y、M、ST、C的触点通断次数进行积算式定 时方式计数。当计数次数达到计数器的设定值时，计数器触点动作，是控制系统完成相应的 控制作用。计数器可按其计数方式、计数范围以及计数开关量的频率，计数器的元件号及设 定值等分为如下 5 类： 1. 16 位通用计数器 2. 16 位锁存计数器 3. 32 位通用加、减双向计数器 4. 32

12、位加、减双向高速计数器 2.2.5 数据寄存器（ D） 数据寄存器主要用来存储参数及工作数据，包括模拟量控制、位置控制和数据输入、输 出等工作中所用到的数据。数据寄存器分为 4种类型： 1 通用数据寄存器 2 锁存数据寄存器 3 文件寄存器 4 特殊数据寄存器 第3章PLC控制系统设计 控制要求：X1或X0人行道和车道指示灯按下图所示的示意图点亮 觑X喊XI 分析按钮式人行横道指示灯的控制要求 按下人行道按钮X0或X1，车道绿灯丫3亮人行道丫5亮，30S以后车道黄灯丫2亮，10S 以后车道红灯丫1亮，5S以后人行道绿灯丫6亮，15S以后人行道绿灯Y6开始闪烁，每隔1S 闪一次，闪烁五次后，人行

13、道红灯 丫5亮，5S以后返回到初始状态。 分析并进行PLC选型 PLC选型的基本原则是：所选的PLC应能够满足控制系统的功能需要。一般从系统功能、 PLC的物理结构、指令和编程方式、PLC的存储容量和响应时间、通信联网功能等方面进行综 合考虑。 321 PLC结构的选型 在相同功能和相同I、0点数的情况下，整体式PLC比模块式PLC价格低。模块式具有功 能扩展灵活、维修方便、容易判断故障等优点 。 3.2.2 PLC输出方式的选择 不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。继电器输出型的PLC工作电压范围广，触 电的导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强，但是动作速度较慢，触点寿命

14、有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器输出型的PLC。 晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。它们的可靠性高，反应速 度快,不受动作次数的限制，但是过载能力稍差。 3.2.3 PLC电源的选择 电源是PLC干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC控制系统的 可靠型。 3.2.4 存储容量的选择 PLC程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估计 算。一般情况下可按照如下经验公式计算： 存储容量=KX总输入点数*总输出点数 在选择内存容量时同样应留有裕量， 一般是运行程序的 25%，不应单纯的追求大容量

15、， 在 大多数情况下，满足I、0点数的PLC内存容量也能满足 综上所述，本设计人行横道指示灯的控制选择FX2N-16MR-001型PLC 控制电路的I、O端子的分配 输入 输出 外部设 备 内部设 备 说明 外部设 备 内部设 备 说明 SB1 X0 启动信号 L1 Y1 车道红灯 SB2 X1 L2 Y2 车道黄灯 L3 Y3 车道绿灯 L5 Y5 人行道红 灯 L6 Y6 人行道绿 灯 根据I、O分配画PLC外接线图 程序设计 1 根据控制要求进行顺序功能图设计 1 步的分配如下所示： 初始状态为 ON: S0 车道绿灯亮: S20 车道黄灯亮: S21 车道红灯亮: S22 人行道红灯亮

16、: S30 人行道绿灯亮: S31 计时: S32 人行道闪绿: S33 人行道红灯亮: S34 以上工作过程的分解可以看出，该控制系统一共 9 步。 2 对应于每一步的动作 SO: Y3、Y5为ON,车道绿灯Y3亮与人行道红灯 Y5亮。 S20:驱动Y3为ON,车道绿灯Y3亮，同时启动定时器TO定时30s。 S21 :驱动丫2为ON,车道黄灯丫2亮，同时启动定时器T1定时10s。 S22:驱动Y1为ON,车道红灯Y1亮，同时启动定时器T2定时5s。 S30:驱动Y5为ON,人行道红灯 Y5亮。 S31 :驱动丫6为ON,人行道绿灯Y6亮，同时启动定时器T3定时15s S32:启动定时器T4定

17、时 S33:启动定时器T5定时，同时计数器开始计数，设定 5次。 S34:驱动丫5为ON,人行道红灯Y5亮，同时启动定时器T6定时5s,同时计数器复位。 3 找出每个步的转移条件 由工作过程可知，每一步的转移条件为: S0 PLC上电之初由初始化脉冲 M8002对其置位为 ON,当PLC由STOP转入RUN,初始 状态为 ON S20:按钮 X0 或 X1，即 X0+X1. S21: T0的常开触点。 S22: T1 的常开触点。 S30:按钮 X0 或 XI，即 X0+X1 S31: T2的常开触点。 S32: T3 的常开触点。 S33: T4的常开触点。 S34: C0 T5 4 程序运

18、行过程的分析 人行道交通灯的顺序功能图既有并行分支，又有选择分支。当PLC由STOP转入RUN时， 初始状态S0为ON。这时车道绿灯丫3亮，人行道红灯丫5亮。按人行道按钮X0或X1时，进 入到并行序列，S21和S30同时为ON，此时车道绿灯丫3亮，人行道红灯丫5亮，红绿灯状态 不变化。30s后车道变为黄灯丫2亮，再过10s，车道红灯丫1亮，同时启动T2开始定时，5s 后T2触电接通S31，人行道绿灯丫6亮，15s后人行道绿灯丫6开始闪烁，S32、S33每隔1s 循环接通一次，一共接通5次。S32、S33循环接通的次数由计数器 C0设定，若计数器没有 计够5次，即T5 - C0=1则跳到S32继

19、续循环执行；若计数器已经计够 5次了，即卩T5 C0=1, 则状态向S34转移，人行道红灯丫5亮，同时给计数器CO复位，5s后返回到初始状态。在状 态转移过程中，即使再按动人行横道按钮 X0或X1也无效。 5 根据以上 3 个步骤，得到的按钮式人行横道指示灯控制的顺序功能图。 3.5.2 根据顺序功能图画梯形图、写指令表 1 梯形图 2指令表 LD M8002 LD T2 RST C0 SET S0 SET S31 OUT T6 STL SO STL S31 K50 OUT Y3 OUT Y6 STL S23 OUT Y5 OUT T3 STL S34 LD XO K150 LD T6 OR

20、X1 LD T3 OUT S0 SET S21 SET S32 RET SET S30 STL S32 END STL S21 OUT T4 OUT Y3 K5 OUT TO LD T4 K300 SET S33 LD TO STL S33 SET S22 OUT Y6 STL S22 OUT C0 OUT Y2 K5 OUT T1 OUT T5 K100 K5 LD T1 LD T5 SET S23 ANI C0 STL S23 OUT S32 OUT Y1 LD T5 OUT T2 AND C0 K50 SET S34 STL S30 STL S34 OUT Y5 OUT Y5 程序调试 1. 模拟调试 设计好用户程序后，一般先做模拟调试。用 PLC的硬件来调试程序时，用接在输入端的 小开关或按钮来模拟PLC实际的输入信号，观察输出信号是否满足设计的要求。 2. 系统调试 对于有模拟量输入的系统，可以给模拟量输入模块提供标准的输入信号，通过调节模块 上的电位器或程序中的系数，使模拟量输入信号和转换后的数字量之间的