杨军

基于MATLAB的PID控制器设计专业08农业机械化及其自动化班级08农机2班姓名刘宝伟指导教师陈勇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。

第一章 PLC的基础知识1.1 概述可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

1.2 PLC的由来在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。

当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。

随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。

为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：1、编程方便，现场可修改程序；2、维修方便，采用模块化结构；3、可靠性高于继电器控制装置；4、体积小于继电器控制装置；5、数据可直接送入管理计算机；6、成本可与继电器控制装置竞争；7、输入可以是交流115V；8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9、在扩展时，原系统只要很小变更；10、用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。

这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。

到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。

这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。

1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。

1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。

我国从1974年开始研制。

于1977年开始工业应用。

1.3PLC的定义可编程控制器，简称PLC（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。

”1.4 PLC的工作原理PLC(Power Line Communication)即电力线通信是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。

迄今，PLC技术已经有几十年的发展历史，在技术发展的各个阶段，电力系统已经得到了不同的应用。

在高压输电网（35kV以上）、中压输电网（10kV-35kV）以及低压(10kV以下)的各个领域，数据传输的通讯数率不断提高。

现阶段，在低压配电网上传输数率已由1Mbps发展到2Mbps、14Mbps、24Mbps、45Mbps甚至达到100Mbps和200Mbps的高速率，传输距离可达300米。

在中压配电网传输技术方面，高于10Mbps数据信号的设想和方案也日益引起人们的重视并开发成功。

PLC的工作原理：电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。

为了解决以上低压配电网中各因素对数据传输的影响，在国际范围内，低压配电网的高速数据通信普遍选择了正交频分复用技术OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing）作为核心调制技术。

OFDM技术采用多路窄带正交子载波，同时传输多路数据，每路信号的码元时间较长，可以避免码元间干扰。

通过动态选择可用的子载波，该技术可以减少窄带干扰和频率的谷点的影响。

OFDM技术起源于二十世纪六十年代，主要用于军用高频通信系统。

70年代，随着离散傅立叶变换来实现多载波调制技术的提出，以及近年来数字信号处理(DSP)技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术被广泛应用于民用通信系统中。

目前在无线局域网已经采用了该技术，第四代移动通信（4G）中将采用OFDM技术。

PLC的几种接入方案在低压配电网数据传输系统一般情况下，由头端（HE）和用户端（CE）组成。

头端一般安装在配电变压器低压出线端，它主要实现PLC高频信号和传统的宽带通信信号的互相转换。

PLC头端的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆，注入和提取高频PLC信号；另一侧通过传统电信接入方式，如xDLS、光纤或以太网等连接至Internet。

用户侧称为“电力猫”的设备，主要由接口、调制解调和耦合等三部分组成。

用户的计算机通过以太网接口或USB接口、普通话机通过RJ-11接口与“电力猫”相连。

实现高速上网、IP电话以及IP视频等多媒体接入服务。

1.5 PLC的结构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。

相同如图所示：（一）中央处理单元(CPU)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。

为了进一步提高PLC 的可靠性近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统或采用三CPU 的表决式系统，这样即使某个CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模（二）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

1 PLC 常用的存储器类型（1） RAM (Random Assess Memory)，这是一种读/写存储器(随机存储器) ，其存取速度最快，由锂电池支持。

（2） EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。

（3） EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

2 PLC 存储空间的分配虽然各种PLC 的CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区；系统RAM 存储区(包括I/O 映象区和系统软设备等)；用户程序存储区。

(1)系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序、等由制造厂商将其固化在EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该PLC 的性能。

(2)系统RAM 存储区系统RAM 存储区包括I/O 映象区以及各类软设备如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。

I/O 映象区，由于PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O 的状态和数据，这些单元称作I/O 映象区，一个开关量I/O 占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O 占用存储单元中的一个字(16 个bit)，因此整个I/O 映象区可看作两个部分组成：开关量I/O 映象区，模拟量I/O 映象区。