基于三菱PLC的交通灯模拟控制

引言可编程序控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，在日常生活中得到了广泛的应用。

PLC是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，PLC的平均无故障运行时间（又称平均故障间隔时间MTBF）已经高达几十万小时。

其次，PLC具有通用性强，使用方便的特点。

由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。

用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线。

一个控制对象的硬件配置确定以后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

PLC还具有功能强，适应面广的特点，现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，还具有数值运算和数据处理等功能。

因此，它既可对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制，既可控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。

PLC还具有通信联网的功能，可与上位计算机构成分布式控制系统。

用户只需根据控制的规模和要求，适当选择PLC的型号和硬件配置，就可以组成所需的控制系统。

随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。

众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是增加道路网。

但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。

因此，不可能通过无限制地修建道路来满足日益增长的交通需求。

与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。

事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决道路拥挤的问题。

道路交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水。

1 绪论1.1 PLC的概述可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置，涉及到很多自动控制、电器方面的知识。

经过30多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。

目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。

其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。

早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，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4KB。

这就是著名的GM10条。

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。

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成，如图1-1所示。

PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。

CPU主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。

在PLC控制系统中，CPU模块相当于认得大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出；存储器用来存储程序和数据。

并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

图1-1PLC的组成当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

一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 映象区中的相应的单元内。

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。

二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。

在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

三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，这时才是PLC 的真正输出。

随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。

它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。

黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。

一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。

回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。

他的建议立即得到有关方面的肯定。

于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。

中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界。

从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。

最早的交通灯出现于一八六八年英国伦敦。

那时的交通灯只有红、绿两色，经改良后，再增加一盏黄色的灯，红灯表示停止，黄灯表示准备，绿灯则表示通行。

其实,用这三色来作交通讯号和人的视觉机能结构和心理反应有关。

我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞，。

杆状细胞对黄色的光特别敏感，三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。

由于这种视觉结构，人最容易分辨红色与绿色。

虽然黄色与蓝色也容易分辨，但因为眼球，对蓝光敏感的感光细胞较少，所以分辨颜色，还是以红、绿色为佳。

所以，交通灯用什么颜色也是有大学问的颜色也有活动 (activity)的含意，要表达热或剧烈的话，最强是红色，其次是黄色。

绿色则有较冷及平静的含意。

因此，人们常以红色代表危险，黄色代表警觉，绿色代表安全。

而且，由于红光的穿透力最强，其他颜色的光很容易被散射，在雾天里就不容易看见，而红光最不容易被散射，即使空气能见度比较低，也容易被看见，不会发生事故。

所以我们用红色表示禁止。

1.2 十字路口交通灯工作原理可编程控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图很相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。

这种用计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上也有某些相似之处。

继电器在控制系统中有功率放大、电气隔离、逻辑运算的作用。

PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。

在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序不实现控制功能。

为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。

除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一共有五个阶段如图2-1所示。

PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。

在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成别的一些内部工作。

在通信服务阶段，PLC与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

当PLC处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。

PLC处于运行（RUN）状态时，还要完成另外三个阶段的操作。

在PLC 的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映象寄存器和输出映象寄存器。

PLC 梯形图中别的编程元件也有对应的（a ）RUN (b)STOP映象存储区，它们统称为元件映象寄存器。

PLC 的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。

在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。

在程序执行阶段，当执行指令时，从输入映象寄存器或别的元件映象寄存器中将有关编程元件的“0”/“1”状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映象寄存器中。