[工学]基于PLC技术的交通灯设计.doc

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1、哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -I- 摘 要 自动控制装置的先进程度是体现工业自动化水平的重要标志。随着计算机 技术和微电子技术的迅猛发展,可编程序控制器已经成为工业控制的标准设备 之一。用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和 中间继电器,简化控制线路、提高系统可靠性,是 PLC 的最大优点；根据实际工 艺要求,借助于顺序功能图和梯形图来编制用户控制程序,实现单台设备或生产 过程的顺序控制,则是 PLC 的主要功能之一。 本课题是对可编程控制器的顺序控制进行实际的应用，通过欧姆龙的 CPM1A 可编程控制软

2、件对十字路口交通灯编写来研究顺序控制在使用中的作 用。 随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路 三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控 制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管 理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。 关键词： PLC、CX-Programmer、CD4511、顺序控制、梯形图、数码管显 示 Abstract The advanced degree that the automatic control equips is the important sign that embo

3、dies industry automation level.Along with the fast fierce development of the 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -II- calculator technique and the micro-electronics technique, the programmable preface controller has already become one of the standard equipmentses of industrial control.Wea

4、ving the distance“soft component“ to replace with the inner part after a great deal of time in the electric appliances logic control electric circuit after the electric appliances and in the center simplifying control circuit and raising system credibility after the electric appliances is PLC the bi

5、ggest advantage;Request according to the actual craft, ask for help from in proper order function diagram and trapezoid diagram to draw up customer control procedure, carry out single set equipments or the in proper order control of production line, then one of the PLC main functions. This topic car

6、ries on an actual application to the in proper order control of programmable controller and pass the CPM1 A programmable control software of Mu dragon in Europe to write to the intersections transportation light to study an in proper order control in the function in the usage. Along with the develop

7、ment of social economy, transportation problem in the city more and more causes the concern of people.Person, car and road three relate to of coordination, have become a transportation management the section need one of the important problems for working out.The transportation control system in city

8、 is to used for a transportation data monitor in city, traffic sign light control and the calculator that transportation appease synthesize management system, it is modern city transportation to supervise and control conductor to constitute most importantly in the system part. Keyword:PLC, CX-Progra

9、mmer, CD4511, in proper order control, the trapezoid diagram, figures tube show 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -III- 目录目录 摘 要 I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景1 1.2 课题目的1 1.3 国内外现状2 第 2 章 PLC 的概述.3 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -IV- 2.1 PLC 的发展历程.3 2.2 PLC 的构成.4 2.3

10、PLC 的特点.9 2.4 PLC 的功能.10 2.5 PLC 的工作原理.11 本章小结.11 第 3 章硬件系统设计 12 3.1 交通灯显示的设计12 3.2 倒计时显示的设计12 3.2.1 七段共阴极数码管的引脚图 .13 3.2.2 CD4511 的使用说明13 3.3 PLC 的 I/O 点的分配 .15 本章小结.15 第 4 章软件设计 16 4.1 控制时序和流程图16 4.2 OMRON 编程软件概述.17 4.3 OMRON 编程语言概述.20 4.3.1 梯形图程序设计语言 .21 4.3.2 布尔助记符程序设计语言 .21 4.3.3 功能表图程序设计语言 .21

11、 4.3.4 功能模块图程序设计语言 .22 4.3.5 结构化语句描述程序设计语言 .23 4.4 交通灯程序的设计23 4.4.1 急通车道的设计 .23 4.4.2 交通灯交替顺序控制设计 .24 4.4.3 倒计时程序的设计 .25 本章小结.27 第 5 章 交通灯的整机调试 28 5.1 硬件的调试28 5.2 程序设计的调试28 本章小结.29 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -V- 结 论 30 致 谢 31 参考文献 32 附录 1 硬件连接电路图 .33 附录 2 软件程序图 .34 附录 3 译文 .44 附录

12、 4 英文参考资料 .49 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -1- 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 编程控制器简称 PLC，是 20 世纪 60 年代以来发展极为迅速、应用面极 为广泛的工业控制装置，是现代工业自动化的三大支柱之首。它采用可编程 序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入输出，完成确定的 逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能，来控制各种类型的机械 设备或生产过程。 自动控制装置的先进程度是体现工业自动化水平的重要标志。随着计算 机技术和微电子技术的迅猛发展 ,可编程序控制器已经成为工业控制的标准

13、设备之一。用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继 电器和中间继电器,简化控制线路、提高系统可靠性 ,是 PLC 的最大优点；根 据实际工艺要求,借助于顺序功能图和梯形图来编制用户控制程序 ,实现单台 设备或生产过程的顺序控制 ,则是 PLC 的主要功能之一。 1.2 课题目的 本课题是对可编程控制器的顺序控制进行实际的应用，通过欧姆龙的 CPM1A 可编程控制软件对十字路口交通灯编写来研究顺序控制在使用中的作 用。 随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、 路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交 通控制系统是用于城市交通数据监

14、测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机 综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分 。 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。为了实现交通道路的管理，力求交 通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及 该系统软、硬件设计方法，实验证效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。 分析了现代城市交通控制与管 明该系统实现简单、经济，能够有 理问题的现 状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简 单实用的城市交通灯控制系统的 PLC 设计方案。可编程序控制器在工业自动 化中的地位极

15、为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -2- 制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作 用更加突出。 1.3 国内外现状 21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更 多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更 大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方 向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的 人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市

16、场 上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出 现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络 的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制 系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统 DCS 中已 有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为 自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众 多领域发挥越来越大的作用。 在中国机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等地出现 了交通超负荷运行的情况，交通事故的问题也越来越严重。并且由于各种特 殊车辆（如 120 急

17、救车、119 火警车、110 警车及各种特种车辆）在紧急情 况之下不受红灯限制，也给交通带来很多不便，甚至造成交通事故。而且， 目前大多数交通灯在同一时刻都会出现两个或两个以上方向同时为绿灯的情 况，也增加了交通事故的发生率。因此，设计一种专为特殊车辆通过而不至 于引发任何交通事故、正常交通控制时任何时刻只有一个方向通行绿灯的现 代化智能交通灯控制系统是迫切需要的。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -3- 第 2 章 PLC 的概述 2.1 PLC 的发展历程 PLC 英文全称 Programmable Logic Controll

18、er ,中文全称为可编程逻辑控 制器，定义是: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，并通过数字或模拟式输入 / 输出控制各种类型的机械或生产过程 .PLC 是可编程逻辑电路，也是一种和硬 件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地 方就有 PLC。 虽然 PLC 问世时间不长，但是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讯技术的不断进步， PLC 也迅速发展，其发展 过程大致可分三个阶段： 一. 早期的 PLC(

19、60 年代末70 年代中期) 早期的 PLC 一般称为可编程逻辑控制器。这时的 PLC 多少有点继电器控制装置的 替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。 它在硬件上以准计算机的形式出现，在 I/O 接口电路上作了改进以适应工业 控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存 储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在 软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式 梯形图。因此，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，有故障指使，能重复使用等。其中 P

20、LC 特有的编程语言梯形图一直沿用至今。 二. 中期的 PLC(70 年代中期80 年代中，后期) 在 70 年代，微处理器的出现使 PLC 发生了巨大的变化。美 国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC 的中央处理单 元(CPU)。 这样，使 PLC 得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的 逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、 通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，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 得

21、应用范围得以扩大。 三. 近期的 PLC(80 年代中、后期至今) 进入 80 年代 中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -4- 幅度下跌，使得各种类型的 PLC 所采用的微处理器的当次普遍提高。而且， 为了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处 理芯片。这样使得 PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。 2.2 PLC 的构成 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

22、）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 2-1 所示： 图 2-1 PLC 的构成 （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

23、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， 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -5- 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

24、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 CP

25、U 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

26、/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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -6- 行修改。 2 PLC 存

27、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、

28、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。 系统软设备存储区 除了 I/O 映象区区以外，系统 RAM 存储区还包括 PLC 内部各类软设 备(逻辑线圈、计时

29、器、计数器、数据寄存器和累加器等 )的存储区，该存储 区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在 PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当 PLC 断电时数据被清 零。 1) 逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统 RAM 存储区中的一 个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控 制线路中的继电器，另外不同的 PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具 有不同的功能。 2) 数据寄存器与模拟量 I/O 一样，每个数据寄存器占用系统 RAM 存储区 中的一个字(16bits) ，另外 PLC 还提供数量不的特殊数据寄存器，具有不同 的功

30、能。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -7- 3) 计时器 4) 计数器 （3）用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型 的 PLC 其存储容量各不相同。 （三）电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可 靠得电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造 也十分重视，一般交流电压波动在 +10%(+15%)范围内可以不采取其它措施， 而将 PLC 直接连接到交流电网上去。 （四）I/O 模块 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（ I/O）完成的。I/

31、O 模块 集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出 锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块 相反。I/O 分为开关量输入（DI） ，开关量输出（DO） ，模拟量输入（AI） ， 模拟量输出（AO）等模块。 常用的 I/O 分类如下： （1）开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式 分，有继电器隔离和晶体管隔离。 （2）模拟量：按信号类型分，有电流型（ 4-20mA,0-20mA） 、电压型（0- 10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。

32、（3）除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等 模块。 （4）按 I/O 点数确定模块规格及数量， I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （五）PLC 系统的其它设备 编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器 件，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作 状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器， 目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，

33、目前液晶屏（或触摸屏） 式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人 机界面非常普及。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -8- （六）PLC 的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。 因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出 “ 网络就是控制器“的观点说法。 PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机 以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中 控制。现在几乎所有的 PLC 新产品都有通信联网

34、功能，它和计算机一样具有 RS-232 接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的 范围内交换信息。 当然，PLC 之间的通讯网络是各厂家专用的， PLC 与计算机之间的通讯， 一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型 的 PLC 之间、PLC 与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。 （七）外部设备 外部设备是 PLC 系统不可分割的一部分，它有四大类： （1）编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些 设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况。编程器是 PLC 开发应用、 监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直

35、接参与现场控制运行。 （2）监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视 数据。 （3）存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地 存储用户数据，使用户程序不丢失，如 EPROM、EEPROM 写入器等。 （4）入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟 量的电位器，打印机等。 了解了 PLC 的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概 念，做到既经济又合理，尽可能发挥 PLC 所提供的最佳。 2.3 PLC 的特点 PLC 是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点： 1. 可靠性高，抗干扰能力强 ； 为了限制故障的

36、发生或者在发生故障时，能很快查出故障发生点，并将 故障限制在局部，各 PC 的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使 PC 除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修 复外，还使 PC 具有了很强的抗干扰能力。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -9- 2. 通用性强，控制程序可变，使用方便 ； PLC 品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统， 用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流 程改变或生产设备更新的情况下，不必改变 PLC 的硬设备，只需改编程序就 可以满

37、足要求。因此，PLC 除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量 采用。 3. 功能强，适应面广； 现代 PLC 不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字 和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。 既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。 4. 编程简单，容易掌握； 目前，大多数 PLC 仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统 控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及 编程水平，所以非常容易接受和掌握。 PLC 在执行梯形图程序时，用解释程 序将它翻译成汇编语言然后执行（ PLC 内部增加了解释程

38、序） 。与直接执行 汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大 多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。 5. 减少了控制系统的设计及施工的工作量 ； 由于 PLC 采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间 继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时， PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且， 由于 PLC 的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。 6. 体积小、重量轻、功耗低、维护方便 ； PLC 是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积 小，重量轻

39、，功耗低。并且由于 PLC 的强抗干扰能力，易于装入设备内部， 是实现机电一体化的理想控制设备 。 2.4 PLC 的功能 PLC 功能有下面几点： 1. 顺序控制：这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺 序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械，切纸机、组合机床、磨床、装 配生产线，包装生产线，电镀流水线及电梯控制等。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -10- 程控：在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液 体、速度、电流和电压等，称为模拟量。可编程控制器有 A/D 和 D/A 转换 模块，这样，

40、可编程控制器可以作模拟控制用于程控。 2. 数据处理：一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产 过程中的资料进行处理。用 PLC 可以构成监控系统，进行数据采集和处理、 控制生产过程。较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进 电动机，实现对各种机械的位置控制。 3. 通信联网：某些控制系统需要多台 PLC 连接起来使用或者由一台计算机 与多台 PLC 组成分布式控制系统。可编程控制器的通信模块可以满足这些通 信联网要求。 4. 显示打印：可编程控制器还可以连接显示终端和打印等外围设备，从而实 现显示和打印的功能。 2.5 PLC 的工作原理 PLC(Power Lin

41、e 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

42、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 。 本章小结 通过本章对 PLC 的原理、特点、功能、发展做简单的介绍，加深了对 PLC 的了解，为接下来对 PLC 的应用，提供了理论基础。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -11- 第 3 章 硬件系统设计 硬件电路的设计是为了保证 PLC 能在现场中运行，硬件设计不仅包括了 电路板的设计，还包括了 PLC I/O 点的分配。这也是至关重要的，程序通过 I/O 点的输入输出，来完成逻辑量控制的显示。 3.

43、1 交通灯显示的设计 由于十字路口交通灯的是有两条直行道组成的，所以东西方向和南北方 向的交通灯可以如图 3-1 进行连接： 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -12- L1L2 L3L4L5L6 图 3-1 交通灯连接图 3.2 倒计时显示的设计 十字路口信号灯的倒计时，如果完全使用 PLC 的一个输出点控制一排 LED 灯的显示方法的话，那么一个七段数码管至少需要 7 个输出点。实验室 的 OMRON PLC 的输出点只有 16 个，远远不够实现倒计时的方式，并且出 于节约 PLC 输出点的方式，加入 CD4511 译码，取消 P

44、LC 的直接译码，这 样不仅大大的节约了输出点，而且也能完全实现倒计时功能。 由于 4 个数码管的线皆由一个 I/O 口控制，因此，在每一瞬间， 4 位 LED 会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方式轮 流点亮各位 LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。使每位分时显示该位 应显示字符，根据人眼视觉特性，当 LED 所加信号频率大于 50Hz 时,人眼 不能感觉其变化，所以每位显示的间隔不能超过 20ms，也就是说要在 20ms 之内分时的点亮所有 LED，LED 越多所分的时间越短，亮度就会不足；如果 增加点亮时间，又会使扫描频率下降，有闪烁感容易造成人眼的彼劳，故常

45、采用动态扫描方式。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -13- 3.2.1 七段共阴极数码管的引脚图 通过对七段共阴极数码管引脚与 CD4511 的连接。如图 3-2 图 3-2 七段共阴极数码管引脚图 3.2.2 CD4511 的使用说明 CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码 七段码译码器，特点：具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动 功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动 LED 显示器。 CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图所

46、 示。其中 a b c d 为 BCD 码输入，a 为最低位。LT 为灯测试端，加高电平 时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码 “8” ，各笔段都被 点亮，以检查显示器是否有故障。 BI 为消隐功能端，低电平时使所有笔段均 消隐，正常显示时， B1 端应加高电平。另外 CD4511 有拒绝伪码的特点， 当输入数据越过十进制数 9(1001)时，显示字形也自行消隐。 LE 是锁存控制 端，高电平时锁存，低电平时传输数据。 ag 是 7 段输出，可驱动共阴 LED 数码管。另外，CD4511 显示数“6”时，a 段消隐；显示数“9”时， d 段消隐，所以显示 6、9 这两个数时，字形

47、不太美观 图 3 是 CD4511 和 CD4518 配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每 级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电 压来选取，电源电压 5V 时可使用 300 的限流电阻。CD4511 引脚图如图 3-3 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -14- 图 3-3 CD4511 引脚图 其功能介绍如下： BI：4 脚是消隐输入控制端，当 BI=0 时，不管其它输入端状态如何， 七段数码

48、管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3 脚是测试输入端，当 BI=1，LT=0 时，译码输出全为 1，不管输 入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示 “8” 。它主要用来检测数码管是否 损坏。 LE：锁定控制端，当 LE=0 时，允许译码输出。 LE=1 时译码器是锁定 保持状态，译码器输出被保持在 LE=0 时的数值。 A1、A2、A3、A4、为 8421BCD 码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平 1 有效。 3.3 PLC 的 I/O 点的分配 通过 I/O 分配使 PLC 程序输入输出确定。如表 3-1： 表 3-1 I/O 点分配 输入单元输

49、出单元 名称代号输入 点 名称代号输出点名称代号输出点 启动/ 停止 SB10.00南北 红灯 L410.00A111.00 南北急 通 SB20.01南北 黄灯 L510.01 CD4511 A211.01 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -15- 东西急 通 SB30.02南北 绿灯 L610.02A311.02 东西 红灯 L110.03A411.03 东西 黄灯 L210.04南北个 位 LE111.04 东西 绿灯 L310.05南北十 位 LE211.05 东西个 位 LE311.06 东西十 位 LE411.07 本章小结 本章通过对交通灯的硬件方面的设计，并对 PLC 的输入输出点的分配， 实现硬件方面的连接，为 PLC 的现场调试提供了现场环境。 第 4 章 软件设计 对于软件设计，先要对软件设计有总体的思路，也就是指逻辑顺序控制 的方法及软件流程的设计，同时也要对所用软件和编程语言的认知，才能进 行软件编程的设计。 4.1 控制时序和流程图 通过时序图和流程图，对交通灯程序整体框架有所了解，为后面的程序 编写提供编程整体思想。时序图 4-1，流程图 4-2. 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -16- 南北黄灯