2 PLC技术介绍
2.1 PLC的硬件结构
PLC 从电子零部件的功能属性上分可以说PLC是专业用于工控的小型计算机。在硬件的层次结构上，整体和与微型的计算机没有特别大的区别。从封装和控制器升级方面上区分PLC我们可以将PLC整体式和配选式两种。整体式的PLC指的就是PLC内部的关键部件不能进行拆装，是一体的。整体式PLC内装部件有供电电源、中央处理器板（CPU）、输入输出板（I/O）、显示面板、存储器等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。而配选式的PLC就是指的是其内部的关键内部件（电源、CPU、ROM、I/O、底板、机架）是可以选择性配用的。配选型的主要优
点是可以灵活根据实际工控要求进行相关零部件的更新，适用范围会被扩展。 中央处理器(CPU)是PLC的“中枢神经”，在PLC 系统程序控制下，CPU会进行数据、程序的接受和存储，同时会时刻检查电源、存储器的输入输出端口以及预警定时器触发器的实时状态；但发现程序发送过程中出现语法错误时，能进行诊断。PLC进入工作状态后会采用动态扫描的方式对各输入输出装置的状态和实时数据进行读取并分别按照程序要求配送到相关的输入输出口(I/O)。在揭发用户程序的过程中，CPU会读取用户存储器上相应的客户指令，然后CPU自行解码后将计算结果按照程序要求送至输入输出口的数据寄存器中，但CPU检测所有状态在程序预设方位内是，CPU会根据程序要求将I/O数据寄存器中的数据推送至输出装置，以驱动外部执行器械。具体的PLC结构图见图2-1。
图2-1 PLC的硬件结构图
2.2 PLC的工作原理
PLC的狠心部分就是中央微处理器CPU，CPU承载了数字信号运算和操作的职能。PLC的应用领域为工控现场应用。其关键而灵活的模块就是内部的可编程存储器，存储器类似于人类的大脑，需要存储程序代码控制下的各种逻辑运算、算数运算。时序控制、以及计数器和定时类的指令。对外输出是通过ADC或DAC装置进行数模/模数转换后进行输入输出口发送/接受指令进行外围各种执行装置的控制。PLC相比传统的继电器类逻辑控制器，在能耗、效率、编译控制性能、可
靠性和耐久性方面有自身突出的优势。PLC系统采用的阶梯图控制语句，逻辑关系强，不需要类似于计算机代码样式的代码符，可读性强，在后期维护和升级方面有非常强的便利性。
市面上存在的PLC器械种类繁多，各自可以实现的控制功能和代码系统也会存在差异。总体硬件结构基本相同。主要包括CPU、I/O输入输出端口、电源、外围输出控制和编译器接插口。PLC的硬件原理框图见图2-2。
按 钮可编程序控制器输入模块输出模块接触器电磁阀指示灯电 源
选择开关限位开关电 源CPU模块编程装置图2-2 PLC的硬件原理框图
PLC的执行秩序总体可以概括为“端口逻辑扫描，操作循环执行”。PLC更具程序代码的要求，会按照程序代码写入的先后顺序逐条进行执行，并采用周期性动态循环扫描的方式。具体过程为程序指令中未设定条用其他程序的指令，无需跳转时，CPU会从开始的第一条指令进行读取，然后依次执行其他的控制指令，一直到程序结束。PLC的程序存在跳转或者等待程序反馈（采样、数据运算、结果转化、输入输出等） PLC都会严格按照程序指令的逻辑要求执行。
PLC程序执行：程序执行过程也是遵循上述原则。执行程序对应的各寄存器数据寄存状态会根据逻辑要求，进行相应的输入输出或更新。
PLC输出刷新：输出刷新的逻辑要求在于输出寄存器上的数据要求输出刷新阶段送到输出锁存寄存器，以便存储下执行指令，否则会导致数据丢失，不能通过外设设备输出到外围设备。
3 系统方案论证
3.1 设计要求
交通灯控制系统的控制要求如表1所示：
表1十字路口4路交通灯控制系统设计要求 1 1.1启动/关闭开关控制信号灯工作； 1.2开关接通,系统开始工作,先点亮南北红灯与东西绿灯 1.3开关断开,所有信号灯都熄灭； 2 3 2.1南北绿灯和东西绿灯不能同时亮， 2.2如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警； 3.1南/北红灯持续亮25秒。（南北红灯亮同时）东西绿灯持续亮20S 3.2东西绿灯达20秒时,东西绿灯启动闪烁3秒后熄灭 3.3东西绿灯熄灭时,东西黄灯亮且维持2秒 3.4东西黄灯2秒后熄灭,东西红灯亮 3.5东西红灯亮/南北红灯熄+南北绿灯亮 4 4.1东西红灯亮维持30秒、南北绿灯亮维持25秒 4.2南北绿灯亮25秒后闪烁3秒熄灭+南北黄灯亮 4.3,南北黄灯亮2秒后熄+南北红灯亮+东西绿灯亮。 5 周而复始。
图3-1 交通等布置示意图
3.2系统设计方案分析
对如图3-1所示的十字路口交通灯的4路共12个交通灯进行方位编号，一边设计中调取数字代码。
结合图3-2和表1，得出相关信号灯的位置和开启状态结果如下： 步骤1：南北红灯（1、7）亮，东西绿灯（6、12）亮 步骤2：南北红灯（1、7）继续亮，东西绿灯（6、12）闪 步骤3：南北红灯（1、7）继续亮，东西黄灯（5、11）亮 步骤4：东西红灯（4、10）亮，南北绿灯（3、9）亮
步骤5：东西红灯（4、10）继续亮，南北绿灯（3、9）闪 步骤6：东西红灯（1、7）继续亮，南北黄灯（2、8）亮
图3-2 交通红绿灯分布图
将上述步骤结果翻译为时序图，则得到图3-3。
启动/ 停止 南北红灯
东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 南北绿灯 南北黄灯
图3-3 交通信号灯时序图
3.3 PLC选型
S7-300 PLC的选型原则是据生产工艺所需的功能和容量进行选型，并考虑维
护的方便性、备件的通用性，以及是否易于扩展和有无特殊功能等要求。选型时具体注意以下几方面：
(1)有关参数确定。一是输入/输出点数(I/O点数)确定。这是确定PLC规模的一个重要依据，一定要根据实际情况留出适当余量和扩展余地。二是PLC存储容量确定。注意当系统有模拟量信号存在或要进行大量数据处理时，其存储容量应选大一些。
(2)系统软硬件选择。一是扩展方式选择，S7-300 PLC有多种扩展方式，实际选用时，可通过控制系统接口模块扩展机架、Profibus-DP现场总线、通信模块、运程I/O及PLC子站等多种方式来扩展PLC或预留扩展口；二是PLC的联网，包括PLC与计算机联网和PLC之间相互联网两种方式。因S7-300 PLC的工业通信网络淡化了PLC与DCS的界限，联网的解决方案很多，用户可根据企业的要求选用；三是CPU的选择，CPU的选型是合理配置系统资源的关键，选择时必须根据控制系统对CPU的要求包括系统集成功能、程序块数量限制、各种位资源、MPI接口能力等。
（3）PROFIBUS-DP主从接口、RAM容量、温度范围等，并最好在西门子公司的技术支持下进行，以获得合理的选型；四是编程软件的选择，这主要考虑对CPU的支持状况，我们的体会是：STEP7 V4.0对有些型号的CPU不支持，硬件组态时会发生故障出错，而STEP7V5.0则不存在这种问题。