智能交通灯设计
部分采用了光电隔离，有效的隔离了PLC内部的电路和输入、输出间的电关系。有效避免了干扰信号引起的误操作。并且PLC还具有防治空间电磁干扰的功能。
5.体积小、重量轻、功率低、性价比高。大量的使用半导体大规模集成电路，这个产品的结构紧凑、体积小、重量轻、功率低。与相同功能的继电器系统相比，PLC具有很高的性价比，可以实现非常复杂的控制功能。
2.2.2 PLC的应用领域
1.开关量的逻辑控制。取代传统的继电器，不仅可以控制单台设备，也可以控制多机群及自动化流水线，这是它应用的最广泛的领域。
2.模拟量与过程控制。可以对温度、压力、流量、液位等模拟量进行控制，还可以用于位置控制、速度控制以及过程控制等。
3.运动控制。PLC可以用于圆周运动或者直线运动的控制，驱动步进电机或者伺服电机，PLC广泛的应用于机械、机床、机器人等。
4.数据处理。可以进行数学运算、数据传输、转换、排序、查表等一系列操作，也可以通过通信设备传输到别的设备。
5.通信联网。通过双绞线或者同轴电缆等可实现PLC与PLC之间或者PLC与计算机之间的信息交换。易于建立工厂的自动化办公网络。
2.3 PLC的工作原理
CPU不断的执行用户的程序和任务的语句，这一过程称为扫描。一个扫描的周期包括输入、执行、处理、自诊断、输出等过程。这一过程的运行时循环往复不断经行的。它的过程如图2-2所示。
PLC由软件系统和硬件系统两部分组成。再硬件系统满足要求，软件系统已经编制好的情况下，它会不断的执行软件系统以及预设好的指令代码。扫描周期和用户程序不是一个概念，扫描周期包括用户程序。即使用户程序不执行，扫描周期也在继续，只是这一过程不再包含用户程序、输入、输出这三个方面。
1.自诊断测试扫描。PLC的自监视过程不仅可以保障设备还可以实时的反映故障。时间监视器完成这种自监视。当一个扫描周期开始时，PLC中的硬件计时器会自动的更新。而用户可以根据自己的需要来修改WDT，它的数值在100到200，而且设计人员可以通过标志位来处理错误的结果。
2.与网络进行通信的扫描。大型有网络的PLC有网络扫描过程，而小型的PLC则没有这种扫描过程。PLC与PLC之间以及PLC与计算机之间可以通过网络宽带来进行通信。
- 7 -
智能交通灯设计
3.用户程序扫描。只要机器是正常运行的，那么，该扫描过程会移植存在。用户可以通过软件来根据自己的需要来有目的的控制这一过程。扫描过程的时间与用户程序的长短有着密切的关系。
4.读输入与写输出扫描。同样，只要机器是正常运行的，这一过程贯穿于整个扫描过程。并且该过程同样是可控的。如果CPU要处理程序，它不从及既不从输入点读取，也不直接送到输出点。而是通过计算机内部的输入映像寄存器和输出映像寄存器。输入映像寄存器控制输入值，而输出映像寄存器则保存运算的结果。在一个扫描过程中，输入点的状态会被所入到输入映像寄存器，而一样，输出映像寄存器的指会被所入到相应的输出点。未来满足现场施工和运作的要求，PLC支持I/O接口可受用户控制的特点。用户可以锁定或者开锁I/O接口，而且锁定后，I/O接口的扫描过程便不再运行。这一过程的好处是，可以有效的节约I/O端口的扫描时间，提高效率。
下图描述了信号从输入端子到输出端子的传递过程： 输 输入 入输映 入采样 像寄 端子 存 器 程序执行 输读 出映像写 寄存器 输出 输出刷新 输出 锁存器 读 输出端子 图2-2 PLC的扫描工作过程
在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，PLC在执行用户程序时会事先参考输入映像寄存器和输出映像寄存器，最后将结果传送到输出映像寄存器中。程序执行时，就算输入子端变化，这一个工作周期，输入寄存器也不会改变，只是会在下一个周期被读入。同样，输出锁存器会锁定输出映像寄存器，通过输出电路，这一结果会被输出。
由上述分析得出循环扫描有如下特点：
⑴ 扫描过程周而复始地进行，读输入、写输出和用户程序是否执行是可控
- 8 -
智能交通灯设计
的。
⑵ 输入映像寄存器的内容是设备驱动的，在程序执行过程中的一个工作周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像积存的值来控制程序的执行。
⑶ 程序执行完后的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出值，而在程序执行阶段，输出映像寄存器的值即可以作为控制程序执行的条件，同时又可以被程序修改用于存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。此时的修改不会影响输出锁存器的现在输出值，这是与输入映像寄存器完全不同的。
⑷ 对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。由于输出映像寄存器的值可以作为程序执行的条件，所以程序的下一个扫描周期的集中输出结果是与编程顺序有关的，即最后一次的修改决定了下一个周期的输出值，这是编程人员要注意的问题。
各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。各PLC厂家为了缩小延迟采取了很多措施，编程人员应对所使用型号的PLC的延迟时间的长短很清楚，它是进行PLC选型时的重要指标。
2.4 PLC的性能指标和软件系统
2.4.1 PLC的性能指标
1.编程语言及指令功能.。PLC常用的编程语言有梯形图、语言表、流程图等。对于特定厂家生产的PLC，其编程语言不同，若PLC可用多种语言编程，则其可移植性较好。PLC的指令条数和综合性指标能够反映出该PLC的功能强弱。
2.I/O点数。I/O点数是指系统所能接入和输出的总的最大数量。通常用I/O点总数表示I/O开关量，而用I/O通道数表示模拟量。
3.用户程序储存容量。用户程序储存容量是指存放用户程序的储存器的容量，用字节K表示。对于一般的逻辑操作指令，一条指令占一个字节，而对于计时、计数和位移等则要占用两个字节，数据操作通常要占用2~4个字节。
4.扫描速度。指执行1024条基本指令用时。
5.内部寄存器的配置与容量。辅助继电器、计时器、计数器、移位寄存器、特殊继电器等都叫做内部寄存器。这些内部寄存器可用于存放各种数据，内部寄存器的大小与多少直接影响用户编程的灵活与方便。
6.其他的功能。例如输入与输出方式、特殊功能模块、自诊断功能、通信联网功能、高数计数、远程I/O能力和监控功能等。
- 9 -
智能交通灯设计
2.4.2 PLC的软件系统
PLC的硬件系统和软件系统是相辅相成的，就像一个人的骨骼和血肉一样。骨骼是支撑整个身躯的硬性指标，没有骨骼其他的就无从说起，而血肉也是一个人正常活动所必须的。PLC的软件系统分为系统程序和用户程序。
1.系统程序
系统程序是由PLC生产厂家提供，并且固化在EPROM中，用户不能直接读取。系统程序由管理程序、编译程序、标准程序三个部分组成。管理程序用于对PLC输入、输出、运算等操作的时间顺序的管理，规定数据和程序的存放地址。编译程序则是把程序语言翻译成机器语言的程序。标准模块程序由多个独立的程序模块组成，每个程序模块完成一种独立的功能。根据要完成不同的共组来选择不同的功能模块。
2.用户程序
用户程序是指根据不同的工作要求，用户用PLC程序语言编制的应用程序，以实现各种控制要求。小型的PLC很简单，整个程序不用分段，按顺序编制。但是大型的PLC的用户程序很复杂。为了简化用户编程的难度，可以把用户程序划分为程序模块，通过模块的组合来组成一个大的完整的用户程序。
用户程序的模块：
⑴ 组织模块。用于控制主程序的运行方式及个组织模块的组织关系。 ⑵ 程序模块。按电气控制的要求，把不同的控制内容划分为程序段。 ⑶ 功能模块。用来描述特定功能的程序模块。它的使用使得PLC超出了传统的顺序逻辑、计时、计数等功能。
⑷ 步进模块。用于步进顺序操作。
⑸ 数据模块。可用来存放数据，可以是固定的数据或者是可变的数据，类似于寄存器。
- 10 -
智能交通灯设计
第三章 基于PLC的智能交通灯控制系统设计
3.1 PLC型号的选定以及可行性分析
本设计拟采用三菱FX2―64MR―001型PLC,此型号是PLC家族中最先进的PLC之一。它具有一些显著的特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各个国家不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，因此在选定的过程中，他有着广泛的选定范围。它的各方面参数如下：I/O总数为64、输入数目为32、输出数目为32、型号为漏型。采用24V、400mA直流电源，它优良的快速断开端子块使得接着线缆也可以更换单元，并且它的远程维护功能使得远处的编程软件可通过调制解调器通信来监测、上载和卸载程序和数据。与其他PLC相比，本PLC价格便宜，功能齐全，除了有着速度、逻辑、定位等优越之处而且还安装简单，维修方便。本设计中的十字路口东西南北四个方向各有一个光点计数器来统计通过车子的辆数，再加上启动开关和停止开关总共需要6个输入接口。而东西南北每个方向各有红绿黄灯一个，一起总共有交通信号灯12个，也就是需要12个输出接口。据此看来，选择三菱FX2―64MR―001型PLC完全能够满足要求。
3.2光电计数器与选型
3.2.1光电计数器的原理
光电计数器是通过光感应器将物理信号转变为电信号进而进行数据统计的一种器械，现在市面上的观点感应器种类繁多，其基本原理如图：
信号产生 信号采集 信号处理 数字显示 图3-1 光电计数器的基本原理
信号产生：由发光二极管将电信号转化成光信号，有电流经过时会发出光来。 信号采集：发光二极管的PN节处通过管壳的玻璃窗口能够接受外部光源从而将光信号转变成电信号。
信号处理：对信号进行放大和整形。
数字显示：通过十进制计数芯片将电信号转变成可读的数字。 光电计数器的电路图如下：
- 11 -