毕业设计基于PLC的交通十字路口模糊控制

题目：基于PLC的交通十字路口

模糊控制

系    别：      电气与电子工程系

专    业：      电气自动化技术

姓    名：         胡    毅

学    号：        122308120

指导教师：         李    慧

河南城建学院

2011年   05月  10 日

河南城建学院

 毕业设计（论文）

任 　务 　书

河南城建学院本科毕业设计（论文）任务书

一、主要任务与目标：

1.本次设计主要任务：

设计一基于PLC交通十字路口模糊控制系统。

2.本次设计拟达到以下主要目标：

（1）培养学生严谨治学的作风和求真务实的科学态度；

（2）培养学生分析问题，灵活应用所学知识解决问题的能力；

（3）培养学生通过利用各种渠道获取自己所需知识信息的能力；

（4）培养学生工作方案的论证、分析、执行的能力；

（5）培养学生利用资料进行系统设计的能力；

（6）培养学生利用计算机进行大量数据计算得出可用结果的能力；

（7）培养学生利用各种绘图软件绘制工程图纸的能力；

（8）培养学生的实验研究和数据处理能力；

成绩评定·

成绩评定说明

一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计（论文）在指定的时间内交给指导，

教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。

二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办

法，在参考指导教师预评结果的基础上，评定每个学生的成绩。系对专业答

辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计（论文），要组织系级答辩,最终确定

成绩，并向学生公布。

三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。

四、具体评分标准和办法见《平顶山工学院毕业设计（论文）工作条例》中附录2。

五、答辩小组评分包括两部分：（1）学生答辩情况的得分和评阅教师评分；（2）指导教师对学生毕业设计（论文）的评分

毕业设计（论文）成绩评定

班级             姓名              学号

综合成绩：       分（折合等级      ）

答辩小组组长签字                   年    月   日

·答辩小组评定意见·

一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。

二、评分（按下表要求评定）

年    月    日 

毕业答辩说明

1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计（论文），为答辩做好准备，并根据毕业设计（论文）质量标准给出实际得分。

2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。

3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。

4、答辩中要有专人作好答辩记录。

。

·指导教师评定意见·

一、对毕业设计（论文）的学术评语（应具体、准确、实事求是）：

                                                    签字：                   

                                                             年     月      日

二、对毕业设计（论文）评分[按下表要求综合评定]。

（1）理工科评分表

评分项目

评分项目

摘  要

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。

    随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，笔者进行了深入的研究，本文就城乡交通灯模拟控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。

    实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。其中用标准逻辑器件来实现电路在很大程度上要受到逻辑器件如门电路等的影响，调试工作极为不易，而笔者对单片机运用来进行系统的设计开发也不是很熟悉，因此，最终笔者选择了用可编程的控制器PLC来实现系统功能的设计，完成本次课设的题目。

关键词：PLC，交通灯，模糊控制

ABSTRACT

Author:Yi,Hu

Guide a teacher: Hui,Li 

Along with the development of the society economy, the city transportation problem causes people's concern more and more.The coordination of the person,car,the road threes relation, have become one of the important problems that the transportation management section demand resolve.The city transportation control system is the calculator that useds for the city transportation data monitor,the transportation signal beacon control and transportation to appease comprehensive management system, it is in the modern city transportation supervision conductor system to constitute part most importantly.

Carry out the control method of the street corner transportation light system a lot of, can carry out with the standard logic spare part,programmable preface controller PLC,single slice machine etc. project.Carries out the influence that the electric circuit wants to be subjected to the logic spare part,such as door, electric circuit to a large extent etc. with the standard logic spare part among them, adjust to try a work extremely not easy, and writer to single slice the luck use is not very either to acquaint with to the design development of carry on the system, therefore, the end writer chooses to use programmable controller PLC to carry out the design of the system function, completion originally time the lesson establish of topic.

Key word:The PLC transportation light procedure report design

第一章  PLC自动控制技术

1.1 可编程控制器概况..................................................................... ............................

1.2  PLC的结构及基本配置.............................................................. ...........................

1.3 基本指令系统和编程方法............................................................ .........................

§1 基本指令系统特点.............................................................. ...........................

§2 编程语言的形式.................................................................. ...........................

§3 编程器件.................. ......................................................... ................. ...........

§4 FX2N系列的基本逻辑指令.........................................................................

§5 梯形图的设计与编程方法..............................................................................

1.4 FX—PLC编程软件使用方法...............................................................................

第二章交通十字模糊控制

2.1 PLC模糊化………………………………………………………………………

2. 2 交通十字路口传感器的设置…………………………………………………..

2.3  模糊控制器的设计………………………………………………………………

2.4系统设计…………………………………………………………………………

2.5运行测试及结果分析………………………………………………………….

2.6  结束语………………………………………………………………………….

致谢  ……………………………………………………………………………………  

参考文献………………………………………………………………………………

第1章   PLC自动控制技术

1.1可编程控制器概况

可编程控制器(PROGRAMMABLE CONTROLLER,简称PC).与个人计算机的PC相区别,用PLC表示.

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术,计算机技术,自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置,目的是用来取代继电器,执行逻辑,记时,计数等顺序控制功能,建立柔性的程控系统.国际电工委员会(IEC)颁布了对PLC的规定:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计.它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的,模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程.可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计.

PLC具有通用性强,使用方便,适应面广,可靠性高,抗干扰能力强,编程简单等特点.可以预料:在工业控制领域中,PLC控制技术的应用必将形成世界潮流

PLC程序既有生产厂家的系统程序,又有用户自己开发的应用程序,系统程序提供运行平台,同时,还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理.用户程序由用户按控制要求设计.

1.2 PLC的结构及基本配置

一般讲,PLC分为箱体式和模块式两种.但它们的组成是相同的,对箱体式PLC,有一块CPU板,I/O板,显示面板,内存块,电源等,当然按CPU性能分成若干型号,并按I/O点数又有若干规格.对模块式PLC,有CPU模块,I/O模块,内存,电源模块,底板或机架.无任哪种结构类型的PLC,都属于总线式开放型结构,其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合.PLC的基本结构框图如下:

接受 驱动

现场信号 受控元件

CPU的构成

PLC中的CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每台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, 

与通用计算机一样,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,还有外围芯片,总线接口及有关电路.它确定了进行控制的规模,工作速度,内存容量等.内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元.

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.

CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作.

CPU的寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥下工作.

CPU虽然划分为以上几个部分,但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器,由于电路的高度集成,对CPU内部的详细分析已无必要,我们只要弄清它在PLC中的功能与性能,能正确地使用它就够了.

CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示,种种接口及设定或控制开关.一般讲,CPU模块总要有相应的状态指示灯,如电源显示,运行显示,故障显示等.箱体式PLC的主箱体也有这些显示.它的总线接口,用于接I/O模板或底板,有内存接口,用于安装内存,有外设口,用于接外部设备,有的还有通讯口,用于进行通讯.CPU模块上还有许多设定开关,用以对PLC作设定,如设定起始工作方式,内存区等.

I/O模块:

PLC的对外功能,主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的,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.I/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.

三,电源模块:

有些PLC中的电源,是与CPU模块合二为一的,有些是分开的,其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源.同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源.电源以其输入类型有:交流电源,加的为交流220VAC或110VAC,直流电源,加的为直流电压,常用的为24V.

四,底板或机架:

大多数模块式PLC使用底板或机架,其作用是:电气上,实现各模块间的联系,使CPU能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体.

五,PLC 的外部设备

外部设备是PLC系统不可分割的一部分,它有四大类

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,但它不直接参与现场控制运行.

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.

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.

输入输出设备: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.

六,PLC的通信联网

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.

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所提供的最佳功能.

1.3 基本指令系统和编程方法

§1-1 基本指令系统特点

PLC的编程语言与一般计算机语言相比,具有明显的特点,它既不同于高级语言,也不同与一般的汇编语言,它既要满足易于编写,又要满足易于调试的要求.目前,还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言.如三菱公司的产品有它自己的编程语言,OMRON公司的产品也有它自己的语言.但不管什么型号的PLC,其编程语言都具有以下特点:

图形式指令结构:程序由图形方式表达,指令由不同的图形符号组成,易于理解和记忆.系统的软件开发者已把工业控制中所需的运算功能编制成象征性图形,用户根据自己的需要把这些图形进行组合,并填入适当的参数.在逻辑运算部分,几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图,很容易接受.如西门子公司还采用控制系统流程图来表示,它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系,很直观易懂.较复杂的算术运算,定时计数等,一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示,虽然象征性不如逻辑运算部分,也受用户欢迎

明确的变量常数:图形符相当于操作码,规定了运算功能,操作数由用户填人,如:K400,T120等.PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定,由产品型号决定,可查阅产品目录手册.

简化的程序结构:PLC的程序结构通常很简单,典型的为块式结构,不同块完成不同的功能,使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念.

简化应用软件生成过程:使用汇编语言和高级语言编写程序,要完成编辑,编译和连接三个过程,而使用编程语言,只需要编辑一个过程,其余由系统软件自动完成,整个编辑过程都在人机对话下进行的,不要求用户有高深的软件设计能力.

强化调试手段:无论是汇编程序,还是高级语言程序调试,都是令编辑人员头疼的事,而PLC的程序调试提供了完备的条件,使用编程器,利用PLC和编程器上的按键,显示和内部编辑,调试,监控等,并在软件支持下,诊断和调试操作都很简单.

总之,PLC的编程语言是面向用户的,对使用者不要求具备高深的知识,不需要长时间的专门训练.

§2―2编程语言的形式

本教材采用最常用的两种编程语言,一是梯形图,二是助记符语言表.采用梯形图编程,因为它直观易懂,但需要一台个人计算机及相应的编程软件;采用助记符形式便于实验,因为它只需要一台简易编程器,而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程.

虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言,BASIC语言,专用的高级语言(如西门子公司的GRAPH5,三菱公司的MELSAP),还有用布尔逻辑语言,通用计算机兼容的汇编语言等.不管怎么样,各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品.

编程指令:指令是PLC被告知要做什么,以及怎样去做的代码或符号.从本质上讲,指令只是一些二进制代码,这点PLC与普通的计算机是完全相同的.同时PLC也有编译系统,它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码,所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码,或图形符号.常用的助记符语句用英文文字(可用多国文字)的缩写及数字代表各相应指令.常用的图形符号即梯形图,它类似于电气原理图是符号,易为电气工作人员所接受.

指令系统:一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统.它包含着指令的多少,各指令都能干什么事,代表着PLC的功能和性能.一般讲,功能强,性能好的PLC,其指令系统必然丰富,所能干的事也就多.我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统

程序:PLC指令的有序集合,PLC运行它,可进行相应的工作,当然,这里的程序是指PLC的用户程序.用户程序一般由用户设计,PLC的厂家或代销商不提供.用语句表达的程序不大直观,可读性差,特别是较复杂的程序,更难读,所以多数程序用梯形图表达.

梯形图:梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图,用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序,它与电气原理图很相似.它的连线有两种:一为母线,另一为内部横竖线.内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组,这个指令组一般总是从装载(LD)指令开始,必要时再继以若干个输入指令(含LD指令),以建立逻辑条件.最后为输出类指令,实现输出控制,或为数据控制,流程控制,通讯处理,监控工作等指令,以进行相应的工作.母线是用来连接指令组的.下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例:

X000 X001 Y000

X010

它有两组,第一组用以实现启动,停止控制.第二组仅一个END指令,用以 结束程序. 

梯形图与助记符的对应关系: 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系,而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现.一般讲,其顺序为:先输入,后输出(含其他处理);先上,后下;先左,后右.有了梯形图就可将其翻译成助记符程序.上图的助记符程序为:

地址 指令 变量

0000 LD X000

0001 OR X010

0002 AND NOT X001

0003 OUT Y000

0004 END 

反之根据助记符,也可画出与其对应的梯形图.

梯形图与电气原理图的关系:如果仅考虑逻辑控制,梯形图与电气原理图也可建立起一定的对应关系.如梯形图的输出(OUT)指令,对应于继电器的线圈,而输入指令(如LD,AND,OR)对应于接点,互锁指令(IL,ILC)可看成总开关,等等.这样,原有的继电控制逻辑,经转换即可变成梯形图,再进一步转换,即可变成语句表程序.

有了这个对应关系,用PLC程序代表继电逻辑是很容易的.这也是PLC技术对传统继电控制技术的继承.

§3-3编程器件

下面我们着重介绍三菱公司的FX2N系列产品的一些编程元件及其功能.

FX系列产品,它内部的编程元件,也就是支持该机型编程语言的软元件,按通俗叫法分别称为继电器,定时器,计数器等,但它们与真实元件有很大的差别,一般称它们为"软继电器".这些编程用的继电器,它的工作线圈没有工作电压等级,功耗大小和电磁惯性等问题;触点没有数量,没有机械磨损和电蚀等问题.它在不同的指令操作下,其工作状态可以无记忆,也可以有记忆,还可以作脉冲数字元件使用.一般情况下,X代表输入继电器,Y代表输出继电器,M代表辅助继电器,SPM代表专用辅助继电器,T代表定时器,C代表计数器,S代表状态继电器,D代表数据寄存器,MOV代表传输等.

输入继电器 (X) 

PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口,PLC 内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器,它们的编号与接线端子编号一致(按八进制输入),线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态.内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用,且使用次数不限.输入电路的时间常数一般小于10ms.各基本单元都是八进制输入的地址,输入为X000 ～ X007,X010 ～X017,X020 ～X027 .它们一般位于机器的上端.

输出继电器(Y) 

PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口.输出继电器的线圈由程序控制,输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用,其余常开/常闭触点供内部程序使用.输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限.输出电路的时间常数是固定的 .各基本单元都是八进制输出,输出为Y000 ～Y007,Y010～Y017,Y020～Y027 .它们一般位于机器的下端.

辅助继电器(M)

PLC内有很多的辅助继电器,其线圈与输出继电器一样,由PLC内各软元件的触点驱动.辅助继电器也称中间继电器,它没有向外的任何联系,只供内部编程使用.它的电子常开/常闭触点使用次数不受.但是,这些触点不能直接驱动外部负载,外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现.如下图中的M300,它只起到一个自锁的功能.在FX2N中普遍途采用M0～M499,共500点辅助继电器,其地址号按十进制编号.辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器,如掉电继电器,保持继电器等,在这里就不一一介绍了.

X000 X001 M300

M300

定时器(T)

在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式,当所计时间达到设定值时,其输出触点动作,时钟脉冲有1ms,10ms,100ms.定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值,也可以用数据寄存器(D)的内容作为设定值.在后一种情况下,一般使用有掉电保护功能的数据寄存器.即使如此,若备用电池电压降低时,定时器或计数器往往会发生误动作.

定时器通道范围如下:

100 ms定时器T0～T199, 共200点,设定值:0.1～ 3276.7秒;

10 ms定时器T200～TT245,共46点,设定值:0.01～327.67秒;

1 ms积算定时器 T245～T249,共4点,设定值:0.001～32.767秒;

100 ms积算定时器T250～T255,共6点,设定值:0.1～3276.7秒; 

定时器指令符号及应用如下图所示: 

X000

K123 设定值(累积) 

T200 Y000 

当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时,T200的当前值计数器对10 ms的时钟脉冲进行累积计数,当前值与设定值K123相等时,定时器的输出接点动作,即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒(10 * 123ms = 1.23s)时才动作,当T200触点吸合后,Y000就有输出.当驱动输入X000断开或发生停电时,定时器就复位,输出触点也复位.

每个定时器只有一个输入,它与常规定时器一样,线圈通电时,开始计时;断电时,自动复位,不保存中间数值.定时器有两个数据寄存器,一个为设定值寄存器,另一个是现时值寄存器,编程时,由用户设定累积值.

如果是积算定时器,它的符号接线如下图所示:

X001

K345 

X002 

定时器线圈T250的驱动输入X001接通时,T250的当前值计数器对100 ms的时钟脉冲进行累积计数,当该值与设定值K345相等时,定时器的输出触点动作.在计数过程中,即使输入X001在接通或复电时,计数继续进行,其累积时间为34.5s(100 ms*345=34.5s)时触点动作.当复位输入X002接通 ,定时器就复位,输出触点也复位.

计数器(C) 

FX2N中的16位增计数器,是16位二进制加法计数器,它是在计数信号的上升沿进行计数,它有两个输入,一个用于复位,一个用于计数.每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减1,当现时值减到零时停止计数,同时触点闭合.直到复位控制信号的上升沿输入时,触点才断开,设定值又写入,再又进入计数状态. 

其设定值在K1～K32767范围内有效.

设定值K0与K1含义相同,即在第一次计数时,其输出触点就动作.

通用计数器的通道号:C0 ～C99,共100点.

保持用计数器的通道号:C100～C199,共100点.

通用与掉电保持用的计数器点数分配,可由参数设置而随意更改.

举个例子:

X010

X011

K 计数器

C 0

由计数输入X011每次驱动C0线圈时,计数器的当前值加1.当第10次执行线圈指令时,计数器C0的输出触点即动作.之后即使计数器输入X011再动作,计数器的当前值保持不变.

当复位输入X010接通(ON)时,执行RST指令,计数器的当前值为0,输出接点也复位.

应注意的是, 计数器C100～C199,即使发生停电,当前值与输出触点的动作状态或复位状态也能保持.

数据寄存器 

数据寄存器是计算机必不可少的元件,用于存放各种数据.FX2N中每一个数据寄存器都是16bit(最高位为正,负符号位),也可用两个数据寄存器合并起来存储32 bit数据(最高位为正,负符号位).

⒈通用数据寄存器D 通道分配 D 0～D199,共200点. 

只要不写入其他数据,已写入的数据不会变化.但是,由RUN→STOP时,全部数据均清零.(若特殊辅助继电器M8033已被驱动,则数据不被清零).

⒉停电保持用寄存器 通道分配 D200～D511,共312点,或D200～D999,共800点(由机器的具体型号定).

基本上同通用数据寄存器.除非改写,否则原有数据不会丢失,不论电源接通与否,PLC运行与否,其内容也不变化.然而在二台PLC作点对的通信时, D490～D509被用作通信操作. 

⒊件寄存器 通道分配 D1000～D2999,共2000点.

文件寄存器是在用户程序存储器(RAM,EEPROM,EPROM)内的一个存储区,以500点为一个单位,最多可在参数设置时到2000点.用外部设备口进行写入操作.在PLC运行时,可用BMOV指令读到通用数据寄存器中,但是不能用指令将数据写入文件寄存器.用BMOV将 数据写入RAM后,再从RAM中读出.将数据写入EEPROM盒时,需要花费一定的时间,务必请注意.

⒋AM文件寄存器 通道分配 D6000～D7999,共2000点.

驱动特殊辅助继电器M8074,由于采用扫描被禁止,上述的数据寄存 器可作为文件寄存器处理,用BMOV指令传送数据(写入或读出).

⒌特殊用寄存器 通道分配 D8000～D8255,共256点.

是写入特定目的的数据或已经写入数据寄存器,其内容在电源接通时,写入初始化值(一般先清零,然后由系统ROM来写入).

§4―4FX2N系列的基本逻辑指令

基本逻辑指令是PLC中最基本的编程语言,掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法,各种型号的PLC的基本逻辑指令都大台大同小异,现在我们针对FX2N系列,逐条学习其指令的功能和使用方法,.每条指令及其应用实例都以梯形图和语句表两种编程语言对照说明.

输入输出指令(LD/LDI/OUT)

下面把LD/LDI/OUT三条指令的功能,梯形图表示形式,操作元件以列表的形式加以说明: 

符号 功 能 梯形图表示 操作元件

LD(取) 常开触点与母线相连 X,Y,M,T,C,S

LDI(取反) 常闭触点与母线相连 X,Y,M,T,C,S

OUT(输出) 线圈驱动 Y,M,T,C,S,F 

LD与LDI指令用于与母线相连的接点,此外还可用于分支电路的起点.

OUT 指令是线圈的驱动指令,可用于输出继电器,辅助继电器,定时器,计数器,状态寄存器等,但不能用于输入继电器.输出指令用于并行输出,能连续使用多次.

X000 Y000 地址 指令 数据 

0000 LD X000 

0001 OUT Y000

二,触点串连指令(AND/ANDI),并联指令(OR/ORI)

符号(名称) 功 能 梯形图表示 操作元件

AND(与) 常开触点串联连接 X,Y,M,T,C,S 

ANDI(与非) 常闭触点串联连接 X,Y,M,T,C,S

OR(或) 常开触点并联连接 X,Y,M,T,C,S 

ORI ( 或非) 常闭触点并联连接 X,Y,M,T,C,S 

AND,ANDI指令用于一个触点的串联,但串联触点的数量不限,这两个指令可连续使用.

OR,ORI是用于一个触点的并联连接指令.

X001 X002 Y001 地址 指令 数据 

0002 LD X001 

X003 0003 ANDI X002 

0004 OR X003

0005 OUT Y001 

三,电路块的并联和串联指令(ORB,ANB)

符号(名称) 功 能 梯形图表示 操作元件

ORB(块或) 电路块并联连接 无

ANB(块与) 电路块串联连接 无 

含有两个以上触点串联连接的电路称为"串联连接块串联电路块并联连接时,支路的起点以LD或LDNOT指令开始,而支路的终点要用ORB指令.ORB指令是一种指令,其后不带操作元件号,因此,ORB指令不表示触点,可以看成电路块之间的一段连接线.如需要将多个电路块并联连接,应在每个并联电路块之后使用一个ORB指令,用这种方法编程时并联电路块的个数没有;也可将所有要并联的电路块依次写出,然后在这些电路块的末尾集中写出ORB的指令,但这时ORB指令最多使用7次.

将分支电路(并联电路块)与前面的电路串联连接时使用ANB指令,各并联电路块的起点,使用LD或LDNOT指令;与ORB指令一样,ANB指令也不带操作元件,如需要将多个电路块串联连接,应在每个串联电路块之后使用一个ANB指令,用这种方法编程时串联电路块的个数没有,若集中使用ANB指令,最多使用7次.

ANB

X000 X002 X003 Y006

X001 X004 X005 

ORB 

X006

X003

地 址 指 令 数 据 

0000 LD X000

0001 OR X001

0002 LD X002

0003 AND X003 

0004 LDI X004

0005 AND X005

0006 OR X006 

0007 ORB

0008 ANB 

0009 OR X003 

0010 OUT Y006 

四,程序结束指令(END)

符号(名称) 功 能 梯形图表示 操作元件

END(结束) 程序结束 无

在程序结束处写上END指令,PLC只执行第一步至END之间的程序,并立即输出处理.若不写END指令,PLC将以用户存贮器的第一步执行到最后一步,因此,使用END指令可缩短扫描周期.另外.在调试程序时,可以将END指令插在各程序段之后,分段检查各程序段的动作,确认无误后,再依次删去插入的END指令.

其他的一些指令,如置位复位,脉冲输出,清除,移位,主控触点,空操作,跳转指令等,同学们可以参考一些课外书,在这里我们不详细介绍了.

下面同学们可练习由梯形图写出与之对应的助记符形式的指令.并由后面的GPP软件传输到PLC中,实时运行.

1)

X000 X001 X002 X003 Y000 

X004

X005

2)

X000 X001 X004 X005 Y000

X002 X003 X006 X007 

3)

X000 X001 X002 Y000 

X003 X004 X005

X006 X007

§5―5梯形图的设计与编程方法

梯形图是各种PLC通用的编程语言,尽管各厂家的PLC所使用的指令符号等不太一致,但梯形图的设计与编程方法基本上大同小异.

确定各元件的编号,分配I/O地址

利用梯形图编程,首先必须确定所使用的编程元件编号,PLC是按编号来区别操作元件的 .我们选用的FX2N型号的PLC,其内部元件的地址编号如下表所示,使用时一定要明确,每个元件在同一时刻决不能担任几个角色.一般讲,配置好的PLC,其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的,输出点数与输出的控制回路数也是相应的(如果有模拟量,则模拟量的路数与实际的也要相当),故I/O的分配实际上是把PLC的入,出点号分给实际的I/O电路,编程时按点号建立逻辑或控制关系,接线时按点号"对号入坐"进行接线.FX2N系列的I/O地址分配及一些其他的内存分配前面都已介绍过了,同学们也可以参考FX系列的编程手册.

梯形图的编程规则

⒈每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号,每个元件的触点使用时没有数量.

⒉ 梯形图每一行都是从左边开始,线圈接在最右边(线圈右边不允许再有接触点),如图a)错,图b)正确.

a ) b)

⒊线圈不能直接接在左边母线上.

⒋在一个程序中,同一编号的线圈如果使用两次,称为双线圈输出,它很容易引起误操作,应尽量避免.

⒌在梯形图中没有真实的电流流动,为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系,假定在梯形图中有"电流"流动,这个"电流"只能在梯形图中单方向流动——即从左向右流动,层次的改变只能从上向下. 

下图是一个错误的桥式电路梯形图.

编程实例

首先介绍一个常用的点动计时器,其功能为每次输入X000时,接通时,Y000输出一个脉宽为定长的脉冲,脉宽由定时器T000设定值设定.它的时序图如下图所示:

X000 

Y000

T T 

根据时序图我们就可画出相应的梯形图:

M000 T0 M000

X000 

M000 T0 

M000 T0 Y000 

运用定时器还可构成振荡电路,如根据下面的时序图,我们可用两个定时器T001,T002构成振荡电路,其梯形图如下:

X000 

Y000

T1 T2 

X000 T002 T001

T001 T002 Y000 

Y000 T002

下面是一个延时接通/延时断开电路.同学们根据时序图,画出梯形图.

T1 T2 

1.4  FX—PLC编程软件(FXGPWIN)使用方法

本软件为三菱公司的PLC编程软件,适用于FX编程软件及我厂提供的编程,内含FX编程软件及我厂提供的PLC演示装置的全部8个程序.

此软件为英文版,为方便广大用户的使用,现已把该软件的HELP(INDEX)改为中文说明,内附详细的软件操作指导,为方便初次使用的用户,本章就谈软件的基本用法作如下简要说明,进一步了解请详细阅读HELP下的中文说明.

一,运行FXGPWIN进入主菜单,主菜单位于屏幕上方.

如果要运行已编好的程序,请打开文件.

如果自己编写PLC程序则要建一个新文件,进入新建文件后,系统要求你选择PLC主机类型本实验台FX1N,OK.

二,进行上述操作后,系统进入指令编程状态,用户可在软件标志的行上按PLC的指令助记符及常数规则逐条编写出,软件为方便指令输入,在屏幕下方还列有LD,AND,OR,ANB,OUT等助记符图标,用户可用鼠标直接按点击,而不必用键盘逐个输入.

三,如果要用梯形图编程,可以退出指令编程方式,系统即进入梯形图编和方式,此时在屏幕的右边和下方均提供软元件的图标用鼠标选择适当的软元件图标,系统自动将图标置于屏幕的标志处顺序完成程序的编写.

四,如果要把该程序传递到PLC主机,则应首先用电缆进行硬件连接并把运行开关打向Stop然后在主菜单的PLC栏内选择 transfer,再选择Write,此时系统要求你输入起始步及终止步,一般起始步从0开始,终止步你可适当估计,既要放得下又不要太长,太长时编辑和检查的时间太长.

五,查看梯形图的编程窗口,选择主菜单上的Convevt 项进行程序的编辑转换,之后可以在菜单选择Monitor/Test下Start monitor可以进行在线监控,然后把主机上的运行开关打向运行,即可运行该程序.

FX—PLC的应用实验

PLC可编程控制器演示装置是PLC现代教学中必不可少的实验设备,它形象,生动,直观的演示PLC程序的运行结果,使学生真正了解PLC的控制原理,使教学与实践有机结合起来.这种教学实验可以增强学生的学习兴趣,提高学生的动手能力,大大增强学生今后在社会的自信心与竞争能力.

PLC演示装置分为PLC-DEMO001~PLC-DEMO008,每一块实验演示装置根据实验内容都可以与PLC可编程控制器实验台连接实验,也可以根据要求与任何类型的PLC相连接,连接方便操作简单.

引 言

　　 传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。而模糊控制恰恰具有这方面的优势。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现模糊控制。

第2章   交通十字模糊控制

2.1  PLC模糊化

一、本系统采用PLC是基于以下四个原因：

　1、PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；

　2、编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；

　3、抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；

　4、近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。

二、输入及其模糊化

　　本控制系统的输入量是指十字路口各方向上车辆数的动态变化量。具体由传感器采集后送入可编程序控制器。

　　2、绿灯期间通过路口车辆数(X)的模糊化

　　为了实现模糊控制，需要将绿灯时间分为两部分：其一是固定的10秒作为路口车辆状态参数的采集时间t1；其二是根据两个方向车辆流量变化进行模糊决策的延时t2。

　　绿灯期间车辆通过路口的速度不超过20km/h，则在10S内通过的最大车辆数约为10辆。以红绿灯转换瞬间为计时起点，记录10S内通过的车辆数作为变量X的论域，取(0～10)，并将它分为三个模糊子集：少、中等、多

　　3、红灯期间排队等候车辆数(Y)的模糊化

　　远端传感器和近端传感器之间的距离(L)直接影响输入量Y的变化论域。实际应用中随实地情况而有所变化。经过对某些路口不同时段车辆流量的实地调查分析，我们认为L取100米左右较为适宜。通常车辆的长度连同车辆间的间距平均约为5米，则在100米内可能滞留的车辆最大数量约为100／5＝20辆。于是红灯方向排队等候的车辆数Y的论域为(0～20)。将其分为5个模糊子集：很少、少、中等、多、很多。

　　三、输出及其模糊分类

　　本系统的输出就是两个方向的红黄绿灯，还有人行横道的红绿灯以及按前进方向分得更细的绿灯等等，其相互间的关系都是固定的，而且两个方向的输出关系也是固定的，最终都归结到对当前绿灯的延时t2。根据实际测试，对一般不太大的路口，t2最大取30S较为恰当，则绿灯的延时t2的论域为(0～30)。将其分为5个模糊子集：很短、短、适中、长、很长。

2.2  交通十字路口传感器的设置

在十字路口的四个方向（e、s、w、n）的近端j（斑马线附近）和远端y（距斑马线约100米处）各设置一个传感器，分别统计通过该处的车辆数。如图1所示。

图1  传感器的设置

    近端的传感器用于记录绿灯期间通过路口的车辆数（记为x）；远端的传感器用于记录红灯期间进入路口排队等候的车辆数（记为y）。为了简化运算，可以将两个相对的方向（n与s、w与e）的x、y值合并为一组，分别取两个方向之最大者。

2.3模糊控制器的设计

    本模糊控制系统设计的核心是模糊控制器的设计，设计模糊控制器主要是求取模糊控制表。

3.1 系统分析

    确定控制器的输入变量和输出变量以及它们的数值变化范围。输入变量为x、y，输出变量为t。绿灯期间车辆通过路口的速度不超过20公里/小时，则在15秒时间内通过的最大车辆数约为15辆。则x的变化范围为0～15。当远端和近端传感器之间距离约为100米时，考虑一般车辆车身长度连同两车辆间距平均5米左右，所以100米内可能停留等待的车辆数最多可达到100/5=20辆，于是红灯方向排队等待的车辆数y变化范围为0～20。本系统的输出就是两个方向的红黄绿灯，还有斑马线处人行横道的红绿灯以及按前进方向分得更细的绿灯相互间关系及两个方向的输出关系最终归结到对当前绿灯的延时t。根据现场测试，输出变量t的变化范围为15～60。

3.2 模糊化方法的选择与确定

    为了实现模糊控制，需要将绿灯时间分为两部分：其一是固定的1o秒作为路口车辆状态参数的采集时间t1；其二是根据两个方向车辆流量变化进行模糊决策的延时t2。绿灯期间车辆通过路口的速度不超过10m/s，则在10s内通过的最大车辆数约为l5。以红绿灯转换瞬间为计时起点，记录10s内通过的车辆数作为变量x的论域，取（0-15），并将它分为三个模糊子集：少、中等、多。其从属函数设计如图2所示。

图2  绿灯期间通过路口车辆数（x）从属函数设计

    红灯期间排队等候车辆数（y）的模糊化， 输出量模糊分类都采用三角形属函数的设计。

3.3 模糊规则的设计

    当两个方向的状态处于同一量级时，如同为多，或同为中等，或同为少时，绿灯的延时t2均取“短”，如表1所示,其目的是保证双方流量相差不多的情况下，尽快地均衡疏散。

表1  模糊规则表

3.4 模糊推理算法与解模糊

　　从模糊规则得到的结果仍然是模糊量，还要经过模糊推理算法还原为精确量才能输出。

　　本设计采用当今模糊控制算法的主流算法——简易模糊推理算法。对于每个确定的输入X和Y值对应不同的模糊子集，具有不同的从属度。由此而激活的多条模糊规则以取小的策略求出各输出于模糊集的从属度：

　　μ1(t2)＝μA!(X)∧μB1(Y)

　　μ2(t2)＝μA1(X)∧μB2(Y)

　　…

　　然后再采用重心法(加权平均法)解模糊，求出t2的精确值：

　　式中：μi为确定的X、Y输入值所对应的不同模糊子集的从属度；Ti为输出各模糊子集所对应的重心值。

　　例如测得X＝5，Y＝13。根据图2可知当X＝5时对应于两个模糊子集(中等和多)，其从属度分别为：

　　μ中等(5)＝0．5

　　μ多(5)＝0．5

　　同样，根据图3可知当Y＝13时对应两个模糊子集(中等和多)，其从属度为：

　　μ中等(13)＝0．25

　　μ多((13)＝0．75

　　此时被激活的模糊规则有第3、4、8、9条：

　　规则3：若X＝多，且Y＝中等，则t2＝适中

　　规则4：若X＝多，且Y＝多，则t2＝短

　　规则8：若X＝中等，且Y＝中等，则t2＝短

　　规则9：若X＝中等，且Y＝多，则t2＝短

　　以上四条规则的输出从属度μ(t2)，取其两个前提条件的从属度最小者：

　　推论3：μ适中(t2)＝μ多(X)∧μ中等(Y)＝0．25

　　推论4：μ短(t2)＝μ多(X)∧μ多(Y)＝0．5

　　推论8：μ短(t2)＝μ中等(X)∧μ中等(Y)＝0．25

　　推论9：μ短(t2)＝μ中等(X)∧μ多(Y)＝0．5

　　从图4可以看出，在对称的等腰三角形从属函数中，重心ti对应的值即三角形顶点对应之值，输出延时“短”和“适中”两个子模糊集对应的重心值分别为6S和12S。

　　由重心法计算公式得：

　　因此，该方向实际绿灯的延时为：

　　T＝tl十t2＝10十7＝17S

　　转换后，绿灯处于另一个方向，重复上述过程。

2.4  系统设计

4.1 系统硬件设计

    模糊控制器采用三菱的fx2n型plc，通过编程来实现交通调度过程控制。图3所示的模糊控制系统数据采集及a/d转换由模拟量输入模块fx2n-2ad完成，d/a转换由模拟量输出模块fx2n-2da完成。 

图3  plc实现模糊控制的硬件连接

    其中y10-y12是东西方向红绿灯的控制线路,y13-y15则是南北方向的控制线路,yo-y7则是控制7段显示器的控制线路。

4.2 软件设计

    plc编程能力强，可以将模糊化.模糊决策和解模糊方便地用软件来实现，基于交叉路口车辆等待长度的变周期交通模糊控制器模糊判决子程序的算法流程如图4所示。

  首先分别读入红绿灯方向检测区中各检测器显示值,计算最大车辆数x和y 然后将x和y分别乘以量化因子,求得相应论域元素表征的查找控制表所需的x和y,并根据表4模糊控制规则表查得输出控制量的论域值t 最后将其代入公式15+ki×t, 可计算出实际换向后绿灯的时间长度t。 

2.4运行测试及结果分析

本文设计的基于plc的模糊交通控制系统，在某路口经过了试运行并现场测试，并与传统的定时控制方法进行了比较（见表2所示），比较结果表明：在交通流较小或接近定时配时的预期量时,模糊控制与定时控制方法并无太大差别,而当交通量逐渐增大时,本系统的模糊控制的优势就明显起来,可以有效地减少延误车队长和车辆平均延误时间，其中南北方向和东西方向的平均延误分别较定时控制的减少6.74%和5.32 %。

表2  模糊控制与定时控制方案效果比较对照表

2.6  结束语

 理论与实践证实，应用可编程控制器plc对十字路口交通信号灯进行模糊控制,其控制效果要比定周期方法的控制效果明显，尤其适用在车辆信息量比较大的交叉路口。由于使用plc作为本系统控制器的核心，系统编程简单。操作方便，具有较好的应用推广价值，适合目前我国交通控制与管理的现状。

致  谢

    经过一个多月的毕业设计，终于出了成果，毕竟这是到目前为止，大学里耗时最长，最为正式的一次设计，是之前任何一次设计都不能比的，在这一个多月的时间，每天需要早上，中午按时签到，有安排的值日时间，还要每天的必修课——日志，日子充实的过着，在这段时间里要感谢指导老师，在设计进行一个阶段时，就会通知我们下一步的走向，也就是说，老师把我们的任务，步骤时间安排等都给我们做了个规定，是我们不至于忙碌，无所适从，每周一的班会，例行讲解一些注意事项，还有期中检查等，这些都被我记在心里，所以指导老师是最值得感谢的。

   其次就要感谢学校，感谢系里，给我们提供很大的便利条件，在这段非常时期，我们做设计需要大量的资料参考，此时，系里提供机房免费毕业生上网查阅资料，整理日志报告，而学校图书馆也为我安静学习，查阅图书提供了条件。还有同学们之间互相解答问题，互相帮助，我感觉虽然这是我的课题，但是，这是共同合作完成的。

参考文献 

1  城市十字路口交通灯控制系统的PLC程序设计   徐明铭  福建电脑  2007-10-01  期刊  

2  基于PLC实现道路十字路口交通灯模糊控制系统   宋乐鹏  可编程控制器与工厂自动化  2007-10-15  期刊  

3  基于PLC的十字路口交通灯模糊控制器的设计与实现   吴凌云  可编程控制器与工厂自动化  2005-10-15  期刊

4  基于PLC的交通十字路口模糊控制   丁金婷; 吴国忠  仪器仪表学报  2006-12-30  期刊

5  利用PLC实现十字路口交通灯的控制   李生明; 杨红  长江工程职业技术学院学报  2007-09-20  期刊  

6  PLC控制十字路口交通信号灯的设计与制作   杨育彪  电子制作  2007-09-01  期刊

7  PLC在十字路口交通信号灯急车控制中的应用   罗庚兴  南方金属  2003-08-30  期刊  

8  用PLC实现道路十字路口交通灯的模糊控制   邓宜阳  成都大学学报(自然科学版)  2001-06-28  期刊  

9  基于PLC的交通十字路口模糊控制   丁金婷  浙江大学  2006-07-01  硕士