PLC的理论知识和应用现状

摘要：随着我国现代化工业的高速发展，汽车也紧跟时代的步伐，交通问题成为我国家关心的问题，也是我国经济发展的重要关键。我国人口众多、经济建设稳步发展，这也使得我国的交通问题日趋严重。如何在现有的交通体系中提高效率成为了关键所在，而提高交通控制系统的效率更是重中之重。作为诸多优点的PLC在交通控制系统中得到了很大的发展，大大弥补了原有交通控制系统中的诸多缺点，是以后交通控制系统中发展的趋势。本文首先介绍了PLC相关理论知识的基础；系统的分为四个部分阐述了PLC在交通控制系统中的应用；给出了PLC交通控制系统应用原则和步骤；绘出了PLC交通控制系统一般框架图。使我们对PLC控制交通信号灯系统的原理与应用有了更深一层的了解，希望可以为初学者PLC应用及交通信号灯系统的改进方面的研究提供参考。
关键字：交通控制系统；可编程控制器；PLC。

引言
　　　随着我国汽车产业的迅速发展，城市的交通问题愈发的凸显出来，每年的交通事故也呈逐年增涨趋势，堵车已经成为制约一个城市发展的难题。交通运输系统在我们大部分城市有着重要的作用，越来越被专家学者重视，成为最近几年研究的热点。落后的交通设施和管理手段面对高速发展的经济，使得我国城市交通控制系统面临严峻的考验。充分利用现有路网的资源，寻找解决城市交通堵塞的一系列原因。发挥科学技术的力量，来开发智能交通控制系统已经成为一种有效的途径。
　　　交通灯的正常运行成为交通畅通的重要保证，采用继电器实现，存在着功能少、可靠性差、结构复杂、维护量大等缺点，越来越不适应城市交通高速发展的要求。单片机虽然有着物美价廉的优点，但是由于单片机自身的抗干扰能力比较差，特别是在环境比较差，噪声大的场合，单片机有可能会因受外界干扰而出现问题，造成系统不能正常工作；并且采用单片机，编程比较复杂。可编程逻辑控制器( PLC)是一种数字运算操作的只能电子计算机系统。专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程[1]。
　　　把PLC应用到交通控制系统，能够最大限度地改善城市的交通设施。提高路网的利用率，有效的控制城市交通状况，减少环境污染，减少交通拥堵，，提高经济能源可持续发展的效益具有重要的意义。同时对我国智能交通系统的研究和发展也起到不可估量的作用，随着科技的不断进步，人民生活水平的不断提高，人们正逐渐向享受型转变，这些都必将导致私家车数量的猛增，道路交通拥挤的问题日益突出，不难想象，PLC在交通控制系统在未来的应用前景将不可限量。。
一、PLC的理论知识
1.1 PLC的基本组成
　　　PLC一般由主机、扩展单元及外设组成。主机必不可少，其他部分可按需要配置。主机一般有CPU、内存、电源及相应的1/0单元或者通讯(外设)口。扩展单元主要是1/0单元、电源模块(有的无电源)、与主机的连接电缆，有的还有接口模块,外设中最基本的就是编程器，有的还配置可编程终端、条码读入器、打印机等，从编写程序与调试程序的角度看，个人计算机也算是PLC的外设，PLC的组成决定了PLC的功能，组成成分的增加与完善，将增加与增强PLC的功能，根据结构形式的不同，PLC可分为整体式(也称箱体式)和组合式(也称模块式)两类[2]。
　　　整体式结构的PLC是把所有单元装在一个箱体内并构成一个整体的主机。其中包括：CPU，存储器，I/O单元，通信端口，1/0扩展端口等，除此之外还有单独的扩展单元等与主机配合使用。PLC整体式的结构有着体积小，结构简单等优点，故小机型经常使用。
　　　组合式PLC的结构的是将单元做成一个模块。同时也包括中央处理器单元，输入单元，输出单元，智能1/0模块、通讯单元等。装有中央处理器的单元称为CPU模块，其他称为扩展模块。各模块之间通过底板上的总线相互联系插在底板上，大、中型机也常采用组合式的PLC结构。
1.2 PLC的工作步骤
　　　PLC的用户所要编写的程序是由一些指令组成，并且分别按顺序排列在存储器当中。在用户程序执行阶段，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，直至遇到END指令，遇到结束指令时，CPU检查系统的智能模块是否需要服务，在执行指令时，从1/0映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0/1状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的映像寄存器中[3]。所以，不包括只读的输入映像寄存器的内容由程序的执行的变化而发生改变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，执行程序时，对I/O的存取通常不是实际的1/0点，而是通过映像寄存器寄存下来。这样做有以下三个优点。
　　　(1) 为了使系统的运行的更加稳定稳定。程序在运行的阶段，它的输入值是不变的，程序运行完后可以用输出映像寄存器的值更新输出点；
　　　(2)提高了程序运行效率，读写1/0映像寄存器的速度相比较1/0点要快得多；
　　　(3)映像寄存器可以按照位字节来取，比较便捷，但是1/0点则只有按照位来存取。
　　　1.2.1系统的初始化
　　　当PLC通电之后，首先要对CPU和其中的各种资源进行一个默认的初始化处理。其中包括清除复位所有定时器，检查1/0模块的连接，1/0映像区、变量存储器区等。
　　　1.2.2读取输入信号
　　　在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，在读取输入阶段，可编程序控制器把所有外部数字量输入电路的ON/OFF(1/0)状态读入输入映像寄存器，外接的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应输入点的常开触点接通，常闭触点断开[4]。当对应的寄存器的为初始阶段0时，外接的输入电路这个时候会断开，常闭触点与此同时会接通，并且在所涉及的梯形图中所对应输入点的常开触点在这个时候也会自动断开。
　　　1.2.3执行用户程序
　　　对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作，对应的输出映像寄存器中存放的二进制数为O，将它送到物理输出模块[5]。
　　　1.2.4通信信息处理
　　　所谓的通信处理是指，在通信的处理阶段，中央处理器首先会收到处理通信口接收到的信息后，并且请求的一方会在合适的时间收到其发来的信息。在智能模块及通信信息处理阶段，中央处理器单元会检查智能模块是否需要服务。如果智能模块仍需要，则读取智能模块的信息会存放在缓冲的寄存区中，以便下一个扫描周期使用。
　　　1.2.5CPU的自诊断
　　　自诊断测试包括用户程序存储器,定期检查寄存器Room,输入/输出单元的状态以及输入/输出的扩展总线的一致性，并且会将监控定时器恢复默认。除此之外，还要完成一些别的内部工作。
　　　1.2.6修改输出信号
　　　CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器的0八状态传送到输出模块并锁存起来，梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态，信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作[5]。
　　　1.2.7中断程序处理
　　　如果中央处理器CPU提供的中断服务。用户在程序过程中中使用了中断，并且中断事件发生时会立即执行中断程序，则中断程序会在扫描周期的任意一个时刻上被执行程序。
　　　1.2.8 I/0指令处理
　　　在程序执行阶段当中使用立即输入/输出指令可以直接存取输入/输出点，用立即输入/输出指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新，用立即输入/输出指令读输入点的值的时候，相应的输入映像寄存器的值不会被立刻更新[6]。
二、交通控制系统中PLC的应用现状
　　　当今，我国交通控制系统大部分都是利用定时原理进行控制的，这种控制方式有很大的缺陷，没有根据具体的情况具体分析。例如，一条车流量很少或者几乎没有车辆的道路的信号灯是绿灯，与此同时，另一条的道路的车流量虽然很大很拥挤，却要等待红灯。造成这种现象的根本原因就是采用的定时控制方式，不能按照实际的情况对道路进行监管，同时也造成了城市的局部严重拥堵，浪费了城市资源。这也导致了控制系统效率低下，它可能会引起不必要的交通拥堵，同时也需要大量的资源进行监管。所以，设计一种智能化交通控制系统是必不可少的。这种控制系统的根本设想就是能够根据车流量的多少，来自行对红绿灯的时间进行调整。最大限度地符合实地检测情况，减少十字路口的车辆拥挤堵塞现象。实现交通控制系统控制的最优化、最大化，同时能够提高交通控制系统的时间效率。随着科技的不断进步，人民生活水平的不断提高，人们正逐渐向享受型转变，这些都必将导致私家车数量的猛增，道路交通拥挤的问题日益突出，不难想象，智能交通控制系统在未来的应用前景将不可限量。
　　　通常，在交通控制系统中控制器的选择种类有很多，但常见的有三种，可以选择单片机控制，或者继电器控制，抑或PLC控制等。交通灯的正常运行成为交通畅通的重要保证，采用继电器实现，存在着功能少、可靠性差、结构复杂、维护量大等缺点，越来越不适应城市交通高速发展的要求。单片机虽然有着物美价廉的优点，但是由于单片机自身的抗干扰能力比较差，特别是在环境比较差，噪声大的场合，单片机有可能会因受外界干扰而出现问题，造成系统不能正常工作；并且采用单片机，编程比较复杂。把PLC应用到交通控制系统中有以下一些优点：
2.1 编程简单
　　　PLC与继电器相比，其编写语言比较相似，包括电路符号与表达方式等，都是梯形图。而梯形图的比较简单直观，易于理解和学习，熟悉继电器的电路原理图的技术人员很容易就能够掌握梯形图的语言，比较容易上手。所谓的梯形图语言实质上可以看做是一种高级语言，每当 PLC 运作这种程序时，都会将程序转变成汇编语言，然后分配给系统执行。
2.2 性价比高
　　　小型的可编程控制器内有很多的编程元件，有着各自的作用，能够完成相应的控制指令。在同种类型的控制系统中进行比较，小型的可编程控制器及经济又实用，而且它能完成分散和集中两种通信管理功能。
2.3适应性强
　　　经过长时期的应用和完善，可编程控制器已经相对比较成熟，有了自己的标准，而且装置的种类也比较丰富，系统软件适应性强，可以实现多种功能，多种规模的控制系统[8]。不仅如此，而且它的布线安装简单明了。可编程控制器不需要加装其他装置就可以直接带动多种小交流接触器。在完成对硬件的配置之后，可以利用更改相应的程序，实现对不同工作环境和功能的适应。
2.4抗干扰强
　　　老式的控制系统因为中间穿插了不少的继电器，导致系统触不稳定，故障率比较高。而可编程控制器则采用软件以及和输入输出相关的少数硬件器件，接线大大减少，故障率下降。PLC 采用硬件和软件相结合的抗干扰方法，抗扰动的能力很强，平均正常运行时间已经在数万小时之上，能够在干扰比较强烈的工作环境中稳定工作，可编程控制器现在已经是工业行业里最为认可的控制装置。
2.5便于调试
　　　PLC采用的软件可以有效的控制中央处理器硬件的安装所带来的繁重的工作量。顺序控制法被很好的应用在梯形图程序的设计中，这种软件语言通俗易懂，在处理复杂系统时，它编程所用时间要大大的少于其他方法。
2.6维修方便
　　　相比其他控制系统，PLC 故障率较低，而且它可以进行自我诊断。不论 PLC 的内部或者是外部的输出或运行装置出现问题时，都能够利用 PLC 上的二极管以及软件部分所显示的信息准确而又迅速的查出问题所在，使用新的装置替代故障模块就可以成功解决问题。
2.7 节约环保
　　　小型的PLC内有很多的编程单元能够完成相应的控制作用，每个单元都发挥着各自的作用。将它应用到复杂的控制系统中，可以有效地去除不少继电器，而它的体积几乎和继电器的大小相同，所以这可以从侧面减少开关柜的体积。

六、结束语
　　　本文主要介绍了可编程控制器PLC的相关理论知识，具体包括 PLC的定义；PLC的基本原理；PLC交通控制系统应用原则和步骤； PLC交通控制系统一般框架图。PLC 的基本结构是进行 PLC 编程控制的基础；PLC 的优点是选择；PLC 作为交通控制系统控制机的主要原因。随着PLC在交通控制系统的应用越来越成熟，其功能上的优越性就越来越明显，其市场的潜力也愈发的突出。虽然如此，但是改善城市交通的通行能力是一个非常复杂的问题，交通系统的控制只是其中一个的一个办法。除此之外，把规划、管理、控制等方面进行综合治理，加强交通法规建设和交通管理措施才能真正解决问题。