基于三菱PLC的交通灯设计

目录

摘要 .................................................................................................................................................. 1 第一章 概述 ..................................................................................................................................... 2

1.1 PLC的基本概念与基本结构 ......................................................................................... 2

1.1.1 PLC的的基本概念 ................................................................................................. 2 1.1.2 PLC的基本结构 ..................................................................................................... 2 1.2 PLC的特点与应用领域 .................................................................................................... 4

1.2.1 PLC的特点 ............................................................................................................. 4 1.2.2 PLC的应用领域 ..................................................................................................... 5

第二章 PLC的硬件与工作原理 .................................................................................................... 5

2.1 PLC的硬件 ........................................................................................................................ 5

2.1.1 PLC的物理结构 ..................................................................................................... 5 2.1.2 CPU模块中的存储器 ............................................................................................. 5 2.2 PLC的工作原理 ................................................................................................................ 6 第三章 PLC程序设计基础 ............................................................................................................ 7

3.1 PLC编程语言与编程结构 ................................................................................................ 7

3.1.1顺序功能图（SFC） ............................................................................................... 8 3.1.2 梯形图(LD) ............................................................................................................. 8 3.1.3功能块图(FBD) ....................................................................................................... 9 3.1.4 指令表(IL) ............................................................................................................ 10 3.2 顺序控制梯形图的设计方法 .......................................................................................... 10

3.2.1 起保停电路的编程方式 ....................................................................................... 10 3.2.2 以转换为中心的编程方式 ................................................................................... 11

第四章 三菱公司F1—40MR型PLC的使用 .............................................................................. 12

4.1 三菱公司的PLC产品及F1—40MR .............................................................................. 12

4.1.1 F1系列PLC的指令系统简介： .......................................................................... 12 4.1.2 F1—40MR的编程元件： ..................................................................................... 12 4.1.3 某些编程元件使用特性及含义： ....................................................................... 13 4.2 F1-20P简易编程器的使用 .............................................................................................. 13

4.2.2 编程操作 ............................................................................................................... 13

第五章 基于PLC十字路口交通信号灯控制系统设计 .............................................................. 16

5.1 设计选题及PLC控制过程 ............................................................................................ 16 5.2 顺序功能图 .................................................................................................................... 17 5.3 以转换为中心的梯形图的设计 .................................................................................... 19 5.4 交通灯控制系统的编程指令 ........................................................................................ 20 5.5程序调试 ........................................................................................................................... 21

5.5.1在系统设计中注意的问题 .................................................................................... 21 5.5.2程序调试中遇到的问题及解决方法 .................................................................... 21 5.5.3心得体会 ................................................................................................................ 22

致谢 ................................................................................................................................................ 22 参考文献......................................................................................................................................... 22

摘要

本文介绍了PLC的基本结构及分类，PLC的特点及应用领域，通过分析PLC的工作原理及PLC的编程语言，并且重点介绍了三菱F1－40MR型PLC编程语言和指令系统，通过对梯形图程序设计方法的分析，主要介绍了两种顺序功能图转换为梯形图的方法，即起保停电路设计方法和以转换为中心的设计方法。

针对选题十字路口交通信号灯控制系统设计，本文采用顺序控制设计法中并行序列的顺序功能图设计方法，将东西、南北两个方向的路灯并行控制，再以转换为中心的方法将顺序功能图转换为梯形图，最后利用编程器将指令输入PLC中进行调试，最终实现交通灯的自动控制。

关键词：PLC、自动控制、梯形图、顺序功能图、交通灯控制系统

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第一章 概述

1.1 PLC的基本概念与基本结构

1.1.1 PLC的的基本概念

现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具备极高的可靠性和灵活性，可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

PLC应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛的应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用已得到了迅速的发展。它不仅是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位，PLC应用程度之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备无法比拟的。

国际电工委员会（IEC）对PLC作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下而设计。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、计数和算术运算等操作指令、并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程，可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。由以上定义可以看出，PLC是一种用程序里改变控制功能的工业控制计算机，除了各种各样的控制功能外，还有与其它计算机通和信联网的功能。

此实验是以三菱公司的PLC为基础而进行实验的。 1.1.2 PLC的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（见图1-1）.PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。

1. CPU模块

CPU主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于认得大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出；存储器用来存储程序和数据。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

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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。

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2. I/O模块

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块，他们相当于人的眼、耳、鼻、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

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限制。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。

3. 编程器

编程器是用来生成用户程序，便用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型的PLC编程，或者用与现场调试和维护。

4. 电源

PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

5.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。

1.2 PLC的特点与应用领域

1.2.1 PLC的特点

（1）．可靠性高，抗干扰强 （2）．功能强大，性价比高 （3）．编程简易，现场可修改

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（4）．配套齐全，使用方便 （5）．寿命长，体积小，能耗低 （6）．系统的设计、安装、调试、维修工作量少，维修方便 1.2.2 PLC的应用领域

PLC已经广泛地应用到很多工业部门，随着其性能价格的不断提高，PLC的应用范围不断扩大，主要由一下几个方面： （1）数字量逻辑控制 （2）运动控制 （3）闭环过程控制 （4）数据处理 （5）联网通信

第二章 PLC的硬件与工作原理

2.1 PLC的硬件

2.1.1 PLC的物理结构

根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。 1.整体式PLC

整体式又叫做单元式或机箱式，它的体积小、价格低，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。

2.模块式PLC

大、中型PLC一般采用模块式结构，它由机架和模块组成，模块插在模块插座上，后者焊接在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和电缆相连。

用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。 2.1.2 CPU模块中的存储器

存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，系统程序相当于个人计算机中的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能完成PLC设计者的规定的各种工作。系统程序由PLC的生厂家设计并固定化在ROM（只读存储器）中，用户不能读取。

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用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要球的特定功能，用户程序存储器的容量以字节（B）为单位。

1.随机存取存储器（RAM）

用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。RAM的工作速度高、价格便宜、改写方便。

2.只读存储器（ROM）

ROM的内容只能读出，不能写入。

3.可以电檫出可编程的只读存储器（EEPROM）

S7-200用EEPROM来存储用户程序和长期保存的重要数据。

2.1.3 I/O模块

各I/O点的通/断状态用发光二极管（LED）显示，PLC与外部接线的连接一般用接线端子，某些模块使用可以拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的连接线，就可以迅速的更换模块。

输入模块：PLC通过输入模块来接收和采集输入信号，通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调速装置等执行器，PLC控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。

输出模块：输出模块的率放大元件有大功率晶体管和场效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动交流负载）和小型继电器，继电器可以驱动交流负载或直流负载。输出电流的典型值为0.5—2A,负载电源由外部现场提供。

2.2 PLC的工作原理

可编程控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图很相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。这种用计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上也有某些相似之处。继电器在控制系统中有功率放大、电气隔离、逻辑运算的作用。

PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序不实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一共有五个阶段（见图2）。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。

在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成别的一些内部工作。

在通信服务阶段，PLC与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

当PLC处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。PLC处于运行（RUN）

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状态时，还要完成另外三个阶段的操作。

在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映象寄存器和输出映象寄存器。PLC梯形图中别的编程元件也有对应的映象存储区，它们统称为元件映象寄存器。

读取输入 执行用户程序 处理通信请求 自诊断检查 改写输出 读取输入 处理通信请求 自诊断检查 改写输出 RUN模式

图 2 扫描过程

STOP模式

PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。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，直到用户程序结束之处。在程序执行阶段，当执行指令时，从输入映象寄存器或别的元件映象寄存器中将有关编程元件的“0”/“1”状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映象寄存器中。因此，各编程元件的映象寄存器（输入映象寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。

在输出处理阶段，CPU将输出映象寄存器的“0”/“1”状态传送到输出锁存器，经输出模块隔离和功率放大后驱动外部的负载。

第三章 PLC程序设计基础

3.1 PLC编程语言与编程结构

现代的PLC一般备有多种编程语言，供用户使用。但不同厂家的PLC的编程语言有很大的区别，用户不得不学习多种编程语言和查找故障的方法。因此，IEC（国际电工委员会）1994年5月公布了可编程序控制器标准（IEC1131）。该标准由以下5部分组成：通用信息、设备与测试要求、PLC的编程语言、用户指南和通讯。由其制定的编程语言即满足目前市场的要求，又适应未来技术的发展。同时，IEC1131—3详细说明了句法、语义和下述5种PLC编程语言（见图4）的表达方式：

顺序功能图

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梯形图 功能块图 指令表 文本结构

标准中有两种图形语言——梯形图（LD）和功能块图（FBD），还有两种文字语言——指令表（IL）和结构文本（ST），可以认为顺序功能图（SFC）是一种结构块控制程序流程图。 3.1.1顺序功能图（SFC）

SFC提供了一种组织程序的图形方法，在SFC中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作（Action）是SFC中的三种主要元件（见图5）。步是一种逻辑块，即对应于特定的控制任务的编程逻辑；动作是控制任务的独立部分；转换是从一个任务到另一个任务的原因。

作为梯形图语言，SFC提供用户了以上三种基本结构（见图5）。在顺序结构中，CPU首先反复执行1中的动作，直到转换1变为“1”状态，CPU才处理第2步。在选择支路中，取决于哪一个转换是活动的，CPU只执行一条支路。在并行支路中，所有的支路被同时执行。

对于目前大多数PLC来说，SFC还仅仅作为组织编程的工具使用，尚需用其它的编程语言（如梯形图）将它转换为PLC可执行的程序。因此，通常只是将SFC作为PLC的辅助编程工具，而不是一种独立的编程语言。 3.1.2 梯形图(LD)

梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言，有时又被称为电路或程序。它是一种软件信息，是一种反映PLC的输入输出控制逻辑关系的程序软件，它与传统的继电器控制系统的梯形图（硬件）电路不同，不是真正的物理（硬件）电路，一定不能把它们当作硬件电路来看待。由于梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，因此很容易被工厂熟悉继电器控制的电气技术人员掌握，特别适用于开头量逻辑控制。

IEC1131-3的梯形图中除了线圈、常开触点和常闭触点外，还允许增加功能和功能块。

1、梯形图的主要特点

（1）PLC梯形图是的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等。但是它们不是真实物理继电器（即硬件继电器），而是在软件中使用的编程元件。

（2）梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线（Bus bar）。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电源电压。当图6中的触点1、2接通时，可假设“概念电流”或“能流”（Power flow）从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序一致。能流的方向只能从左向右流动，因此图6中（a）图应改为图（b）所示的等效电路。

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（3）根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。逻辑运算是按梯形图中从上到下、从左到右的顺序进行的。解算的结果立即可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑结算是根据输入映象寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。 （4）梯形图中的线圈应放在最右边，图7（a）的电路应改为图7（b）中的电路。 （5）梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可无限次的使用。

2、梯形图经验设计方法：

（1）.可根据原有的继电逻辑控制图进行转化设计；

（2）.没有固定的方法和步骤可遵循，试探性和随意性强；

（3）.由于需要中间变量完成记忆联锁互锁，需要考虑的因素很多； （4）.设计耗时长，且修改麻烦； 3、梯形图编规则：

（1）、 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限制。

（2）、 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。

（3）、线圈不能直接接在左边母线上。

（4）、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。

（5）、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。

3.1.3功能块图(FBD)

这是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，具有数字电路基础的人很容易掌握。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出端的小圆圈表示“非”运算，

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信号是自左向右流运的。

像SFC一样，功能块图FBD也是一种图形语言，在FBD中也允许嵌入别的语言（如梯形图、指令表和结构文本）。 3.1.4 指令表(IL)

有的厂家（如西门子公司）将指令称为语句，由若干条指令组成的程序叫做指令表程序。

PLC的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式，但是小型PLC的指令系统比汇编语言的简单得多，有的PLC的指令系统仅有20来条指令。指令表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在设计时一般使用梯形图语言。如果使用图形编程器，可以直接将梯形图送入PLC，并在显示器上显示出来。如果使用简易编程器，则必须将梯形图转换成指令表后再送入PLC，这种转换的规则是很简单的。在用户存贮器中，指令按步序号顺序排列。

3.2 顺序控制梯形图的设计方法

3.2.1 起保停电路的编程方式

根据顺序功能图设计梯形图时，可以用为存储器位M来代表步，某一步为活动步时，对应的存储器位为1状态，某一转换实现时，改转换的后续步为活动步，前级步变为死步。

起保停电路仅仅使用与触电和线圈有关的指令，设计起保停电路的关键是找出它的启动条件和停止条件。根据转换实现的基本规则，转换实现的基本条件是前级步为活动步，并且满足相应的转换条件，该步才为1状态，并且后续步为死步。

图3-2是3-1顺序功能图对应的梯形图，步M200之后有一个选择序列的分支，设步M200为活动步，当它的后续步M201或M203变为活动步时，它都应变为死步，要使步M203变为活动步时，即代表步的辅助继电器M202的启动条件为

M201·X401+M203·X404

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M202M71X402M201M203M200M71M200X400M201X401M202X402图3-1Y432Y431Y430X403M203X404Y433Y430M200M200M201X400M202M201Y431M201M203M202M200M203X403M202X401X404M200M202Y432M203Y433图3-2

对于并行序列，如果某一步的前面有N个转换（即有N个分支进入该步），则代表该步的辅助继电器的启动电路有N条支路并联而成，各支路由某一前级步对应的辅助继电器的常开触点与相应的转换条件对应的触点或电路串联而成。

3.2.2 以转换为中心的编程方式

在顺序功能图中，如果某一转换所有的前级步都是活动步并且满足相应的转换条件，则转换实现。

在以转换为中心的编程方法中，将改转换所有前级步对应的存储器位的常开触点与转换对应的触点或电路串联，该串联电路即为起保停电路的启动电路，用它作为使所有后续步对应的存储器位置位，和所有前级步对应的前级步对应的存储器位复位。

如图3-3是3-1对应的以转化为中心编程的梯形图。

M71S M200M200X400S M201R M200M200X403S M203R M200M201X401S M202M203X404R M201S M202M202X402R M203S M200R M202M200Y430M201Y431M202Y432M203Y433图3-3 11

第四章 三菱公司F1—40MR型PLC的使用

4.1 三菱公司的PLC产品及F1—40MR

4.1.1 F1系列PLC的指令系统简介：

(1) F1系列PLC的指令可分为两大类：

基本逻辑指令：又称为通用逻辑指令，是PLC中最基本的编程语言，用于开关量I/O的控制系统的梯形图程序设计，共二十条。掌握了它们也就初步掌握了PLC的使用方法，基本上就能满足开关量逻辑控制系统的编程了。

特殊功能指令：共87条，可用于编制特殊程序，如高速I/O处理、数据传输、计数器的特殊用法、算术运算和模拟量控制等。

(2) F1系列PLC的基本逻辑指令又分为四大类： 作用于触点的指令：LD/LDI、AND/ANI、OR/ORI等。 作用于线圈的指令：OUT。

数据处理指令：如S/R、RST、SFT、MC/MCR、PLS、SFT、CJP/EJP等。 独立使用的指令：如ANB、ORB、END等。

4.1.2 F1—40MR的编程元件：

F1—40MR的编程元件的名称由字母和数字表示，它们分别表示元件的类型和元件号。元件号用八进制数表示，各种编程元件的编号的取值范围有严格的规定，不同的元件编号均不相同，互不重叠，具体安排如下：

输入继电器（X）：400—413，500—513 输出继电器（Y）：430—437，530—537

定时器（T）：50—57，450—457，550—557，650—657 计数器（C）：60—67，460—467，560—567，660—667 辅助继电器（M）：100—377 （其中300—377断电保持） 状态寄存器（S）： 600—647

特殊辅助继电器（M）：70，71，72，73，76，77等16个

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4.1.3 某些编程元件使用特性及含义：

（1）F1—40MR的12个移位寄存器分别由下列辅助继电器组成：

M100—M117 M120—M137 M140—M157 M160—M177

M200—M217 M220—M237 M240—M257 M260—M277 M300—M317 M320—M337 M340—M357 M360—M377 （2）部分特殊辅助继电器的含义：

M70：运行监视，当PLC的运行开关接通时，M70接通。

M71：初始化脉冲，在PLC的运行开关接通之后的第一个扫描周期内接通。 (3) 定时器：

F1系列PLC有24个0.1-999s的定时器，编号为：T50-T57，T450-T457，T550-T557。

F1系列PLC有8个0.01-99.9秒的定时器，编号为：T650-T657。 (4) 计数器：

F1系列PLC有32个最大计数值为999的三位减法计数器，编号为：60—67，460—467，560—567，660—667。

F1系列PLC将两个三位计数器C660和C661组成计数器对作为一个6位BCD码加减计数器使用，其中C660是低三位，C661是高三位，其计数及工作方式由特殊辅助继电器M470—M472等的ON/OFF状态控制决定，它既可以对高速脉冲（最高2KHz）计数，也可以作为普通计数器使用。

修改程序检查程序写入程序清除用户存贮器4.2 F1-20P简易编程器的使用

F1-20P是与F1系列PLC配套的简易编程器，它也可以为F、F2系列PLC编程。 4.2.2 编程操作

程序的写入、修改、调试过程如右图所示。编程时

N程序正确否？Y运行程序程序符合要求？Y结束N程序写入、修改、调试过程将编程器插在基本单元上，并将它们分别置于PROGRAM模式，PLC进入编程工作状态，在此状态下进行程序的写入、检查和编辑。 (1)清除用户程序存贮器的全部内容：

在写入新程序前，首先要进行程序清零，其按键操作过程为：

CLEAR STEP 0 STEP 9 9 9 DEL 13

对于F1系列PLC，用户程序存储空间为1K字，每字为1步（STEP）。当最后按下DEL键后，用户程序存贮器中的内容全部变为NOP指令。同时有断电保持功能的辅助继电器M300—M377全部处于断开状态，计数器和移位寄存器全部被复位。

若只清除用户程序存贮器中的部分程序段，则可在上述操作过程中指定待清除的起始步序和结束步序即可。

在键操作中，若要取消前面的键操作，可以按CLEAR键。应该注意，该键不是用来清除存贮器内容的，按该键后，反复编程器处于等待接受操作命令的状态。

(2) 程序的写入

利用编程器键盘上的按键，便可以将编好的用户程序写入内存。每写入一条指令时，显示器将显示出步序号、指令及数据。程序写入应按顺序进行。

清除存贮器内容后，新的用户程序从第000步开始写入。按CLEAR键，显示出步序号000，然后按INSTR键，进入指令显示状态，便可以开始写入程序。其按键操作过程如图所示，WRITE操作将指令写入RAM，并对用户程序存贮器步序号加1。

如果程序写入是接着RAM中原有的程序继续进行，从某个步序号开始写入，则应在按STEP键后送入起始步序号，按INSTR键后，从指定的步序号开始写入程序。

输入过程中，每写入一条指令时，显示器显示出相应的步序号、指令及数据。按下“WRITE”键，显示器显示

出下一步的步序号，表明上一条指令已经写入RAM，可以写入下一条指令。

在按下写入键之前，如果希望变更指令或元件号，可以按命令键“INSTR”，然后写入新的指令或元件号；在按下写入键后，如果希望变更指令或元件号，可以按下STEP(-)键，然后写入新的指令。在按了涉及元件号的指令键之后，一定要写入元件号。由于各种不同类型的元件编号互不重叠，所以在写入指令时，不必输入元件号类型。

（3）程序清除

清除用户程序存贮器的全部内容：在写入新程序前，首先要进行程序清零，其按键操作过程为：

CLEAR STEP 0 STEP 9 9 9 DEL （4）程序的读出：

程序写入后，为了检查写入的程序是否正确，需要将程序读出进行校对。读出程序时，先指定步序号，然后按下命令键“INSTR”，以后顺序按STEP（+）键，便可读出程序。其操作过程为：

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CLEARINSTR键入指令元件号或常数WRITE操作CLEARSTEP步序号INSTR反复操作键入指令元件号或常数WRITE

CLEAR STEP 步序号 INSTR STEP(+)或STEP(-)

如果从000步开始读程序，可以省去上面的第二步和第三步中的按键操作。按下STEP(-)键，可以读出前一步序的指令。

(5) 指令的修改：

如果需要修改程序中的某条指令，首先应读出该指令或搜索到该指令，显示出原指令后，写入新的指令按WRITE，该指令即变为新的指令，旧指令自然消失。具体可按以下操作过程进行：

最后，新指令写入RAM，步序号加1。

需要修改某一常数时，先要找到前一条OUT指令，然后按STEP（+）键，使步序号加1，找到需修改的常数，再键入新的常数，常数即被修改。

(6) 指令的删除：

如果要删除某条指令，可以先读出欲删除的指令，再按下删除键（DEL），该指令即被删除，后面的指令自动接上，步序号自动减1。 (7) 指令的插入：

需要插入一条指令时，首先显示出待插入指令后面的指令（称为原指令），键入欲插入的指令键及与元件号对应的数字键后，再按插入键（INS），该指令便插入在原指令之前，其步序号为原指令的步序号，而原指令及其后的各指令的步序号均自动加1。插入后显示的指令是原指令。

(8) 程序的寻找（搜索）：

在不知道指令步序号的情况下，要寻找某条指令，其按键操作过程为：

CLEAR 指令 元件号 SEARCH 例如要搜索的指令OUT Y430所在的步序，先按该指令的指令键和与元件号对应的数字键，再按搜索键，就可以显示出要搜索的步序号。如果想搜索该步序号之后是否还有相同的指令，再按一次搜索键。但是在按了STEP(+)或STEP(-)之后，则无法再作上述的搜索。如果没有搜索到，则显示出最后的步序号是999。

本操作过程不能用来搜索定时器和计数器的常数。要搜索这些常数时，首先应找到对应的OUT指令，然后按STEP(+)键使步序号加1，便可以找到所需要的常数。

在写入指令时，如果写入的编程元件编号出现错误，超出允许的编号范围（如OUT400），按WRITE键后，显示的元件号将闪烁，这时按INSTR键后，显示的元件号将停止闪烁，并显示该步序号原有的指令。这时可以再输入正确的指令或元件号，再按WRITE键，就可以将正确的指令和元件号写入该步序号所对应的PLC的RAM中。

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第五章 基于PLC十字路口交通信号灯控制系统设计

5.1 设计选题及PLC控制过程

在十字路口的东西、南北主干道上装设红灯、绿左转、绿直行和黄灯，控制机动车辆和非机动车辆，人行斑马线上装设红、绿灯控制行人。

其控制过程为：东西南北方向主干道的红灯一直处于点亮状态，提示主干道上左转通行时直行禁止通行，直行通行时左转禁止

通行，只有红灯亮时该方向车辆禁止通行。主干道车辆通行时交通灯信号的变化规律为：左转绿灯亮15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后直行绿灯亮（同时东西方向人行道绿灯亮），15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后绿灯全部熄灭，只有红灯亮，车辆禁止通行。

该系统属于连续循环工作的控制系统，要求系统启动后能够周期性地连续循环工作，故系统中设置两个输入信号分别控制系统的启动和停止。PLC选用三菱F1—40MR基本单元，I/O接口数为24/16。

分析系统的控制模型可以看出，人行道斑马线上的绿灯状态与直行绿灯信号相同，可用同一个控制信号。故整个控制系统需设置两个输入接口：X400接启动输入开关SB1，X401接停止输入开关SB2；再设置九个输出端口分别控制各信号灯。PLC的I/O接口分配如图二所示。根据系统的控制模型和控制要求可画出系统中各输出信号的控制时序如图三所示。

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5.2 顺序功能图

根据选题的控制过程和其输出时序图设计可设计出其顺序控制功能图。 顺序功能图的三要素素是步、转换条件和动作，初始步用双线框表示，一般步与用矩形框表示，矩形框中用数字表示步的编号，转换条件用短划线表示，在旁边可用文字标注。动作用矩形框，矩形框可用文字或符号表示。

一个顺序控制过程可分为若干个阶段，这些阶段称为步或状态，可用辅助继电器M和状态继电器S表示，每个步都有不同的动作（初始步可以没有动作）。

当相邻两步之间的转换条件满足时，就实现步与步之间的转换，即上一步动作结束而下一步动作开始。步与步之间实现转换必须满足两个条件：前级步为活动步，对应转换条件成立。

采用顺序控制设计法中并行序列的顺序功能图设计方法，将东西、南北两个方向的路灯并行控制，其顺序功能图如下：

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启动停止控制X400X401M100M100M71M200南北初始东西M100M201Y430Y431Y434R0左转人行红灯定时15秒R0人行红灯定时0.5秒R0左转人行红灯定时0.5秒T554·C462K3M212T551M213Y534T551Y534Y531T552Y534T533人行红灯定时40秒人行红灯左转定时15秒人行红灯定时0.5秒T450M202T450Y430Y434T451Y430Y431Y434T452C460T552M214T451M203T533M215Y534Y531T554C462T554·C462M216Y534Y533T555复位C462T452·C460人行红灯左转定时0.5秒K3人行红灯黄灯定时2秒T452·C460M204Y430Y433Y434T453T453复位C460R0黄灯人行红灯定时2秒T555R0人行，直行定时15秒T556M220T557定时0.5秒M217Y532T556人行，直行定时15秒M205Y430Y432T454T454M206T455M207T456·C461Y430T455Y430Y432T456C461T456·C461M210Y430Y433Y434T457T457M211复位C461R0定时0.5秒R0直行K3M222R0黄灯人行红灯定时2秒T50·C463T557M221Y532T50C463T50·C463Y533Y534T51复位C463直行定时0.5秒K3定时0.5秒黄灯人行红灯定时2秒Y430Y434T550R0人行红灯定时40秒T550·T51

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5.3 以转换为中心的梯形图的设计

在顺序功能图中，如果某一转换所有的前级步都是活动步并且满足相应的转换条件，则转换实现。

在以转换为中心的编程方法中，将改转换所有前级步对应的存储器位的常开触点与转换对应的触点或电路串联，该串联电路即为起保停电路的启动电路，用它作为使所有后续步对应的存储器位置位，和所有前级步对应的前级步对应的存储器位复位。根据顺序控制的顺序功能图得到如下以转换为中心的梯形图：

X400X401启动M100M100M211M222T550T51S M200R M211R M222M200M100南北S M201S M212M201T450R M200S M202R M201M203T452C460S M202R M203M202T451S M203M203T452C460R M202S M204M204T453R M203S M205M205T454R M204S M206M207T456C461R M205S M206M206T455R M207S M207M207T456C461R M206S M210M210T457R M207S M211M212T551R M210东西S M213M213T552R M212S M214M215T554C462R M213S M214M214T553R M215S M215M215T554C462R M214S M216M216T555R M215S M217M217T556R M216S M220M221T50C463R M217S M220R M221

M220T557S M221M221T50C463R M220S M222R M221M201M201Y430T450M202M202T451M203M203T452M204M204T453M205M205T454M206M206T455M207M207T456M210M210T457M211M211T550M201M212Y431T551M203M213M205T552Y432M207M214T553M204M215Y433T554M216M210T555M217M201T556Y434M220M202T557M221T50M203M222T51M204M204M210RST C460M71M211M203M213C460Y531M215M210RST C461M217M71Y532M221M207C461M216M216Y533RST C462M222M71M212M215Y534C462M213M214M222RST C463M215M71M216M221C463M222 19

5.4 交通灯控制系统的编程指令

PLC的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式，但是小型PLC的指令系统比汇编语言的简单得多，有的PLC的指令系统仅有20来条指令。指令表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在设计时一般使用梯形图语言。如果使用图形编程器，可以直接将梯形图送入PLC，并在显示器上显示出来。如果使用简易编程器，则必须将梯形图转换成指令表后再送入PLC，这种转换的规则是很简单的。在用户存贮器中，指令按步序号顺序排列。

根据以转换为中心的梯形图可以得其指令表如下： LD X401 AND C460 LD M213 S OR M100 S M204 AND T552 R ANI X401 R M203 S M214 LD OUT M100 LD M204 R M213 AND LD M71 AND T453 LD M215 AND S M200 S M205 AND T554 S LD M211 R M204 ANI C462 R AND M222 LD M205 S M214 LD AND T550 AND T454 R M215 OR AND T51 S M206 LD M214 OR S M200 R M205 AND T553 OR R M211 LD M207 S M215 OR R M222 AND T456 R M214 OR LD M200 ANI C461 LD M215 OR AND M100 S M206 AND T554 OR S M201 R M207 AND C462 OR S M212 LD M206 S M216 OUT R M200 AND T455 R M215 LD LD M201 S M207 LD M216 OR AND T450 R M206 AND T555 OUT S M202 LD M207 S M217 LD R M201 AND T456 R M216 OR LD M203 AND C461 LD M217 OUT AND T452 S M210 AND T556 LD ANI C460 R M207 S M220 OR S M202 LD M210 R M217 OUT R M203 AND T457 LD M221 LD LD M202 S M211 AND T550 OR AND T451 R M210 ANI C463 OR S M203 LD M212 S M220 OR R M202 AND T551 R M221 OR LD M203 S M213 LD M220 OR AND T452 R M212 AND T557 OUT

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M221 LD M220 OR M221 OUT T50 LD C463 OR M222 OUT M221 LD M201 OR M202 OUT M203 LD M204 OR M205 OR M206 OR M207 OR M210 OR M211 OUT Y430 LD M201 OUT M203 K Y431 LD M205 OUT M207 K Y432 LD M204 OUT M210 K Y433 LD M201 OUT M202 K M203 LD M204 OUT M210 K M211 LD Y434 OUT M213 M215 Y531 M217 M221 Y532 M216 M222 Y533 M212 M213 M214 M215 M216 M222 Y434 M201 T450 15 M202 T451 0.5 M203 T452 0.5 M204 T453 2 M205 T454 15 M206 T455

K LD OUT K LD OUT K LD OUT K LD OUT K

0.5 M207 T456 0.5 M210 T457 2 M211 T550 40 M212 T551 40 LD OUT K LD OUT K LD OUT K LD OUT K LD M213 T552 15 M214 T553 0.5 M215 T454 0.5 M216 T555 2 M217 OUT K LD OUT K LD OUT K LD OUT K LD OR T556 15 M220 T557 0.5 M221 T50 0.5 M222 T51 2 M204 M71 RST LD OUT K LD OR RST LD OUT K LD OR RST C460 M203 C460 3 M210 M71 C461 M207 C461 3 M216 M71 C462 K LD OR RST LD OUT K END 3 M222 M71 C463 M221 C463 3

5.5程序调试

5.5.1在系统设计中注意的问题

（1）在系统设计中要注意寄存器、定时器等元件的编号是按八进制进行的，在写某一步时，如果出现M208、M209、T458等书写时，是一定要避免的。

（2）在计数器的使用时，一定要设置计数器的初始化复位，并在计数器使用完毕后一步使其复位，否则将不能使用设置好的计数器，或者不能按设置要求来进行计数。

5.5.2程序调试中遇到的问题及解决方法

问题（1）：输完指令后执行程序，设置好控制输出的灯没有完全亮。

分析：说明控制该灯的步不正确或是死步。

解决方案：检查梯形图，发现东西方向的输出未写入梯形图，修改梯形图并转换为指令，插入到程序中，再运行程序，所有设置输出均正常。

问题（2）交通灯未出现闪烁，并且未进入到下一步状态

分析：说明控制该步转换条件的定时器有问题，是根据西门子的定时器来设计的，可能会有区别。

解决方案：查看三菱PLC参考资料，发现其定时器的使用与西门子的设置有区别，在三菱PLC中，定时器的设置虽是0.1—999秒定时器，但可以输入0.5秒，设置值K就是定时时间，而西门子的定时器如果是100ms的定时器则设置

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值K为5即为0.5秒，检查指令表，修改K值，插入到程序中，再运行程序，所有设置输出均正常,程序运行正确，满足设计要求。 5.5.3心得体会

通过这次实验，了解了PLC在自动控制中的运用，可编程序控制器（简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动化控制装置，它专门为工业控制而设计，具有功能强，编程简单，使用方便等优点，在现代工业自动控制中使用越来越广泛。 此实验后，基本掌握了三菱公司F1—40MR型PLC的使用方法，并用其来设计简单的自动控制过程，受益匪浅。

通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。

在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。

致谢

此实验的顺利完成，特别要感谢在实验前，谢老师开了许多讲座，解决了不少疑难问题。谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

参考文献

[1] PLC编程及应用，廖常初主编, 第3版，北京，机械工业出版社 [2] 可编程序控制器应用技术,廖常初 编，（1～4版）,重庆大学出版社

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/argo.html