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关于 P L C在交通信号灯实验编程设计中难点的探讨 口杨平 同济大学 机械工程学院上海2 0 0 4 3 3 摘 要 在 机 电传动控制 实验教学中， 为使初 学者能运 用所 学的 P L C理论 ， 设计 了一个 P L C仿真 实验 交通信号灯 控制 编程 。通过此编程介绍 了怎样运用 P L C的功能 、 T形图等知识编程 ， 指 导初 学者解 决在做有 关 P L C实验 中遇到的 问 题 和 难 点 。 关 键 词 编 程 规 则P L C信 号 中图分类号 T P 2 7 3 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 1 1 - 0 0 7 2 0 4 P L C可 编 程 控 制 器 是 在 微 处 理 机 基 础 上 发 展 起 来 的 新 型 工 业 控 制 装 置 ． 它 已 广 泛 应 用 于 工 业 部 门 和 交 通 运 输 、 环 保 及 文 化 娱 乐 等 行 业 ， 这 是 因 为 它 基 本 满 足 了 这 些 领 域 8 0 ％ 以 上 的 控 制 需 要 ， 也 得 益 于 P L C的 结 构 和 质 量 ， 保 证 了 它 的 可 靠 性 和 良好 的 性 价 比 。 目 前 ，国 内 各 大 中 专 院 校 、各 类 职 业 技 术 学 校 都 将 P L C 教 学 纳 入 教 学 任 务 ， 成 为 了 机 械 设 计 制 造 、 电 子 、 电 气 以 及 工 业 自动 化 类 等 专 业 的 一 门 必 修 课 ． 同 时 在 高 等 院 校 教 材 及 实 验 室 相 关 实 验 中 得 到 越 来 越 高 的 重 视 和 应 用 。 本 文 通 过 设 计 一 个 红 绿 灯 控 制 实 验 题 目 ． 探 讨 在 做 有 关 P L C 实 验 中 遇 到 的 问 题 和 难 点 ． 并 从 P L C 的 功 能 、 T形 图 及 编 程 方 面 予 以 较 详 细 的 分 析 和 阐述 。 1 十字路 口交通灯控制 红 绿 灯 交 通 信 号 灯 是 在 规 定 的 时 间 内交 互 更 迭 光 色 信 号 、 设 置 于 十 字 路 口或 其 它 特 殊 地 点 、 用 以将 道 路 通 行 权 指 定 给 车 辆 驾 驶 人 与 行 人 、 管 制 其 行 止 及 转 向 的交 通 管制设 施 。 以红 、 黄 、 绿三 色-N号灯 号或辅 以 音 响 ， 指 示 车 辆 及 行 人 停 止 、 注 意 与 行 进 。 本 文 介 绍 的 课 题 是 利 用 P L C功 能 来 设 计 十 字 路 口交 通 灯 的 控 制 。 1 ． 1 实 验 内 容 见 图 1 ， 交 通 信 号 灯 受 一 个 启 动 开 关 控 制 ， 当 启 动 开 关 接 通 时 ， 信 号 灯 系 统 开 始 工 作 ， 且 先 南 北 红 灯 亮 ． 东 西 绿 灯 亮 。后 东 西 红 灯 亮 ， 南 北 绿 灯 亮 。当启 动 开 关 断 开 时 。 所 有 信 号 灯 都 熄 灭 。 1 ． 2 实 验 要 求 1 南 北 红 灯 亮 维 持 3 0 s ， 在 南 北 红 灯 亮 的 同 时 东 西 绿 灯 也 亮 ， 并 维 持 2 5 s 。 到 2 5 s时 ， 东 西 绿 灯 闪 亮 ， 闪 亮 3 s后 熄 灭 。在 东 西 绿 灯 熄 灭 时 ， 东 西 黄 灯 亮 ， 并 维 持 2 s 。到 2 s时 。 东 西 黄 灯 熄 灭 ， 东 西 红 灯 亮 。整 个 过 程 是 3 0 s 。2 南 北 红 灯 亮 在 维 持 3 0 s后 ， 南 北 红 灯 熄 灭 ， 南 北 绿 灯 亮 。东 西 红 灯 亮 维 持 3 0 s 。南 北 绿 灯 亮 收稿 日期 2 0 1 1年 7月 回 2 0 1 1 ／ 1 1 维 持 2 5 s ， 到 时 再 闪 亮 3 s后 熄 灭 。 南 北 黄 灯 亮 ， 维 持 2 s 后 熄 灭 ， 这 时 南 北 红 灯 亮 ， 东 西 绿 灯 亮 ， 整 个 过 程 也 是 3 0 8 。周 而 复 始 。 2编程设计 2 ． 1 编 程 思 路 根 据 实 验 内 容 和 要 求 ，用 时 间 继 电 器 来 控 制 红 绿 灯 关 和 开 及 开 、 关 时 间 的 长 短 ． 画 出 时 序 图 ， 分 析 出 每 一 段 各 个 灯 的 工 作 过 程 ， 用 T形 图 编 写 出 程 序 。 本 程 序 的 关 键 一 是 如 何 给 绿 灯 提 供 一 个 闪 烁 信 号 线 路 ， 有 了 闪 烁 信 号 后 又 如 何 接 入 T形 图 二 是 如 何 使 整 个 T 形 图 可 以 循 环 。 2． 2编 程 规 则 2 ． 2 ． 1 T形 图 的 主 要 编 程 规 则 由 于 T形 图 是 一 种 程 序 表 示 形 式 ． 并 不 是 由硬 件 构 成 控 制 电路 ， 因 此 在 编 制 T形 图 时 应 注 意 和 实 际 控 制 电 路 的 不 同 ，所 以 P L C 编 程 必 须 遵 守 以 下 基 本 原 则 。 机械制造4 9 卷 第5 6 7 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 外 部 输 入 X ／ 输 出 Y 继 电 器 、 内 部 继 电 器 M 、 定 时 器 T 、 计 数 器 C 、 等 软 器 件 的 常 开 触 点 或 常 闭 触 点可 以 多 次 重 复 使 用 。 2 T 形 图 的 程 序 执 行 都 是 从 每 一 行 左 母 线 的 第 一 个 触 点 开 始 到 右 母 线 的 线 圈 结 束 ， 因 此 触 点 必 须 画 在 线 圈 的 左 面 ， 而 不 能 画 在 线 圈 的 右 面 。 3 相 同 编 号 的 线 圈 在 一 个 程 序 中 连 续 使 用 两 次 称 为 双 线 圈 输 出 ， 而 出 现 这 种 情 况 容 易 产 生 P L C 的误 操 作 ， 因 此 应 尽 量 避 免 重 复 使 用 同 一 编 号 的 线 圈 ， 在 编 制 程 序 中也 应 尽 量 避 免 这 种 情 况 的 产 生 见 图 2、 3 。 在 图 2中 ． 程 序 设 计 者 希 望 触 点 M1 、 M2闭 合 或 者 触 点 M3、 M4 闭 合 或 者 四 个 触 点 都 闭 合 输 出 线 圈 Y O 都 会 得 电 ， 从 而 对 外 均 有 输 出 。 然 而 在 P L C 具 体 执 行 程 序 中 ， 运 算 结 果 并 不 是 这 样 ， 当 M3及 M4或 者 M3 及 M4 中 的 一 个 断 开 时 ， YO并 不 得 电 ， 对 外 没 有 输 出 ， 这 是 因 为 P L C运 算 是 自上 而 下 进 行 的 ， 所 以 以 第 二 行 M3及 M4的 运 算 结 果 为 标 准 进 行 输 出 。为 了 防 止 双 线 圈 对 外 输 出 ，可 以 对 图 2进 行 改 造 使 之 成 为 图 3的 形 式 。 4T形 图 程 序 必 须 满 足 顺 序 执 行 的 原 则 ， 即 对 每 一 段 来 说 是 从 上 而 下 执 行 的 ，对 于 每 一 行 来 说 则 是 从 左 到 右 执 行 的 。 不 符 合 执 行 原 则 的 T形 图 程 序 是 不 能 直 接 编 程 的 。 如 图 4的 图 形 不 符 合 T形 图 编 程 规 则 ， 则 无 法 直 接 编 程 ， 应 改 为 图 5的 形 式 。 2 ． 2 ． 2获 取 交 通 信 号 灯 中 的 闪 烁 信 号 1 定 时 器 的 工 作 原 理 。为 获 取 交 通 信 号 灯 中 的 闪 烁 信 号 ， 涉 及 到 P L C 内 的 定 时 器 。 定 时 器 工 作 原 理 是 机械制造4 9 卷 第5 6 7 期 定 时 器 的 工 作 原 理 图 7 当驱 动 输 入 X O接 通 时 ，地 址 编 号 为 T1 0 0的 当 前 计 数 器 对 1 0 0 ms时 钟 进 行 累 积 计 数 ， 当 该 值 与 设 定 值 KI O 0相 等 时 ， 定 时 器 的 输 出 接 点 就 接 通 ，输 出接 点 是 在 驱 动 线 圈 XO接 通 后 的 1 0 0 x 0 ． 1 1 0 s时 动 作 。 而 当 输 入 X0断 开 或 发 生 断 电 时 ， 计 数 器 就 复 位 。 2闪 烁 信 号 T形 图 。 针 对 定 时 器 的 工 作 特 点 ． 可 以设 计 如 图 8的 电 路 。 T形 图 的 工 作 原 理 图 8 驱 动 线 圈 X0接 通 后 ， 定 时 器 T 8开 始 计 时 ， 当 定 时 时 间 达 到 O ． 5 s时 ， 第 二 行 中 的 T 8常 开 触 点 闭合 。 此 时 ， 接 通 定 时 器 T 9， 使 T 9开 始 计 时 。 同样 定 时 器 T 9计 时 到 0 ． 5 s后 ，第 一 行 中 的 T 9常 闭 触 点 断 开 ，使 定 时 器 T8断 开 ， T 8中 的 计 数 器 复 位 。则 第 二 行 中 的 T 8常 开 触 点 断 开 ， 从 而 定 时 器 T 9 也 断 开 ， T 9 的 常 闭 触 点 重 新 闭 合 ， T8再 次 开 始 计 时 ， 周 而 复 始 。这 样 T 8就 可 以 向 交 通 信 号 灯 提 供 一 个 接 通 O ． 5 s ． 断 开 0 ． 5 s的 闪 烁 信 号 。 即 为 实 验 T形 图 提 供 了绿 灯 的 闪烁 信 号 。 3 闪 烁 信 号 接 入 T形 图 。 在 实 际 中 ， 因 为 绿 灯 亮 和 绿 灯 闪 烁 用 的 是 同一 盏 灯 ． 所 以 在 设 计 P L C 的 T形 图 中 将 绿 灯 亮 输 出 信 号 和 绿 灯 闪 烁 输 出信 号 并 联 起 来 用 同 一 个 Y3输 出 表 示 。 ． 这 是 由 于 P L C执 行 程 序 的 特 殊 性 决 定 的 ． 这 在 上 面 的 叙 述 中 已经 表 述 过 。 因 此 将 图 8中 绿 灯 闪 烁 输 出 信 号T 8用 一 个 并 联 的 方 法 接 人 ， 见 图 9 。 将 T8接 人 图 9 的 T 形 图 后 ． 就 有 T1 2 0 1 1 ／ 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 计 时 器 计 时 2 5 S的 绿 灯 信 号 输 出 ， 又 有 在 2 5 s的 绿 灯 信 号 结 束 后 、 T 2计 时 器 计 时 3 s的 绿 灯 闪 烁 信 号 输 出 。 2 ． 2 ． 3循 环 经 过 以 上 设 计 ． 已初 步 完 成 了从 东 西 绿 灯 开 始 到 南 北 黄 灯 熄 灭 的 第 一 个 6 0 S的设 计 ． 但 由 于 本 程 序 中 所 使 用 的 常 规 时 间 继 电器 中 的 计 数 器 没 有 归 零 功 能 ， 所 以 在 程 序 完 成 了第 一 个 6 0 s后 ， 就 无 法 再 继 续 执 行 下 去 了 ．因 此 在 这 里 就 涉 及 到 了一 个 循 环 执 行 程 序 问 题 。 此 时 只 要 分 析 一 下 整 个 亮 灯 的 过 程 ． 就 可 以发 现 ． 各 个 灯 亮 的 过 程 都 是 连 续 的 。 因 此 可 以 设 东 西 方 向绿 灯 为 定 时 器 T1 ， 亮 灯 时 间 是 2 5 s 。 东 西 方 向绿 灯 闪 烁 为 定 时 器 T 2， 亮 灯 时 间 是 3 S 。东 西 方 向 黄 灯 为 定 时 器 T 3， 亮 灯 时 间 是 2 s 。 设 南 北 方 向 绿 灯 为 定 时 器 T 4， 亮 灯 时 间 是 2 5 s 。南 北 方 向 绿 灯 闪 烁 为 定 时 器 T 5， 亮 灯 时 间 是 3 S 。南 北 方 向 黄 灯 为 定 时 器 T 6， 亮 灯 时 间 是 2 S 。 见 图1 0 东西方向 南北方向 0 q 2 3 s T 4 2 5 s T 6 2 s ▲图 1 0 循环图 从 图 l 0可 以看 到 ． 整 个 亮 灯 过 程 是 从 T1开 始 ． 到 T 6结 束 。是 一 个 完 整 连 续 的 时 间 过 程 。而 下 一 个 亮 灯 过 程 又 是 从 T1开 始 ， 到 T 6结 束 。所 以 只 要 断 开 T 1就 可 使 其 余 时 间 继 电 器 依 次 断 开 。这 样 只 需 将 T 6的 常 闭 触 点 放 置 在 时 间 继 电器 Tl线 圈 之 前 ． 就 能 在 最 后 T 6定 时 器 2 s t f ‘ 时 完 毕 后 ， 使 接 在 时 间 T形 图 T1线 路 上 的 T 6定 时 器 的 常 闭 触 点 断 开 ，从 而 使 T1断 开 ． 计 数 器 复 位 。当 Tl断 开 后 ， T 2定 时 器 断 开 ， 以 此 类 推 ， 则 其 余 T 3 ～ T 6相 续 断 开 。 当 到 T 6断 开 、 计 数 器 复 位 后 ， 随 即 接 在 时 间 继 电 器 T 1线 圈 之 前 的 T 6计 时 器 的 常 闭 触 点 闭 合 ， T l定 时 器 重 新 开 始 计 时 ． 由 此 开 始 下 一 循 环 计 时 。 2． 2． 4 T 形 图 程 序 在 整 个 交 通 信 号 灯 编 程 过 程 中 。第 一 要 熟 悉 P L C 的 编 程 规 则 ， 了解 需 要 接 入 电 路 中 每 一 个 继 电器 的 工 作 原 理 ，第 二 要 分 析 每 一 个 继 电 器 的 动 作 过 程 和 须 满 足 的 条 件 ，这 样 就 能 编 出 符 合 题 意 的 T形 图 程 序 ． 见 图l 1 。 3十字路 口交通灯控 制 T形图程序 3 ． 1 ， 十 字路 口交 通 信 号 灯 方 向 编 号 与 代 号 列 表 I圆 2 0 1 1 ／ 1 1 表 1 十字路 口交通信号灯方向编号 与代号 交通信号灯 南北 南北 南北 东西 东西 东西 编号 绿灯 黄灯 红灯 绿灯 黄灯 红灯 交通信号灯方向代 号 Y 0 Y 1 Y 2 Y3 Y 4 Y 5 3 ． 2 各 时 间 继 电 器 与 相 对 应 各 方 向 信 号 灯 的 关 系 见 图 1 2 东西 方 向 南北 方 向 Y3 Y4 Y5 l 卜 ] ．T 1 K 2 5 0 1 T 2 K 3 0 【T 3 K 2 0 Y0 Yl 绿灯毒⋯ 一⋯ 警 灯闪亮 黄灯亮 L一 红灯亮 Y2 ． T 4 K 2 5 0 T 5 K 3 QIT 6 K2 Q ▲图 1 2 时间继电器与信号灯 的关系 3 ． 3 T 形 图程 序 图 1 3 3 ． 4 程 序 过 程 分 析 当启 动 开 关 合 上 时 ， X 0接 通 ， 南 北 方 向红 灯 亮 ， 同 时 东 西 方 向 绿 灯 亮 。 Tl定 时 器 2 5 s时 间 到 ， 东 西 方 向 绿 灯 熄 灭 ， 东 西 方 向 绿 灯 开 始 闪 亮 。 当 T 2定 时 器 计 时 时 间 3 S到 ， 东 西 方 向绿 灯 闪 亮 熄 灭 ， 东 西 方 向 黄 灯 开 机械制造4 9 卷 第5 6 7 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基 于 P C A 的 设 备 信 号 特 征 提 取 口叶永伟 口刘志浩 口黄利群 浙江工业大学 特种装备制造与先进加 工技术 教育部， 浙江省重点实验室杭州 3 1 0 0 1 4 摘要 针 对设备运行 的监测参数 问存在 信息重 叠多、 维数 大等 问题 ． 提 出了一种基 于主 成分分析的特征提取方 法。 此方法通过提取原信 息的一 系列主成分来达到信 息间重叠和 降维的 目的 ， 首先根据监测参数建立 P C A模型 ； 然后结 合 MA T L A B对模 型进行分析 ， 得到一 系列主成分并根据 累积贡献率 的要 求选取主成分 ； 最后 ． 通过 U C I 字母数据库 中 的数据进行 了仿真分析 。验证 了该 方法的实用性和有效性 关键词 汽车涂装线P C A建模特征提取仿真 累积贡献率 中图分类号 U 4 6 8 ． 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 1 l 1 0 0 7 5 0 3 t 汽 车 涂 装 线 由 前 处 理 系 统 、 电泳 系 统 、 烘 房 系 统 等 组 成 ， 其 设 备 有 风 机 、 电 机 、 燃 烧 器 、 换 热 器 等 ， 对 涂 装 线 关 键 设 备 可 靠 、 准 确 的 监 测 是 各 系 统 稳 定 运 行 的 基 本 前 提 ， 也 是 设 备 运 行 状 态 智 能 化 判 别 的 必 要 条 件 。 从 现 场 采 集 到 的设 备 运 行 参 数 ，在 显 示 设 备 运 行 状 态 时 往 往 有 重 叠 现 象 。 为 了 智 能 学 习 器 的 建 立 ， 进 行 特 征 提 取 和 降 维 处 理 ，它 是 一 种 对 分 类 器 设 计 前 的 原 始 特 征 降 维 处 理 的 过 程 。 主 成 分 分 析 法 f P r i n c i p l e Co mp o n e n t An a l y s i s ， P C A 是 一 种 线 性 变 换 方 法 ， 在 保 证 信 息 完 整 程 度 的 基 础 上 ，采 用 主 成 分 来 代 替 原 来 数 据 的 信 息 ， 且 各 主 成 分 间 相 互 独 立 。P CA 在 人 脸 识 别 、 字 母 数 字 识 别 、 机 械 故 障 的 特 征 提 取 方 面 、 传 感 器 、 机 械 故 障 诊 断 领 域 都 有 广 泛 的 应 用 。 本 文 针 对 涂 装 线 烘 房 系 统 设 备 运 行 特 征 空 间 的 高 维 复 杂 性 、特 征 间重 合 的特 点 ，根 据 多 元 统 计 理 论 P CA 原 理 ， 提 出 了 基 于 P C A 的 特 征 提 取 方 法 ， 其 次 给 出 了 P C A 流 程 和 建 模 过 程 ， 最 后 通 过 仿 真 来 验 证 P C A 收稿 日期 2 0 1 1年 4月 方 法 的 实 用 性 和 有 效 性 。 1 P C A分析流 程及 建模 过程 P C A 是 多 元 统 计 学 中 分 析 数 据 的 一 种 有 效 的 方 法 ， 广 泛 用 于 信 号 处 理 和 故 障 诊 断 。 它 是 一 种 基 于 离 散 的 K L变 换 算 法 ， 用 最 少 的 特 征 量 对 数 据 样 本 进 行 描 述 达 到 降 低 空 间 维 数 的 目 的 。 1 ． 1 PCA 分 析 流 程 由采 集 系 统 得 到 的 数 据 往 往 维 数 大 、 变 量 间 重 复 反 映 设 备 状 态 信 息 ， 因 此 有 必 要 进 行 数 据 压 缩 和 降 维 。 始 亮 。T 3定 时 器 2 s过 后 ， 东 西 方 向 黄 灯 熄 灭 ， 南 北 方 向 红 灯 熄 灭 ，东 西 方 向 红 灯 亮 ， 同 时 南 北 方 向 绿 灯 亮 2 5 s 。T 4定 时 器 2 5 s时 间 到 ， 南 北 方 向绿 灯 熄 灭 ， 南 北 方 向 绿 灯 开 始 闪 亮 3 s 。当 T 5定 时 器 计 时 时 间 3 s到 ， 东 西 方 向 绿 灯 闪 亮 熄 灭 ， 南 北 方 向 黄 灯 开 始 亮 2 s 。 当 定 时 器 T 6计 时 时 间 2 s到 ， T 6的 常 闭 触 点 断 开 ， 使 线 圈 Y1失 电 ， 南 北 方 向 黄 灯 熄 灭 ， 同 样 也 使 Y5线 圈 失 电 ， 东 西 方 向 红 灯 熄 灭 ， 同 时 使 T1 、 T 2 、 T3 、 T 4、 T 5、 T 6、 计 时 器 全 部 复 位 置 ⋯ 0’ ． 从 而 为 下 一 步 启 动 重 新 计 时 。 这 是 一 个 工 作 周 期 ， 在 接 人 T 6的 常 闭 触 点 后 就 实 现 循 环 功 能 从 而 使 程 序 可 以 周 而 复 始 地 重 复 进 行 ． 以 此 得 到 符 合 实 验 要 求 又 有 规 律 的 交 通 灯 信 号 工 作 过 程 机械制造4 9卷 第 6 7期 的控 制 。 参 考 文 献 [ 1 ] 廖 常初． F X系列 P L C编 程及应用 [ M] ． 北京 机 械工业 出 版 社 ． 2 0 0 4 ． [ 2 ] 陆运华 ， 胡翠华． P L C控制系统梯形图及指令表 [ M] ． 北京 中国电力出版社 ． 2 0 0 7 ． [ 3 ] 林 春方 ． 可编程控 制器原理及其应用 [ M] ． 上海 上海交通 大学出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 4 ] 王兆义． 可编程控制器实用技术[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ． 1 9 9 6 ． △ 编辑 禾 禾 2 0 1 1 ／ 1 1 圆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m