十字路口交通灯控制模拟系统

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1 十字路口交通灯控制要求

1.1 交通灯工作过程

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。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。

南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒，到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持30秒。南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮，周而复始。

1.2 模拟系统实验装置与附件

（1）TKPLC-1型实验装置一台

（2）安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件和组态软件的计算机一台。 （3）PC/PPI编程电缆一根。 （4）连接导线若干。

1.3 十字路口交通灯控制的实验面板图：

图1

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2 控制模拟系统所用软件简介

2.1 SIMATIC S7-200 系列 PLC 及其编程软件 STEP7-Micro/WIN 32

SIMATIC S7-200 系列 PLC 适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。S7-200 系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块等。S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。

STEP 7-Micro/WIN 32 是西门子公司专门为 S7-200 系列 PLC 设计在个人计算机 Windows 操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学，可用梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图三种编程语言编制程序，不同的编程语言编制的程序可以相互转换。STEP 7-Micro/WIN 32 提供两套指令集，即 SIMATIC 指令集（S7-200 方式）和国际标准指令集（IEC1131-3 方式）。程序编制完成之后，利用 PLC与计算机专用的 PC/PPI 电缆传送程序至 PLC。

2.2 工控组态软件——组态王V6.53

“组态王 V6.53”是一个全中文界面的人机界面软件(HMI)，它是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供实现和完成监控层所有功能的途径。它以 WindowsXP/NT/2000 中文操作系统作为其操作平台，提供资源管理器式的操作主界面，具有图形功能完备、界面一致友好、易学易用的特点。该软件包由工程管理器(ProManager)、工程浏览器(TouchExplorer)、画面运行系统(TouchVew)三部分组成。

组态王作为一个开放型的通用工业监控软件，支持工控行业中大部分国内常见的测量控制设备。用户在使用过程中无须熟悉复杂的通信协议、无须掌握太多的编程技术，只需按照规定的步骤设置相应的参数和使用其图形界面系统就可以方便地进行设备的连接、画面的开发、简单程序的编写从而完成一个远程监控系统的设计。

3 十字路口交通灯PLC设计

3.1 PLC元件介绍

3.1.1 输入映像寄存器(I)

PLC的输入端子是从外部接收输入信号的窗口。每一个输入端子与输入映像寄存器（I）的相应位相对应。输入点的状态，在每次扫描周期开始(或结束)时进行采样，并将采样值存于输入映像寄存器，作为程序处理时输入点状态的依据。输入映像寄存器的状态只能由外部输入信号驱动，而不能在内部由程序指令来改变。输入映像寄存器(I)的地址格式为： 位地址：I [字节地址] . [位地址]，如I0.1。

字节、字、双字地址：I [数据长度][起始字节地址]，如IB4、IW6、ID10。 3.1.2 输出映像寄存器(Q)

每一个输出模块端子与输出映像寄存器的相应位相对应。CPU将输出判断结果存放在输出映像寄存器中，在扫描周期的结尾，CPU以批处理方式将输出映像寄存器的数值复制到相应的输出端子上。通过输出模块将输出信号传送给外部负载。可见，PLC的输出端子

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是PLC向外部负载发出控制命令的窗口。输出映像寄存器(Q)地址格式为：

位地址：Q [字节地址] . [位地址]，如Q1.1。

字节、字、双字地址：Q [数据长度] [起始字节地址]，如QB5、QW8、QD11。 3.1.3 定时器存储器(T)

定时器是模拟继电器控制系统指令的时间继电器。S7-200 PLC定时器的时基有1ms、10ms、100ms。通常定时器的设定值由程序赋予，需要时也可在外部设定。

定时器存储器地址表示格式为：T[定时器号]，如T24。 S7-200 PLC定时器存储器的有效地址范围为：T(0—255)。 S7-200的定时器类型有三种：接通延时定时器(TON)、有记忆接通延时定时器(TONR)、断开延时定时器(TOF)。

当前值：定时器累计时间的当前值(16位有符号整数)，它存放在定时器的l 6位当前值寄存器个。

定时器位：当定时器当前值等于或大于设定位时，该定时器位被置为“1”。

本实验采用接通延时定时器(TON)，分辨率为100 ms，它的计时范围和定时器号如表1。

表1 定时器类型 TOF 分辨率/ms 100 计时范围/s 3276.7 定时器号 T37~T63,T101~T255

允许输入端(IN)接通时，接通延时定时器(TON)开始计时，当定时器的当前值等于或大于设定位(PT)时，该定时器位被置位为“1”。定时器(TON)累计值达到设定时间后，TON继续计时，一直计到最大值32767。

允许输入端(IN)断开时，定时器TON复位，即当前值为“0”，定时器位为“0”。定时器的实际设定时间T=设定值(PT)×分辨率，设定值(PT)的数据类型是有符号整数(INT)。

接通延时定时器TON是模拟通电延时型物理时间继电器功能。本系统各定时器功能定义如表2。

表2 定时器 T37 T38 T39 T40 T41 T42 T43

功能 南北红灯亮25s 南北绿灯亮25s 南北绿灯闪3s 南北黄灯亮2s 东西红灯亮30s 东西黄灯亮2s 东西绿灯亮20s 定时器 T44 T47 T48 T49 T50 T59 T60 功能 东西绿灯闪3s 甲车（东西向）行驶22s 乙车（南北向）行驶27s 甲车反应时间1s 乙车反应时间1s 0.5s闪烁控制 0.5s闪烁控制 3.2 PLC输入输出接点列表

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表3 输入 启停 南北绿灯 南北黄灯 南北红灯 输出 东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 乙车（南北向） 甲车（东西向）

3.3 系统硬件接线图

在实验面版图（图1）中，下框中的南北红、黄、绿灯R、Y、G分别接主机的输出点Q0.2、Q0.1、Q0.0，东西红、黄、绿灯R、Y、G分别接主机的输出点Q0.5、Q0.4、Q0.3，模拟南北向行驶车的灯接主机的输出点Q0.6，模拟东西向行驶车的灯接主机的输出点Q0.7；下框中的SD接主机的输入端I0.0。上框中的东西南北三组红绿黄三色发光二极管模拟十字路口的交通灯。系统接线图如图2。

图2

I0.0 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7

3.4 交通灯控制过程详述

当启动开关SD合上时，I0.0触点接通，Q0.2得电，南北红灯亮；同时Q0.2的动合触点闭合，Q0.3线圈得电，东西绿灯亮。1秒后，T49的动合触点闭合，Q0.7线圈得电，模拟东西向行驶车的灯亮。维持到20秒，T43的动合触点接通，与该触点串联的T59动合触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使东西绿灯闪烁。又过3秒，T44的动断触点断开，Q0.3线圈失电，东西绿灯灭；此时T44的动合触点闭合、T47的动断触点断开，Q0.4线圈得电，东西黄灯亮，Q0.7线圈失电，模拟东西向行驶车的灯灭。再过2秒后，T42的动断触点断开，Q0.4线圈失电，东西黄灯灭；此时启动累计时间达25秒，T37的动断触点断开，Q0.2