基于車流量的信號燈控制系統(tǒng)設計及PLC 實現(xiàn)

陳 榮 馮俊琨 馬嘯宇

（四川水利職業(yè)技術學院電力工程系，四川 崇州611230）

1 概述

交叉口信號燈控制系統(tǒng)在緩解交通堵塞和減少交通事故方面發(fā)揮著至關重要的作用，但現(xiàn)實中交叉口的信號燈控制系統(tǒng)設計得并不合理，經(jīng)常遇到一個方向排隊等紅燈時，另一個方向綠燈卻無車通行的問題。這既使交叉口道路通行效率低，又造成交叉口道路資源浪費[1]。如何優(yōu)化設計信號燈控制系統(tǒng)，是解決這一問題的關鍵。

2 設計思路

一般情況下，行人和非機動車只要遵守交通規(guī)則，對交叉口道路通行效率影響較小，所以在系統(tǒng)設計時，暫不考慮行人和非機動車。在上下班高峰時段，因車流量大，信號燈控制系統(tǒng)按預設的配時方案運行，在車流量小的時段，可通過在道路交叉口的每條車道（不含右轉(zhuǎn)車道）上方，預先安裝高幀率激光雷達非接觸式探測裝置，當實時綠燈方向探測到3s 內(nèi)沒有車輛通行時，認為此方向暫無車輛通行，然后探測裝置輸出一個脈寬為500ms 的高電平脈沖信號，控制核心PLC 自動采集此脈沖信號，通過控制程序?qū)⒃摲较蛏系木G燈按“綠燈閃亮-黃燈常亮-紅燈常亮”的順序變成紅燈，以便另一方向道路上等待的車輛通行，可提高交叉口道路通行效率。

為減少交叉口交通事故的發(fā)生，可通過安裝數(shù)碼管等數(shù)字顯示裝置，顯示信號燈的配時時間，或通過程序?qū)崿F(xiàn)在綠燈變成黃燈前，讓綠燈閃爍一會兒，以提醒駕駛員減速停車，避免發(fā)生交通事故。事實上這兩種方法已得到廣泛應用，但筆者認為前者不僅要占用大量PLC 輸出點，還要增加相應數(shù)字顯示裝置等硬件設施，投資大的同時，還會產(chǎn)生不必要的持續(xù)電能消耗，而后者通過軟件就能實現(xiàn)，只需做好宣傳，讓人們有意識的遵守就可以了，故，可不再考慮安裝數(shù)字顯示裝置來顯示信號燈剩余時間。以PLC 為控制核心的系統(tǒng)組成框圖如圖1。

圖1 信號燈控制系統(tǒng)組成框圖

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 PLC 選型。選型時要注意考慮成本和系統(tǒng)功能可擴展等因素。通過對設計思路的深入思考，確定本控制系統(tǒng)只需要PLC 的4 個開關量輸入接口以及8 個能帶交流負載的輸出接口。故選擇S7-200 系列PLC 中的CPU224 AC/DC/RLY 作為控制器[2]，其基本單元I/O 點數(shù)和內(nèi)部集成功能完全能滿足本控制系統(tǒng)需求，需要時最大還可連接7 個擴展模塊，用來對控制功能進行擴展。

3.2 I/O 點分配。根據(jù)設計思路，可將PLC 的輸入輸出點作如下分配，見表1。

表1 I/O 點分配表

3.3 PLC 電氣接線原理圖設計。按照表1 中I/O 點的分配情況，參考SIMATIC S7-200 可編程序控制器系統(tǒng)手冊中CPU224 AC/DC/RLY 的接線圖，設計出電氣接線原理圖，見圖2。

圖2 PLC 電氣接線原理圖

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1 控制任務要求?？刂迫蝿找员? 所示信號燈配時方案為例[3]，詳細配時要求：以1min 為一個周期，分為兩個30s 時段。在每一個30s 時段內(nèi)，如果一個方向亮紅燈，另一個方向則在同一時刻亮綠燈，28s（其中最后3s 閃亮）后，黃燈再亮2s。按此反復循環(huán)運行。當交叉口雙向綠燈都亮時，要自動停止運行系統(tǒng)，同時控制喇叭發(fā)出警報。現(xiàn)實中，不同交叉口信號燈配時方案可根據(jù)通行效率影響因素，用VISSIM 仿真軟件優(yōu)化得到。

表2 信號燈配時方案（樣例）

在任一方向為實時綠燈，且車流量探測裝置探測到3s 內(nèi)無車輛通行時，能控制此方向信號燈跳過剩余的綠燈常亮時間，直接按“綠燈閃亮-黃燈常亮-紅燈常亮”順序動作，另一個方向上的綠燈在前一個綠燈依次變成紅燈的那一刻同時亮起，并且控制系統(tǒng)能再次以表2 所示信號燈配時方案運行。

4.2 控制程序設計。按照控制要求和信號燈的配時方案，設計出梯形圖控制程序，見圖3。

圖3 信號燈控制系統(tǒng)梯形圖程序

4.3 系統(tǒng)調(diào)試。以TH-180 型PLC 電氣控制技能實訓考核裝置為實驗平臺，首先按照電氣接線原理圖將PLC 和平臺自帶“自控交通燈系統(tǒng)”模塊連接好，因?qū)嶒炂脚_上沒有輸出脈沖信號的設備，接線時將I0.2 和I0.3 各接一個按鈕，按鈕按下代表該方向3s 內(nèi)沒有車輛通行。然后將之前設計的梯形圖程序?qū)懭刖幊誊浖TEP7-Micro/WIN，并下載進PLC。經(jīng)過運行調(diào)試，梯形圖程序完全能夠?qū)崿F(xiàn)既定的控制要求，且在任何時候按下I0.2 和I0.3 所接按鈕，控制系統(tǒng)都能照常運行。這同時也驗證了本文所設計的電氣接線原理圖是正確的。

5 結論

本文所設計的信號燈控制系統(tǒng)，在車流量小的時候能夠有效縮短排隊等待紅燈的時間，尤其是在夜間顯得非常明顯，在剛變?yōu)榧t燈的情況下，最少只需等待8s 就可通行。在交叉口信號燈控制系統(tǒng)優(yōu)化方面，具有一定的參考價值。