基于PLC的智能交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計

秦常貴

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 韶關(guān) 512126)

近年來，隨著我國汽車保有量的持續(xù)快速增長，道路通行車輛劇增，交通擁堵嚴重。為了緩解交通擁堵，一些城市十字路口的交通信號燈的紅綠燈時間設(shè)置越來越長。在交通高峰期，科學(xué)延長紅綠燈時間有助于更多車輛的通行，從而提高通行效率。但在非交通高峰期，特別是交通低峰期和深夜，如果紅綠燈時間過長，則浪費駕駛者的時間。而目前交通信號燈的紅綠燈時間設(shè)置基本上都是不分時段，即24 h都是固定的，這顯然與現(xiàn)代快節(jié)奏的工作與生活不相適應(yīng)。已有學(xué)者[1-5]對不同時間段、不同紅綠燈時間設(shè)置進行了研究，但仍需要人工進行手動模式切換；另有研究[6-8]根據(jù)實時車流量來控制紅綠燈時間，但系統(tǒng)配置要求高，且后期維護工作量大。因此，在實際應(yīng)用中仍采用紅綠燈時間固定設(shè)置模式。另外，當(dāng)發(fā)生重大火災(zāi)或其他突發(fā)事件，有大量消防車或其他救援車輛需要緊急通過時，如交通信號燈不能為其及時開啟綠燈，勢必影響救援時間，而目前十字路口的交通信號燈基本上都不具備這一功能。由于目前的交通信號燈大多采用單片機控制[9-13]，其控制系統(tǒng)設(shè)計相對繁瑣(尤其在控制功能復(fù)雜的情況下)，且性能不夠穩(wěn)定，故障率高。交通信號燈一旦出現(xiàn)故障，往往導(dǎo)致交通無序、擁堵甚至癱瘓。針對上述問題，本文將采用性能可靠、價格越來越便宜的PLC作為控制器，在滿足交通信號燈基本功能的前提下，提出并重點解決24 h分時段全自動智能切換紅綠燈時間設(shè)置的控制及“急通”功能的實現(xiàn)，讓交通變得更智能、更符合現(xiàn)場實際、更人性化。

1 系統(tǒng)簡介及控制功能設(shè)計

本控制系統(tǒng)以最常見的十字路口交通信號燈為例，東南西北各裝一個允許直行的綠燈、一個警示直行停車的黃燈、一個禁止直行的紅燈、一個允許左轉(zhuǎn)的綠燈、一個警示左轉(zhuǎn)停車的黃燈、一個禁止左轉(zhuǎn)的紅燈、一個顯示綠燈時間的綠色數(shù)碼管、一個顯示紅燈時間的紅色數(shù)碼管。正常工作時，東與西、南與北2組相對方向的工作狀態(tài)保持一致。具體控制功能如下：

1) 根據(jù)目前的大部分交通狀況，大致可以將一天24 h分為7個時間段，如圖1所示。圖1中，00:00—05:00為交通深夜期(自定義)，05:00—07:00 為交通低峰期，07:00—09:00為交通高峰期，09:00—18:00為交通平峰期，18:00—20:00為交通高峰期，20:00—22:00為交通平峰期，22:00—24:00 為交通低峰期。具體應(yīng)劃分多少個時間段以及每個時間段從幾點到幾點更科學(xué)合理，由交通部門根據(jù)各個時間段的車流量大數(shù)據(jù)來分析、測算和決策。交通低峰期、交通高峰期和交通平峰期的紅綠燈時間設(shè)置各不相同，且實現(xiàn)全自動切換(包括交通深夜期)。

圖1 24 h交通狀況分布

2) 交通深夜期：車流量很少，東南西北4個方向的紅綠燈都不亮，只有4個方向的所有黃燈以1 Hz的頻率閃爍來進行警示作用，提醒駕駛者減速慢行即可。

3) 交通低峰期：車流量少，設(shè)計紅綠燈時間短?？紤]到東西方向和南北方向車流量的不同，設(shè)計東西直行30 s，東西左轉(zhuǎn)20 s，南北直行25 s，南北左轉(zhuǎn)15 s(具體多長時間合適，由交通部門根據(jù)車流量大數(shù)據(jù)來測定，下同)。先東西方向允許直行的綠燈亮，同時東西左轉(zhuǎn)、南北直行和左轉(zhuǎn)的紅燈亮；東西直行綠燈時間一到，東西直行綠燈滅，同時東西直行黃燈亮3 s，然后東西直行黃燈滅，同時東西直行紅燈亮、東西左轉(zhuǎn)紅燈滅、東西左轉(zhuǎn)綠燈亮；東西左轉(zhuǎn)、南北直行、南北左轉(zhuǎn)的工作過程與東西直行一樣，只是綠燈亮的時間不同(下同)。

4) 交通平峰期：車流量一般，設(shè)計東西直行60 s，東西左轉(zhuǎn)40 s，南北直行50 s，南北左轉(zhuǎn)30 s。

5) 交通高峰期：車流量大，設(shè)計東西直行90 s，東西左轉(zhuǎn)60 s，南北直行75 s，南北左轉(zhuǎn)45 s。

6) 急通功能：消防車等緊急車輛需要通行的方向，直行和左轉(zhuǎn)的綠燈都亮、紅燈都滅，其余3個方向都亮紅燈，禁止通車，為急通車輛讓行。急通功能由急通開關(guān)控制，某方向的急通開關(guān)接通，該方向急通開始，急通開關(guān)斷開，急通結(jié)束。急通結(jié)束后，先東南西北4個方向的黃燈持續(xù)亮5 s，然后系統(tǒng)自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

7) 時間倒計時顯示：有綠燈的方向倒計時顯示綠燈的時間，全紅燈的方向倒計時顯示紅燈的時間；為節(jié)省輸出點數(shù)的使用，同時提高駕駛員的注意力，本系統(tǒng)只使用了一位數(shù)碼管來顯示時間，也就是只有當(dāng)時間小于10 s時才進行倒計時顯示。

8) 在交通深夜期和急通狀態(tài)時，數(shù)碼管不顯示時間，處于關(guān)閉狀態(tài)。

9) 系統(tǒng)啟動時，如果在非“交通深夜期”按下系統(tǒng)啟動按鈕，先東南西北4個方向的黃燈持續(xù)亮5 s，然后再自動進入紅黃綠燈正常工作模式；如果在“交通深夜期”按下啟動按鈕，則系統(tǒng)直接進入“交通深夜期”工作模式。

10) 系統(tǒng)停止時，不采用瞬時停止，也就是當(dāng)按下系統(tǒng)停止按鈕時，系統(tǒng)不會馬上停止工作，而是繼續(xù)工作到當(dāng)前循環(huán)結(jié)束之后再自動停止。

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

1) PLC選型

本控制系統(tǒng)選用PLC實訓(xùn)室現(xiàn)有的三菱FX2N-64MR主機作為控制器，另選FX2N-48ER擴展模塊以擴展輸出點數(shù)。

2) PLC控制系統(tǒng)I/O分配及I/O接線原理

PLC控制系統(tǒng)I/O分配及I/O接線原理如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)I/O接線原理

3) 控制程序設(shè)計

PLC控制程序設(shè)計采用SFC與梯形圖混編實現(xiàn)，SFC程序如圖3所示，梯形圖程序如圖4所示。

圖3 PLC控制程序SFC

圖4 PLC控制程序梯形圖

控制程序說明：三菱FX2N系列PLC的系統(tǒng)時間按“星期、年、月、日、時、分、秒”分別實時存儲在特殊數(shù)據(jù)寄存器D8019～D8013中[14]，如圖5所示。

圖5 PLC系統(tǒng)時間存儲位置

圖3程序的作用有2個：按下系統(tǒng)啟動按鈕，不讓系統(tǒng)突然瞬時點亮紅綠燈，而是先讓東南西北4個方向的所有黃燈持續(xù)亮5 s，提示駕駛者交通信號燈即將開始正常工作，然后再自動進入紅黃綠燈正常工作模式，這既能有效避免系統(tǒng)啟動前正在通過路口的車輛來不及剎車而導(dǎo)致闖紅燈或緊急剎車而導(dǎo)致追尾事故，又能控制紅黃綠燈在05:00—24:00非“交通深夜期”正常工作。

圖4中，①系統(tǒng)啟動與停止：結(jié)合圖3程序，按系統(tǒng)啟動按鈕，系統(tǒng)啟動。按系統(tǒng)停止按鈕，系統(tǒng)采用延時到當(dāng)前循環(huán)結(jié)束時再自動停止。②交通深夜期：首先清除圖3程序的工作，然后直接利用特殊輔助繼電器M8013實現(xiàn)東南西北黃燈的閃爍。需注意，本段程序須放在圖3程序前，否則，系統(tǒng)工作不正常，這是由PLC“從上至下”的循環(huán)掃描工作方式?jīng)Q定的。③確定紅綠燈定時器設(shè)置值：定時器設(shè)置值=時間/精度，由于T0～T199的定時精度是100 ms，因此可根據(jù)綠燈的具體時間得到各設(shè)置值的大小。期間綠燈方向會亮2次黃燈(各3 s)，因此紅燈方向的定時器設(shè)置值等于綠燈方向2個綠燈的設(shè)置值再加60。本控制系統(tǒng)計時紅綠燈時間的定時器的設(shè)置值未采用常數(shù)，而是巧用數(shù)據(jù)寄存器，從而達到大大優(yōu)化程序的目的。圖中S0、S10、S11必須并聯(lián)，否則，第一個循環(huán)無綠燈亮。④將定時器設(shè)置值轉(zhuǎn)換為時間：由于定時器的定時精度為100 ms，致使設(shè)置值是時間(s)的10倍，因此將設(shè)置值都除以10，從而將設(shè)置值轉(zhuǎn)換為時間(s)。圖中S0、S10、S11必須并聯(lián)，否則，第一個循環(huán)無倒計時顯示。⑤倒計時顯示：利用特殊輔助繼電器M8013每隔1 s將時間減少1 s，然后用七段譯碼指令SEGD和外接數(shù)碼管進行倒計時顯示。由于所有應(yīng)用指令都具有保持功能，因此，當(dāng)?shù)褂嫊r完畢，要利用區(qū)間復(fù)位指令ZRST及時將數(shù)碼管顯示清除。⑥急通：充分利用PLC“從上至下”的循環(huán)掃描工作方式，將急通控制放在程序的最后。急通開始時，先關(guān)閉所有信號燈和數(shù)碼管、清除圖3程序的工作，同時置位S10，為急通結(jié)束恢復(fù)正常工作做好準備，然后通過數(shù)據(jù)傳送指令MOV以送十六進制數(shù)的方式控制輸出點，極大簡化程序設(shè)計。急通結(jié)束時，巧用急通開關(guān)產(chǎn)生的下降沿信號清除急通信號，同時讓系統(tǒng)進入剛啟動狀態(tài)，即東南西北4個方向的所有黃燈先持續(xù)亮5 s，提示駕駛者急通結(jié)束，系統(tǒng)即將進入正常工作模式。

系統(tǒng)剛啟動和“急通”結(jié)束后，采用所有黃燈持續(xù)亮5 s后再進入紅黃綠燈正常工作模式，有別于“交通深夜期”工作模式(所有黃燈閃爍)，這有助于駕駛者觀察、判斷和駕駛。

在不同交通期切換時，為確保紅綠燈時間不會發(fā)生突變，程序控制先運行完當(dāng)前循環(huán)后，下個循環(huán)開始時再自動切換紅綠燈時間設(shè)置。

4) 系統(tǒng)調(diào)試與運行

首先利用編程軟件GX Developer設(shè)置PLC系統(tǒng)時間，如圖6所示。在確保某個交通期內(nèi)運行正確之后，再修改PLC系統(tǒng)時間，使之接近下個交通時段，再仔細觀察時間設(shè)置切換正確與否，這樣可以大大縮短調(diào)試周期。

圖6 PLC系統(tǒng)時間設(shè)置與校準

為了能夠模擬現(xiàn)場進行調(diào)試，筆者特地用萬能板制作了模擬電路對系統(tǒng)進行了全面反復(fù)的調(diào)試，包括系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)停止、交通深夜期的工作、紅綠燈時間設(shè)置的分時段全自動切換、急通等，所有控制功能全部實現(xiàn)。系統(tǒng)調(diào)試與運行如圖7所示。系統(tǒng)已在實訓(xùn)室連續(xù)運行了2個星期，除了時間上略有一點點誤差(PLC系統(tǒng)時間快約10 s)，其他一切正常。由于受時鐘精確度的影響，PLC系統(tǒng)時間與北京時間不同步是不可避免的，當(dāng)兩者相差較多時，在任何時候可不停機、不影響系統(tǒng)工作的情況下，再次校準PLC系統(tǒng)時間，校準界面如圖6所示，以按實際時間控制與運行。

(a) 調(diào)試現(xiàn)場

(d) 西急通

3 結(jié)論

1) 控制系統(tǒng)可很好地滿足交通信號燈直行、左轉(zhuǎn)、時間倒計時顯示等基本功能，同時也能很好地實現(xiàn)“24 h分時段全自動智能切換紅綠燈時間設(shè)置”的控制；該功能既能減輕交通高峰期的擁堵，又能減少非交通高峰期的時間等待，能有效提升交通系統(tǒng)運行效率和管理水平。

2) 設(shè)計的“急通”功能能隨時為緊急通行車輛開啟綠燈，最大限度地提供急通服務(wù)，并能隨時恢復(fù)正常工作。

3) 系統(tǒng)控制功能科學(xué)合理，設(shè)計思路清晰，控制程序優(yōu)越且可讀性強，運行穩(wěn)定可靠，性價比高，可直接用來對現(xiàn)有交通信號燈控制系統(tǒng)進行技術(shù)升級、改造和優(yōu)化。