基于PLC的智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡明偉，呂 品，蔡金梅

（1.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.深圳大學(xué) 未來地下城市研究院，廣東 深圳 518060；3.深圳大學(xué) 濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060）

0 引 言

伴隨我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，城市私家車日漸增多，交通擁堵——特別是高峰時(shí)段的塞車已成為社會(huì)焦點(diǎn)話題。目前評價(jià)智慧城市發(fā)展水平的核心指標(biāo)之一便是城市的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。能否讓交通系統(tǒng)迅速、安全、有序地運(yùn)轉(zhuǎn)是交通強(qiáng)國戰(zhàn)略下，每個(gè)交通行業(yè)建設(shè)者急需解決的問題?，F(xiàn)有紅燈與綠燈管控模式通過對公路上車流量進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)籌來預(yù)設(shè)紅綠燈的固定時(shí)長。但是，城市交通是繁雜多變的整體體系，車流量隨時(shí)間變化，在車流量少的時(shí)段，應(yīng)適度縮減循環(huán)時(shí)間與候車時(shí)間；在車流量較大的高峰時(shí)段，應(yīng)適度地增加車輛的通行時(shí)間，以便讓更多的車輛通過；當(dāng)有些路口的南北方向車流量與東西方向車流量之間的懸殊較大時(shí)，可以在車流量偏多的方向，延長車輛的綠燈通行時(shí)間；此外，還要考慮救護(hù)車、消防車等特殊車輛通行的狀況，以便迅速應(yīng)對火災(zāi)等事故。所以，交通信號(hào)燈控制必須是多工作模式系統(tǒng)。

1 交通數(shù)據(jù)獲取

1.1 感應(yīng)管控

交通信號(hào)燈的管控模式分為定時(shí)管控與感應(yīng)管控兩種。傳統(tǒng)的定時(shí)管控不能依照公路上具體的車流情況管控交通信號(hào)燈，城市交通通行率過低；而感應(yīng)管控憑借裝設(shè)在交叉口路段的車輛檢測設(shè)備，例如環(huán)形線圈檢驗(yàn)設(shè)備中各方向車道的車輛數(shù)目信息來調(diào)節(jié)交通信號(hào)燈信號(hào)，進(jìn)而提升城市交通通行率?，F(xiàn)有感應(yīng)管控通常使用單點(diǎn)的管控模式，而本文采用在交叉口路段的全部進(jìn)口位置裝設(shè)環(huán)形測試器的模式來完成全感應(yīng)管控。

1.2 車輛監(jiān)測

車輛監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測車流量、車輛保有量、速度等各類交通數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)能夠用于預(yù)設(shè)交通管控體系的配置用時(shí)。監(jiān)測設(shè)備將收集到的交通信息進(jìn)行再處理并將處理后的參數(shù)上傳到主機(jī)，為體系優(yōu)化配置時(shí)間提供動(dòng)態(tài)參數(shù)。交通監(jiān)測設(shè)備充當(dāng)管控體系的參數(shù)窗口，決定著智能交通管制體系的效率。本文使用當(dāng)前廣泛應(yīng)用的環(huán)形線圈車輛監(jiān)測設(shè)備對既定時(shí)段內(nèi)通過的車輛實(shí)施計(jì)算。環(huán)形線圈檢驗(yàn)設(shè)備使用電磁感應(yīng)理論來完成車輛檢驗(yàn)，其由感應(yīng)零件、轉(zhuǎn)化零件與轉(zhuǎn)化電路幾大元素構(gòu)成。傳感設(shè)備結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 傳感設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

本文使用電感式傳感設(shè)備，電感式傳感設(shè)備輸出脈沖直接對接PLC，實(shí)施時(shí)將電感式傳感設(shè)備埋置于城市道路地下十多厘米的位置。圖2是運(yùn)用電感式傳感設(shè)備完成車輛檢驗(yàn)的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖2 電感式傳感設(shè)備車輛檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

2 PLC管控系統(tǒng)的構(gòu)建

首先構(gòu)建PLC管控系統(tǒng)，系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，接下來需要判定是否處于白日時(shí)段，假如答案為否，則轉(zhuǎn)入夜晚模式；假如答案為是，就開啟傳感設(shè)備檢驗(yàn)工作模式。如果聲響監(jiān)測設(shè)備識(shí)別到特殊聲響信號(hào)，系統(tǒng)就轉(zhuǎn)入緊急作業(yè)狀態(tài)；車流量檢驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)到的數(shù)據(jù)比預(yù)設(shè)閾值大，則轉(zhuǎn)入智能作業(yè)形式，預(yù)設(shè)緊急作業(yè)模式為優(yōu)先級(jí)；如果智能作業(yè)模式和緊急作業(yè)模式都運(yùn)轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)為緊急作業(yè)模式。當(dāng)傳感設(shè)備均無法作業(yè)，則轉(zhuǎn)入常規(guī)模式。

2.1 普通作業(yè)模式

對十字路口紅綠燈根據(jù)傳統(tǒng)模式完成時(shí)間預(yù)設(shè)，在常規(guī)狀況下紅綠燈按照此模式工作。在普通工況下，首先系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判別當(dāng)前的時(shí)段是白日還是夜晚；通常，界定晚間時(shí)段是晚上11時(shí)到凌晨6時(shí)，相異城市可以預(yù)設(shè)相異的時(shí)段。假如是處于白日時(shí)段，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)提前預(yù)設(shè)的時(shí)間進(jìn)行高強(qiáng)度作業(yè)；假如是位于晚間時(shí)段，行駛車輛很少，各方位的黃燈交替閃耀，警示車輛緩速通過，從而縮短了等車的用時(shí)。

2.2 智能作業(yè)模式

提前在十字路口的每條道路兩側(cè)敷設(shè)感應(yīng)式地感線圈測試設(shè)備。交通信號(hào)燈在初始作業(yè)階段的作業(yè)狀態(tài)是普通模式，運(yùn)行智能作業(yè)模式時(shí)需要提前給交通信號(hào)燈一個(gè)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，交通信號(hào)燈就可以開始往復(fù)作業(yè)；之后在紅綠燈轉(zhuǎn)換的各時(shí)間段，統(tǒng)計(jì)各方向位于檢驗(yàn)區(qū)內(nèi)的車輛數(shù)。智能交通管控體系的特征是逐漸疏散道路上不斷增大的車流量。在循環(huán)往復(fù)一段時(shí)間后，十字路口的交通情況可以得到改善。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 編程管控設(shè)備的挑選及其硬件預(yù)設(shè)

3.1.1 PLC規(guī)格的明確

本文將使用可編程管控設(shè)備構(gòu)建十字路口交通信號(hào)燈系統(tǒng)，可操作性強(qiáng)、維護(hù)方便。在西門子可編程管理設(shè)備中，S7?200 CPU22X規(guī)格的產(chǎn)品質(zhì)量最好，故在此采用CPU22X型可編寫管理設(shè)備。S7?200規(guī)格CPU22X可編寫管理設(shè)備具備以下特性：所有輸入輸出電能都運(yùn)用雙向光耦合DC 24 V數(shù)字輸入模式。這種繼電模式還包含數(shù)字傳播，并且使用單向光耦合技術(shù)?？删帉懝芸卦O(shè)備具有高速計(jì)算的能力，其運(yùn)用PPI、MPI與其余協(xié)約通信。

PLC具有強(qiáng)大的外圍設(shè)備拓展能力與PID管控能力，軟件功能全面、命令具有多樣性。因此，本文系統(tǒng)使用CPU226完成單元的管控，可編程管控設(shè)備包括24點(diǎn)數(shù)據(jù)錄入、16點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出，可拓展，最多能夠拓展至七大模塊。根據(jù)預(yù)設(shè)情況與具體需要，使用S7?200 CPU226 PLC可編程管控設(shè)備對本設(shè)計(jì)實(shí)施硬件預(yù)設(shè)與程序編寫。

3.1.2 PLC的I/O口配 置

依照交通信號(hào)燈的管控需求，錄入以下數(shù)據(jù)：管控體系PLC管控錄入I/O口。PLC錄入端數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 PLC錄入端數(shù)據(jù)表

3.2 PLC的硬件電路圖

3.2.1 控制零件驅(qū)動(dòng)需要分析

解讀交通信號(hào)燈的管控需求，明確錄入輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)；PLC的每個(gè)I/O點(diǎn)的售價(jià)不菲，因此明確PLC的I/O極為關(guān)鍵。在管控需要吻合的基礎(chǔ)上，要讓PLC的錄入輸出（I/O）點(diǎn)極少，所以需要預(yù)留一部分余量。

3.2.2 畫出外端線路圖

本文選用西門子S7?200 PLC。交通信號(hào)燈管控體系內(nèi)，上位設(shè)備、管控設(shè)備必須盡快就位。機(jī)械作業(yè)負(fù)責(zé)全部設(shè)施的交通信號(hào)燈管控體系的運(yùn)轉(zhuǎn)，計(jì)算機(jī)對工況實(shí)施動(dòng)態(tài)追蹤，上位設(shè)施通信運(yùn)用COM端口連接到PLC MPI，并且PLC必須訪問220 V交流電流器，從而保證之后開啟按鈕、終止按鈕、限位開閉的24 V直流電能接入PLC寫入段，使用編程的輸出位置的功能來驅(qū)動(dòng)信號(hào)，或者使用中央的繼電設(shè)備驅(qū)動(dòng)PLC的輸出光線，即添加一部中間繼電設(shè)備。

3.3 管控體系的軟件設(shè)計(jì)

STEP7?Micro/WIN32是西門子公司的SIMATIC S7?200系統(tǒng)可編寫管理設(shè)施二次開發(fā)的一款軟件，其是以Windows為基礎(chǔ)的軟件，功能強(qiáng)大，既能靈活實(shí)現(xiàn)用戶程序的開發(fā)，也能動(dòng)態(tài)管理用戶使用狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，需要讓分配的軟件完成系統(tǒng)配置屏幕的自動(dòng)操控工作，故使用MCGS十字路口交通燈管控體系屏幕決策與屏幕分配。相關(guān)應(yīng)用的編譯頁面如圖3所示。

圖3 MCGS軟件頁面

3.4 交通信號(hào)燈預(yù)設(shè)模塊

系統(tǒng)以開發(fā)板為主要元件，包含流量測試與鍵盤檢測兩大核心功能模塊，依照檢驗(yàn)結(jié)果和程序預(yù)設(shè)的模式管控交通信號(hào)燈、放音設(shè)備與倒數(shù)計(jì)時(shí)數(shù)碼設(shè)備。圖4是模仿交通信號(hào)燈運(yùn)轉(zhuǎn)的電路圖。

由圖4可知，假若1L、1S通過時(shí)，其余的通道隔離無法放行。因此在設(shè)計(jì)交通信號(hào)燈階段，包含四類（1L?1S、2L?2S、3L?3S、4L?4S），使其能夠兩相配對。通行次序圖如圖5所示。

圖4 模仿交通等控制板電路圖

圖5 通過次序簡圖

3.5 模仿語音交通信號(hào)燈的實(shí)現(xiàn)流程

3.5.1 實(shí)物對接圖

參考仿真模型與實(shí)踐階段對接的SPCE061板及有關(guān)模塊后，客戶應(yīng)在開發(fā)板位置對接電源、播音設(shè)備等；再將調(diào)整好的程序通過下載設(shè)備下載到開發(fā)板上，一鍵運(yùn)轉(zhuǎn)后觀測運(yùn)轉(zhuǎn)情況，根據(jù)具體需要來實(shí)施調(diào)試作業(yè)。SPCE061板與有關(guān)元件如圖6所示。

圖6 SPCE061板與有關(guān)元件

3.5.2 管控流程

假如調(diào)整完成，那么系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)；但假如客戶要變更其狀態(tài)，或?qū)嵤┢溆嗟墓δ軝z測，則通過以往定義的按鍵進(jìn)行操控。例如：本體系定義三大按鈕，能夠直觀地運(yùn)用SPCE061板上的三大按鈕，用以管控體系的狀態(tài)。這三大按鈕具有相異的功能，常規(guī)模式下，預(yù)設(shè)狀態(tài)功能用按鈕2、預(yù)警狀態(tài)用按鈕1、檢索狀態(tài)用按鈕3。在預(yù)設(shè)階段，預(yù)設(shè)方位的綠燈用按鈕2，預(yù)設(shè)方位的紅燈用按鈕1，回歸常規(guī)模式使用按鈕3。假如是在檢索狀況下，播送相異路口狀態(tài)車流量使用按鈕1與按鈕2，回歸常規(guī)狀態(tài)使用按鈕3。假如遭遇緊急狀態(tài)，使用按鈕3回歸正常態(tài)勢。

4 運(yùn)轉(zhuǎn)檢測與結(jié)果解讀

本文設(shè)計(jì)的以PLC為核心的多工況交通控制系統(tǒng)在檢測階段進(jìn)行了試運(yùn)轉(zhuǎn)，并與傳統(tǒng)的固定用時(shí)預(yù)設(shè)模式進(jìn)行比對。通過對車輛分狀況進(jìn)行解讀，選擇場景為三大工況：雙向車流量差別小、雙向車流量差別大與有特殊車輛駛過。

通過數(shù)十次的測試與解析，深入了解每類狀況下每部車經(jīng)過十字街道的平均用時(shí)。對比后發(fā)現(xiàn)，在雙向車流量差別不大的階段，兩類管控模式差異并不明顯，但在車流量差別大與有特殊車輛兩類狀況下，多類運(yùn)轉(zhuǎn)模式的交通管控體系相較于傳統(tǒng)的模式效率更高。運(yùn)轉(zhuǎn)解讀表如表2所示。

表2 運(yùn)轉(zhuǎn)解讀表 s

5 結(jié) 語

綜上所述，城市道路交通是繁雜多變的體系，其隨時(shí)變化的特征所需的管控系統(tǒng)也是多元化的，唯有如此才可滿足系統(tǒng)的需要。本文根據(jù)PLC智能交通的需要搭建了支持PLC的仿真系統(tǒng)，探討了PLC系統(tǒng)的通信技術(shù)與科技。與此同時(shí)，在對PLC交通信號(hào)燈智能系統(tǒng)進(jìn)行解讀的前提下，本研究將系統(tǒng)的總體框架和各分工功能塊進(jìn)行了有效梳理，由上往下對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施了全方位的規(guī)劃。本文依照系統(tǒng)功能需求選擇適用的硬件平臺(tái)，對起到樞紐功能的通信模塊進(jìn)行了詳盡的研究，使通信模塊的全部功能得到發(fā)揮。