基于PLC和工业以太网的交通信号集中控制系统设计

李鹏飞 赵万飞

（北京都市鼎点科技有限公司 山西分公司，山西 太原030001）

智能交通工程，包括智能信号灯、电子警察、视频监控、卡口、诱导屏等内容。智能交通工程和智能交通管理是智能交通系统的主要组成部分。目前交通信号灯普遍采用智能交通信号机来控制，智能交通信号机采用单片机结构，经过多年的使用，性能稳定、可靠，但是在使用中由于其人机界面差，参数设置操作复杂，在使用中对操作者带来较大的困扰。信号机厂家采用的网络协议及通信方式多种多样，在后期联网中几乎无法组态[1]。

随着城市智能交通的管理要求，交通信号灯控制系统也逐步由单一智能化控制发展到网络综合化调度。通过交通信号的集中控制，市区的信号灯可以实现智能化，不像以前需要固定调配红绿灯时间，每个路口可根据车流量的大小远程调节红绿灯时间。目前大中型PLC具有强大的逻辑功能和触摸屏良好的人机界面以及多种网络连接方式，使其在工业领域的应用越来越广泛。在交通信号灯中使用PLC可以完全满足当前城市交通信号灯管理的要求。［1］

1 硬件组态

可编程控制器简称PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的应用。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种生产过程。目前大中型PLC主要厂家有西门子（Siemens)公司、A-B（Allen&Bradly)公司、通用电气（GE-Fanuc）公司等国际企业，本文以应用最广泛的西门子公司的PLC产品和工业以太网来设计交通信号灯控制系统。本系统网络拓扑如图1所示。

图1

1.1交通站点终端采用S7-300系列PLC是模块化的中型PLC，适用于中等性能的控制要求。主要由机架、电源模块、CPU模块、接口模块、信号模块、通信模块和功能模块，满足大多数领域的自动化控制任务。性价比高、可靠性高、维护量小可使其应用在重要场合。其中CPU模块选用带PN（PROFINET）功能的CPU315-2PN/DP，该模块RAM存储器256KB，可以插入最大8MB的微存储卡（MMC），有2048B个位存储器，256个定时器，输入点和输出点最多为16348个，指令执行时间0.1μs，集成了1个MPI/DP接口用于连接触摸屏和1个PN接口用于连接工业以太网，支持硬件时钟。SM模块输出量选用1-2个SM322，该模块有32路输出用于驱动红绿黄指示灯、倒计时、人行道灯等设备，电压AC120～230V，驱动电流1A。1个SM321数字量输入模块，该模块有16路数字量输入，电压DC24V，可用于连接一些外部信号输入以实现模糊控制等功能［2］。与PLC配置一块触摸屏，可用西门子或者国产屏，需支持MPI通信连接，触摸屏可在手动模式下操控各个方向交通灯，在设置页面中设置各个方向的放行时间。硬件组态如图2。

图2

1.2工业以太网（Industrial Ethernet）是为工业应用专门设计的，它是遵循国际标准IEEE802.3（Ethernet）的开放式、多供应商、高性能的区域和单元网络。工业以太网已经广泛地应用于控制网络的最高层，并且有向控制网络中间层和底层（现场层）发展的趋势。工业以太网采用TCP/IP协议，可通过以太网将自动化系统连接到企业内部互联网（Intranet）、外部互联网（Extranet）和英特网（Internet）。不需要额外的硬件设备，就可以实现管理网络与控制网络的数据共享，即实现“管控一体化”。通过交换技术可以提供没有限制的通信能力。以太网灵活性好，现有的设备可以不受影响的扩展。可以采用冗余的网络拓扑结构，可靠性高。通过光纤、双绞线和互联网可以实现远程数据交换。

各个交通站点终端PLC通过PN接口转接以太网光纤收发器，光纤传输距离可达100公里以上，通过光纤将信号传送至网络调度中心交换机，网络调度中心交换机选用西门子SCALANCEX-200系列交换机或者思科、华为等工业以太网交换机。网络中心调度有操作员站计算机和工程师站计算机。

操作员站计算机使用工控计算机，安装CP1613工业以太网卡通过RJ45网络电缆连接至以太网交换机，操作系统采用WINDOWSXPSP2以上操作系统，安装西门子公 司WINCC V6.0 SP3软 件，使 用WINCC（Windows ControlCenter）V6.0SP3编程上位机后台软件,组态各个路口PLC的变量，后可实时监控各路口的交通灯状态和配置时间参数。工程师站计算机（PG/PC)使用商用计算机，操作系统采用WINDOWSXPProfessional（专业版），CPU主频1GHz以上，RAM（内存）1GB以上，安装STEP7 V5.5_CN软件，通过计算机自带网卡接至以太网交换机，使用STEP7来编程和修改程序，通过工业以太网下载数据到组态的PLC［3］。本文以2个交通站点终端为例，硬件组态如图3所示。

图3

2 软件功能

2.1 PLC编程实现功能（工程师站计算机编程软件STEP7V5.5_CN）

①32-64路输出控制各个路口红黄绿信号灯、人行横道灯、倒计时灯、喇叭等设备。

语音研究应该采用相对化和归一化的数据，而非绝对的数据。（石锋，王萍2006）据此得到的研究结果才会有普遍的意义。因此，声调分析全部采用相对归一的T值计算（石锋1990），声调T值的计算公式如下：

②具有实时时钟功能，根据不同时间输入不同配时方案，并且根据时期自动切换假日模式。

③手动模式下可执行单步控制。

④根据交通情况编程信号灯切换逻辑。

⑤通过网络统一授时，保证时刻一致。

⑥根据其他输入参数编程已实现模糊控制等程序。

2.2触摸屏编程实现功能（工程师站计算机编程软件WinCC flexible）

①实时显示路口交通灯状态。

②手动模式下通过触摸屏人工切换交通灯。

③设置各个路口的放行时间。

④显示系统故障、网络故障等故障信息。

2.3操作员站编程实现功能（操作员站计算机 编程软件WinCCV6.0SP3）

①实时显示各个路口交通灯状态。

②特殊情况人工介入改变交通灯状态。

③操作员通过视频监控道路流量大小调整放行时间。

2.4工程师站实现功能（工程师站计算机 编程软件STEP7V5.5_CN）

①在线下载或更新PLC程序

②发现故障，定位故障

3 系统可靠性分析

3.1交通路口终端PLC断电或故障时，所控制交通的故障停用其他路口信号灯的工作，待有电或修复完毕后可恢复正常。

3.2调度中心断电或交换机、计算机故障时，调度中心与交通路口终端通信中断，交通路况终端PLC按预定设置的程序正常工作，有电或维修后恢复正常。

3.3交通路口终端PLC与调度中心光纤损坏时，调度中心操作员计算机会报号某一路口PLC通信中断，调度中心还可以和无通信故障的终端PLC继续工作，通信中断终端PLC自动按预定程序继续工作，待故障线路修复后通信恢复［4］。

4 结语

我国是道路基础设施建设最快的国家，又是交通需求增长最快的国家，随着城市车辆数目的急剧增长,车辆与路面的矛盾越来越突出,绝大多数城市都面临交通拥堵问题，增加车道只能解一时之急而无法彻底解决问题。理论及实践证明，合理配置、实时调控信号灯时间可提高交通通行能力，更有效地利用现有道路的运输能力，对交通流的安全性、快速性和舒适性都能起到很大作用。目前，在国内一线大型城市如北京、上海、天津等地均开始试行智能交通灯工程，在实际的应用中起到了提高通行能力的作用，智能交通工程正在由“一条线”发展到“一个面”的过程。道路交叉口的信号灯通过PLC编程可灵活多变的功能实现各种交通组织方式，PLC稳定的性能和网络通信能力为智能化交通提供了一种技术平台。

［1］廖常初.S7-300/400PLC应用技术［M］.第3版.北京：机械工业出版社，2014.

［2］西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子WinCCV6［M］.第2版.北京：北京航空航天大学出版社，2013.

［3］阳胜峰.西门子PLC与变频器触摸屏综合应用教程［M］.第2版.北京：中国电力出版社，2013.

［4］廖常初，祖正容.西门子工业通信网络组态编程与故障诊断［M］.北京：机械工业出版社，2009.