基于车流量的信号灯控制系统设计及PLC 实现

2021-03-23冯俊琨马啸宇

科学技术创新 2021年7期

陈荣冯俊琨马啸宇

（四川水利职业技术学院电力工程系，四川崇州611230）

1 概述

交叉口信号灯控制系统在缓解交通堵塞和减少交通事故方面发挥着至关重要的作用，但现实中交叉口的信号灯控制系统设计得并不合理，经常遇到一个方向排队等红灯时，另一个方向绿灯却无车通行的问题。这既使交叉口道路通行效率低，又造成交叉口道路资源浪费[1]。如何优化设计信号灯控制系统，是解决这一问题的关键。

2 设计思路

一般情况下，行人和非机动车只要遵守交通规则，对交叉口道路通行效率影响较小，所以在系统设计时，暂不考虑行人和非机动车。在上下班高峰时段，因车流量大，信号灯控制系统按预设的配时方案运行，在车流量小的时段，可通过在道路交叉口的每条车道（不含右转车道）上方，预先安装高帧率激光雷达非接触式探测装置，当实时绿灯方向探测到3s 内没有车辆通行时，认为此方向暂无车辆通行，然后探测装置输出一个脉宽为500ms 的高电平脉冲信号，控制核心PLC 自动采集此脉冲信号，通过控制程序将该方向上的绿灯按“绿灯闪亮-黄灯常亮-红灯常亮”的顺序变成红灯，以便另一方向道路上等待的车辆通行，可提高交叉口道路通行效率。

为减少交叉口交通事故的发生，可通过安装数码管等数字显示装置，显示信号灯的配时时间，或通过程序实现在绿灯变成黄灯前，让绿灯闪烁一会儿，以提醒驾驶员减速停车，避免发生交通事故。事实上这两种方法已得到广泛应用，但笔者认为前者不仅要占用大量PLC 输出点，还要增加相应数字显示装置等硬件设施，投资大的同时，还会产生不必要的持续电能消耗，而后者通过软件就能实现，只需做好宣传，让人们有意识的遵守就可以了，故，可不再考虑安装数字显示装置来显示信号灯剩余时间。以PLC 为控制核心的系统组成框图如图1。

图1 信号灯控制系统组成框图

3 硬件系统设计

3.1 PLC 选型。选型时要注意考虑成本和系统功能可扩展等因素。通过对设计思路的深入思考，确定本控制系统只需要PLC 的4 个开关量输入接口以及8 个能带交流负载的输出接口。故选择S7-200 系列PLC 中的CPU224 AC/DC/RLY 作为控制器[2]，其基本单元I/O 点数和内部集成功能完全能满足本控制系统需求，需要时最大还可连接7 个扩展模块，用来对控制功能进行扩展。

3.2 I/O 点分配。根据设计思路，可将PLC 的输入输出点作如下分配，见表1。

表1 I/O 点分配表

3.3 PLC 电气接线原理图设计。按照表1 中I/O 点的分配情况，参考SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册中CPU224 AC/DC/RLY 的接线图，设计出电气接线原理图，见图2。

图2 PLC 电气接线原理图

4 软件系统设计

4.1 控制任务要求。控制任务以表2 所示信号灯配时方案为例[3]，详细配时要求：以1min 为一个周期，分为两个30s 时段。在每一个30s 时段内，如果一个方向亮红灯，另一个方向则在同一时刻亮绿灯，28s（其中最后3s 闪亮）后，黄灯再亮2s。按此反复循环运行。当交叉口双向绿灯都亮时，要自动停止运行系统，同时控制喇叭发出警报。现实中，不同交叉口信号灯配时方案可根据通行效率影响因素，用VISSIM 仿真软件优化得到。

表2 信号灯配时方案（样例）

在任一方向为实时绿灯，且车流量探测装置探测到3s 内无车辆通行时，能控制此方向信号灯跳过剩余的绿灯常亮时间，直接按“绿灯闪亮-黄灯常亮-红灯常亮”顺序动作，另一个方向上的绿灯在前一个绿灯依次变成红灯的那一刻同时亮起，并且控制系统能再次以表2 所示信号灯配时方案运行。

4.2 控制程序设计。按照控制要求和信号灯的配时方案，设计出梯形图控制程序，见图3。

图3 信号灯控制系统梯形图程序

4.3 系统调试。以TH-180 型PLC 电气控制技能实训考核装置为实验平台，首先按照电气接线原理图将PLC 和平台自带“自控交通灯系统”模块连接好，因实验平台上没有输出脉冲信号的设备，接线时将I0.2 和I0.3 各接一个按钮，按钮按下代表该方向3s 内没有车辆通行。然后将之前设计的梯形图程序写入编程软件STEP7-Micro/WIN，并下载进PLC。经过运行调试，梯形图程序完全能够实现既定的控制要求，且在任何时候按下I0.2 和I0.3 所接按钮，控制系统都能照常运行。这同时也验证了本文所设计的电气接线原理图是正确的。