基于PLC的智能交通信号灯控制系统设计

胡明伟，吕 品，蔡金梅

（1.深圳大学 土木与交通工程学院，广东 深圳 518060；2.深圳大学 未来地下城市研究院，广东 深圳 518060；3.深圳大学 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东 深圳 518060）

0 引 言

伴随我国经济实力的增强，城市私家车日渐增多，交通拥堵——特别是高峰时段的塞车已成为社会焦点话题。目前评价智慧城市发展水平的核心指标之一便是城市的交通基础设施建设。能否让交通系统迅速、安全、有序地运转是交通强国战略下，每个交通行业建设者急需解决的问题。现有红灯与绿灯管控模式通过对公路上车流量进行调研统筹来预设红绿灯的固定时长。但是，城市交通是繁杂多变的整体体系，车流量随时间变化，在车流量少的时段，应适度缩减循环时间与候车时间；在车流量较大的高峰时段，应适度地增加车辆的通行时间，以便让更多的车辆通过；当有些路口的南北方向车流量与东西方向车流量之间的悬殊较大时，可以在车流量偏多的方向，延长车辆的绿灯通行时间；此外，还要考虑救护车、消防车等特殊车辆通行的状况，以便迅速应对火灾等事故。所以，交通信号灯控制必须是多工作模式系统。

1 交通数据获取

1.1 感应管控

交通信号灯的管控模式分为定时管控与感应管控两种。传统的定时管控不能依照公路上具体的车流情况管控交通信号灯，城市交通通行率过低；而感应管控凭借装设在交叉口路段的车辆检测设备，例如环形线圈检验设备中各方向车道的车辆数目信息来调节交通信号灯信号，进而提升城市交通通行率。现有感应管控通常使用单点的管控模式，而本文采用在交叉口路段的全部进口位置装设环形测试器的模式来完成全感应管控。

1.2 车辆监测

车辆监测设备能够实时监测车流量、车辆保有量、速度等各类交通数据，这部分数据能够用于预设交通管控体系的配置用时。监测设备将收集到的交通信息进行再处理并将处理后的参数上传到主机，为体系优化配置时间提供动态参数。交通监测设备充当管控体系的参数窗口，决定着智能交通管制体系的效率。本文使用当前广泛应用的环形线圈车辆监测设备对既定时段内通过的车辆实施计算。环形线圈检验设备使用电磁感应理论来完成车辆检验，其由感应零件、转化零件与转化电路几大元素构成。传感设备结构图见图1。

图1 传感设备结构图

本文使用电感式传感设备，电感式传感设备输出脉冲直接对接PLC，实施时将电感式传感设备埋置于城市道路地下十多厘米的位置。图2是运用电感式传感设备完成车辆检验的原理结构图。

图2 电感式传感设备车辆检验结构图

2 PLC管控系统的构建

首先构建PLC管控系统，系统正常运转后，接下来需要判定是否处于白日时段，假如答案为否，则转入夜晚模式；假如答案为是，就开启传感设备检验工作模式。如果声响监测设备识别到特殊声响信号，系统就转入紧急作业状态；车流量检验设备检验到的数据比预设阈值大，则转入智能作业形式，预设紧急作业模式为优先级；如果智能作业模式和紧急作业模式都运转，则转为紧急作业模式。当传感设备均无法作业，则转入常规模式。

2.1 普通作业模式

对十字路口红绿灯根据传统模式完成时间预设，在常规状况下红绿灯按照此模式工作。在普通工况下，首先系统会自动判别当前的时段是白日还是夜晚；通常，界定晚间时段是晚上11时到凌晨6时，相异城市可以预设相异的时段。假如是处于白日时段，系统会根据提前预设的时间进行高强度作业；假如是位于晚间时段，行驶车辆很少，各方位的黄灯交替闪耀，警示车辆缓速通过，从而缩短了等车的用时。

2.2 智能作业模式

提前在十字路口的每条道路两侧敷设感应式地感线圈测试设备。交通信号灯在初始作业阶段的作业状态是普通模式，运行智能作业模式时需要提前给交通信号灯一个预设数据，交通信号灯就可以开始往复作业；之后在红绿灯转换的各时间段，统计各方向位于检验区内的车辆数。智能交通管控体系的特征是逐渐疏散道路上不断增大的车流量。在循环往复一段时间后，十字路口的交通情况可以得到改善。

3 控制系统硬件设计

3.1 编程管控设备的挑选及其硬件预设

3.1.1 PLC规格的明确

本文将使用可编程管控设备构建十字路口交通信号灯系统，可操作性强、维护方便。在西门子可编程管理设备中，S7⁃200 CPU22X规格的产品质量最好，故在此采用CPU22X型可编写管理设备。S7⁃200规格CPU22X可编写管理设备具备以下特性：所有输入输出电能都运用双向光耦合DC 24 V数字输入模式。这种继电模式还包含数字传播，并且使用单向光耦合技术。可编写管控设备具有高速计算的能力，其运用PPI、MPI与其余协约通信。

PLC具有强大的外围设备拓展能力与PID管控能力，软件功能全面、命令具有多样性。因此，本文系统使用CPU226完成单元的管控，可编程管控设备包括24点数据录入、16点数据输出，可拓展，最多能够拓展至七大模块。根据预设情况与具体需要，使用S7⁃200 CPU226 PLC可编程管控设备对本设计实施硬件预设与程序编写。

3.1.2 PLC的I/O口配 置

依照交通信号灯的管控需求，录入以下数据：管控体系PLC管控录入I/O口。PLC录入端数据表如表1所示。

表1 PLC录入端数据表

3.2 PLC的硬件电路图

3.2.1 控制零件驱动需要分析

解读交通信号灯的管控需求，明确录入输出数据与输入数据；PLC的每个I/O点的售价不菲，因此明确PLC的I/O极为关键。在管控需要吻合的基础上，要让PLC的录入输出（I/O）点极少，所以需要预留一部分余量。

3.2.2 画出外端线路图

本文选用西门子S7⁃200 PLC。交通信号灯管控体系内，上位设备、管控设备必须尽快就位。机械作业负责全部设施的交通信号灯管控体系的运转，计算机对工况实施动态追踪，上位设施通信运用COM端口连接到PLC MPI，并且PLC必须访问220 V交流电流器，从而保证之后开启按钮、终止按钮、限位开闭的24 V直流电能接入PLC写入段，使用编程的输出位置的功能来驱动信号，或者使用中央的继电设备驱动PLC的输出光线，即添加一部中间继电设备。

3.3 管控体系的软件设计

STEP7⁃Micro/WIN32是西门子公司的SIMATIC S7⁃200系统可编写管理设施二次开发的一款软件，其是以Windows为基础的软件，功能强大，既能灵活实现用户程序的开发，也能动态管理用户使用状态。根据设计需求，需要让分配的软件完成系统配置屏幕的自动操控工作，故使用MCGS十字路口交通灯管控体系屏幕决策与屏幕分配。相关应用的编译页面如图3所示。

图3 MCGS软件页面

3.4 交通信号灯预设模块

系统以开发板为主要元件，包含流量测试与键盘检测两大核心功能模块，依照检验结果和程序预设的模式管控交通信号灯、放音设备与倒数计时数码设备。图4是模仿交通信号灯运转的电路图。

由图4可知，假若1L、1S通过时，其余的通道隔离无法放行。因此在设计交通信号灯阶段，包含四类（1L⁃1S、2L⁃2S、3L⁃3S、4L⁃4S），使其能够两相配对。通行次序图如图5所示。

图4 模仿交通等控制板电路图

图5 通过次序简图

3.5 模仿语音交通信号灯的实现流程

3.5.1 实物对接图

参考仿真模型与实践阶段对接的SPCE061板及有关模块后，客户应在开发板位置对接电源、播音设备等；再将调整好的程序通过下载设备下载到开发板上，一键运转后观测运转情况，根据具体需要来实施调试作业。SPCE061板与有关元件如图6所示。

图6 SPCE061板与有关元件

3.5.2 管控流程

假如调整完成，那么系统就可以实现常规运转；但假如客户要变更其状态，或实施其余的功能检测，则通过以往定义的按键进行操控。例如：本体系定义三大按钮，能够直观地运用SPCE061板上的三大按钮，用以管控体系的状态。这三大按钮具有相异的功能，常规模式下，预设状态功能用按钮2、预警状态用按钮1、检索状态用按钮3。在预设阶段，预设方位的绿灯用按钮2，预设方位的红灯用按钮1，回归常规模式使用按钮3。假如是在检索状况下，播送相异路口状态车流量使用按钮1与按钮2，回归常规状态使用按钮3。假如遭遇紧急状态，使用按钮3回归正常态势。

4 运转检测与结果解读

本文设计的以PLC为核心的多工况交通控制系统在检测阶段进行了试运转，并与传统的固定用时预设模式进行比对。通过对车辆分状况进行解读，选择场景为三大工况：双向车流量差别小、双向车流量差别大与有特殊车辆驶过。

通过数十次的测试与解析，深入了解每类状况下每部车经过十字街道的平均用时。对比后发现，在双向车流量差别不大的阶段，两类管控模式差异并不明显，但在车流量差别大与有特殊车辆两类状况下，多类运转模式的交通管控体系相较于传统的模式效率更高。运转解读表如表2所示。

表2 运转解读表 s

5 结 语

综上所述，城市道路交通是繁杂多变的体系，其随时变化的特征所需的管控系统也是多元化的，唯有如此才可满足系统的需要。本文根据PLC智能交通的需要搭建了支持PLC的仿真系统，探讨了PLC系统的通信技术与科技。与此同时，在对PLC交通信号灯智能系统进行解读的前提下，本研究将系统的总体框架和各分工功能块进行了有效梳理，由上往下对整个系统实施了全方位的规划。本文依照系统功能需求选择适用的硬件平台，对起到枢纽功能的通信模块进行了详尽的研究，使通信模块的全部功能得到发挥。