基于PLC的交通燈的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?chǎng)尾?李樺芃

摘要：本論文介紹了運(yùn)用小型可編程控制器（S7-200PLC）控制的十字路口智能延時(shí)控制系統(tǒng)。此智能交通信號(hào)系統(tǒng)利用環(huán)形線(xiàn)圈檢測(cè)器來(lái)探測(cè)車(chē)道內(nèi)車(chē)輛的通過(guò)，然后利用PLC內(nèi)置的計(jì)數(shù)器在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)東西和南北方向的車(chē)量滯留數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。利用相應(yīng)的智能控制原則，達(dá)到對(duì)東西和南北方向的綠燈通行時(shí)間的延時(shí)，從而提高十字路口的交通效率、緩解交通擁擠狀況。

關(guān)鍵詞：可編程控制器智能控制;智能延時(shí);車(chē)流量

1.引言

城市人口快速增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市已有的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)不能適應(yīng)這樣的變化，所以，國(guó)家現(xiàn)在必須著重找到道路交通問(wèn)題的改進(jìn)方案。在我國(guó)，智能交通控制系統(tǒng)研究熱點(diǎn)主要有在普通單片機(jī)或PLC的控制方法上進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和在人工智能計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上制定實(shí)時(shí)的控制方案。本論文采用基于人工智能計(jì)數(shù)的交通控制策略的方法，研究智能控制，從而解決城市道路擁擠問(wèn)題，提高通行效率。

2.硬件設(shè)計(jì)

（1）傳感器

傳感器主要是在一定在精確度范圍內(nèi)把采集的數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的量。本研究中，我們分別在南北和東西道路上各布置一組傳感器，其輸出信號(hào)可以直接輸入到PLC控制器中，這種傳感器的變化率在0.4%以上。

（2）環(huán)形線(xiàn)圈檢測(cè)器

本研究采用的環(huán)形線(xiàn)圈檢測(cè)器包含三部分：檢測(cè)元件、轉(zhuǎn)換元件、相關(guān)轉(zhuǎn)換電路。組成部分如圖一所示。

本研究是將采集數(shù)據(jù)的元件與被測(cè)量數(shù)據(jù)的元件直接連接，本研究中是測(cè)量車(chē)輛滯留量，用于交通控制系統(tǒng)規(guī)定時(shí)間計(jì)算。檢測(cè)器檢測(cè)到信息后，先對(duì)采集的信息處理再傳輸?shù)街骺刂破魃?，最后成為?yōu)化控制的輸入信息。所以，檢測(cè)器與人的眼睛類(lèi)似，是交通燈控制系統(tǒng)的眼睛，決定著交通燈控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

（3）車(chē)輛檢測(cè)電路原理圖

依據(jù)上述原理，我們?cè)O(shè)計(jì)出了本研究所用的車(chē)輛檢測(cè)電路原理圖。主要包含四部分：感應(yīng)線(xiàn)圈、信號(hào)源、對(duì)比較鑒別電路、感應(yīng)線(xiàn)圈檢測(cè)電路。原理圖如圖二所示。

3. 基本控制邏輯

交通燈的智能控制過(guò)程其流程圖如圖三所示：當(dāng)打開(kāi)電源時(shí)，首先，東西方向的紅綠燈閃亮紅燈，南北方向的紅綠燈閃亮綠燈，在各個(gè)道路的紅綠燈亮起時(shí)，東西南北各個(gè)方向的控制器中的計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)工作。30S后，把南北方向統(tǒng)計(jì)的車(chē)輛滯留數(shù)相加得到南北方向車(chē)輛滯留數(shù)S1，東西方向的計(jì)數(shù)器相加得到東西方向的車(chē)輛滯留數(shù)N1，然后比較南北方向的車(chē)輛數(shù)S1和東西方向的車(chē)輛數(shù)N1，若S1>=N1+20，則南北方向的綠燈時(shí)間在原來(lái)基礎(chǔ)上在延長(zhǎng)30S，東西方向的紅燈時(shí)間在原來(lái)基礎(chǔ)上延長(zhǎng)30S。30S后，南北方向控制器中的計(jì)數(shù)器相加得到的南北車(chē)輛滯留數(shù)為S2，東西方向的控制器中的計(jì)數(shù)器相加得到的東西方向道路車(chē)輛數(shù)為N2，將南北方向統(tǒng)計(jì)的車(chē)輛數(shù)S2與東西方向的車(chē)輛數(shù)N2進(jìn)行比較，若N2≥S2+20，則東西方向信號(hào)燈綠燈的閃亮?xí)r間增加30S，同時(shí)南北方向紅綠燈的紅燈時(shí)間持續(xù)閃亮30S，30S后，南北方向紅綠燈的綠燈在閃爍3，之后在閃爍2S黃燈，在整個(gè)控制過(guò)程中，東西方向紅綠燈的顏色依然保持為紅燈，閃爍5S。如此循環(huán)往復(fù)。

4. 交通信號(hào)燈的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述介紹的PLC優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用的控制裝置是西門(mén)子S7-200系列的PLC，CPU型號(hào)為224。S7-200系列的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：可靠性較高、指令較為豐富、上手較為簡(jiǎn)單易，編程簡(jiǎn)單、便捷的操作、功能較多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、通信能力強(qiáng)。

本研究采用西門(mén)子S7-200CPU型號(hào)224的PLC，CPU224型號(hào)的PLC組成部分如下：

一、核心處理器CPU：西門(mén)子S7-200CPU224型號(hào)的PLC含有獨(dú)立的中央處理單元、電源和特有的輸入輸出點(diǎn)]。

二、擴(kuò)展模塊：控制器具有本設(shè)計(jì)所需的特定輸入和輸出口，當(dāng)所需要的I＼O口較多時(shí)，可采用擴(kuò)展單元的I/O口。

三、最大I/O配置：CPU224型號(hào)的PLC，其擴(kuò)展模塊最大為7個(gè)，14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)。

四、電源模塊：PLC由220V交流電源供電，且有電源保護(hù)模塊，保證了工作的安全，提高了效率。

5.軟件設(shè)計(jì)

（1）數(shù)字量輸出

本設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總共采用了12個(gè)數(shù)字量輸出觸點(diǎn)。其中Q0.0～Q1.1是用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)交通信號(hào)燈。如表一所示。

（2）數(shù)字量輸入

交通燈智能控制系統(tǒng)總共用了到9個(gè)輸入出點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)采用的CPU型號(hào)，其中I0.1與I0.0為東西方向的車(chē)輛檢測(cè)信號(hào)的減數(shù)信號(hào)輸入端和加數(shù)信號(hào)輸入端?？刂葡到y(tǒng)需要8個(gè)，224CPU具有14個(gè)輸入觸點(diǎn)。具體輸入觸點(diǎn)的作用如表二所示。10.0和10.1、10.2和10.3、10.4和10.5、10.6和10.7分別為由東至西、由西至東、由南至北、由北至南四個(gè)方向車(chē)輛檢測(cè)信號(hào)的減計(jì)數(shù)和加計(jì)數(shù)信號(hào)。

由上文可知，控制系統(tǒng)需要8個(gè)數(shù)字量輸入。而東西南北方向各需要一個(gè)一個(gè)單路地感器，加上開(kāi)關(guān)鍵，也就是輸入端口必須有9個(gè)。

（3）計(jì)時(shí)器的分配

交通燈的智能控制系統(tǒng)采用了四個(gè)計(jì)數(shù)器，D0、D1、D2、D3，其所統(tǒng)計(jì)道路情況如表三所示。

（4）交通燈控制系統(tǒng)的控制模式的選擇

由第四章的交通燈智能控制過(guò)程與正?？刂七^(guò)程可知，交通信號(hào)燈的正?？刂七^(guò)從都是根據(jù)提前設(shè)置好的時(shí)間，寫(xiě)好相關(guān)循環(huán)程序，不斷循環(huán)執(zhí)行來(lái)控制交通燈。而交通燈的智能控制過(guò)程是根據(jù)南北方向與東西方向的車(chē)流量來(lái)自動(dòng)調(diào)整時(shí)間，這兩種模式的執(zhí)行流程圖在上文已經(jīng)介紹，這里不再詳細(xì)介紹。

（5）智能延時(shí)的實(shí)現(xiàn)

直行綠燈延時(shí)的條件：當(dāng)前通行的某方向的車(chē)量相加的滯流數(shù)大于另一方向車(chē)量相加滯留數(shù)加上相關(guān)參數(shù)時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)選擇相關(guān)延時(shí)方案，使相關(guān)方向綠燈時(shí)間延長(zhǎng)。

（6）車(chē)輛計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)

本研究利用埋設(shè)在底下的環(huán)形線(xiàn)圈檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)車(chē)流里量，當(dāng)有車(chē)輛通過(guò)道路時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，會(huì)輸出一個(gè)繼電器信號(hào)，此時(shí)PLC內(nèi)部的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)車(chē)輛行駛進(jìn)入車(chē)道時(shí)，控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器加1，駛出道路時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器減1，通過(guò)兩者計(jì)數(shù)器相減計(jì)算出車(chē)輛滯留量。

6.總結(jié)

本論文控制系統(tǒng)采用S7-200PLC設(shè)計(jì)的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)用實(shí)時(shí)檢測(cè)、判斷延時(shí)，避免了一個(gè)方向交通繁忙時(shí)某一方向的車(chē)輛較多卻是紅燈，然而其他方向卻是無(wú)車(chē)或通過(guò)的車(chē)輛較少依然亮著綠燈，減輕了交通高峰期的壓力和主要干道路口的擁堵，將交通智能系統(tǒng)的有效利用率達(dá)到最高。

參考文獻(xiàn)

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