基于PLC和工業(yè)以太網(wǎng)的交通信號集中控制系統(tǒng)設計

李鵬飛 趙萬飛

（北京都市鼎點科技有限公司 山西分公司，山西 太原030001）

智能交通工程，包括智能信號燈、電子警察、視頻監(jiān)控、卡口、誘導屏等內容。智能交通工程和智能交通管理是智能交通系統(tǒng)的主要組成部分。目前交通信號燈普遍采用智能交通信號機來控制，智能交通信號機采用單片機結構，經(jīng)過多年的使用，性能穩(wěn)定、可靠，但是在使用中由于其人機界面差，參數(shù)設置操作復雜，在使用中對操作者帶來較大的困擾。信號機廠家采用的網(wǎng)絡協(xié)議及通信方式多種多樣，在后期聯(lián)網(wǎng)中幾乎無法組態(tài)[1]。

隨著城市智能交通的管理要求，交通信號燈控制系統(tǒng)也逐步由單一智能化控制發(fā)展到網(wǎng)絡綜合化調度。通過交通信號的集中控制，市區(qū)的信號燈可以實現(xiàn)智能化，不像以前需要固定調配紅綠燈時間，每個路口可根據(jù)車流量的大小遠程調節(jié)紅綠燈時間。目前大中型PLC具有強大的邏輯功能和觸摸屏良好的人機界面以及多種網(wǎng)絡連接方式，使其在工業(yè)領域的應用越來越廣泛。在交通信號燈中使用PLC可以完全滿足當前城市交通信號燈管理的要求。［1］

1 硬件組態(tài)

可編程控制器簡稱PLC，它的應用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領域得到了廣泛的應用。它采用可編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種生產(chǎn)過程。目前大中型PLC主要廠家有西門子（Siemens)公司、A-B（Allen&Bradly)公司、通用電氣（GE-Fanuc）公司等國際企業(yè)，本文以應用最廣泛的西門子公司的PLC產(chǎn)品和工業(yè)以太網(wǎng)來設計交通信號燈控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲如圖1所示。

圖1

1.1交通站點終端采用S7-300系列PLC是模塊化的中型PLC，適用于中等性能的控制要求。主要由機架、電源模塊、CPU模塊、接口模塊、信號模塊、通信模塊和功能模塊，滿足大多數(shù)領域的自動化控制任務。性價比高、可靠性高、維護量小可使其應用在重要場合。其中CPU模塊選用帶PN（PROFINET）功能的CPU315-2PN/DP，該模塊RAM存儲器256KB，可以插入最大8MB的微存儲卡（MMC），有2048B個位存儲器，256個定時器，輸入點和輸出點最多為16348個，指令執(zhí)行時間0.1μs，集成了1個MPI/DP接口用于連接觸摸屏和1個PN接口用于連接工業(yè)以太網(wǎng)，支持硬件時鐘。SM模塊輸出量選用1-2個SM322，該模塊有32路輸出用于驅動紅綠黃指示燈、倒計時、人行道燈等設備，電壓AC120～230V，驅動電流1A。1個SM321數(shù)字量輸入模塊，該模塊有16路數(shù)字量輸入，電壓DC24V，可用于連接一些外部信號輸入以實現(xiàn)模糊控制等功能［2］。與PLC配置一塊觸摸屏，可用西門子或者國產(chǎn)屏，需支持MPI通信連接，觸摸屏可在手動模式下操控各個方向交通燈，在設置頁面中設置各個方向的放行時間。硬件組態(tài)如圖2。

圖2

1.2工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）是為工業(yè)應用專門設計的，它是遵循國際標準IEEE802.3（Ethernet）的開放式、多供應商、高性能的區(qū)域和單元網(wǎng)絡。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)廣泛地應用于控制網(wǎng)絡的最高層，并且有向控制網(wǎng)絡中間層和底層（現(xiàn)場層）發(fā)展的趨勢。工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議，可通過以太網(wǎng)將自動化系統(tǒng)連接到企業(yè)內部互聯(lián)網(wǎng)（Intranet）、外部互聯(lián)網(wǎng)（Extranet）和英特網(wǎng)（Internet）。不需要額外的硬件設備，就可以實現(xiàn)管理網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)共享，即實現(xiàn)“管控一體化”。通過交換技術可以提供沒有限制的通信能力。以太網(wǎng)靈活性好，現(xiàn)有的設備可以不受影響的擴展。可以采用冗余的網(wǎng)絡拓撲結構，可靠性高。通過光纖、雙絞線和互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交換。

各個交通站點終端PLC通過PN接口轉接以太網(wǎng)光纖收發(fā)器，光纖傳輸距離可達100公里以上，通過光纖將信號傳送至網(wǎng)絡調度中心交換機，網(wǎng)絡調度中心交換機選用西門子SCALANCEX-200系列交換機或者思科、華為等工業(yè)以太網(wǎng)交換機。網(wǎng)絡中心調度有操作員站計算機和工程師站計算機。

操作員站計算機使用工控計算機，安裝CP1613工業(yè)以太網(wǎng)卡通過RJ45網(wǎng)絡電纜連接至以太網(wǎng)交換機，操作系統(tǒng)采用WINDOWSXPSP2以上操作系統(tǒng)，安裝西門子公 司W(wǎng)INCC V6.0 SP3軟 件，使 用WINCC（Windows ControlCenter）V6.0SP3編程上位機后臺軟件,組態(tài)各個路口PLC的變量，后可實時監(jiān)控各路口的交通燈狀態(tài)和配置時間參數(shù)。工程師站計算機（PG/PC)使用商用計算機，操作系統(tǒng)采用WINDOWSXPProfessional（專業(yè)版），CPU主頻1GHz以上，RAM（內存）1GB以上，安裝STEP7 V5.5_CN軟件，通過計算機自帶網(wǎng)卡接至以太網(wǎng)交換機，使用STEP7來編程和修改程序，通過工業(yè)以太網(wǎng)下載數(shù)據(jù)到組態(tài)的PLC［3］。本文以2個交通站點終端為例，硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3

2 軟件功能

2.1 PLC編程實現(xiàn)功能（工程師站計算機編程軟件STEP7V5.5_CN）

①32-64路輸出控制各個路口紅黃綠信號燈、人行橫道燈、倒計時燈、喇叭等設備。

語音研究應該采用相對化和歸一化的數(shù)據(jù)，而非絕對的數(shù)據(jù)。（石鋒，王萍2006）據(jù)此得到的研究結果才會有普遍的意義。因此，聲調分析全部采用相對歸一的T值計算（石鋒1990），聲調T值的計算公式如下：

②具有實時時鐘功能，根據(jù)不同時間輸入不同配時方案，并且根據(jù)時期自動切換假日模式。

③手動模式下可執(zhí)行單步控制。

④根據(jù)交通情況編程信號燈切換邏輯。

⑤通過網(wǎng)絡統(tǒng)一授時，保證時刻一致。

⑥根據(jù)其他輸入?yún)?shù)編程已實現(xiàn)模糊控制等程序。

2.2觸摸屏編程實現(xiàn)功能（工程師站計算機編程軟件WinCC flexible）

①實時顯示路口交通燈狀態(tài)。

②手動模式下通過觸摸屏人工切換交通燈。

③設置各個路口的放行時間。

④顯示系統(tǒng)故障、網(wǎng)絡故障等故障信息。

2.3操作員站編程實現(xiàn)功能（操作員站計算機 編程軟件WinCCV6.0SP3）

①實時顯示各個路口交通燈狀態(tài)。

②特殊情況人工介入改變交通燈狀態(tài)。

③操作員通過視頻監(jiān)控道路流量大小調整放行時間。

2.4工程師站實現(xiàn)功能（工程師站計算機 編程軟件STEP7V5.5_CN）

①在線下載或更新PLC程序

②發(fā)現(xiàn)故障，定位故障

3 系統(tǒng)可靠性分析

3.1交通路口終端PLC斷電或故障時，所控制交通的故障停用其他路口信號燈的工作，待有電或修復完畢后可恢復正常。

3.2調度中心斷電或交換機、計算機故障時，調度中心與交通路口終端通信中斷，交通路況終端PLC按預定設置的程序正常工作，有電或維修后恢復正常。

3.3交通路口終端PLC與調度中心光纖損壞時，調度中心操作員計算機會報號某一路口PLC通信中斷，調度中心還可以和無通信故障的終端PLC繼續(xù)工作，通信中斷終端PLC自動按預定程序繼續(xù)工作，待故障線路修復后通信恢復［4］。

4 結語

我國是道路基礎設施建設最快的國家，又是交通需求增長最快的國家，隨著城市車輛數(shù)目的急劇增長,車輛與路面的矛盾越來越突出,絕大多數(shù)城市都面臨交通擁堵問題，增加車道只能解一時之急而無法徹底解決問題。理論及實踐證明，合理配置、實時調控信號燈時間可提高交通通行能力，更有效地利用現(xiàn)有道路的運輸能力，對交通流的安全性、快速性和舒適性都能起到很大作用。目前，在國內一線大型城市如北京、上海、天津等地均開始試行智能交通燈工程，在實際的應用中起到了提高通行能力的作用，智能交通工程正在由“一條線”發(fā)展到“一個面”的過程。道路交叉口的信號燈通過PLC編程可靈活多變的功能實現(xiàn)各種交通組織方式，PLC穩(wěn)定的性能和網(wǎng)絡通信能力為智能化交通提供了一種技術平臺。

［1］廖常初.S7-300/400PLC應用技術［M］.第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

［2］西門子（中國）有限公司.深入淺出西門子WinCCV6［M］.第2版.北京：北京航空航天大學出版社，2013.

［3］陽勝峰.西門子PLC與變頻器觸摸屏綜合應用教程［M］.第2版.北京：中國電力出版社，2013.

［4］廖常初，祖正容.西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡組態(tài)編程與故障診斷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.