【正文】 代以來，從國(guó)外引進(jìn)、消化了一些項(xiàng)目，并進(jìn)行了一些 ITS 或類 ITS 基礎(chǔ)項(xiàng)目的研究和應(yīng)用。70 年代中至 80 年代初，主要是進(jìn)行城市交通信號(hào)控制試驗(yàn)研究，80 年代中至 90 年代初，在一些大城市引進(jìn)和消化城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一些（高速）公路監(jiān)控系統(tǒng)、高等級(jí)公路電子收費(fèi)系統(tǒng)和路邊信息服務(wù)系統(tǒng)。90 年代中以來，開始研究部門 ITS 發(fā)展戰(zhàn)略和 GIS、GPS、EDI 在交通中的應(yīng)用等，重視交通信息網(wǎng)絡(luò)的北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文3建設(shè)，公路和橋梁管理用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、道路交通量和氣象數(shù)據(jù)采集等經(jīng)過多年的努力，也已取得明顯的進(jìn)展。 課題的建立以及本文完成的主要工作在十字路口設(shè)置交通燈可以對(duì)交通進(jìn)行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強(qiáng)有力的保障。但是隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原先的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統(tǒng)，使其適應(yīng)現(xiàn)在的交通狀況，成為研究的課題。傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈，通常的做法是：事先經(jīng)過車流量的調(diào)查，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法將兩個(gè)方向紅綠燈的延時(shí)預(yù)先設(shè)置好。然而，實(shí)際上車輛流量的變化往往是不確定的，有的路口在不同的時(shí)段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行、較適用的方案，仍然會(huì)發(fā)生這樣的現(xiàn)象：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長(zhǎng)隊(duì)等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準(zhǔn)確模型的，統(tǒng)計(jì)的方法已不能適應(yīng)迅猛發(fā)展的交通現(xiàn)狀，更為現(xiàn)實(shí)的需要是能有一種能夠根據(jù)流量變化情況自適應(yīng)控制的交通燈。 目前，大部分城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔的控制方法。由于十字路口不同時(shí)刻車輛的流量是復(fù)雜的、隨機(jī)的和不確定的，采用固定時(shí)間的控制方法，經(jīng)常造成道路有效利用時(shí)間的浪費(fèi)，出現(xiàn)空等現(xiàn)象，影響了道路的暢通。為此，需要一種新型的控制方法才能較好地解決這個(gè)問題。智能交通系統(tǒng)（ITS——Intelligent Transport Systems）ITS 是一個(gè)跨學(xué)科、信息化、系統(tǒng)化的綜合研究體系，其主要內(nèi)容是：將先進(jìn)的人工智能技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息與通訊技術(shù)及電子傳感技術(shù)等有效的集成，并應(yīng)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。交通控制系統(tǒng)是 ITS 研究的一個(gè)重要方面。由于交通系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性、模糊性和不確定性，是一個(gè)典型的分布式非線性系統(tǒng)，而且具有多種信息來源、多種傳感器的特點(diǎn)，用傳統(tǒng)的理論與方法很難對(duì)其進(jìn)行有效的控制。把先進(jìn)的智能控制技術(shù)、信息融合技術(shù)、智能信息處理技術(shù)與交通管理技術(shù)結(jié)合起來，代表著城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。智能交通的發(fā)展是現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀要求，交通運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。由于現(xiàn)代社會(huì)城市化速度越來越快、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)、全球經(jīng)濟(jì)的一體化進(jìn)程加快、個(gè)人旅行與休閑時(shí)間的不斷增加以及人們對(duì)交通需求越來越高，智能交通便成為現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀要求，又由于 PLC 技術(shù)相較于單片機(jī)技術(shù)和繼電器技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)、性價(jià)比高、硬件配備齊全、易操作、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、編程調(diào)試簡(jiǎn)單、體積小、能耗小、維修方便等等。所以課題選用先進(jìn)的西門子公司的小型 PLC 設(shè)備 S7200 作平臺(tái)。以交通信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)為整套設(shè)計(jì)方案的中心，提出一套可行性方案。其中具體包括：1．能控制十字路口東西南北的通行，通過定時(shí)器控制通行和禁止通行的時(shí)間；北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文42．利用 PLC 的相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)交通高峰低峰的通行時(shí)間的智能調(diào)整；3．在智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)中加入電子警察抓拍違章系統(tǒng)。第二章 可編程程序控制器（PLC）的概要 PLC 的定義及由來 1. PLC 的定義 可編程控制器 Programmable Controller 是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器 Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱 PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī) Personal Computer 的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程控制器簡(jiǎn)稱 PLC。 PLC 問世以來，盡管時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì) NEMA（ National ElectricalManufactory Association）經(jīng)過四年的調(diào)查工作，于 1984 年首先將其正式命名為 PC（Programmable Controller） ，并給 PC 作了如下定義:PC 是一個(gè)數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲(chǔ)存指令。用來執(zhí)行諸如邏輯，順序，計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模塊，以控制各種機(jī)械或工作程序。一部數(shù)字電子計(jì)算機(jī)若是從事執(zhí)行 PC 子功能，亦被視為 PC，但不包括鼓式或類似的機(jī)械式順序控制器。以后國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）又先后頒布了 PLC 標(biāo)準(zhǔn)的草案第一稿，第二稿，并在 1987 年 2 月通過了對(duì)它的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 ”總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。2. PLC 的由來 早期工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)是繼電器接觸器控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱繼電器控制系統(tǒng)，隨著 20 世紀(jì)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期日趨縮短，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)難以滿足現(xiàn)代社會(huì)小批量、多品種、低成本、高質(zhì)量生產(chǎn)方式的生產(chǎn)控制要求，為了改變這一現(xiàn)狀，美國(guó)通用汽車北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文5公司在 1969 年公開招標(biāo)，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)，也就是就是著名的“GM10 條” ，即： （1）編程方便，現(xiàn)場(chǎng)可修改程序；（2）維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)；（3）可靠性高于繼電器控制裝置；（4）體積小于繼電器控制裝置； （5）數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)；（6）成本可與繼電器控制裝置競(jìng)爭(zhēng)；（7）輸入可以是交流 115V；（8）輸出為交流 115V，2A 以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，接觸器等； （9）在擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)只要很小變更； （10）用戶程序存儲(chǔ)器容量至少能擴(kuò)展到 4KB。 1969 年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出第一臺(tái) PLC，在美國(guó)通用汽車自動(dòng)裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡(jiǎn)單易懂，操作方便，可行性高，使用靈活，體積小，使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，很快地在美國(guó)其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。到 1971 年，已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品、飲料、冶金、造紙等工業(yè)。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國(guó)家的高度重視。1971 年，日本從美國(guó)引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺(tái) PLC。1973 年，西歐國(guó)家也研制出它們的第一臺(tái) PLC。我國(guó)從1974 年開始研制。于 1977 年開始工業(yè)應(yīng)用。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)從結(jié)構(gòu)上分，PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。其結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 CPU 中央處理單元 CPU 是 PLC 的控制中樞，它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)、檢查電源、存儲(chǔ)器 I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)；并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)，等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文6PLC 的可靠性近年來對(duì)大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)，這樣即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC 至少有一個(gè) CPU，它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU 主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細(xì)分析 CPU 的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度、I/O 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。 PLC 常用的存儲(chǔ)器類型 RAM Random Assess Memory，這是一種讀/寫存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)中央處理單元（CPU）編程器輸出電路輸入電路系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 電源圖 21 PLC 基本結(jié)構(gòu)圖北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文7器