【文章內(nèi)容簡介】 通行能力。本文將工業(yè)上應(yīng)用比較成熟的可編程控制器（ PLC）用于對單路口交通信號燈實(shí)現(xiàn)車輛等待長度的模糊控制方法。 本設(shè)計主要設(shè)計利用德國西門子公司的 S7200系列 PLC來實(shí)現(xiàn)對十字路口交通燈信號的智能控制。設(shè)計中采用 S7200 編程軟件 STEP 7 Micro/ 進(jìn)行編程。采用順序功能圖與梯形圖相結(jié)合的方法設(shè)計程序。 Equation Chapter (Next) Section 1 2 十字路口信號燈控制的基本理論和方法 3 2 十字路口信號燈控制的基本理論和方法 車輛的存在與通過的檢測 要用 PLC 模仿交警實(shí)現(xiàn)智能控制，首先需要采集信號。就是要知道每條道路上有多少等待通行的車輛或正在通行的車輛， 然后再經(jīng)過計算，做出正確的指揮（控制各個方向路口的交通燈信號）?，F(xiàn)在這樣的產(chǎn)品很多，廣泛應(yīng)用于停車場、道路電子警察等。在此選用使用最廣泛的電感式傳感器采集信號。 感應(yīng)線圈 感應(yīng)線圈 是一種 電 磁 感 應(yīng) 式 傳感器，其高頻電流頻率為 60kHz，尺寸為 23m，電感約為 100μH。這種傳感器可檢測的電感變化率在 ％以上。 電感式傳感器安裝在公路下面，從交通安全和美觀考慮 , 它是理想的傳感器。傳感器最好選用防潮性能好的原材料。其主要部件是埋設(shè)在公路下十幾厘米深處的環(huán)狀絕緣電線（特別適合新鋪道路，可用混凝土直接預(yù)埋，老 路則需開挖再埋）。當(dāng)有高頻電流通過電感時，公路面上就會形成高頻磁場。當(dāng)汽車進(jìn)入這一高頻磁場區(qū)時，汽車就會產(chǎn)生渦流損耗，環(huán)狀絕緣電線的電感開始減少。當(dāng)汽車正好在該感應(yīng)線圈的正上方時，該感應(yīng)線圈的電感減到最小值。當(dāng)汽車離開這高頻磁場區(qū)時，該感應(yīng)線圈電感逐漸復(fù)原到初始狀態(tài)。由于電感變化該感應(yīng)線圈中流動的高頻電流的振幅和相位發(fā)生變化，因此，在線圈的始末端連接上檢測相位或振幅變化的檢測器，就可得到汽車通過的電信號。若將環(huán)狀絕緣電線作為振蕩電路的一部分，則只要檢測振蕩頻率的變化即可知道汽車的存在和通過 ， 這也是 本論文所涉 及的檢測工作方式。 檢測汽車存在的具體實(shí)現(xiàn)是在感應(yīng)線圈的始端連接上檢測電感電流變化的檢測器 , 并將之轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)脈沖電壓輸出。其具體電路圖由三部分組成 :信號源部分、檢測部分、比較鑒別部分。 傳感器的鋪設(shè) 車輛計數(shù)是智能控制的關(guān)鍵，為防止車輛出現(xiàn)漏檢的現(xiàn)象，環(huán)狀絕緣電線在地下的鋪設(shè)我們設(shè)采取在每個車行道上中的出口地 (停車線處 )以及在離出口地一定遠(yuǎn)的進(jìn)口的地方各鋪設(shè)一個相同的傳感器，方案如圖 21（ 以典型的十 字 路口為例 ） ，同一股道上的兩傳感器相距的距離為該股道正常運(yùn)行時所允許的最長停車車龍為好。 本文設(shè)置為 L=100 米。 在十字路口的四個方向（ E、 S、 W、 N）的近端 x（斑馬線附近）和遠(yuǎn)端 y（距斑馬線約 100 米處）各設(shè)置一個傳感器，分別統(tǒng)計通過該處的車輛數(shù)。如圖 21 所示。 西安交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院論文 4 近端的傳感器用于記 錄綠燈期 間通過路口的車輛數(shù)（記為 X）；遠(yuǎn)端的傳感器用于記錄紅燈期間進(jìn)入路口排隊等候的車輛數(shù)（記為 Y）。為了簡化運(yùn)算，可以將兩個相對的方向（ N 與 S、 W 與 E）的 X、 Y 值合并為一組，分別取兩個方向之最大者。 課題選用的 PLC 介紹 PLC 即可編程控制器（ Programmable Logic Controller）是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。 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。 西門子 S7200 系列可編程控制器 S7200 系列 PLC 是西門子公司的產(chǎn)品， 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。 S7200 系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此 S7200 系列具有極高的性能 /價格比。 S7200 系列 PLC 具有極高的可靠性、極豐富的指令集、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時特性、強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模2 十字路口信號燈控制的基本理論和方法 5 塊等特點(diǎn)，易于掌握，操作便捷。 S7200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮 其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床， 印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動系統(tǒng) 等 。 硬件特點(diǎn) 不同的設(shè)備類型 集成的 24V 負(fù)載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執(zhí)行器）， CPU221/222 具有 180mA 輸出， CPU22 CPU224XP、 CPU226 分別輸出 280， 400mA?？捎米髫?fù)載電源。 CPU 單元 S7200 系列 PLC 可提供 4 個不同的基本型號的 8 種 CPU。 CPU221~226各有 2 種類型 CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。 1） CPU221 本機(jī)集成 6 輸入 /4 輸出共 10 個數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。無 I/O 擴(kuò)展能力。 6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 4 個獨(dú)立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出。 1 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。 2） CPU222 本機(jī)集成 8 輸入 /6 輸出共 14 個數(shù)字量 I/O 點(diǎn)?？蛇B接 2 個擴(kuò)展模塊。6K 字節(jié)程 序和數(shù)據(jù)存儲空間。 4 個獨(dú)立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨(dú)立 20kHz 高速脈沖輸出。 1 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。 3） CPU224 本機(jī)集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。可連接 7 個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 6 個獨(dú)立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 1 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 4） CPU224XP 本機(jī)集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個數(shù)字量 I/O 點(diǎn)， 2 輸入 /1 輸出共 3個模擬量 I/O 點(diǎn)，可連接 7 個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展值至 168 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 38 路模擬量 I/O 點(diǎn)。 20K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間， 6 個獨(dú)立的高速計數(shù)器（ 100KHz）， 2 個100KHz 的高速脈沖輸出， 2 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。本機(jī)還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量 I/O,位控特性，自 整定PID 功能，線性斜坡脈沖指令，診斷 LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等。是具有模擬量 I/O和強(qiáng)大控制能力的新型 CPU。 5） CPU226 本機(jī)集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點(diǎn)?？蛇B接 7 個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 6 個獨(dú)立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控西安交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院論文 6 制器。 2 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制 系統(tǒng)，具有更多的輸入 /輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 中斷輸入 允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應(yīng)。 高速計數(shù)器 CPU 221/222 具有 4 個高速計數(shù)器（ 30KHz），可編程并具有復(fù)位輸入， 2 個獨(dú)立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接兩個相位差為 90176。的 A/B 相增量編碼器。 CPU224/224XP/226 具有 6 個高速計數(shù)器（ 30KHz），具有 CPU221/222 相同的功能。 CPU 222/224/224XP/226 可方便地用數(shù)字量和模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展?？墒褂梅抡嫫鳎ㄟx件）對本機(jī)輸入信號進(jìn)行仿真，用于調(diào)試用戶程序。 模 擬 電 位 器 CPU221/222 有 1 個， CPU224/224XP/226 有 2 個 ，CPU221/222/224/224XP/226 還具有脈沖輸出。 2 路高頻率脈沖輸出（最大 20KHz），用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)。 實(shí)時時鐘 例如為信息加注時間標(biāo)記，記錄機(jī)器運(yùn)行時間或?qū)^程進(jìn)行時間控制。EEPROM 存儲器模塊（選件）可作為修改與拷貝程序的快速工具（無需編程器），并可進(jìn)行輔助軟件歸檔工作。 電 池模塊 用于長時間數(shù)據(jù)后備。用戶數(shù)據(jù)（如標(biāo)志位狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊，定時器，計數(shù)器）可通過內(nèi)部的超級電容存貯大約 5 天。選用電池模塊能延長存貯時間到 200 天（ 10 年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。 編程軟件與接口電纜 STEP 7Micro/WIN32 編程軟件可對所有的 CPU221/222/224/224XP/226 功能進(jìn)行編程。同時也可以使用 STEP 7Micro/WIN16 軟件包，但是它只支持對 S721x同樣具有的功能進(jìn)行編程。 STEP 7Micro/DOS 不能對 CPU 221/222/224/224XP/226 編程。如果使用 PG/PC 的串口編程，則需要使用 PC/PPI 電纜。 如果使用 STEP 7Micro/WIN32 編程軟件，則也可以通過 SIMATIC CP 5511或 CP 5611 編程。在這種情況下，通訊速率可高達(dá) 。 可以利用 PC/PPI 電纜和自由口通訊功能把 S7200 CPU 連接到許多和 RS232 標(biāo)準(zhǔn)兼容的設(shè)備。有兩種不同型號的 PC/PPI 電纜： 1）帶有 RS232 口的隔離型 PC/PPI 電纜，用 5 個 DIP 開關(guān)設(shè)置波特率和其它配置項。 2）帶有 RS232 口的非隔離型 PC/PPI 電纜，用 4 個 DIP 開關(guān)設(shè)置波特率。 當(dāng)數(shù)據(jù)從 RS232 傳送到 RS485 口時， PC/PPI 電纜是發(fā)送模式。當(dāng)數(shù)據(jù)從 RS485傳送到 RS232 口時， PC/PPI 電纜是接收模式。當(dāng)檢測到 RS232 的發(fā)送線有字符時，電纜立即從接收模式轉(zhuǎn)換到發(fā)送模式。當(dāng) RS232 發(fā)送線處于閑置的時間超過電纜切換2 十字路口信號燈控制的基本理論和方法 7 時間時，電纜又切換到接收模式。這個時間與電纜上的 DIP 開關(guān)設(shè)定的波特率選擇有關(guān)。 交通等信號控制方式 控制系統(tǒng)的組成 對于單交叉路口的信號燈控制主要在于求取最 佳信號周期和兩交叉方向的綠信比。當(dāng)交通車流稀少時，信號周期盡量短些，但一般不能少于 30 秒，以免某一方向的綠燈時間小于 15秒使車輛來不及通過路口而影響交通安全。當(dāng)交通車流需求量較大時，信號周期應(yīng)該長些，但一般也不能超過 120 秒，否則某一相位的紅燈時間超過 60 秒，司機(jī)和行人的心理上不能忍受。系統(tǒng)開始工作時，首先給南北方向固定的 15 秒的綠燈時間，作為路口車輛狀態(tài)參數(shù)的采集時間 （梯形圖如圖 22， 順控語句表如下）。 隨后在紅綠燈切換的各個時刻，讀取各方向處于檢測區(qū)中的車輛數(shù)，再經(jīng)過模糊化處理，得到綠燈換向后的綠燈延時 時間長度 T。車輛的流量記數(shù)、交通燈的時長控制可由可編程控制器（ PLC）來實(shí)現(xiàn)。利用 PLC，可使上述描敘的各傳感器以及各道口的信號燈與之直接相連，非常方便可靠。 LD S 1 啟動按鈕 ，設(shè)置啟動記憶鎖存器 K0 LD R 1 停止按鈕 ，停止工作； 圖 22 交通燈初始賦值程序截圖 LD EU MOVW 18, VW0 程序啟動時給南北向 18 秒綠燈時間（含黃燈 3 秒） LDW VW0, 0 西安交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院論文 8 = LD A MOVW 1, VW0 DECW VW0 南北向寄存器倒計時 以上為南北向綠燈寄存器 VW0 初始賦值及倒計時程序 ，梯形圖如圖 22 所示。同理，東西向綠燈寄存器 VW6 倒計時程序類似不再贅述。 圖 23 南北向綠燈黃燈程序