-25-第一章緒論1.1城市交通現(xiàn)狀據(jù)一項對美國土要城市交通狀況的調(diào)查顯示:1982年至2000年，美國城市在上下班高峰期間的交通堵塞狀況不斷加劇，由交通堵塞造成的時間和汽油浪費而帶來的經(jīng)濟損失每年高達680億美元。以廣州為例來講，現(xiàn)在市區(qū)平均車速只有每小時12公里。用這個目標(biāo)速度代入歐美標(biāo)準計算，廣州人為交通堵塞所付出的經(jīng)濟代價總值:每年耗費1.5億小時，減少生產(chǎn)總值117億元。相當(dāng)于該市整個生產(chǎn)總值的7%。在北美、澳大利亞等大城市，道路面積率高達35%--40%，而北京只有20%。緩解交通擁堵，加快道路建設(shè)是當(dāng)務(wù)之急。據(jù)悉，到2010年，北京將投資500億元用于城市道路建設(shè)，到2005年，北京僅高速公路通車里程就達到600公里。但一味發(fā)展城市道路，也會刺激私家車超常規(guī)發(fā)展，兩者發(fā)展速度的失衡，最終還是逃不出“擁堵一修路一再擁堵”的怪圈。中國各大城市的交通系統(tǒng)都存在著不同程度的問題，北京、上海、廣州三大城市的公共交通出行比例都比國外大城市小，尤其是高峰時段的公共交通分擔(dān)率更小。從我國目前各大城市的交通結(jié)構(gòu)看，普遍存在常規(guī)公共交通系統(tǒng)發(fā)展不足，快速軌道交通系統(tǒng)發(fā)展滯后、自行車交通分擔(dān)率過高、小汽車發(fā)展勢頭強勁的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。因此，要準確認識各種交通工具各自的使用條件和服務(wù)范圍，充分發(fā)揮各種交通方式的優(yōu)點，使其合理分工，才能發(fā)揮整個交通系統(tǒng)的效率。1.2智能交通的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r城市交通矛盾的日益突出，已開始影響城市的發(fā)展，解決這個問題最行之有效的良方或許就是大力發(fā)展智能化交通。智能化交通管理體系在國外已經(jīng)有.了40多年的發(fā)展歷史，是目前發(fā)達國家普遍采用的交通管理方式，這種方式是在發(fā)達的交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，應(yīng)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對所轄區(qū)域的交通流量實施有效控制，使有限的交通網(wǎng)絡(luò)功能得到充分合理的利用，極大發(fā)揮城市的載體功能。智能交通系統(tǒng)將大大提高交通效率而節(jié)省大量的燃料和時間;除此之外，智能交通系統(tǒng)能夠減少交通事故，減少因事故造成部分經(jīng)濟損失。在與世界發(fā)達國家機動車人均擁有量差距還很大的情況下，我國--些特大城市的交通擁堵己排在世界前列。在北京召開的“第二屆國際智能交通系統(tǒng)技術(shù)研討暨技術(shù)與產(chǎn)品展覽會”上透露。我國將投資20億元對北京、上海、天津、重慶、廣州、深圳、濟南、青島、杭州、中山10個城市進行交通智能化改造，到2010年，這10個城市將全部實現(xiàn)交通的智能化。目前國內(nèi)外對智能交通系統(tǒng)的理解不盡相同，但不論從何種角度出發(fā)，有一點是共同的:智能交通系統(tǒng)是用各種高新技術(shù)，特別是電子信息技術(shù)提高交通效率，增加交通安全性和改善環(huán)境的技術(shù)經(jīng)濟系統(tǒng)。日本、歐洲等眾多國家和地區(qū)在智能交通系統(tǒng)方面都取得了相當(dāng)大的進展，對當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\輸效率的提高起了關(guān)鍵性的作用。從各國的發(fā)展來看，智能交通系統(tǒng)能使交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮出最大的效能，提高服務(wù)質(zhì)量;同時使社會能夠高效地使用交通設(shè)施和能源，從而獲得巨大的社會及經(jīng)濟效益。它不但有可能解次交通的擁堵，而且對交通安全、交通事故的處理與救援、客貨運輸管理、道路收費系統(tǒng)等方面都會產(chǎn)生巨大的影響。

第二章PLC基礎(chǔ)知識簡介2.1PLC的產(chǎn)生與定義2.1.1PLC的產(chǎn)生背景PLC的設(shè)想最早是由美國通用汽車公司（GM）在20世紀60年代末提出來的。由于那時美國的汽車行業(yè)競爭非常激烈，汽車制造廠紛紛推出新的車型來增強競爭力。通用公司希望通過在對汽車更換造型或是改變工藝時盡量少改動原來的繼電器控制柜的內(nèi)部接線，來達到減少成本、縮小新品開發(fā)時間，提高汽車在市場中的競爭力和占有率的目的。于是，他們便要求重新設(shè)計控制系統(tǒng)，并且要在原有的基礎(chǔ)上進行最小的改動還要盡量讓生產(chǎn)最大化[3]。新的控制系統(tǒng)要滿足以下條件：（1）編程容易，修改便利；（2）維護方便，替換模塊即可；（3）適應(yīng)性強，在較差的環(huán)境下也可以工作；（4）體積比一般的繼電器要??；（5）可以將數(shù)據(jù)通過通信功能傳輸?shù)接嬎銠C上；（6）價格低；（7）輸入和輸出信號可以是115VAC；（8）能夠直接對接觸器等裝備進行驅(qū)動；（9）易于擴展，變動較??；（10）用戶存儲容量要在4K以上。根據(jù)這些要求，美國DEC公司推出了PDP-14控制器，并取得了成功的應(yīng)用。其后，日本、德國等國家相繼研發(fā)出自己的PLC。從此開創(chuàng)了PLC開發(fā)和應(yīng)用的新紀元。2.1.2PLC的定義PLC由于有著實用性高、便于操作、學(xué)習(xí)簡單和體積小等優(yōu)勢，在其他自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。為了使PLC的標(biāo)準化和規(guī)范化，國際權(quán)威組織為PLC在生產(chǎn)和開發(fā)等多個方面做了一個定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專用于工業(yè)條件的應(yīng)用程序，它使用可編程序存儲器到內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算指令，并根據(jù)數(shù)字和模擬輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。它和相關(guān)裝置需要與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，形成一個有機的整體，易于擴展系統(tǒng)功能的設(shè)計原則?！弊畛醯目删幊炭刂破鹘凶隹删幊踢壿嬁刂破?，即PLC，這主要是因為它是在繼電器順序邏輯控制的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。然而，經(jīng)過后來的不斷發(fā)展和完善，PLC已經(jīng)產(chǎn)生了完全的蛻變，所以，由美國電氣制造協(xié)會商議決定將其正式命名為可編程控制器（PC）。但這也容易和個人計算機的簡稱（PC）混淆，所以為了更好的將兩者區(qū)別開來，在大多數(shù)情況下，仍習(xí)慣沿用PLC作為可編程控制器的簡稱。2.2PLC的基本結(jié)構(gòu)2.2.1CPU模塊中央處理器（CPU）是PLC的最重要組成部分，由大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路芯片構(gòu)成，它也是PLC的運算和控制中心。它的功能包括：（1）通過輸入/輸出通道讀入現(xiàn)場狀態(tài)；（2）執(zhí)行系統(tǒng)和用戶程序（如梯形圖等）；（3）實現(xiàn)各種運算；（4）輸出運算結(jié)果，驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備；（5）協(xié)調(diào)內(nèi)部各部分工作；（6）控制與外部設(shè)備通信等。PLC常用的處理器主要有通用微處理器、單片計算機和雙極型位片式微處理器。通常來說，所采用的處理器性能越高，PLC的功能就越強。2.2.2存儲器存儲器可以用來存放PLC系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)、包含了用戶的信息和運行數(shù)據(jù)的單元，一般分為只讀存儲器（ROM）和隨機讀寫存儲器（RAM）。（1）只讀存儲器（ROM）ROM指在使用過程中只能從中讀出（取出）數(shù)據(jù)而不能寫入（存儲）數(shù)據(jù)的存儲器。由于只讀存儲器在斷電狀態(tài)下仍能保存所存儲的內(nèi)容，也稱為非揮發(fā)性存儲器，用來存儲系統(tǒng)軟件，如系統(tǒng)管理程序、邏輯解釋程序和標(biāo)準程序模塊等，也常用來存儲用戶經(jīng)過運行考核證實能滿足設(shè)計要求的應(yīng)用程序。（2）隨機讀寫（存?。┐鎯ζ鳎≧AM）RAM在使用過程中可隨時從中讀出（取出）數(shù)據(jù)，又可以寫入（存儲）數(shù)據(jù)。RAM在斷電后，其存儲的內(nèi)容就會丟失，所以也稱為揮發(fā)性存儲器。在應(yīng)用中通常都配備斷電保護電路，當(dāng)電源關(guān)斷后，由內(nèi)部電池繼續(xù)供電，保持存儲的內(nèi)容不變。RAM在PLC中常用來存儲系統(tǒng)運行時不斷變化的數(shù)據(jù)和用戶程序。2.2.3I/O模塊I/O模塊是PLC與工藝過程控制現(xiàn)場之間的連接部件。PLC通過輸入部件獲得全部生產(chǎn)過程的各種工藝參數(shù)，如按鈕、開關(guān)、觸點和溫度、壓力、流量等；而PLC通過輸出部件，如繼電器、可控硅、晶體管等，把按程序處理得到的結(jié)果送到生產(chǎn)過程的執(zhí)行機構(gòu)上去實現(xiàn)控制，如指示燈、開關(guān)、繼電器、電磁閥、電氣轉(zhuǎn)換器等。由于I/O模塊與生產(chǎn)過程的各種信號相連，這就要求它有很好的信號適應(yīng)能力、負載能力、抗干擾能力和高可靠性。因此，輸入模塊一般都配有電平變換、光電隔離和阻容濾波、去抖動和浪涌保護等電路；輸出模塊則配有光電隔離和阻容濾波、輸出保護等電路。為適應(yīng)生產(chǎn)過程各種工藝參數(shù)的輸入/輸出控制要求，PLC特別是中型以上的PLC均提供種類較多的輸入/輸出模塊。這些輸入/輸出部件可歸納為：開關(guān)量以及模擬量的輸入/輸出和特殊輸入/輸出等。2.2.4擴展單元擴展單元用于PLC擴展輸入/輸出點數(shù)和信號類型。擴展單元有串行接口擴展、并行接口擴展和專用擴展模塊等形式。2.2.5外部設(shè)備及其接口PLC的外部設(shè)備主要有編程器、圖形終端等。其接口一般分為通用接口和專用接口兩種。通用接口指標(biāo)準通用的接口，如RS－232、RS－422或RS－485等。專用接口指各PLC廠家專有的自成標(biāo)準和系列的接口。（1）編程器是編制、調(diào)試和跟蹤、監(jiān)視PLC用戶應(yīng)用程序的外部設(shè)備。編程器有手持式編程器和便攜式智能圖形終端編程器等幾種，通常用于中小型PLC編程和現(xiàn)場調(diào)試。大型的PLC則多數(shù)用上位機和相應(yīng)的組態(tài)軟件進行，便于實現(xiàn)編寫大型、復(fù)雜的應(yīng)用程序以及編寫文檔、打印輸出等多項功能。（2）圖形終端是PLC的操作員界面，也稱為人機界面。用于顯示生產(chǎn)過程的工藝流程、實時數(shù)據(jù)、歷史和報警參數(shù)等信息。同時，終端上的按鍵又允許操作人員對選定的對象（位號）進行操作，十分方便、靈活。2.2.6電源電源是各種系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，它的作用是給PLC內(nèi)部提供所需要的電源。多數(shù)小型和微型的PLC和部分中型PLC的電源還同時向外提供隔離的直流電源。目前，PLC的電源一般采用開關(guān)式電源，具有輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、功率大和抗干擾能力強的特點，而且具有可以多臺并用或互為備用運行的優(yōu)點，大大提高了電源的供給能力和可靠性。2.3PLC的發(fā)展歷程與未來發(fā)展方向2.3.1PLC的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱ProgrammableController(PC)個人計算機(簡稱PC)發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為ProgrammableLogicController(PLC)，現(xiàn)在，仍常常將PLC簡稱PC。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~-40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取.代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PIC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。2.3.2PLC的未來發(fā)展方向隨著新技術(shù)、新旗艦的不斷更新，尤其是單片機技術(shù)、微處理器技術(shù)和半導(dǎo)體元件的快速發(fā)展，讓可編程控制器的功能愈發(fā)完整，實用性越強，性價比也越高?，F(xiàn)在，可編程控制器已經(jīng)在各行業(yè)的控制方面得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品的更新速度也很快，可編程控制器在以后主要由以下幾個發(fā)展趨勢。（1）向大型、高性能化方向發(fā)展；（2）向方便靈活、小型化發(fā)展；（3）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更開放、通信功能更完善；（4）編程組態(tài)更方便靈活。

第三章方案選擇交通問題一直都是各個國家關(guān)心的問題，也是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要關(guān)鍵，我國人口眾多、經(jīng)濟建設(shè)穩(wěn)步發(fā)展，這也使得我國的交通問題日趨嚴重。日前，為了緩解交通所帶來的問題和壓力，許多城市都在想盡辦法。但是，大多辦法都是建立在高昂的經(jīng)濟投入基礎(chǔ)之上的。所以，如何在現(xiàn)有的交通體系中提高效率成為了關(guān)鍵所在，而提高交通控制系統(tǒng)的效率更是重中之重。目前，我國交通燈控制系統(tǒng)大多數(shù)都是利用定時進行控制。這種控制方式必然會有一定的弊端：某條道路的車流量很大卻要等待紅燈，同時另一條空道或車流量相對較少的道路的信號燈仍然是亮著綠燈，造成這種現(xiàn)象是因為采用的定時控制方式，不能很好的對道路實際情況進行監(jiān)管。這也導(dǎo)致了控制系統(tǒng)效率低下，它可能會引起不必要的交通擁堵，同時也需要大量的資源進行監(jiān)管。所以，設(shè)計一種智能化交通控制系統(tǒng)是必不可少的。這種控制系統(tǒng)需要能夠根據(jù)車流量的多少來自行對紅綠燈的時間進行調(diào)整，最大限度地減少十字路口的車輛擁堵現(xiàn)象，可以很好的舒緩交通擁擠、實現(xiàn)交通控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制，提高交通控制系統(tǒng)的效率。隨著科技的不斷進步，人民生活水平的不斷提高，人們正逐漸向享受型轉(zhuǎn)變，這些都必將導(dǎo)致私家車數(shù)量的猛增，道路交通擁擠的問題日益突出，不難想象，智能交通控制系統(tǒng)在未來的應(yīng)用前景將不可限量。3.1控制機的選擇交通信號燈控制系統(tǒng)可以采用PLC、單片機、繼電器等設(shè)備控制。交通燈的正常運行成為交通暢通的重要保證，采用繼電器實現(xiàn)，存在著功能少、可靠性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護量大等缺點，越來越不適應(yīng)城市交通高速發(fā)展的要求。單片機雖然有著物美價廉的優(yōu)點，但是由于單片機自身的抗干擾能力比較差，特別是在環(huán)境比較差，噪聲大的場合，單片機有可能會因受外界干擾而出現(xiàn)問題，造成系統(tǒng)不能正常工作；并且采用單片機，編程比較復(fù)雜。采用PLC控制交通信號燈系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）PLC具有很高的可靠性，平均無故障時間在30萬小時以上；（2）編程能力強，編程方便；（3）抗干擾能力強；（4）PLC性價比高。所以我們采用PLC控制交通信號系統(tǒng)。3.2定時配時方案的選擇交通信號信息燈系統(tǒng)的配時方案根據(jù)具體情況的不同，可以選擇、設(shè)計與之最適應(yīng)的配時方案。不同條件下的配時方案不盡相同，最主要的配時方案有以下幾種。3.2.1方案一方案一是最基本的定時方案，一般用于車流量較小的交叉路口。這種交通燈只包含3盞燈，綠燈、黃燈、紅燈，其配時方案如下：首先某一方向（假定東西）方向通行，綠燈先亮；綠燈定時結(jié)束后，綠燈閃；接下來變成黃燈。至此，定時半個周期結(jié)束。然后是南北方向通行，也是先綠燈亮，綠燈定時結(jié)束后，綠燈閃，接著黃燈亮。前半個周期，南北直行不能通行，紅燈亮，但是允許右轉(zhuǎn)。其時序圖如圖3-1所示。圖3-1簡單配時方案時序圖這個方案在綠燈亮?xí)r，允許左轉(zhuǎn)，直行，右轉(zhuǎn)，即通行時，全體放行。而禁止通行時，允許右轉(zhuǎn)，即右轉(zhuǎn)不受限制。這種方案適合直行車輛較多，左右轉(zhuǎn)車輛較少，總體車流量也較少的場合。3.2.2方案二方案二的相位圖如圖3-2所示。首先南北直行通行，定時結(jié)束后，南北左右轉(zhuǎn)通行；然后東西直行通行，定時結(jié)束后，南北左右轉(zhuǎn)通行。這樣一個周期定時就結(jié)束了。其中，每個方向都有綠燈、綠燈閃和黃燈三個步驟。圖3-2方案二的相位轉(zhuǎn)換圖3.2.3方案三方案三的相位圖如圖3-3所示。首先東西方向直行通行，然后東西方向左轉(zhuǎn)通行，再是南北方向先直行通行，然后左轉(zhuǎn)通行。接著是由西向東方向左轉(zhuǎn)和直行通行，再由東向西方向左轉(zhuǎn)和直行通行，最后是由南向北方向左轉(zhuǎn)和直行同時通行，再由北向南方向左轉(zhuǎn)和直行同時通行。圖4.3方案三的相位轉(zhuǎn)換圖3.2.4方案四方案四具體如下：先東西方向綠燈亮（此時南北方向紅燈亮，但右轉(zhuǎn)彎綠燈亮），允許通行30s（時間可以依實際而改變），左右轉(zhuǎn)向均紅燈亮。30s后，東西方向綠燈滅而黃燈亮2s，同時右轉(zhuǎn)彎的黃燈也亮2s，然后東西方向紅燈亮，同時右轉(zhuǎn)彎的綠燈亮（右轉(zhuǎn)彎的紅燈黃燈同時滅），即此時東西方向僅允許右轉(zhuǎn)彎。53s后，東西方向左轉(zhuǎn)彎黃燈亮2s，接著也允許左轉(zhuǎn)彎（左轉(zhuǎn)彎紅燈、黃燈滅，同時綠燈亮）。16s后，左右轉(zhuǎn)彎的綠燈同時閃三下（指示信號燈將變化）后滅。左右轉(zhuǎn)彎黃燈亮2s后滅而紅燈亮，東西方向黃燈也亮2s，然后整體便進入下一個循環(huán)。東西向人行道僅有紅燈和綠燈，人行道紅燈變化情況和東西向中間紅燈類似，僅先于中間燈2s，人行道綠燈和中間綠燈變化也類似，區(qū)別僅在點亮的最后3s閃爍而已[12]。綜合上面的分析可以看出，交通燈指示的總體思路是，先允許直向通行，后允許右轉(zhuǎn)彎，然后允許左右轉(zhuǎn)彎，如此反復(fù)循環(huán)，南北方向的交通燈變化與東西方向次序完全一樣，只不過時間上滯后55s而已，即當(dāng)東西方向允許右轉(zhuǎn)彎的同時，南北方向允許左右轉(zhuǎn)向。3.2.5方案比較與確定方案一中交通信號燈只有綠、黃、紅三色燈，是最簡單的交通燈。該方案僅適合于小的交叉路口，車流量比較小，可以同時允許直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)通行。方案二中交通燈有左轉(zhuǎn)箭頭燈、直行箭頭燈、紅燈、黃燈，省掉了不必要的右轉(zhuǎn)箭頭燈（直行箭頭可以用綠燈替代）。這種配時方案適合于大多數(shù)的十字路口，特別是中小型的十字路口。這個方案相位少，控制簡單，而且達到了控制車輛穩(wěn)定有序運行的要求。方案三采用了8個相位進行控制，其控制方案本身具有一定緩解車輛滯留的能力。但是采用8個相位控制，對于編程來說比較復(fù)雜，且其緩解車輛滯留能力不是特別顯著。方案四與方案三相似，其本身有著緩解滯留的特點，但是對于PLC控制系統(tǒng)來說，其過程比較復(fù)雜?；赑LC的優(yōu)點在于其控制能力，而不是其邏輯能力，選取控制方式相對較簡單的方案二的定時配時方案進行控制。當(dāng)要求人行與車輛分離時，可以采取人行與車輛直行時段一致，右轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn)時段一致的配時方案。3.3智能延時方案的選擇智能控制原則是本控制系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)如何依據(jù)車輛檢測器脈沖的計數(shù)結(jié)果自動輸出以調(diào)節(jié)紅綠燈的時間長度的控制邏輯。智能延時有很多方案。十字路口大部分的車流都是直行的，故智能延時也主要針對直行方向。3.3.1方案一采用“規(guī)模分檔”的綠燈時長智能控制原則，即把東西方向或南北方向的車輛數(shù)目以及紅綠燈時間長度分別進行相應(yīng)的分檔。這樣就可以實現(xiàn)按車流量多少控制綠燈時長，降低擁擠的車流量，舒緩交通堵塞，從而改善了交通控制系統(tǒng)的效率。同時可對控制系統(tǒng)進行三種不同考慮：假設(shè)需要控制東西方向的綠燈時長，那么若東西方向的車流量較少，而南北方向的車流量也較少，那么我們就選用中長度的時間，否則選用短時間；如果東西方向的車流量正常適中，那么不考慮南北方向的車流量是多是少，我們都采用中等長度時間；如果東西方向的車流量比較大，而且南北方向的車流規(guī)模也是，那么我們選用中長度的時間（這是為了加快交通的流動頻率，提高系統(tǒng)效率），否則采取大長度的時間。東西方向綠燈時長邏輯運算如表3-1，南北方向與此類似。表3-1東西車道車流規(guī)模比較3.3.2方案二還有一種方案就是在直行通行時段，實時檢測并比較東西方向與南北方向的最大車輛滯留量，在滿足直行綠燈延時條件下，保持直行綠燈繼續(xù)亮，直至延時條件不滿足。3.3.3延時方案的比較與確定方案一是在直行通行之前，根據(jù)東西方向與南北方向的車輛滯留量事先確定綠燈延時時間。這樣就存在不能實時檢測比較，判斷延時的缺陷。例如：在東西方向直行通行時，若突然東西方向的車流密度增大而南北方向的車流密度減少，使得東西方向的車輛滯留量遠遠大于南北方向（由于交通流的易變性，這是很有可能發(fā)生的），這時事先確定的延時時間就不合理了。方案二恰恰考慮到了這一點，采取了直行時段實時檢測比較、做出判斷的方法來合理地延長綠燈時間。所以控制系統(tǒng)的智能延時方案采用方案二。其延時條件為：當(dāng)前通行方向車輛滯留量減去相反方向車輛滯留量大于給定經(jīng)驗值σ，并且相反方向的車輛滯留量小于允許的最大值δ，并且延時時間不超過允許的最長延時時間。

第四章PLC交通信號燈系統(tǒng)設(shè)計本文編程采用的是西門子S7-200系統(tǒng)PLC，對十字路口交通燈進行控制。S7-200系列小型PLC（MicroPLC）能夠用于多類自動化系統(tǒng)。內(nèi)部排列密切，很低的投入和效用很強的命令集，讓s7-200能夠?qū)⒔昝赖赝瓿尚》秶目刂埔?guī)定。多類的cpu類別、電壓級別和以WINDOWS為基礎(chǔ)的編程工具，可以讓我們更加靈活、快捷的處理自動控制問題。s7-200控制器體積更小、指令更加強大并且功能更加豐富。4.1S7-200的編程資源S7-200這類別是西門子公司中的PLC。這類別的PLC可以應(yīng)付很多的智能控制系統(tǒng)各種要求。所以這個種類的產(chǎn)品具緊密的方案、良好的伸縮性、較低的售價和命令性能強等特點，讓S7-200能夠輕易完成小范圍的控制需求。除此之外，多種多樣的中央處理器和電壓等級使s7-200可以廣泛的應(yīng)用在處理用戶在工業(yè)自動化方面的問題。4.1.1S7-200CPU的主要技術(shù)指標(biāo)S7-200CPU的主要技術(shù)指標(biāo)如表4-1所示。表4-1S7-200系列CPU的主要參數(shù)指標(biāo)4.1.2主要組成部分1臺S7-200的PLC由單個的S7-200中央處理器，還有可以多擴展的控制模塊。（1）CPUS7-200的CPU含有單獨的中央處理單元（CPU）、電源和本身自帶的數(shù)字輸入輸出點，所有的模塊被放在同一個單獨的部件中。主要擔(dān)任程序處理和數(shù)據(jù)錄入負責(zé)執(zhí)，用來對企業(yè)智能控制過程和任務(wù)來處理。一些CPU具有內(nèi)置的實時時鐘，其它CPU則需要實時時鐘卡。（2）擴展模塊S7-200CPU單元給出了特定個數(shù)的自身輸入輸出口，擴展單元給出了額外的I/O口。（3）最大I/O配置每種CPU的最大I/O配置須服從以下限制：模塊數(shù)量CPU221：不能擴展；CPU222：最多2個擴展模塊；CPU224和CPU226：擴展模塊最多可以達到7個；上限有7個：自動控制單元最多有2塊。非模擬量反應(yīng)寄存器范圍：各個CPU許可的非模擬量I/O的邏輯空間都是128個。由于該邏輯空間按8點模塊分配，因此有些物理點無法被尋址。一個特殊模塊可能不能全部尋址8個點，例如CPU224有10個輸出點，但它占用邏輯輸出區(qū)的16個點地址。一個4入/4出模塊占用邏輯空間的8個輸入點和8個輸出點。模擬量映象寄存器大小，模擬量I/O允許的邏輯空間為：CPU222：16輸入和16輸出；CPU224和CPU226：32輸入和32輸出；5V電源預(yù)算：每種CPU都有所能提供的最大電壓為5V的電流。在一個系統(tǒng)中的所有擴展模塊的電流總和不能超過該預(yù)算。4.2交通燈與車輛檢測器布置選取橫式單排式箭頭燈，自外向里為紅、黃、左箭頭、直箭頭燈（或綠燈）。信號燈的安裝采用B式安裝，位置是在道路右邊正對面路口處。具體布置如圖4-1所示。圖4-1十字路口交通燈、檢測器布置圖4.3控制要求4.3.1整體控制思想控制系統(tǒng)的整體控制思想如圖4-2所示：啟動PLC的第一個周期，清零輸出和計數(shù)器，同時設(shè)置初值。與此同時，讀取PLC的當(dāng)前時間，并比較判斷。當(dāng)PLC當(dāng)前時間大于等于5且小于等于22，即早上5點至晚23點這段時間，采取白天控制模式。當(dāng)PLC當(dāng)前時間大于22或小于5，即晚23點至次日5點，采取夜間控制模式。在白天控制模式下，執(zhí)行完一個周期后，再次讀取并比較判斷PLC當(dāng)前時間，若還是在處于白天時段，則繼續(xù)執(zhí)行白天控制模式，直到執(zhí)行完某個周期后，PLC當(dāng)前時間進入夜間時段，執(zhí)行夜間控制模式。在夜間控制模式下，時時讀取比較PLC當(dāng)前時間，一旦不滿足，則進入白天控制模式。圖4-2控制系統(tǒng)整體控制思想4.3.2白天控制模式白天控制模式是控制系統(tǒng)的主要部分，是控制系統(tǒng)的主要、重要運行方式。具體的流程如圖5.3所示。當(dāng)PLC當(dāng)前時間屬于白天模式的時間段時，啟動車輛計數(shù)和強通檢測，同時開始信號燈工作。首先東西左轉(zhuǎn)綠燈亮，時間為20s（VW2，可以根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定）；定時結(jié)束后，東西左轉(zhuǎn)綠燈閃2s，禁止左轉(zhuǎn)車輛通行；然后左轉(zhuǎn)黃燈亮3s；黃燈滅的同時，東西直行綠燈亮，先定時30s（VW0，根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定），定時結(jié)束后，開始延時，延時條件為：東西車流最大滯留量－南北車流最大滯留量>結(jié)定值σ且南北車流滯留量小于δ且延時時間沒超過最大延時時間；當(dāng)延時條件不再滿足時，東西直行綠燈閃2s；然后東西直行黃燈亮3s；至此，半個周期結(jié)束。接下來是南北通行，與東西通行類似，首先南北左轉(zhuǎn)綠燈亮30s，然后閃2s，然后黃燈亮；再接著，南北直行綠燈亮并且延時，延時結(jié)束后，綠燈閃2s，然后黃燈亮。整個周期結(jié)束。圖4-3白天控制模式框圖4.3.3夜間控制模式夜間模式很簡單，PLC當(dāng)前時間屬于夜間模式時間段時，車道信號燈全變?yōu)辄S燈，提醒夜間駕駛?cè)藛T小心駕駛。同時，夜間模式斷開了車輛檢測計數(shù)的開關(guān)，節(jié)省了用電。4.3.4強通控制模式強通模式屬于白天控制單元中重要的控制單元。緊急車輛強制通斷由強通開關(guān)控制。沒有急車時，按照平常循環(huán)方案控制，當(dāng)急車來時，開啟急車強通按鈕，無論之前信號情況怎樣，都強行把急車行駛的方向綠燈打開，直至急車正常行駛過才恢復(fù)到原來的狀態(tài)。急車正常行駛過后，可以采用返回原狀態(tài)方式，也可以采用接著這個狀態(tài)往下循環(huán)的方式。由于返回原狀態(tài)需要經(jīng)過5s的切換時間（為了安全，需要加上綠燈閃2s，黃燈3s），而急車通過路口的時間與固定定時相差不大，且返回原狀態(tài)并不一定是合理的，故采用接著強通狀態(tài)往下循環(huán)的方式。4.4軟件設(shè)計4.4.1數(shù)字量輸出控制系統(tǒng)總共需要17個數(shù)字量輸出觸點。其中Q0.0～Q1.7都是用于驅(qū)動交通信號燈。Q2.0是傳感器控制開關(guān)，由于四個方向的車輛檢測傳感器應(yīng)該同時關(guān)斷，為節(jié)省觸點，采用同一個觸點。具體數(shù)字量輸出分配見表4-2：表4-2數(shù)字量輸出地址分配4.4.2數(shù)字量輸入控制系統(tǒng)需要12個，224CPU具有14個輸入觸點。具體輸入觸點的作用如表所示。I0.0和I0.1、I0.2和I0.3、I0.4和I0.5、I0.6和I0.7分別為由東至西、由西至東、由南至北、由北至南四個方向車輛檢測信號的減計數(shù)和加計數(shù)信號。I1.1和I1.2、I1.3和I1.4分別為東西方向直行和左轉(zhuǎn)、南北方向直行和左轉(zhuǎn)的強通檢測信號輸入。表4-3、4-4分別為車輛檢測信號輸入、強通檢測信號輸入。表4-3車輛檢測信號輸入表4-4強通檢測信號輸入由上文可知，控制系統(tǒng)需要12個數(shù)字量輸入，17個數(shù)字量輸出，單獨的S7-200PLC的CPU都不能滿足所需求的輸出點。從節(jié)省觸點的原則出發(fā)，選用224CPU，再采用EM222數(shù)字量輸出擴展模塊（包含8個數(shù)字量輸出觸點）。這樣就有了18個輸出觸點，14個輸入觸點，滿足需求。4.4.3數(shù)據(jù)寄存器分配與作用表4-5數(shù)據(jù)寄存器地址分配與作用4.4.4步分配與定時器分配控制系統(tǒng)的步分配及其每一步所對應(yīng)的定時器如表4-6所示。其中，梯形圖中，M3.0步是夜間控制步，M4.0步是檢測強通輸入信號步，M2.0是PLC判斷出時間處于白天模式，進入白天模式循環(huán)的過渡步。M2.0和M4.0為1的時間都很短。M2.0在PLC判斷出時間處于白天模式，有能流通過時為1，M2.0為1后，M0.0變?yōu)?，M2.0又馬上變?yōu)?。M4.0為1的時間是檢測到有強通信號之后的一個上升沿。表4-6步分配與定時器分配4.4.5計數(shù)器分配控制系統(tǒng)總共用到4個計數(shù)器，C0、C1、C2和C3。其所計的數(shù)如表4-7所示。表4-7計數(shù)器分配4.5編寫梯形圖4.5.1控制模式的選擇由系統(tǒng)的控制思想可知：白天控制模式與夜間控制模式的選擇是依據(jù)PLC的當(dāng)前時間來決定的。采用PLC的讀取時間指令TODR，把PLC的當(dāng)前時間寫入VB22為起始地址的8字節(jié)緩沖區(qū)中（梯形圖主程序中第2個網(wǎng)絡(luò)所示）。讀實時時鐘指令讀當(dāng)前時間和日期并把它裝入一個8字節(jié)的緩沖區(qū)（起始地址是T）。地址由小到大分別存放年、月、日、小時、分鐘、秒、0、星期，并且其值全部用BCD碼表示。讀取PLC當(dāng)前時鐘后，小時數(shù)存放在VB25中，用VB25與16#5、16#22比較，當(dāng)VB25大于等于16#5且小于等于16#22時，選擇白天控制模式，否則選擇夜間控制模式。4.5.2延時的實現(xiàn)直行綠燈延時的條件為：當(dāng)前通行方向的車輛滯留量減去相反方向的車輛滯留量大于經(jīng)驗值σ且相反方向車輛滯留量大于δ且延時時間不超過最長延時時間。直接利用延時條件控制綠燈延時顯得很復(fù)雜，但是選取其非條件作為綠燈延時向綠燈閃的轉(zhuǎn)換條件，則控制就變得簡單了。如梯形圖主程序網(wǎng)絡(luò)10、網(wǎng)絡(luò)18所示。4.5.3強通的實現(xiàn)強通的實現(xiàn)方法如下：當(dāng)檢測到任意強通信號時，在其上沿使M4.0為1。同時開啟接通延時定時器T57，經(jīng)過0.5s的延時后（時間可以設(shè)置，要求比上升沿脈沖時間長），依據(jù)檢測到的強通信號，把相應(yīng)的步置1即可。這樣，控制系統(tǒng)經(jīng)過一段極短的暫停工作時間后，跳入了強通所對應(yīng)的工作狀態(tài)。4.5.4車輛計數(shù)的實現(xiàn)利用車輛檢測器，當(dāng)有車輛通過時輸出5V脈沖。利用PLC內(nèi)置計數(shù)器（一般計數(shù)器，工作頻率為幾十赫茲）對脈沖計數(shù)。車輛進入車道，計數(shù)器加1；車輛駛出車道，計數(shù)器減1。由此可以計數(shù)出車輛滯留量。4.6硬件接線控制系統(tǒng)的硬件接線圖見附錄1。4.7程序調(diào)試4.7.1調(diào)試步驟（1）打開STEP7-Micro/WINV4.0版編程軟件，新創(chuàng)建一個項目。（2）選擇PLC的型號為CPU224。（3）編寫梯形圖。（4）編譯程序。（5）下載程序到PLC中。（6）運行PLC，監(jiān)視程序狀態(tài)。觀察能流變化是否正確。（7）觀察PLC的LED亮的次序是否正確。（8）利用狀態(tài)