基于PLC和工業以太網的交通信號集中控制系統設計

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，經過多年的使用，性能穩定、可靠，但是在使用中由于其人機界面差，參數設置操作復雜，在使用中對操作者帶來較大的困擾。信號機廠家采用的網絡協議及通信方式多種多樣，在后期聯網中幾乎無法組態[1]。

隨著城市智能交通的管理要求，交通信號燈控制系統也逐步由單一智能化控制發展到網絡綜合化調度。通過交通信號的集中控制，市區的信號燈可以實現智能化，不像以前需要固定調配紅綠燈時間，每個路口可根據車流量的大小遠程調節紅綠燈時間。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絡連接方式，使其在工業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

可編程控制器簡稱PLC，它的應用面廣、功能強大、使用方便，已經成為當代工業自動化的主要支柱之一，在工業生產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行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種生產過程。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，本文以應用最廣泛的西門子公司的PLC產品和工業以太網來設計交通信號燈控制系統。本系統網絡拓撲如圖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接口用于連接工業以太網，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數字量輸入模塊，該模塊有16路數字量輸入，電壓DC24V，可用于連接一些外部信號輸入以實現模糊控制等功能［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。硬件組態如圖2。

圖2

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

各個交通站點終端PLC通過PN接口轉接以太網光纖收發器，光纖傳輸距離可達100公里以上，通過光纖將信號傳送至網絡調度中心交換機，網絡調度中心交換機選用西門子SCALANCEX-200系列交換機或者思科、華為等工業以太網交換機。網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工業以太網卡通過RJ45網絡電纜連接至以太網交換機，操作系統采用WINDOWSXPSP2以上操作系統，安裝西門子公 司WINCC V6.0 SP3軟 件，使 用WINCC（Windows ControlCenter）V6.0SP3編程上位機后臺軟件,組態各個路口PLC的變量，后可實時監控各路口的交通燈狀態和配置時間參數。工程師站計算機（PG/PC)使用商用計算機，操作系統采用WINDOWSXPProfessional（專業版），CPU主頻1GHz以上，RAM（內存）1GB以上，安裝STEP7 V5.5_CN軟件，通過計算機自帶網卡接至以太網交換機，使用STEP7來編程和修改程序，通過工業以太網下載數據到組態的PLC［3］。本文以2個交通站點終端為例，硬件組態如圖3所示。

圖3

2 軟件功能

2.1 PLC編程實現功能（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據，而非絕對的數據。（石鋒，王萍2006）據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，根據不同時間輸入不同配時方案，并且根據時期自動切換假日模式。

③手動模式下可執行單步控制。

④根據交通情況編程信號燈切換邏輯。

⑤通過網絡統一授時，保證時刻一致。

⑥根據其他輸入參數編程已實現模糊控制等程序。

2.2觸摸屏編程實現功能（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。

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顯示系統故障、網絡故障等故障信息。

2.3操作員站編程實現功能（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。

②特殊情況人工介入改變交通燈狀態。

③操作員通過視頻監控道路流量大小調整放行時間。

2.4工程師站實現功能（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發現故障，定位故障

3 系統可靠性分析

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繼續工作，通信中斷終端PLC自動按預定程序繼續工作，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，隨著城市車輛數目的急劇增長,車輛與路面的矛盾越來越突出,絕大多數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各種交通組織方式，PLC穩定的性能和網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.西門子工業通信網絡組態編程與故障診斷［M］.北京：機械工業出版社，2009.