基于車流量的信號燈控制系統設計及PLC 實現

陳 榮 馮俊琨 馬嘯宇

（四川水利職業技術學院電力工程系，四川 崇州611230）

1 概述

交叉口信號燈控制系統在緩解交通堵塞和減少交通事故方面發揮著至關重要的作用，但現實中交叉口的信號燈控制系統設計得并不合理，經常遇到一個方向排隊等紅燈時，另一個方向綠燈卻無車通行的問題。這既使交叉口道路通行效率低，又造成交叉口道路資源浪費[1]。如何優化設計信號燈控制系統，是解決這一問題的關鍵。

2 設計思路

一般情況下，行人和非機動車只要遵守交通規則，對交叉口道路通行效率影響較小，所以在系統設計時，暫不考慮行人和非機動車。在上下班高峰時段，因車流量大，信號燈控制系統按預設的配時方案運行，在車流量小的時段，可通過在道路交叉口的每條車道（不含右轉車道）上方，預先安裝高幀率激光雷達非接觸式探測裝置，當實時綠燈方向探測到3s 內沒有車輛通行時，認為此方向暫無車輛通行，然后探測裝置輸出一個脈寬為500ms 的高電平脈沖信號，控制核心PLC 自動采集此脈沖信號，通過控制程序將該方向上的綠燈按“綠燈閃亮-黃燈常亮-紅燈常亮”的順序變成紅燈，以便另一方向道路上等待的車輛通行，可提高交叉口道路通行效率。

為減少交叉口交通事故的發生，可通過安裝數碼管等數字顯示裝置，顯示信號燈的配時時間，或通過程序實現在綠燈變成黃燈前，讓綠燈閃爍一會兒，以提醒駕駛員減速停車，避免發生交通事故。事實上這兩種方法已得到廣泛應用，但筆者認為前者不僅要占用大量PLC 輸出點，還要增加相應數字顯示裝置等硬件設施，投資大的同時，還會產生不必要的持續電能消耗，而后者通過軟件就能實現，只需做好宣傳，讓人們有意識的遵守就可以了，故，可不再考慮安裝數字顯示裝置來顯示信號燈剩余時間。以PLC 為控制核心的系統組成框圖如圖1。

圖1 信號燈控制系統組成框圖

3 硬件系統設計

3.1 PLC 選型。選型時要注意考慮成本和系統功能可擴展等因素。通過對設計思路的深入思考，確定本控制系統只需要PLC 的4 個開關量輸入接口以及8 個能帶交流負載的輸出接口。故選擇S7-200 系列PLC 中的CPU224 AC/DC/RLY 作為控制器[2]，其基本單元I/O 點數和內部集成功能完全能滿足本控制系統需求，需要時最大還可連接7 個擴展模塊，用來對控制功能進行擴展。

3.2 I/O 點分配。根據設計思路，可將PLC 的輸入輸出點作如下分配，見表1。

表1 I/O 點分配表

3.3 PLC 電氣接線原理圖設計。按照表1 中I/O 點的分配情況，參考SIMATIC S7-200 可編程序控制器系統手冊中CPU224 AC/DC/RLY 的接線圖，設計出電氣接線原理圖，見圖2。

圖2 PLC 電氣接線原理圖

4 軟件系統設計

4.1 控制任務要求。控制任務以表2 所示信號燈配時方案為例[3]，詳細配時要求：以1min 為一個周期，分為兩個30s 時段。在每一個30s 時段內，如果一個方向亮紅燈，另一個方向則在同一時刻亮綠燈，28s（其中最后3s 閃亮）后，黃燈再亮2s。按此反復循環運行。當交叉口雙向綠燈都亮時，要自動停止運行系統，同時控制喇叭發出警報。現實中，不同交叉口信號燈配時方案可根據通行效率影響因素，用VISSIM 仿真軟件優化得到。

表2 信號燈配時方案（樣例）

在任一方向為實時綠燈，且車流量探測裝置探測到3s 內無車輛通行時，能控制此方向信號燈跳過剩余的綠燈常亮時間，直接按“綠燈閃亮-黃燈常亮-紅燈常亮”順序動作，另一個方向上的綠燈在前一個綠燈依次變成紅燈的那一刻同時亮起，并且控制系統能再次以表2 所示信號燈配時方案運行。

4.2 控制程序設計。按照控制要求和信號燈的配時方案，設計出梯形圖控制程序，見圖3。

圖3 信號燈控制系統梯形圖程序

4.3 系統調試。以TH-180 型PLC 電氣控制技能實訓考核裝置為實驗平臺，首先按照電氣接線原理圖將PLC 和平臺自帶“自控交通燈系統”模塊連接好，因實驗平臺上沒有輸出脈沖信號的設備，接線時將I0.2 和I0.3 各接一個按鈕，按鈕按下代表該方向3s 內沒有車輛通行。然后將之前設計的梯形圖程序寫入編程軟件STEP7-Micro/WIN，并下載進PLC。經過運行調試，梯形圖程序完全能夠實現既定的控制要求，且在任何時候按下I0.2 和I0.3 所接按鈕，控制系統都能照常運行。這同時也驗證了本文所設計的電氣接線原理圖是正確的。

5 結論

本文所設計的信號燈控制系統，在車流量小的時候能夠有效縮短排隊等待紅燈的時間，尤其是在夜間顯得非常明顯，在剛變為紅燈的情況下，最少只需等待8s 就可通行。在交叉口信號燈控制系統優化方面，具有一定的參考價值。