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使用PLC構(gòu)建干線協(xié)調(diào)信號控制機

摘要：干線控制系統(tǒng)具有造價省、建設(shè)周期短的優(yōu)點，而使用PLC來構(gòu)建，大大降低了硬件開發(fā)的周期，易于推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵字：干線控制機；路口信號機；可編程控制器（PLC）；線控優(yōu)化算法

城市交通控制系統(tǒng)可以有效改善交通，緩解交通擁堵，提高路網(wǎng)的服務(wù)水平，增加系統(tǒng)交通流量，減少延誤時間和停車次數(shù)，減少燃油消耗，降低交通噪聲及尾氣帶來的環(huán)境污染，提高交通**性，從而促進城市經(jīng)濟建設(shè)的進一步發(fā)展。

然而實施一個中央集中控制式城市交通控制系統(tǒng)需要昂貴的造價、建設(shè)周期長，一些中小城市難以承受，而且中小城市的交通信號控制往往只集中于有限的幾條主干道上的路口，控制方式選擇干線控制較為理想實用，所以開發(fā)一個中小規(guī)模的干線控制系統(tǒng)更符合中小城市交通控制的需求，同時該系統(tǒng)也適用于大城市中未受控制中心交通控制系統(tǒng)控制的干道上各路口的交通信號協(xié)調(diào)控制。干線控制系統(tǒng)與中央集中式自適應(yīng)城市交通控制系統(tǒng)相比具有造價省、建設(shè)周期短的優(yōu)點，更易于推廣應(yīng)用。

干線控制系統(tǒng)主要由干道各路口的信號機和位于某路口（一般定義為關(guān)鍵路口）的干線控制計算機（路口線控計算機）組成，如下圖所示。

路口線控系統(tǒng)組成

可編程控制器簡稱——PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動控制中。據(jù)統(tǒng)計，可編程控制器是工業(yè)自動化裝置中應(yīng)用*多的一種設(shè)備。專家認為，可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，PLC、機器人、CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。 PLC是在繼電器控制邏輯基礎(chǔ)上，與3C技術(shù)（Computer,Control,Communication）相結(jié)合，不斷發(fā)展完善的。目前已從小規(guī)模單機順序控制，發(fā)展到包括過程控制、位置控制等場合的所有控制領(lǐng)域。

1)信號控制機
功能及性能指標(biāo)
·符合中華人民共和國公共行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA47-2002《道路交通信號控制機》；
·工作方式有：關(guān)燈、全紅、黃閃、多時段定時控制、感應(yīng)控制、無電纜協(xié)調(diào)、區(qū)域協(xié)調(diào)控制（包括干線協(xié)調(diào)方式）；
·具有硬件手動控制及上位機用戶的軟件手動控制；
·可與上位機（干線控制計算機）進行相關(guān)數(shù)據(jù)通訊；
·至少可接入32路檢測器、驅(qū)動48路信號燈；
·*多可執(zhí)行16個相位信號控制，可設(shè)置運行32個時段、32個方案、16個特殊日時段方案；
·可通過手持設(shè)備或面板上的按鍵方便地設(shè)置相關(guān)參數(shù)；
·具有顯示屏幕，直觀顯示信號機的相關(guān)工作狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)；
·可在全天候下工作。
2)干線控制計算機
功能
·與信號機通訊，獲取信號機發(fā)來的信息、輸出相關(guān)命令至信號機；
·具有良好的用戶界面，顯示當(dāng)前干線控制系統(tǒng)運行信息及配置信息，并接收處理用戶的輸入；
·根據(jù)優(yōu)化算法及相關(guān)信息計算各信號機的控制參數(shù)。

結(jié)構(gòu)
硬件上可用成熟穩(wěn)定的工控機及另配多串口擴展卡組成，也可用PC104嵌入式微機及串口擴展板組成，主要負責(zé)對干線下轄的信號機進行通訊控制，同時預(yù)留與上**中央???制機的通訊擴展接口，主要設(shè)備需滿足工業(yè)環(huán)境下運行的要求。

軟件上主要是獲取各信號機的相關(guān)信息，通過線控優(yōu)化算法計算控制參數(shù)（周期、綠信比、相位差），送至相關(guān)信號機付諸執(zhí)行；同時也獲取用戶的干預(yù)輸入，將用戶命令進行分析后，對系統(tǒng)配置進行修改或送至相關(guān)信號機；另外還將各信號機的執(zhí)行情況在用戶界面上顯示。結(jié)構(gòu)如下圖所示。

干線控制計算機軟件結(jié)構(gòu)示意圖

干線控制機與路口信號機也可采用PLC可編程控制器做為主控制器，從原理上，兩者可合并為一，選型的主要出發(fā)點是：
1）輸入輸出點滿足120點以上；
2）具備實時時鐘；
3）具備RS232或422通訊接口；
4）可構(gòu)建點對點通訊或串行總線通訊；
5）具備寄存器數(shù)據(jù)化管理功能；
6）數(shù)據(jù)處理速度0.7us
7）模塊具有自診斷功能。

3) 路口信號機與干線機之間的通訊
l 通訊結(jié)構(gòu)
信號機與干線控制計算機之間的通訊目前仍采用串行口RS232C方式，通訊結(jié)構(gòu)為點對點的方式（如下圖所示），設(shè)備可采用MODEM加電話線或光端機加光纜或?qū)Ｓ么谠O(shè)備加專線的方式進行。在干線控制機一端采用多串口擴展設(shè)備。

路口線控系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)

通訊接口內(nèi)容
·信號機與上位機（干線控制計算機）之間的握手協(xié)議，及相關(guān)連接規(guī)程；
·信號機傳送的信息：
日期時間；
當(dāng)前的控制方式、時段、方案；
相位切換通知；
各組成部分的故障狀態(tài)；
檢測器的狀態(tài)及實時的原始數(shù)據(jù)；
流量及占有率數(shù)據(jù)；
配置參數(shù)的更改通知；
配置參數(shù)的相關(guān)內(nèi)容。
·上位機（干線控制機）發(fā)送的命令：
設(shè)置信號機的日期時間；
信號機各種信息的查詢，如查詢信號機的日期時間、控制方式、時段方案、相位執(zhí)行情況、信號機各組成部分的故障狀態(tài)等命令；
讀寫信號機的各個配置參數(shù)；
設(shè)置信號機的控制方式，如將信號機工作方式降級為單點及人工干預(yù)降級等等；
設(shè)置信號機為軟件手動工作方式，可遠程手動控制相位的執(zhí)行。

4) PLC構(gòu)建信號控制器的實現(xiàn)
在PLC控制中選用KOYO S 系列中性能價格比較高的中型PLC SU-6M，其性能能夠滿促控制功能，并且可以使用ASCII-BASIC模塊進行復(fù)雜的運算，使用DIRECTSOFT編程軟件進行復(fù)雜程序編程，提高速度和降低成本。

SU-6M CPU模塊內(nèi)包含有RS-232/422通訊接口，可以用來連接觸摸操作的可編程操作顯示器GC-53LM3，在這個操作顯示器上設(shè)定/顯示所有的工作數(shù)據(jù)，運行情報和給PLC輔助運行指令，由于這個操作顯示器的使用，所有的人機接口的操作非常直觀和方便。

如果干線控制機也使用PLC構(gòu)建，則需要擴展通訊端口，可使用DM模塊。DM是專用數(shù)據(jù)通訊接口模塊，用于整個干線或系統(tǒng)，指揮中心的聯(lián)網(wǎng)運行。在這個網(wǎng)絡(luò)上，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的站數(shù)決定是否采用管理PLC。站數(shù)較多時為了減輕中心計算機的負擔(dān)采用專門的PLC對下級各種采集數(shù)據(jù)；站數(shù)較少時直接由上位計算機采集也可以。

為滿足信號機大量的實時運算要求，可使用ABM模塊。ABM是SU系列 CPU 上使用的 ASCII/BASIC 協(xié)處理器（Co-processer）模塊，在ABM模塊內(nèi)通過BASIC程序進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算，與PLC內(nèi)的運算相比，不僅編程簡單，速度快，更重要的是可以完成SU-6M PLC 不能而必須的運算，例如浮點數(shù)據(jù)運算，三角函數(shù)，字符串處理等。模塊通訊口可以外接通訊型顯示器，計算機，打印機等。

ASII-BASIC 模塊及語言：
ABM模塊通過BASIC語言程序，可以訪問PLC的I/O點，中間繼電器等位功能存儲器，以及數(shù)據(jù)寄存器。位功能存儲器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容也可以被ABM控制。

SU-6M CPU的ABM模塊可以安裝在任意位置，并且不占I/O點。（SR系列的ABM模塊略有不同。）
PLC系統(tǒng)上電時，ABM模塊可以根據(jù)設(shè)定進入RUN或COMMAND 方式，在RUN方式下執(zhí)行BASIC程序的內(nèi)容，在COMMAND 方式下執(zhí)行鍵盤鍵入的命令。ABM的運行于PLC CPU 的運行沒有關(guān)系。

RUN方式下的ABM BASIC語言和語法與通常BASIC相似，特別是QBASIC，ABM程序可以幾乎經(jīng)過修改在QBASIC系統(tǒng)下運行，只不過ABM程序中對PLC功能存儲器的訪問在QBASIC中會被當(dāng)作數(shù)組來操作，例如：SU6-R(1400)，SU-6M(1000)在ABM程序中訪問數(shù)據(jù)寄存器R1400和中間繼電器M1000而同樣程序在QBASIC中會被當(dāng)作大的數(shù)組。

COMMAND的方式下的命令包括程序的傳送，參數(shù)地設(shè)定，打印程序等菜單操作，以及直接命令的鍵入，例如刪除、保存、列表程序，選擇程序，運行程序，運行方式改變等。

5) 線控優(yōu)化算法
信號控制的基本參數(shù)是周期、綠信比和相位差。線控的算法可借鑒自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)中的子區(qū)優(yōu)化算法，線控各路口中有一個關(guān)鍵路口，關(guān)鍵路口的周期作為所有路口的共同周期，綠信比針對各個路口單獨進行調(diào)節(jié)，相位差對所有路口進行優(yōu)選。

·檢測器數(shù)據(jù)預(yù)處理
通過原始檢測數(shù)據(jù)獲得交通每個車流通行的周期流量及占有率數(shù)據(jù)，由于交通流的隨機性波動，所以為反映實時交通變化的趨勢及避免控制方案頻繁的變動，應(yīng)對檢測器數(shù)據(jù)作平滑處理。平滑的方法是將當(dāng)前周期的數(shù)量與前幾個周期的數(shù)據(jù)作加權(quán)平均。

·飽和度的確定
以相位車輛占用的綠燈時間與車輛通行的有效綠燈時間之比作為此相位的飽和度。

·信號周期的優(yōu)選
周期大小由關(guān)鍵路口決定。線控算法收集三個周期內(nèi)路口的交通數(shù)據(jù)，三個周期內(nèi)有兩個周期需增加或減少周期長度，則決定了周期變化的方向。周期的變化幅度由路口的飽和度、周期大小相關(guān)因子來確定，范圍在±（1-6秒）內(nèi)。線控啟動時取關(guān)鍵路口當(dāng)時的周期作為起始周期長度。

·綠信比的調(diào)節(jié)
綠信比的調(diào)節(jié)針對各路口單獨進行，采用“等飽和度原則”分配各相位的綠燈時間，且使各相位綠燈時間的變化值在±（1-4秒）的范圍內(nèi)。

·相位差的優(yōu)選
相位差反應(yīng)了各路口間的協(xié)調(diào)。首先確定線控的路線，根據(jù)各路口的信號周期、綠燈時間、相位色步序列、路口間距、路段平均車速等計算路口間的相位差。目標(biāo)是使線控路線的上下行綠波帶寬度*大。相位差的變化范圍在±（1-4秒）之間。

使用PLC做為信號控制器的主控單元，大大降低了硬件開發(fā)的周期。由于其具有強大的通訊和計算能力，使得信號機的實時控制需求得到了充分的滿足。

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