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使用PLC構(gòu)建干線協(xié)調(diào)信號(hào)控制機(jī)

摘要：干線控制系統(tǒng)具有造價(jià)省、建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)；路口信號(hào)機(jī)；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(shí)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(jìn)城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。

然而實(shí)施一個(gè)中央集中控制式城市交通控制系統(tǒng)需要昂貴的造價(jià)、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(hào)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(shí)用，所以開發(fā)一個(gè)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(shí)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(hào)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(jià)省、建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn)，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(hào)機(jī)和位于某路口（一般定義為關(guān)鍵路口）的干線控制計(jì)算機(jī)（路口線控計(jì)算機(jī)）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(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動(dòng)控制中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可編程控制器是工業(yè)自動(dòng)化裝置中應(yīng)用*多的一種設(shè)備。專家認(rèn)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(jī)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(jī)順序控制，發(fā)展到包括過程控制、位置控制等場(chǎng)合的所有控制領(lǐng)域。

1)信號(hào)控制機(jī)
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(hào)控制機(jī)》；
·工作方式有：關(guān)燈、全紅、黃閃、多時(shí)段定時(shí)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(dòng)控制及上位機(jī)用戶的軟件手動(dòng)控制；
·可與上位機(jī)（干線控制計(jì)算機(jī)）進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)通訊；
·至少可接入32路檢測(cè)器、驅(qū)動(dòng)48路信號(hào)燈；
·*多可執(zhí)行16個(gè)相位信號(hào)控制，可設(shè)置運(yùn)行32個(gè)時(shí)段、32個(gè)方案、16個(gè)特殊日時(shí)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(hào)機(jī)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(jì)算機(jī)
功能
·與信號(hào)機(jī)通訊，獲取信號(hào)機(jī)發(fā)來的信息、輸出相關(guān)命令至信號(hào)機(jī)；
·具有良好的用戶界面，顯示當(dāng)前干線控制系統(tǒng)運(yùn)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(jì)算各信號(hào)機(jī)的控制參數(shù)。

結(jié)構(gòu)
硬件上可用成熟穩(wěn)定的工控機(jī)及另配多串口擴(kuò)展卡組成，也可用PC104嵌入式微機(jī)及串口擴(kuò)展板組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)干線下轄的信號(hào)機(jī)進(jìn)行通訊控制，同時(shí)預(yù)留與上**中央???制機(jī)的通訊擴(kuò)展接口，主要設(shè)備需滿足工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行的要求。

軟件上主要是獲取各信號(hào)機(jī)的相關(guān)信息，通過線控優(yōu)化算法計(jì)算控制參數(shù)（周期、綠信比、相位差），送至相關(guān)信號(hào)機(jī)付諸執(zhí)行；同時(shí)也獲取用戶的干預(yù)輸入，將用戶命令進(jìn)行分析后，對(duì)系統(tǒng)配置進(jìn)行修改或送至相關(guān)信號(hào)機(jī)；另外還將各信號(hào)機(jī)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(jì)算機(jī)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

干線控制機(jī)與路口信號(hào)機(jī)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(diǎn)是：
1）輸入輸出點(diǎn)滿足120點(diǎn)以上；
2）具備實(shí)時(shí)時(shí)鐘；
3）具備RS232或422通訊接口；
4）可構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(hào)機(jī)與干線機(jī)之間的通訊
l 通訊結(jié)構(gòu)
信號(hào)機(jī)與干線控制計(jì)算機(jī)之間的通訊目前仍采用串行口RS232C方式，通訊結(jié)構(gòu)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式（如下圖所示），設(shè)備可采用MODEM加電話線或光端機(jī)加光纜或?qū)Ｓ么谠O(shè)備加專線的方式進(jìn)行。在干線控制機(jī)一端采用多串口擴(kuò)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(hào)機(jī)與上位機(jī)（干線控制計(jì)算機(jī)）之間的握手協(xié)議，及相關(guān)連接規(guī)程；
·信號(hào)機(jī)傳送的信息：
日期時(shí)間；
當(dāng)前的控制方式、時(shí)段、方案；
相位切換通知；
各組成部分的故障狀態(tài)；
檢測(cè)器的狀態(tài)及實(shí)時(shí)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(jī)（干線控制機(jī)）發(fā)送的命令：
設(shè)置信號(hào)機(jī)的日期時(shí)間；
信號(hào)機(jī)各種信息的查詢，如查詢信號(hào)機(jī)的日期時(shí)間、控制方式、時(shí)段方案、相位執(zhí)行情況、信號(hào)機(jī)各組成部分的故障狀態(tài)等命令；
讀寫信號(hào)機(jī)的各個(gè)配置參數(shù)；
設(shè)置信號(hào)機(jī)的控制方式，如將信號(hào)機(jī)工作方式降級(jí)為單點(diǎn)及人工干預(yù)降級(jí)等等；
設(shè)置信號(hào)機(jī)為軟件手動(dòng)工作方式，可遠(yuǎn)程手動(dòng)控制相位的執(zhí)行。

4) PLC構(gòu)建信號(hào)控制器的實(shí)現(xiàn)
在PLC控制中選用KOYO S 系列中性能價(jià)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(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，使用DIRECTSOFT編程軟件進(jìn)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(gè)操作顯示器上設(shè)定/顯示所有的工作數(shù)據(jù)，運(yùn)行情報(bào)和給PLC輔助運(yùn)行指令，由于這個(gè)操作顯示器的使用，所有的人機(jī)接口的操作非常直觀和方便。

如果干線控制機(jī)也使用PLC構(gòu)建，則需要擴(kuò)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(gè)干線或系統(tǒng)，指揮中心的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。在這個(gè)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(shí)為了減輕中心計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)采用專門的PLC對(duì)下級(jí)各種采集數(shù)據(jù)；站數(shù)較少時(shí)直接由上位計(jì)算機(jī)采集也可以。

為滿足信號(hào)機(jī)大量的實(shí)時(shí)運(yùn)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(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算，與PLC內(nèi)的運(yùn)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(yùn)算，例如浮點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)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(jì)算機(jī)，打印機(jī)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(diǎn)，中間繼電器等位功能存儲(chǔ)器，以及數(shù)據(jù)寄存器。位功能存儲(chǔ)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(diǎn)。（SR系列的ABM模塊略有不同。）
PLC系統(tǒng)上電時(shí)，ABM模塊可以根據(jù)設(shè)定進(jìn)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(yùn)行于PLC CPU 的運(yùn)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(yùn)行，只不過ABM程序中對(duì)PLC功能存儲(chǔ)器的訪問在QBASIC中會(huì)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(huì)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(yùn)行程序，運(yùn)行方式改變等。

5) 線控優(yōu)化算法
信號(hào)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(gè)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(duì)各個(gè)路口單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)，相位差對(duì)所有路口進(jìn)行優(yōu)選。

·檢測(cè)器數(shù)據(jù)預(yù)處理
通過原始檢測(cè)數(shù)據(jù)獲得交通每個(gè)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(jī)性波動(dòng)，所以為反映實(shí)時(shí)交通變化的趨勢(shì)及避免控制方案頻繁的變動(dòng)，應(yīng)對(duì)檢測(cè)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(gè)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(shí)間與車輛通行的有效綠燈時(shí)間之比作為此相位的飽和度。

·信號(hào)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(gè)周期內(nèi)路口的交通數(shù)據(jù)，三個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)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(dòng)時(shí)取關(guān)鍵路口當(dāng)時(shí)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(duì)各路口單獨(dú)進(jìn)行，采用“等飽和度原則”分配各相位的綠燈時(shí)間，且使各相位綠燈時(shí)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(hào)周期、綠燈時(shí)間、相位色步序列、路口間距、路段平均車速等計(jì)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(hào)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(qiáng)大的通訊和計(jì)算能力，使得信號(hào)機(jī)的實(shí)時(shí)控制需求得到了充分的滿足。

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