使用PLC構建干線協調信號控制機

摘要：干線控制系統具有造價省、建設周期短的優點，而使用PLC來構建，大大降低了硬件開發的周期，易于推廣應用。
關鍵字：干線控制機；路口信號機；可編程控制器（PLC）；線控優化算法
城市交通控制系統可以有效改善交通，緩解交通擁堵，提高路網的服務水平，增加系統交通流量，減少延誤時間和停車次數，減少燃油消耗，降低交通噪聲及尾氣帶來的環境污染，提高交通安全性，從而促進城市經濟建設的進一步發展。
然而實施一個中央集中控制式城市交通控制系統需要昂貴的造價、建設周期長，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，所以開發一個中小規模的干線控制系統更符合中小城市交通控制的需求，同時該系統也適用于大城市中未受控制中心交通控制系統控制的干道上各路口的交通信號協調控制。干線控制系統與中央集中式自適應城市交通控制系統相比具有造價省、建設周期短的優點，更易于推廣應用。
干線控制系統主要由干道各路口的信號機和位于某路口（一般定義為關鍵路口）的干線控制計算機（路口線控計算機）組成，如下圖所示。

路口線控系統組成
可編程控制器簡稱——PLC是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術發展而來的一種新型工業控制裝置。它具有結構簡單、編程方便、可靠性高等優點，已廣泛用于工業過程和位置的自動控制中。據統計，可編程控制器是工業自動化裝置中應用最多的一種設備。專家認為，可編程控制器將成為今后工業控制的主要手段和重要的基礎設備之一，PLC、機器人、CAD/CAM將成為工業生產的三大支柱。 PLC是在繼電器控制邏輯基礎上，與3C技術（Computer,Control,Communication）相結合，不斷發展完善的。目前已從小規模單機順序控制，發展到包括過程控制、位置控制等場合的所有控制領域。
1)信號控制機
功能及性能指標
·符合中華人民共和國公共行業標準GA47-2002《道路交通信號控制機》；
·工作方式有：關燈、全紅、黃閃、多時段定時控制、感應控制、無電纜協調、區域協調控制（包括干線協調方式）；
·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）進行相關數據通訊；
·至少可接入32路檢測器、驅動48路信號燈；
·最多可執行16個相位信號控制，可設置運行32個時段、32個方案、16個特殊日時段方案；
·可通過手持設備或面板上的按鍵方便地設置相關參數；
·具有顯示屏幕，直觀顯示信號機的相關工作狀態及相關參數；
·可在全天候下工作。
2)干線控制計算機
功能
·與信號機通訊，獲取信號機發來的信息、輸出相關命令至信號機；
·具有良好的用戶界面，顯示當前干線控制系統運行信息及配置信息，并接收處理用戶的輸入；
·根據優化算法及相關信息計算各信號機的控制參數。
結構
硬件上可用成熟穩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，主要負責對干線下轄的信號機進行通訊控制，同時預留與上一級中央控制機的通訊擴展接口，主要設備需滿足工業環境下運行的要求。
軟件上主要是獲取各信號機的相關信息，通過線控優化算法計算控制參數（周期、綠信比、相位差），送至相關信號機付諸執行；同時也獲取用戶的干預輸入，將用戶命令進行分析后，對系統配置進行修改或送至相關信號機；另外還將各信號機的執行情況在用戶界面上顯示。結構如下圖所示。

干線控制計算機軟件結構示意圖
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） 可構建點對點通訊或串行總線通訊；
5） 具備寄存器數據化管理功能；
6） 數據處理速度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通訊結構
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，通訊結構為點對點的方式（如下圖所示），設備可采用MODEM加電話線或光端機加光纜或專用串口設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備。

路口線控系統通訊結構

通訊接口內容
·信號機與上位機（干線控制計算機）之間的握手協議，及相關連接規程；
·信號機傳送的信息：
日期時間；
當前的控制方式、時段、方案；
相位切換通知；
各組成部分的故障狀態；
檢測器的狀態及實時的原始數據；
流量及占有率數據；
配置參數的更改通知；
配置參數的相關內容。
·上位機（干線控制機）發送的命令：
設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、相位執行情況、信號機各組成部分的故障狀態等命令；
讀寫信號機的各個配置參數；
設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降級等等；
設置信號機為軟件手動工作方式，可遠程手動控制相位的執行。
4) PLC構建信號控制器的實現
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模塊進行復雜的運算，使用DIRECTSOFT編程軟件進行復雜程序編程，提高速度和降低成本。
SU-6M CPU模塊內包含有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定/顯示所有的工作數據，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構建，則需要擴展通訊端口，可使用DM模塊。DM是專用數據通訊接口模塊，用于整個干線或系統，指揮中心的聯網運行。在這個網絡上，可以根據網絡中的站數決定是否采用管理PLC。站數較多時為了減輕中心計算機的負擔采用專門的PLC對下級各種采集數據；站數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 協處理器（Co-processer）模塊，在ABM模塊內通過BASIC程序進行復雜的數據運算，與PLC內的運算相比，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，例如浮點數據運算，三角函數，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，以及數據寄存器。位功能存儲器的狀態和數據寄存器的內容也可以被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系統上電時，ABM模塊可以根據設定進入RUN或COMMAND 方式，在RUN方式下執行BASIC程序的內容，在COMMAND 方式下執行鍵盤鍵入的命令。ABM的運行于PLC CPU 的運行沒有關系。
RUN方式下的ABM BASIC語言和語法與通常BASIC相似，特別是QBASIC，ABM程序可以幾乎經過修改在QBASIC系統下運行，只不過ABM程序中對PLC功能存儲器的訪問在QBASIC中會被當作數組來操作，例如：SU6-R(1400)，SU-6M(1000)在ABM程序中訪問數據寄存器R1400和中間繼電器M1000而同樣程序在QBASIC中會被當作大的數組。
COMMAND的方式下的命令包括程序的傳送，參數地設定，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) 線控優化算法
信號控制的基本參數是周期、綠信比和相位差。線控的算法可借鑒自適應交通控制系統中的子區優化算法，線控各路口中有一個關鍵路口，關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節，相位差對所有路口進行優選。
·檢測器數據預處理
通過原始檢測數據獲得交通每個車流通行的周期流量及占有率數據，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，應對檢測器數據作平滑處理。平滑的方法是將當前周期的數量與前幾個周期的數據作加權平均。
·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。
·信號周期的優選
周期大小由關鍵路口決定。線控算法收集三個周期內路口的交通數據，三個周期內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、周期大小相關因子來確定，范圍在±（1-6秒）內。線控啟動時取關鍵路口當時的周期作為起始周期長度。
·綠信比的調節
綠信比的調節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。
·相位差的優選
相位差反應了各路口間的協調。首先確定線控的路線，根據各路口的信號周期、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。目標是使線控路線的上下行綠波帶寬度最大。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。