张鑫昌 李桦芃

摘要：本论文介绍了运用小型可编程控制器（S7-200PLC）控制的十字路口智能延时控制系统。此智能交通信号系统利用环形线圈检测器来探测车道内车辆的通过，然后利用PLC内置的计数器在一定时间内对东西和南北方向的车量滞留数进行计数。利用相应的智能控制原则，达到对东西和南北方向的绿灯通行时间的延时，从而提高十字路口的交通效率、缓解交通拥挤状况。

关键词：可编程控制器智能控制;智能延时;车流量

1.引言

城市人口快速增长、经济迅速发展，城市已有的基础设施已经不能适应这样的变化，所以，国家现在必须着重找到道路交通问题的改进方案。在我国，智能交通控制系统研究热点主要有在普通单片机或PLC的控制方法上进行进一步改进和在人工智能计数的基础上制定实时的控制方案。本论文采用基于人工智能计数的交通控制策略的方法，研究智能控制，从而解决城市道路拥挤问题，提高通行效率。

2.硬件设计

（1）传感器

传感器主要是在一定在精确度范围内把采集的数据量转换为系统所需要的量。本研究中，我们分别在南北和东西道路上各布置一组传感器，其输出信号可以直接输入到PLC控制器中，这种传感器的变化率在0.4%以上。

（2）环形线圈检测器

本研究采用的环形线圈检测器包含三部分：检测元件、转换元件、相关转换电路。组成部分如图一所示。

本研究是将采集数据的元件与被测量数据的元件直接连接，本研究中是测量车辆滞留量，用于交通控制系统规定时间计算。检测器检测到信息后，先对采集的信息处理再传输到主控制器上，最后成为优化控制的输入信息。所以，检测器与人的眼睛类似，是交通灯控制系统的眼睛，决定着交通灯控制系统的实时控制。

（3）车辆检测电路原理图

依据上述原理，我们设计出了本研究所用的车辆检测电路原理图。主要包含四部分：感应线圈、信号源、对比较鉴别电路、感应线圈检测电路。原理图如图二所示。

3. 基本控制逻辑

交通灯的智能控制过程其流程图如图三所示：当打开电源时，首先，东西方向的红绿灯闪亮红灯，南北方向的红绿灯闪亮绿灯，在各个道路的红绿灯亮起时，东西南北各个方向的控制器中的计时器开始计工作。30S后，把南北方向统计的车辆滞留数相加得到南北方向车辆滞留数S1，东西方向的计数器相加得到东西方向的车辆滞留数N1，然后比较南北方向的车辆数S1和东西方向的车辆数N1，若S1>=N1+20，则南北方向的绿灯时间在原来基础上在延长30S，东西方向的红灯时间在原来基础上延长30S。30S后，南北方向控制器中的计数器相加得到的南北车辆滞留数为S2，东西方向的控制器中的计数器相加得到的东西方向道路车辆数为N2，将南北方向统计的车辆数S2与东西方向的车辆数N2进行比较，若N2≥S2+20，则东西方向信号灯绿灯的闪亮时间增加30S，同时南北方向红绿灯的红灯时间持续闪亮30S，30S后，南北方向红绿灯的绿灯在闪烁3，之后在闪烁2S黄灯，在整个控制过程中，东西方向红绿灯的颜色依然保持为红灯，闪烁5S。如此循环往复。

4. 交通信号灯的系统设计

根据上述介绍的PLC优点，本设计采用的控制装置是西门子S7-200系列的PLC，CPU型号为224。S7-200系列的优点主要表现在以下几个方面：可靠性较高、指令较为丰富、上手较为简单易，编程简单、便捷的操作、功能较多、实时性强、通信能力强。

本研究采用西门子S7-200CPU型号224的PLC，CPU224型号的PLC组成部分如下：

一、核心处理器CPU：西门子S7-200CPU224型号的PLC含有独立的中央处理单元、电源和特有的输入输出点]。

二、扩展模块：控制器具有本设计所需的特定输入和输出口，当所需要的I＼O口较多时，可采用扩展单元的I/O口。

三、最大I/O配置：CPU224型号的PLC，其扩展模块最大为7个，14个输入点和10个输出点。

四、电源模块：PLC由220V交流电源供电，且有电源保护模块，保证了工作的安全，提高了效率。

5.软件设计

（1）数字量输出

本设计的交通灯控制系统设计总共采用了12个数字量输出触点。其中Q0.0～Q1.1是用来控制驱动交通信号灯。如表一所示。

（2）数字量输入

交通灯智能控制系统总共用了到9个输入出点，符合本设计采用的CPU型号，其中I0.1与I0.0为东西方向的车辆检测信号的减数信号输入端和加数信号输入端。控制系统需要8个，224CPU具有14个输入触点。具体输入触点的作用如表二所示。10.0和10.1、10.2和10.3、10.4和10.5、10.6和10.7分別为由东至西、由西至东、由南至北、由北至南四个方向车辆检测信号的减计数和加计数信号。

由上文可知，控制系统需要8个数字量输入。而东西南北方向各需要一个一个单路地感器，加上开关键，也就是输入端口必须有9个。

（3）计时器的分配

交通灯的智能控制系统采用了四个计数器，D0、D1、D2、D3，其所统计道路情况如表三所示。

（4）交通灯控制系统的控制模式的选择

由第四章的交通灯智能控制过程与正常控制过程可知，交通信号灯的正常控制过从都是根据提前设置好的时间，写好相关循环程序，不断循环执行来控制交通灯。而交通灯的智能控制过程是根据南北方向与东西方向的车流量来自动调整时间，这两种模式的执行流程图在上文已经介绍，这里不再详细介绍。

（5）智能延时的实现

直行绿灯延时的条件：当前通行的某方向的车量相加的滞流数大于另一方向车量相加滞留数加上相关参数时，程序会自动选择相关延时方案，使相关方向绿灯时间延长。

（6）车辆计数的实现

本研究利用埋设在底下的环形线圈检测器来检测车流里量，当有车辆通过道路时，根据电磁感应定律，会输出一个继电器信号，此时PLC内部的计数器计数。当车辆行驶进入车道时，控制器内部的计数器加1，驶出道路时，内部计数器减1，通过两者计数器相减计算出车辆滞留量。

6.总结

本论文控制系统采用S7-200PLC设计的智能交通信号控制系统运用实时检测、判断延时，避免了一个方向交通繁忙时某一方向的车辆较多却是红灯，然而其他方向却是无车或通过的车辆较少依然亮着绿灯，减轻了交通高峰期的压力和主要干道路口的拥堵，将交通智能系统的有效利用率达到最高。

参考文献

[1]赵辉.《设计交通灯控制系统的PLC程序》教学设计[J].内江科技，2020， 41（12）：61+5.

[2]王浩然.基于西门子S7-200PLC的智能交通灯系统设计[J].农家参谋，2020（24）：255.

[3]刘浩宇，李柯星，陈金雪，王颖.基于FPGA的交通控制灯逻辑电路的设计[J].电脑知识与技术，2020，16（21）：224-225.