基于西门子PLC智能交通灯的设计与实现_蒋强.pdf

SOFTWARE2022软 件第 43 卷 第 12 期2022 年Vol.43,No.12作者简介：蒋强（1983）,男,甘肃成县人,本科,讲师,研究方向：电气自动化控制教学及科研。基于西门子 PLC 智能交通灯的设计与实现蒋强 李瑞宁（陇南师范高等专科学校机电工程学院，甘肃陇南 742500）摘要：目前,人民生活水平不断提高及汽车价格的下降,城市车辆数量逐渐增多,交通拥堵问题日益严峻,极大地增加了事故发生率。而传统固定时间控制模式的交通信号灯时效性差,无法实时适应道路多变复杂的交通流量,往往满足不了现阶段复杂路况。本文介绍了一种基于西门子 S7-200SmartPLC 作为核心中央控制器实现的智能化交通灯控制系统,全天候采集动态车流量信息,可远程自动调控交通灯通行时间,进一步升级优化交通控制系统,达到了实时随交通流量对红绿灯信号时间智能化的调节,减少车辆在红绿灯前等待的时间,减少交通拥堵,提高通行效率和城市交通管理能力。关键词：西门子 S7-200SmartPLC；人机界面；智能化；交通信号中图分类号：TP273.5文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2022.12.029本文著录格式：蒋强,李瑞宁.基于西门子PLC智能交通灯的设计与实现J.软件,2022,43(12):115-117Design and Implementation of Intelligent Traffic Lights Based on Siemens PLCJIANG Qiang,LI Ruining(School of Mechanical and Electrical Engineering Longnan Teachers College,Longnan Gansu 742500)【Abstract】：Atpresent,withthecontinuousimprovementofpeopleslivingstandardsandthedeclineofcarprices,thenumberofurbanvehiclesisgraduallyincreasing,andtheproblemoftrafficcongestionisbecomingmoreandmoreserious,whichhasgreatlyincreasedtheincidenceofaccidents.Thetraditionalfixedtimecontrolmodeoftrafficlightshaspoortimeliness,cannotadapttothechangeableandcomplextrafficflowoftheroadinrealtime,andoftencannotmeetthecomplexroadconditionsatthisstage.ThispaperintroducesanintelligenttrafficlightcontrolsystembasedonSiemensS7-200SmartPLCasthecorecentralcontroller,whichcollectsdynamictrafficflowinformationallday,canremotelyandautomaticallyadjustthetrafficlighttraveltime,furtherupgradeandoptimizethetrafficcontrolsystem,achievetheintelligentadjustmentoftrafficlightsignaltimewithtrafficflowinrealtime,reducethewaitingtimeofvehiclesinfrontoftrafficlightsandreducetrafficcongestion,improvetrafficefficiencyandurbantrafficmanagementcapacity.【Key words】：SiemensS7-200SmartPLC;human-machineinterface;intelligent;trafficsignals设计研究与应用0 引言在社会经济快速化的发展的同时,人们生活水平的日益提高、城市人口的快速增加、私家车数量也日益增长、导致城市交通资源的紧张。因此,所带来的交通拥堵问题也日益突显出来,特别是高峰时段的城市十字路口,不同路口不同时段的车流量是不断变化的。传统的交通控制系统中,交通红绿信号灯时间都是固定值不变的,在远程控制与智能化控制方面几乎不够全面。无论车流量的密疏,无论任何时候都是在单一模式下按照预先设置好的通行时间运行的1-4。比如在南北向（或东西向）无车辆经过时,东西向（或南北向）仍然继续等待,这必然导致了通行效率低下。传统的交通信号灯无人性化控制,如老人、小孩、孕妇、残疾人等行动不便的人群,在绿灯时间内,红灯开启前没有完全通过斑马线到达安全区域,极大地增加了事故隐患概率。因此,应用智能化控制信号灯,减少交通拥堵,减少事故发生概率,提高交通运行效率显得尤为重要5,6。1 控制系统硬件设计本设计是以西门子 SMARTLINE 人机界面为上位机,西门子 S7-200SmartPLC 作为核心中央控制器,视频车辆检测器为动态车流量采集模块,红外线传感器采集人行道行人是否闯红灯信息、交通信号灯、声光报116软 件第 43 卷 第 12 期SOFTWARE警器为主要控制对象,采用 PROFINET 以太网通信方式进行 PLC 与人机界面实时通信,实现交通信号灯智能控制。该智能交通控制系统实时采集动态车流量信息,采集人行道行人闯红灯信息,远程自动调整交通灯信号时间,实现多种工作模式的切换,适用于复杂多变的十字路口。利用视频车辆检测器检测车流量,采集在一个绿灯周期内检测到的车流量的数据传送到中央控制中心 PLC,数据中心将本组数据与前一组数据进行比较,经过数据处理后给定当前绿灯点亮时间。当前数据与上一个周期的数据对比,若差值大于程序规定值,中央处理器判定为车流量高峰时段。在下一个周期内,通过程序自动增加通行侧绿灯开启时间 5 10s。根据采集到的车流量大小信息,传送到上位机,模拟指示灯快慢闪烁车流量大小,进行远程实时监控。1.1 中央处理单元本设计采用 S7-200SMARTPLC,是一款更智能、更经济的控制器。CPU 本体集成一个以太网口,配备西门子专用高速处理器芯片,运算速度快,基本指令执行时间可达 0.15s,能满足本控制系统的需要7。使用STEP7-MicroWINSMART编程软件进行控制系统采用梯形图编写,上电初始化,可以有效地控制交通灯系统的启动停止以及循环。外界采集信息,对东西、南北方向的红、黄、绿信号灯进行点亮和熄灭的控制,进行数据运算,判断高峰期。自动判断是否进入夜间模式、行人延时通行模式、强行通行模式。现场采集车流量信息判断是否进入通行延时状态,进入车流量模拟显示子程序,实时反馈当前车流量信息。根据采集到的车流量大小信息,传送到中央控制器,通过数据运算后,传送给上位机,在人机界面上以 4 路模拟指示灯依次循环点亮速度,显示当前车流量大小,进行远程实时监控。部分交通信号灯控制程序如图 1 所示。1.2 上位机人机界面人机界面是用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的专用设备。用组态软件设计画面和实现与 PLC 的通信人机界面用画面中可视化的画面元件来反映实际的工业生产过程,也可以用它们来修改工业现场的过程设定值8。本控制系统以西门子 SMART700IEV3 触摸屏为人机界面,具有 1 个 PPI/RS422/485 端口、1 个 USB 端口、1 个 Ethernet 端口,通信资源丰富,与 S7-200SMARTPLC 组成完美的自动化控制与人机交互平台,可方便的与 PLC 进行通信,为本次设计提供了理想的解决方案。在控制过程中,使用智能控制中心 WinCCflexibleSMART 软件与 PLC 建立变量连接,便可实现监视控制与数据采集。SMARTLINE人机界面,能准确地提供人机界面的标准功能,经济适用,具备高性价比。通过连接 200SMARTPLC变量组态画面,实现实时监控当前交通灯控制系统的东西向、南北向指示灯运行状态、车流量密疏模拟运行状态。不同交通状况下可自动/手动多种模式切换。车流量高峰时刻数据记录,闯红灯报警记录,报表打印。1.3 行人感应报警装置红外线传感器特别是利用远红外线范围的感度做为图 1 部分信号灯控制程序Fig.1 Some signal lamp control procedures117蒋强李瑞宁：基于西门子 PLC 智能交通灯的设计与实现人体检出,红外线的波长比可见光长而比电波短。该报警器能探测人体发出的红外线,当人进入报警器的监视区域内,即可发出报警。判定行人是否闯红灯,自动报警,提醒路人错误的行为,又提醒来往车辆注意躲避,以此来减少交通事故的发生。实现了从现有传统的“车看灯”到先进的智能化“灯看车”的转变。1.4 交通信号指示灯城市交通信号控制就是对行驶车辆和行人进行正确有序的指引,促使他们都能够安全的通过各个交通道路十字路口,尽可能降低交通事故发生的概率,并且尽可能的提升各个交通道路十字路口行驶车辆以及行人的通行能力。交通信号灯是指挥交通运行的信号灯,一般由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行,绿灯表示准许通行,黄灯表示警示。本次设计采用 LED 黄、绿、红发光二极管指示灯,有机动车指示灯、人行道指示灯、模拟车流量指示灯。2 控制系统主要功能（1）车流量实时检测。利用感应系统检测车辆的流量,当某一方向车流量过大时,使系统自动延长红绿灯开启的时间,减少红灯等待时间,从而缩短车辆在交通信号灯前停留的时间。（2）红外检测报警装置。一旦有行人闯红灯,就会触发报警装置,从而提醒路人和来往车辆,注意躲避,以此来减少交通事故的发生。（3）行人延时通行模式。针对老人、小孩、孕妇、残疾人等行动不便的人群,设置了人行道手动延长绿灯开启时间。当中央处理器检测到有行人按下按钮时,当前通道进入行人延时通行模式,等待当前红灯结束后进入绿灯延时模式。方便这些人群有充足的时间通过马路,减少交通事故发生的概率,并且为这些行动不便的人群提供了更加人性化的服务。（4）夜间模式。时间在晚上 11:00 到凌晨 6:00,当检测到没有车辆的时候,东、南、西、北黄灯以 1s 的周期闪烁。当检测东西向（南北向）100m 内有来车时,南北向（东西向）黄灯灭、红灯立马点亮；当东西向（南北向）车辆通过 10s 后,南北向（东西向）红灯灭,黄灯继续闪烁。（5）实时通讯。根据采集到的车流量数据信息,传送到中央控制器,通过实时运算,传送给上位机,在人机界面上以 4 路模拟指示灯依次循环点亮速度,显示当前车流量大小,进行远程实时监控。应用群控技术,可与一条道路上相邻的多个十字路口通讯级联,采用先进的群控智能算法,有效地保障了同一条道路下车辆有序通行,有利于城市交通智能化发展。（6）强行通行模式,也可远程调整。当中央处理器检测到外部有强行信号触发时,CPU 发出命令使当前通道绿灯亮起。如当前路段有消防车、警车、救护车辆和重大活动或突发事件等,无论当前信号指示灯如何,都可自动或远程切换为强行通行模式,保证消、警、救车辆快速通过。3 结语该设计是以道路交通灯自适应切换控制方法为主,对交通道路十字路口信号灯进行智能化控制,这样不仅更贴合实际需求,而且根据各个不同道路不同的拥堵情况及时对交通信号灯进行调整,能够有效地提升交通道路十字路口车辆及行人的通行能力,避免因行驶车辆的大范围集中而造成的一部分交通道路拥堵不堪。该控制系统能有效地促进城市节能减排,减少出行红灯等待时间和不必要的车辆燃料消耗,减少拥堵期间产生的二氧化碳排放。有效地提升了特种人群人性化服务,有利于智能化城市的交通道路系统构建,符合现代化城市发展要求。多种工作模式的选择与