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使用PLC构建干线协调信号控制机

2018-06-26 574
摘要:干线控制系统具有造价省、建设周期短的优点,而使用PLC来构建,大大降低了硬件开发的周期,易于推广应用。

关键字:干线控制机;路口信号机;可编程控制器(PLC);线控优化算法


  城市交通控制系统可以有效改善交通,缓解交通拥堵,提高路网的服务水平,增加系统交通流量,减少延误时间和停车次数,减少燃油消耗,降低交通噪声及尾气带来的环境污染,提高交通安全性,从而促进城市经济建设的进一步发展。

  然而实施一个中央集中控制式城市交通控制系统需要昂贵的造价、建设周期长,一些中小城市难以承受,而且中小城市的交通信号控制往往只集中于有限的几条主干道上的路口,控制方式选择干线控制较为理想实用,所以开发一个中小规模的干线控制系统更符合中小城市交通控制的需求,同时该系统也适用于大城市中未受控制中心交通控制系统控制的干道上各路口的交通信号协调控制。干线控制系统与中央集中式自适应城市交通控制系统相比具有造价省、建设周期短的优点,更易于推广应用。

  干线控制系统主要由干道各路口的信号机和位于某路口(一般定义为关键路口)的干线控制计算机(路口线控计算机)组成,如下图所示。

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路口线控系统组成

  可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为,可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一,PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。 PLC是在继电器控制逻辑基础上,与3C技术(Computer,Control,Communication)相结合,不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制,发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。

1)信号控制机
功能及性能指标
  ·符合中华人民共和国公共行业标准GA47-2002《道路交通信号控制机》;
  ·工作方式有:关灯、全红、黄闪、多时段定时控制、感应控制、无电缆协调、区域协调控制(包括干线协调方式);
  ·具有硬件手动控制及上位机用户的软件手动控制;
  ·可与上位机(干线控制计算机)进行相关数据通讯;
  ·至少可接入32路检测器、驱动48路信号灯;
  ·最多可执行16个相位信号控制,可设置运行32个时段、32个方案、16个特殊日时段方案;
  ·可通过手持设备或面板上的按键方便地设置相关参数;
  ·具有显示屏幕,直观显示信号机的相关工作状态及相关参数;
  ·可在全天候下工作。
2)干线控制计算机
功能
  ·与信号机通讯,获取信号机发来的信息、输出相关命令至信号机;
  ·具有良好的用户界面,显示当前干线控制系统运行信息及配置信息,并接收处理用户的输入;
  ·根据优化算法及相关信息计算各信号机的控制参数。

结构
  硬件上可用成熟稳定的工控机及另配多串口扩展卡组成,也可用PC104嵌入式微机及串口扩展板组成,主要负责对干线下辖的信号机进行通讯控制,同时预留与上一级中央控制机的通讯扩展接口,主要设备需满足工业环境下运行的要求。

  软件上主要是获取各信号机的相关信息,通过线控优化算法计算控制参数(周期、绿信比、相位差),送至相关信号机付诸执行;同时也获取用户的干预输入,将用户命令进行分析后,对系统配置进行修改或送至相关信号机;另外还将各信号机的执行情况在用户界面上显示。结构如下图所示。

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干线控制计算机软件结构示意图

  干线控制机与路口信号机也可采用PLC可编程控制器做为主控制器,从原理上,两者可合并为一,选型的主要出发点是:
1) 输入输出点满足120点以上;
2) 具备实时时钟;
3) 具备RS232或422通讯接口;
4) 可构建点对点通讯或串行总线通讯;
5) 具备寄存器数据化管理功能;
6) 数据处理速度0.7us
7) 模块具有自诊断功能。
3) 路口信号机与干线机之间的通讯
l 通讯结构
  信号机与干线控制计算机之间的通讯目前仍采用串行口RS232C方式,通讯结构为点对点的方式(如下图所示),设备可采用MODEM加电话线或光端机加光缆或专用串口设备加专线的方式进行。在干线控制机一端采用多串口扩展设备。

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路口线控系统通讯结构

通讯接口内容
  ·信号机与上位机(干线控制计算机)之间的握手协议,及相关连接规程;
  ·信号机传送的信息:
    日期时间;
    当前的控制方式、时段、方案;
    相位切换通知;
    各组成部分的故障状态;
    检测器的状态及实时的原始数据;
    流量及占有率数据;
    配置参数的更改通知;
    配置参数的相关内容。
  ·上位机(干线控制机)发送的命令:
    设置信号机的日期时间;
    信号机各种信息的查询,如查询信号机的日期时间、控制方式、时段方案、相位执行情况、信号机各组成部分的故障状态等命令;
    读写信号机的各个配置参数;
    设置信号机的控制方式,如将信号机工作方式降级为单点及人工干预降级等等;
    设置信号机为软件手动工作方式,可远程手动控制相位的执行。

4) PLC构建信号控制器的实现

  在PLC控制中选用KOYO S 系列中性能价格比较高的中型PLC SU-6M,其性能能够满促控制功能,并且可以使用ASCII-BASIC模块进行复杂的运算,使用DIRECTSOFT编程软件进行复杂程序编程,提高速度和降低成本。

  SU-6M CPU模块内包含有RS-232/422通讯接口,可以用来连接触摸操作的可编程操作显示器GC-53LM3,在这个操作显示器上设定/显示所有的工作数据,运行情报和给PLC辅助运行指令,由于这个操作显示器的使用,所有的人机接口的操作非常直观和方便。

  如果干线控制机也使用PLC构建,则需要扩展通讯端口,可使用DM模块。DM是专用数据通讯接口模块,用于整个干线或系统,指挥中心的联网运行。在这个网络上,可以根据网络中的站数决定是否采用管理PLC。站数较多时为了减轻中心计算机的负担采用专门的PLC对下级各种采集数据;站数较少时直接由上位计算机采集也可以。

  为满足信号机大量的实时运算要求,可使用ABM模块。ABM是SU系列 CPU 上使用的 ASCII/BASIC 协处理器(Co-processer)模块,在ABM模块内通过BASIC程序进行复杂的数据运算,与PLC内的运算相比,不仅编程简单,速度快,更重要的是可以完成SU-6M PLC 不能而必须的运算,例如浮点数据运算,三角函数,字符串处理等。模块通讯口可以外接通讯型显示器,计算机,打印机等。

ASII-BASIC 模块及语言:

  ABM模块通过BASIC语言程序,可以访问PLC的I/O点,中间继电器等位功能存储器,以及数据寄存器。位功能存储器的状态和数据寄存器的内容也可以被ABM控制。

  SU-6M CPU的ABM模块可以安装在任意位置,并且不占I/O点。(SR系列的ABM模块略有不同。)
PLC系统上电时,ABM模块可以根据设定进入RUN或COMMAND 方式,在RUN方式下执行BASIC程序的内容,在COMMAND 方式下执行键盘键入的命令。ABM的运行于PLC CPU 的运行没有关系。

  RUN方式下的ABM BASIC语言和语法与通常BASIC相似,特别是QBASIC,ABM程序可以几乎经过修改在QBASIC系统下运行,只不过ABM程序中对PLC功能存储器的访问在QBASIC中会被当作数组来操作,例如:SU6-R(1400),SU-6M(1000)在ABM程序中访问数据寄存器R1400和中间继电器M1000而同样程序在QBASIC中会被当作大的数组。

  COMMAND的方式下的命令包括程序的传送,参数地设定,打印程序等菜单操作,以及直接命令的键入,例如删除、保存、列表程序,选择程序,运行程序,运行方式改变等。

5) 线控优化算法
  信号控制的基本参数是周期、绿信比和相位差。线控的算法可借鉴自适应交通控制系统中的子区优化算法,线控各路口中有一个关键路口,关键路口的周期作为所有路口的共同周期,绿信比针对各个路口单独进行调节,相位差对所有路口进行优选。

·检测器数据预处理
通过原始检测数据获得交通每个车流通行的周期流量及占有率数据,由于交通流的随机性波动,所以为反映实时交通变化的趋势及避免控制方案频繁的变动,应对检测器数据作平滑处理。平滑的方法是将当前周期的数量与前几个周期的数据作加权平均。

·饱和度的确定
以相位车辆占用的绿灯时间与车辆通行的有效绿灯时间之比作为此相位的饱和度。

·信号周期的优选
周期大小由关键路口决定。线控算法收集三个周期内路口的交通数据,三个周期内有两个周期需增加或减少周期长度,则决定了周期变化的方向。周期的变化幅度由路口的饱和度、周期大小相关因子来确定,范围在±(1-6秒)内。线控启动时取关键路口当时的周期作为起始周期长度。

·绿信比的调节
绿信比的调节针对各路口单独进行,采用“等饱和度原则”分配各相位的绿灯时间,且使各相位绿灯时间的变化值在±(1-4秒)的范围内。

·相位差的优选
相位差反应了各路口间的协调。首先确定线控的路线,根据各路口的信号周期、绿灯时间、相位色步序列、路口间距、路段平均车速等计算路口间的相位差。目标是使线控路线的上下行绿波带宽度最大。相位差的变化范围在±(1-4秒)之间。

使用PLC做为信号控制器的主控单元,大大降低了硬件开发的周期。由于其具有强大的通讯和计算能力,使得信号机的实时控制需求得到了充分的满足。


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