交通出行的便利问题一直是人们关注的热点话题，尤其是近年来随着车辆数量的极速增长，交通拥堵现象日益突出，当前虽然在我国的各大城市十字路口都设置了交通信号灯，能够在一定程度上缓解交通堵塞压力，当实际效果却并不理想，尤其是在上下班的高峰期，“多等、少行”的现象非常普遍。这是由于传统的交通信号灯主要是采用固定方式运行的定时控制系统，这种系统虽然具有时间固定、操作简便等优势，但在交通高峰期效率低下、交通拥挤。尤其是在现阶段汽车数量猛增的环境下，每个十字路口的车流量情况具有显著的差异，固定的交通灯控制系统难以根据实际车流量进行灵活、有效与及时的疏导，交通拥堵问题依旧无法得到真正解决。因此，为了进一步缓解道路交通拥挤问题，提高路网的同行能力，所以基于PLC技术设计一种能够根据十字路口车流量的实际情况对交通信号灯进行智能化调整和控制的交通灯信号系统，利用压力传感器来探测车辆的通过，通过PLC计数器对汽车数量进行统计，从而实现交通信号灯控制的智能化、科学化和合理化。
1十字路口交通信号灯工作原理
十字路口的交通信号灯是红、绿、黄三种颜色信号灯和东西、南北三个控制灯，其中，红灯意味着机动车禁止通行、黄灯准备禁止机动车通行、绿灯允许通行。在道路平面交叉口使用的交通灯受到启动和停止开关总体控制，使各个方向能同时到达，且避免相互干扰，也让交叉口畅通无阻。在本设计中，仅以机动车信号灯为例说明智能控制系统的要求。
2十字路口交通信号灯控制系统设计
2.1PLC的选型
本文设计的十字路口交通灯智能控制系统，利用可编程逻辑控制(Programmablelogiccontroller,PLC)进行设计，可靠性高，维护方便。PLC作为一种专用计算机，广泛的应用于机械生产与工业控制领域中,在城市交通信号灯控制系统将起着不可替代的作用。PLC的型号目前主要有三菱、西门子、GE、欧姆龙等，基于本文所设计的交通信号灯系统，选择西门子系列中的SIMATICS7-1200作为PLC，PLC具有高速计数器功能，所以，该控制包含3个输入(100kHz)，3个输入(30kHz)，2个输出(100kHz)、6个计数器。该软件具有较强的PID控制功能和扩展功能，且软件资源功能更加强大。此外，由于在控制器中加入了模拟量的输入环节，所以S7-1200相比于传统的西门子200系列，具有高速输入、高速输出等显著优势，且主要用于伺服驱动器、步进电机等位置或速度的控制。PLC作为系统的控制器，控制整个智能交通信号灯系统的运行及相关数据的采集。
2.2智能交通灯硬件系统设计
为缓解十字路口的交通拥堵问题，本文设计了一款基于SIMATICS7-1200PLC的智能交通灯控制系统，在车辆到来时，利用传感器对经过十字路口的车流量进行检测，然后根据等待通行车辆的数量，对红绿灯的时间进行智能化的调整。并在WINCC环境下制作了对十字路口交通情况的监控画面，利用STEP7对系统进行了虚拟仿真，结果显示取得了较为满意的仿真结果。在本设计中，主要利用传感器对十字路口经过的车流量进行检测。因此，传感器是检测系统设计中的主要元器件。目前运用比较广泛的传感器主要有红外线探测器、光电传感器、压力传感器，考虑到十字路口路面情况和便利因素，红外线探测器和光电传感器都需要安装在路面上，容易受到人为和自然的破坏，基于此，选择传统的压力传感器，可以将其安装在路面上，这样既能避免受到外界的干扰，而且不容易被损坏。设计中在十字路口和距离路口一定距离的地方分别放置一个压力传感器，其工作原理是：当十字路口的信号灯为红灯时，通过计算两个压力传感器的压力计数差，就能得知在路口等待红灯车辆数量。
2.3智能交通灯软件系统设计
2.3.1初始位置的判断本设计的主要思路是根据压力传感器检测到的在等待红灯时的车辆数量，来智能化的控制下一次交通信号灯的通行时长。为此，根据PLC的特点，在首次启动系统程序时，赋予每个交通信号一个初始值，以确保程序能够正常的运行。当程序启动后，开始接收数据，其软件设计流程如图3所示。开关启动，PLC开始工作，初始化所有交通信号灯，接收来自压力传感器所检测的数据。按照先直行，后左转的顺序进行工作。在此过程中，值得注意的是，由于程序的设计遵循“从上到下、从左到右和无限循环”的基本原则，为此，首先需要判断是否为第一次启动程序，如果是，则需要对其设定值进行初始化;如果不是，则直接利用系统处理后的数据。2.3.2人机接口的设计在交通信号灯系统中，利用SIMATICWINCC软件设计人机界面，直接与PLC控制器相连，通过设置与PLC相同的变量表，使得PLC对应的输入/输出点状态，通过人机界面展示出来，这样可以便于我们能够直观、清晰地掌握整个控制系统的程序运行情况。2.3.3系统设计原理在十字路口等待红灯时，利用压力传感器之间的压力计数差来检测等待的车辆数，具体工作原理如下：①车辆数量的检测。在十字路口和距离路口S米处的位置分别放置一个压力传感器，然后在该车道在绿灯和黄灯结束时，开启检测系统，记录经过S米处的车辆数量m1和路口车辆的通行数量m2，在下一次绿灯到来时，关闭检测系统，计算经过两个压力传感器的计数差SOUTHn1=m1-m2，即为南方直行路口在等待红灯时滞留车辆数量。同理可得：北方直行路口滞留车辆数为NORTHn2，比较SOUTHn1和NORTHn2大小，将其中的较大值标记为SNnmax，同理可以计算出南北方向左转路口、东西方向直行路口、东西方向左转路口的滞留最大车辆数量分别为SNLnmax、EWnmax、EWLnmax。值得注意的是，由于在城市道路交通中，通常情况下当红灯亮时，东西方向或南北方向都是禁止机动车通行的，而当绿灯亮时，会同时放行。所以，所以不需要对所有车辆总和进行比较，只需要对东西方向和南北方向车辆的最大值进行比较即可。②十字路口通行时间档位的计算。假设通过路口车辆的平均长度为L(米)，且经过S米路段长的最大车辆容量为N(辆)。这样可以计算出N的大小：N=S/L，将计算结果取整。以±∆1辆为直行车道分界档位，利用通行时间t1，t2，t3代替直行车道分界的三个档位，时间单位为s;以±∆2辆车为左转车辆车道分界档位，利用通行时间t4，t5，t6来代替左转车辆车道分界的三个档位,时间单位为s。然后根据滞留车辆最大数之差来确定绿灯档位时间。当SNnmax−EWnmax>−x1时，将南北直行绿灯时间设置为t1档位;当x1>SNnmax−EWnmax<−x1，南北方向直行绿灯时间为t2档位;当SNnmax−EWnmax>x1，南北方向直行绿灯时间设置t3档位;当SNLnmax−EWLnmax>−x1，南北方向左转绿灯时间设置为t4档位;当x1>SNLnmax−EWLnmax<−x1，南北方向左转绿灯时间设置为t5档位;当SNLnmax−EWLnmax>x1，南北方向左转绿灯时间为t6档位。这样根据传感器检测到的车辆数量，就能灵活的对每个交通信号灯的时间进行设置，从而达到缓解交通压力的目的。2.3.4交通信号灯监控画面设计在WinCC环境下，利用SIM仿真软件对所设计的程序进行虚拟仿真，并将PLC与PC机之间进行连接通信和调试，对十字路口的交通情况进行实时监控。通过压力传感器所检测到的车辆数据来灵活的调整各个方向交通信号的亮灯时间，实现交通系统的智能化控制。
3结论
交通拥堵原因除少部分是车祸外，大部分原因是红绿灯时间设置的不合理，从而导致某一单方向车辆滞留较多。智能交通信号灯控制系统的设计是基于PLC和STEP7进行的，交通信号灯控制采用PLC进行设计，用STEP7这款软件实现对PLC的编程，结合计算机强大的数据处理能力和图形表现能力，具有可靠性高、输入输出结构模块丰富、安装简单、维修方便等特点，更为重要的是能够有效避免交通高峰期车辆堵塞情况。同时，为了能够真实的模拟出道路交通信号灯的实际路面情况，在WinCC的环境下，设计了一个模拟十字路口的监控画面，通过对压力传感器信号的采集和处理，灵活的调整各个路口的信号灯时间。而通过监控画面可以实时的反应交通信号灯的亮灯情况。从实际运行情况来看，整体设计方案具有一定的可行性，而且能够根据通过路口的车辆数来实时改变信号灯等待与通行时间，大大提高了城市交通效率，为实现智能交通灯控制系统提供了有意义的参考价值。
参考文献
[1]赵鹏,荆红莉.基于PLC的交通灯监控系统设计[J].电气自动化,2016(3):105-107.
[2]雷小叶.十字路口交通信号灯PLC控制系统设计与调试[J].贵州工业职业技术学院学报,2011,006(003):P.40-42.
[3]张广明,李果,朱炜.机电系统PLC控制技术[M].北京:国防工业出版社,2007.
[4]常晓玲.电气控制系统与可编程控制器[M].北京：机械工业出版社，2007：15-20.
[5]郁汉琪.电气控制与可编程控制器应用技术[M].南京:东南大学出版社,2003.
《交通信号灯PLC控制系统设计分析》来源：《电子制作》，作者：徐辉