西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0技术数据
1引言
可编程控制器是以微处理器技术为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。其可靠性极高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便等特点，与机器人技术、CAD/CAM并列称为工业生产自动化的三大支柱。它是上世纪60年代发展起来的被国外称为“先进国家三大支柱”之首的工业自动化理想控制装置，是近年来发展极为迅速，运用面极广的工业控制装置，现已广泛运用于自动化的各个领域。
2可编程序逻辑控制器(PLC)
PLC 英文名Programming Logic Controller即可编程序逻辑控制器，是早于汽车制造行业应用并发展起来的一项技术，用于代替继电器完成机器和设备的自动控制，它的大的特点是可编程，即根据控制逻辑和控制要求的变化可重新编制程序，而不用象继电器线路一样需要重新更换原器件和重新接线。PLC已集成了许多计算功能、通信功能、完成特殊控制功能的功能模块如位置控制、速度控制、过程控制等，并具有了与计算机系统的集成和连网的能力，PLC自发明以来在工业自动化、交通控制、电力运输、楼宇自动化等领域得到了广泛的应用。
3PLC发展历史
自1969年世界上台可编程控制器在美国DEC公司诞生以来，PLC走过了30余年的发展历程。回顾其发展历程，可将PLC技术分为3个阶段:
(1) 传统PLC阶段。它是PLC的初阶段，也是现代PLC的基础。其结构如图1所示，工作原理 如图2所示。
如图2所表示的一样，PLC的工作原理是:读取输入接点的状态→执行程序→根据程序的执行结果刷新输出接点的状态→再读取输入接点的状态→读取输入接点的状态,如此循环执行。
由PLC的工作原理可以看出:从输入端的信号状态发生变化到输出端的信号变化，中间需要执行程序(用户程序、系统程序)，程序的执行需要时间，这个时间是不可预测的，在某些应用场合这是不允许的，如位置控制、速度控制、需要高速响应的控制，这就使得PLC在这些场合不能使用或需配置昂贵的专用模块。从图1可知，PLC系统的核心是微处理器(CPU)，为防止系统程序跑飞，产生误动作，必须采取一系列硬件和软件的措施去克服这一问题，由于PLC使用的是梯形图语言，系统本身必须带有功能强大的编译器，这样就使得PLC构成的系统具有较高的价格。程序跑飞、编制的程序出现死循环等依然是存在的隐患问题。
(2) OPEN PLC阶段。OPEN PLC又称PC BASE PLC、SOFT PLC，是近几年提出的一种概念，它是基于开放式PC平台和开放式开发软件的PLC，它能方便的与其他软件集成及网络集成。其组成结构如图3所示。
OPENPLC只是在它的开发环境方面提出了一个新的概念，即开放性、标准化，它的运行原理方面与传统PLC相比具有实时多任务运行机制，但仍然是基于程序执行这样的基础。它并没有从根本上解决传统PLC存在的问题，在其实现的系统中依然存在。
(3) 现场集成阶段。也就是HARDPLC阶段，它是一个全新的代名词，也是一个PLC的新发展动向。它采用现代可编程逻辑器件CPLD/FPGA(ComplexProgrammable Logic Devices & Field Programming GateArray)作为硬件平台，采用EDA(Electronics DesignAutomation)开发工具配与硬件描述语言HDL(Hardware DebbbbbbionLanguage)做为开发软件平台，象传统PLC一样它同样是可编程的。其组成结构图如图4所示。
HARDPLC则抛弃了传统PLC“程序”的概念，以“硬件线路”来实现控制功能，而编程改变的也只是其芯片内部的硬件连接，而不需运行软件程序，自然没有程序跑飞、开机复位及自带语言编译器等问题，其完成的功能与传统PLC相同，而系统的造价仅是传统PLC系统的十分之一，甚至更少。在硬件线路运行时所有的信号是并行运行的，信号的路径是可知的，信号传输的时间是可预测的，可用于jingque控制的需要，如位置控制、速度控制、信号处理、图像处理、高速机械等。它从根本上解决了传统PLC存在的不足，代表了传统PLC的终发展方向。
4 PLC的发展趋势
随着微处理器技术、超大规模集成电路技术和数字通讯技术的进步和发展，可编程序控制器也得到了迅速发展，其功能已远远超出了其定义所指的范围，其概念也日趋模糊，现代可编程控制器的发展趋势主要有以下几个方面:
(1) 用高性能器件，尽量缩小与工业控制计算机之间的差距。例如，德国FESTO公司的IPC(IndustrialPC)由一系列符合工业标准的模块组成，它与微机兼容且具有PLC的功能。
(2) 丰富I/O模块，使PLC在实时性、精度、分辨率、人机对话等性能方面得到改善和tigao。
(3)强化网络功能，以实现信息管理自动化。例如IPC型控制器具备多种现场总线接口。如FESTO总线、Profibus、AS-I、CAN等，以及各种网络连接模块，如Novell等，从而使PLC与PLC、PLC与PC、PLC与现场设备之间建立通讯联网。
(4)多种编程语言并存，互补不足。IPC型控制器除了采用梯形图、指令表编程以外，还可以用IEC1131规定的用于顺序控制的标准化语言以及C、Basic等计算机语言进行编程。
(5) 硬件结构集成化、冗余化。随着专用集成电路(ASIC，Application Specific IntegratedCircuits)和表面安装技术(SMT，Surface-MoutTechnology)在PLC硬件设计上的运用，使得PLC产品硬件元件数量更少，集成度更高，体积更小，其可靠性更高。为了tigao系统的可靠性，PLC产品还采用了硬件冗余和容错技术。用户可以选择CPU单元、通信单元、电源单元或I/O单元甚至整个系统的冗余配置，使得整个PLC系统的可靠性得以加强。
5可编程控制器现场集成技术研究的意义
现行的可编程控制器均是由专门的生产厂商设计生产的，用户选用他们提供的专用控制器时，可能只用到它的部分功能，会造成一定的资源浪费，专用控制器价格高，不经济。而使用现代可编程逻辑器件来实现具有如下优点:
(1) 用户可以根据需要设计控制器的功能，不会造成太大的资源浪费;不用带自身专用的编译器，从而大大降低了系统的价格。
(2)用户逻辑和接口部分可以做在同一个器件内，让接口和用户逻辑更紧密地结合;用FPGA/CPLD芯片组成的系统，很自然地避开CPU的程序跑飞、死循环、复位不可靠等缺点，无需采用过多措施就能使系统具有很高的可靠性。
(3)FPGA作为控制器的核心，其灵活的现场可更改性、可再配置能力，对系统的各种改进非常方便，在不更改硬件电路的基础上可以tigao系统的性能，也就是完成硬件的在系统升级;在线编程是FPGA/CPLD突出的特点，它无需改变芯片外部I/O口的连接线，可直接在用户自己设计的目标系统中或线路板上对FPGA/CPLD器件编程，这就打破了使用一般数字器件和PLC先设计后装配的惯例，而可以先装配后编程，用在实际系统后还可以反复编程，从而开创了数字电子系统设计技术的新一页。还可以通过红外线编程、超声波编程或通过电话线、Internet进行在线编程。这些功能在远控或军事领域上有特殊的用途。
(4)FPGA的性能价格比很高，用它实现的控制器的价格，几乎只是和它具有相同输入/输出端子市售可编程控制器价格的十分之一;其逻辑实现是并行工作的，其速度远远大于PLC，这在实时系统中是非常有优势的。
(5)它抛弃了传统PLC“程序”的概念，以“硬件线路”来实现控制功能，在硬件线路运行时所有的信号是并行运行的，信号的路径是可知的，信号传输的时间是可预测的，可用于jingque控制的需要，如位置控制、速度控制、信号处理、图象处理、高速机械等。
从以上优点我们可以看出，基于FPGA/CPLD的HARDPLC能更经济、更稳定、更方便地适应用户的需求，其实时性、灵活性远远优于传统的可编程控制器(PLC)。可编程控制器的现场集成技术应用非常广阔，具有很强的工程实用价值。
1 引言
城市交通控制系统可以有效改善交通，缓解交通拥堵，tigao路网的服务水平，增加系统交通liuliang，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，tigao交通安全性，从而促进城市经济建设的发展。
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，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，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，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。
2 系统组成
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，如图1所示:
图1 路口线控系统组成示意图
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，PLC是工业自动化装置中应用多的一种设备。专家认为，PLC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。
2.1 信号控制机的功能及性能指标
· 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;
·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。
2.2 干线控制计算机
(1) 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。
(2) 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，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;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;还将各信号机的执行情况在用户界面上显示。结构如图2所示。
图2 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可编程控制器作为主控制器，从原理上，两者可合并为一，选型的主要出发点是:
· 输入输出点满足120点以上;
·具备实时时钟;
·具备RS232或422通讯接口;
·可构建点对点通讯或串行总线通讯;
·具备寄存器数据化管理功能;
·数据处理速度0.7μs;
·模块具有自诊断功能;
·路口信号机与干线机之间的通讯。
(3) 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(如图3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的扩展设备。
图3 路口线控系统的通讯结构
(4) 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;
·信号机传送的信息有: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;liuliang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)发送的命令有: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。
2.3 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PLCSU-6M，其性能能够满足控制功能，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，tigao速度和降低成本。
SU-6MCPU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。
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。)
RUN方式下的ABMBASIC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。
2.4 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。
(1) 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liuliang及占有率数据，由于交通流的随机性波动，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。
(2) 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。
(3) 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±(1～6s)内。线控启动时取关键路口当时的周期作为起始周期长度。
(4) 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±(1～4s)的范围内。
(5) 相位差的优选
相位差反应了各路口间的协调。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大。相位差的变化范围在±(1～4s)之间。
3 结束语
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。