基于PLC的鐵路與公路交叉口護(hù)欄自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王靜 張江亞 李煥娜

摘要：本設(shè)計(jì)主要采用PLC控制系統(tǒng)、超聲波傳感器、振動(dòng)傳感器、三相異步電動(dòng)機(jī)等元件，對(duì)鐵路與公路交叉口護(hù)欄進(jìn)行了設(shè)計(jì)，解決交叉口交通混亂，安全等問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。使用MCGS監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，經(jīng)過(guò)調(diào)試后，系統(tǒng)運(yùn)行正常，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制系統(tǒng);交叉口;PLC

1 研究背景

現(xiàn)如今，人民的生活水平逐漸提高，人們的消費(fèi)水平越來(lái)越高，隨之汽車數(shù)量大幅度增加。鐵路和公路的面積占全國(guó)總面積的百分比也隨著增多，因此鐵路與公路的交叉口數(shù)量也比以前增加不少，所以本文是關(guān)于研究解決交叉口護(hù)欄安全問(wèn)題的設(shè)計(jì)方案。

本次設(shè)計(jì)可以有效的提高交叉口交通的安全性，人們可以快速的、安全的、有序的通過(guò)交叉口，同時(shí)也大大提高了人們的工作效率。隨著我國(guó)自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，漸漸的被應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，控制管理鐵路與公路交叉口護(hù)欄不再是通過(guò)工作人員的控制，而是鐵路工作人員使用PLC自動(dòng)控制技術(shù)在操控室內(nèi)通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉口護(hù)欄的控制。這樣不但可以加強(qiáng)交叉口的安全性，還可以提高交叉口通車效率，既減少了人員的使用還可以使交通更加便利。

2 PLC概述

2.1 PLC結(jié)構(gòu)

可編程控制器（PLC）和計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)極為相似，它主要包括如圖所示幾個(gè)方面：中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出端口和電源。

2.2 PLC的工作原理

“順序掃描，周期循環(huán)”作為PLC的工作方式。CPU按照規(guī)定的順序從執(zhí)行第一條開始執(zhí)行每一條程序，截止到末條指令。循環(huán)掃描是在執(zhí)行時(shí)碰到結(jié)束指令后返回到最初的第一條程序指令，這樣就稱為一個(gè)掃描周期。CPU執(zhí)行每一條程序所需要的時(shí)間和掃描時(shí)的速度影響掃描周期的時(shí)間。掃描周期的各個(gè)部分分別是輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。第一個(gè)階段就是以規(guī)定的順序掃描讀取鎖存器里邊輸入端子的狀態(tài)，最后存儲(chǔ)到寄存器里，關(guān)閉端口進(jìn)入第二階段。第二階段就是按照原來(lái)的順序掃描每一條程序，把通過(guò)處理運(yùn)算后的程序傳輸?shù)捷敵黾拇嫫髦?。第三階段就是所有的程序被讀取完后，把輸出寄存器中端子的狀態(tài)傳輸?shù)捷敵鲦i存器中，最后按照一定的形式輸出到設(shè)備，并使其能夠正常工作。

3 控制系統(tǒng)的需求分析

當(dāng)通過(guò)鐵路與公路交叉口時(shí)，火車、汽車、行人都受交叉口護(hù)欄、指示燈以及響鈴的控制。在火車到達(dá)路口以前，傳感器檢測(cè)到火車即將到來(lái)，系統(tǒng)收到傳感器傳來(lái)的信號(hào)后交叉口護(hù)欄自動(dòng)控制系統(tǒng)開始啟動(dòng)。同時(shí)間段，路口處公路上的警示燈亮紅燈，并且伴隨著警鈴，這一系列反應(yīng)就是給行人以及車輛的通知，在整個(gè)這個(gè)時(shí)間段公路上不準(zhǔn)通過(guò)，交叉口上的護(hù)欄電動(dòng)機(jī)A、B同時(shí)啟動(dòng)，護(hù)欄下降。當(dāng)護(hù)欄到達(dá)水平位置后，公路禁止通行，數(shù)分鐘后，火車通過(guò)交叉口。當(dāng)火車通過(guò)后，超聲波傳感器接收不到信號(hào)，常閉觸點(diǎn)斷開，交叉口鐵路上的紅燈亮，公路上的紅燈變?yōu)榫G燈，警鈴?fù)Ｖ构ぷ?，電?dòng)機(jī)A、B同時(shí)反轉(zhuǎn)，護(hù)欄升起并保持垂直狀態(tài)不變，限位開關(guān)保持工作狀態(tài)，公路上的車輛以及行人及時(shí)通過(guò)。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 選型

（1）PLLC：選擇機(jī)型時(shí)應(yīng)多注意在功能方面的需求，系統(tǒng)還必須能夠正常運(yùn)行，后期易于維修，應(yīng)該具有最佳的性能價(jià)格比，因此具體應(yīng)考慮以下因素：機(jī)型結(jié)構(gòu)是否合理、功能是否合理、型號(hào)是否匹配、PLC容量是否合適等，綜上所述，最終選擇的是西門子S7-200 CPU224型號(hào)。

（2）超聲波傳感器：因?yàn)榛疖嚨絹?lái)聲音有著固定的頻率范圍，所以不會(huì)受其他聲音的影響。因此選用了UM30-2型號(hào)的超聲波傳感器。

（3）因?yàn)榛疖嚨絹?lái)的信號(hào)是連續(xù)的，所以選用了YD9200型號(hào)的振動(dòng)傳感器。

（4）選擇電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，要充分考慮他們的機(jī)械特性，嚴(yán)格選擇適合負(fù)載的電動(dòng)機(jī)。還要滿足交叉口護(hù)欄自動(dòng)控制系統(tǒng)的各種要求，選擇室外受溫度影響小的電動(dòng)機(jī)。盡量選擇合適的電動(dòng)機(jī)容量，以保證功率的充分使用，不浪費(fèi)資源。綜上所述，三相異步電動(dòng)機(jī)選用Y801-2型號(hào)。

4.2 輸入輸出單元

根據(jù)對(duì)需求進(jìn)行分析，確定了輸入輸出點(diǎn)的數(shù)量和類型，并對(duì)其進(jìn)行了地址分配。

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的具體操作步驟包括建立新工程、編寫控制程序、控制程序清單等。即在主操作頁(yè)面選擇文件里的新建，新建一個(gè)程序文件，其次根據(jù)要求編寫程序，以此達(dá)到預(yù)期的效果。

監(jiān)控軟件采用的是MCGS組態(tài)監(jiān)控軟件，該軟件是一套以Windows平臺(tái)為基礎(chǔ)的軟件，此組態(tài)軟件系統(tǒng)用來(lái)迅速構(gòu)成和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，它為用戶解決了實(shí)際工程問(wèn)題的難題，能夠完成收集和處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、報(bào)警、顯示畫面等功能。MCGS軟件有較為實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，比如使用簡(jiǎn)單、維修簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、故障率低，所以在環(huán)境檢測(cè)、鋼鐵行業(yè)、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸?shù)确矫姹粡V泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化也逐漸普及，人們可以根據(jù)實(shí)際需求使用監(jiān)控系統(tǒng)，出現(xiàn)了對(duì)工業(yè)化的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，可以增加系統(tǒng)的安全性和可靠性，MCGS由于自身的優(yōu)勢(shì)完善了對(duì)工業(yè)化的需求。MCGS具有一般監(jiān)控軟件沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，比如易于維護(hù)、性能強(qiáng)、可靠性高、操作方便簡(jiǎn)單等。封裝性是通用組態(tài)軟件的主要特點(diǎn)。通用軟件需要完成的所有功能組件全部都用一種我們很容易使用的方法完成封裝，因此，對(duì)使用者的編程水平要求比較低，通過(guò)簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)就能完成一個(gè)復(fù)雜的工程里面能用到的所有功能。此外該軟件還具有延續(xù)性、可擴(kuò)充性和通用性，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的用戶需求的改變，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)軟件的更新和升級(jí)。

整體的設(shè)計(jì)流程如下：第一步為準(zhǔn)備階段，隨后系統(tǒng)回到最初狀態(tài)，之后火車即將到達(dá)路口，傳感器接收到感應(yīng)信號(hào)后，然后把信號(hào)傳送到PLC控制系統(tǒng)，PLC控制器開始工作，最后PLC給電動(dòng)機(jī)發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，欄桿放下保持水平位置并保持不變，公路紅燈亮，禁止行人及車輛通過(guò)，此時(shí)火車通過(guò)。當(dāng)火車通過(guò)后，傳感器再次感受到信號(hào)，將信號(hào)傳送到PLC控制系統(tǒng)，PLC將指令傳送到電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)欄桿升起并保持垂直不動(dòng)，公路上綠燈亮，行人和車輛及時(shí)通過(guò)。

6 仿真

其仿真結(jié)果是在火車到來(lái)的時(shí)候，公路上的紅燈亮并且護(hù)欄下降，鐵路上的路燈亮，行人和車輛處于等待狀態(tài)，火車從路口通過(guò)。

其仿真結(jié)果是火車在交叉口處通過(guò)，行人和車輛在路口以外等候。

其仿真結(jié)果是火車從交叉口通過(guò)后，鐵路上的紅燈亮，公路上的綠燈亮，護(hù)欄升起，行人和車輛及時(shí)從路口通過(guò)。

7 總結(jié)

本設(shè)計(jì)包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩大部分，最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和改正，已達(dá)到預(yù)期的效果。此設(shè)計(jì)的意義在于減少了人力物力的使用，同時(shí)也提高了行人以及車輛的安全，給人們帶來(lái)便利的交通，交通堵塞的情況也得到改善。與鐵路建設(shè)初期的交叉口相比，自動(dòng)化程度有顯著地提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]?成鳳敏，王蕾.鐵路與公路交叉口護(hù)欄自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，25（03）：100-102.

（作者單位：河北科技學(xué)院）