鐵路無(wú)人看守道口信號(hào)設(shè)備控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

王儷潔 許家偉 吳思洋

摘要：文章主要應(yīng)用了壓力傳感器模塊、HC-RS05系列超聲波測(cè)距模塊收集并發(fā)送機(jī)車(chē)即將到來(lái)的信號(hào)，用計(jì)軸傳感器檢查機(jī)車(chē)從道口出清，由可編程控制器分析信息并發(fā)出指令，保證道口欄桿的起落、信號(hào)燈的亮滅、警鈴的響停。欄桿的起落由三相異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力．設(shè)備還設(shè)置了電磁摩擦制動(dòng)器和限位開(kāi)關(guān)，以保證欄桿能在水平和豎直位置停止．能夠?qū)跅U制動(dòng)在路徑上的任何位置。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；道口；電動(dòng)機(jī)

中圖法分類(lèi)號(hào)：U284 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

１ 研究的背景及意義

在紛繁復(fù)雜的運(yùn)輸途徑中，鐵路運(yùn)輸較其他運(yùn)輸途徑有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，如運(yùn)力巨大、輻射范圍廣、運(yùn)輸速度快等。鐵路在國(guó)家運(yùn)輸行業(yè)發(fā)揮著龍頭作用并且為與其密切相關(guān)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供重要的基礎(chǔ)保障，是非常普遍、易用的交通出行工具，在中國(guó)綜合交通運(yùn)輸層面上屬于骨干地位。中國(guó)千萬(wàn)級(jí)城市林立、自然人口基數(shù)龐大、自然資源分布不對(duì)稱(chēng)，所以一種快捷、高效、低價(jià)的運(yùn)輸方式———鐵路運(yùn)輸便成為了性?xún)r(jià)比更高的運(yùn)輸方式，成為人們廣泛使用的運(yùn)輸方式。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)、科學(xué)創(chuàng)新、技術(shù)變革，人們?cè)谌粘Ｉ钪袑?duì)于出行交通工具的速度有了更高的要求。公路和鐵路的爆炸式發(fā)展，再加上機(jī)車(chē)速度的不斷提高，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的不斷上漲，鐵路運(yùn)輸與公路運(yùn)輸在交叉路口的安全問(wèn)題也日益顯著。

交叉道口的防護(hù)問(wèn)題迫在眉睫。怎樣才能讓機(jī)車(chē)能夠快速準(zhǔn)確高效的通過(guò)？ 怎樣才能做好防護(hù)，使得周邊車(chē)輛、行人安全通行？ 這些問(wèn)題需要我們不斷地研究、完善才能逐步解決。

本文主要采用了壓力傳感器模塊、ＨＣ?ＲＳ０５ 系列超聲波測(cè)距模塊收集并發(fā)送機(jī)車(chē)即將到來(lái)的信號(hào)，將列車(chē)通過(guò)信號(hào)發(fā)送至ＰＬＣ，ＰＬＣ 接收到信號(hào)并控制道口電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)給蝸輪蝸桿，柵欄落下和警示燈燈亮。等列車(chē)完全通過(guò)時(shí)，計(jì)軸傳感器和壓力傳感器給ＰＬＣ 發(fā)送信號(hào)，ＰＬＣ 接收到機(jī)車(chē)即將到來(lái)的信號(hào)并控制道口電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給蝸輪蝸桿，柵欄升起和警示燈燈滅。電動(dòng)機(jī)上還設(shè)置有電磁摩擦制動(dòng)器，能夠保證柵欄處在垂直和水平的極限狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)還具備制動(dòng)的功能，可以使柵欄處于路徑中的任何狀態(tài)，從而保證列車(chē)高效安全地通過(guò)道口，盡可能降低對(duì)周邊交通的影響。

２ 總體方案設(shè)計(jì)

在機(jī)車(chē)距離道口一定距離時(shí)，計(jì)軸器開(kāi)始計(jì)軸，超聲波傳感器和壓力傳感器采集接近信號(hào)，隨即將該接近信息傳輸至ＰＬＣ。ＰＬＣ 收到信號(hào)后控制道口信號(hào)燈亮（公路方面），電鈴響起，延時(shí)２０ 秒后ＰＬＣ 控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，欄桿緩慢降落。當(dāng)欄桿運(yùn)動(dòng)至水平位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)觸發(fā)設(shè)置在電動(dòng)機(jī)上的限位裝置，從而切斷電動(dòng)機(jī)的電源。同時(shí)，電磁摩擦制動(dòng)使欄桿吸附保持在水平位置［１～２］ 。

當(dāng)機(jī)車(chē)通過(guò)道口到達(dá)一定位置時(shí)，計(jì)軸器對(duì)比軸數(shù)、壓力傳感器給ＰＬＣ 回傳信息。ＰＬＣ 控制信號(hào)燈滅、電鈴?fù)Ｖ孤曧懀瑫r(shí)控制電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)欄桿升起，當(dāng)欄桿運(yùn)動(dòng)到豎直位置時(shí)，觸發(fā)限位器切斷電動(dòng)機(jī)電源，電磁摩擦制動(dòng)使欄桿保持在豎直位置。其過(guò)程如圖１ 所示。

３ 系統(tǒng)控制電路硬件設(shè)計(jì)

３．１ 欄桿正反轉(zhuǎn)控制電路

電動(dòng)機(jī)主控制電路圖如圖２ 所示。

ＦＵ 是２ 個(gè)熔斷器，作用是保護(hù)電路。ＦＲ 是熱過(guò)載保護(hù)，線(xiàn)路還接有緊急關(guān)閉開(kāi)關(guān)，防止意外情況發(fā)生。ＫＭ１ 分別是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的線(xiàn)圈和觸點(diǎn)，ＫＭ２ 分別是電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的線(xiàn)圈和觸點(diǎn)。ＳＢ１ 和ＳＢ２ 是接收ＰＬＣ 控制命令的２ 個(gè)觸點(diǎn)，分別與ＫＭ１ 和ＫＭ２ 聯(lián)動(dòng)。

２ 個(gè)限位器的作用是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至一定位置（欄桿水平或豎直位置）時(shí)，切斷電動(dòng)機(jī)的電源，使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)［３］ 。

３．２ ＰＬＣ 控制設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)具有自動(dòng)控制欄桿升降的功能，采用超聲波傳感器、壓力傳感器共同檢測(cè)機(jī)車(chē)的到來(lái)，采用計(jì)軸傳感器檢測(cè)機(jī)車(chē)的占用和出清，ＰＬＣ 收集并處理信息，同時(shí)發(fā)出控制命令，使道口燈鈴作用、欄桿起落。

該系統(tǒng)的硬件包含１ 個(gè)超聲波傳感模塊、２ 個(gè)壓力傳感模塊、２ 個(gè)計(jì)軸傳感模塊、２ 個(gè)限位控制模塊、Ｓ７?２００ 可編程序的邏輯控制器、警示燈、電鈴以及電動(dòng)機(jī)的觸電和線(xiàn)圈。

超聲波傳感模塊、壓力傳感模塊、計(jì)軸傳感模塊共用１ 個(gè)供電電路ＶＣＣ，以及１ 個(gè)ＧＮＤ 接地。當(dāng)系統(tǒng)初始化，各個(gè)模塊啟動(dòng)并開(kāi)始工作。

當(dāng)列車(chē)距離道口一定距離時(shí)，車(chē)輪經(jīng)過(guò)計(jì)軸傳感模塊１，同時(shí)改變其磁路，傳遞信息給Ｉ０．０，計(jì)軸傳感模塊１ 便會(huì)開(kāi)始計(jì)軸并在計(jì)軸完畢之后將計(jì)軸結(jié)果發(fā)送至ＣＰＵ。與此同時(shí)，車(chē)輪也將經(jīng)過(guò)超聲波傳感模塊和壓力傳感模塊１，它們的收發(fā)將由Ｉ０．１ 和Ｉ０．２ 收發(fā)。可編程序的邏輯控制器收到信息后，從Ｑ０．０ 輸出控制道口，燈亮鈴響。在延時(shí)２０ 秒之后，該系統(tǒng)的Ｉ０．４ 端口收到軟件編程的觸發(fā)指令，從Ｑ０．１ 輸出，使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到一定階段時(shí)，會(huì)觸發(fā)限位模塊。限位模塊觸發(fā)后，給系統(tǒng)Ｉ０．３ 信號(hào)，從而切斷電動(dòng)機(jī)的電源。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)無(wú)電，其帶動(dòng)的欄桿會(huì)被電磁摩擦制動(dòng)模塊鎖閉，從而保證欄桿能夠處在行程中的任何位置。

當(dāng)列車(chē)通過(guò)道口，車(chē)輪壓在壓力傳感模塊２ 發(fā)送信息給Ｉ０．５，從Ｑ０．２ 輸出信號(hào)使得道口燈滅鈴息。與此同時(shí)，車(chē)輪經(jīng)過(guò)計(jì)軸傳感模塊２ 并將信息發(fā)送給ＩＯ．６，計(jì)軸傳感模塊２ 對(duì)比計(jì)軸傳感模塊１ 所計(jì)軸數(shù)，若數(shù)字一致，則表示列車(chē)出清。那么將信息發(fā)送至下一環(huán)節(jié)，即觸發(fā)Ｉ０．７ 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，同樣當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)觸發(fā)限位模塊，給系統(tǒng)Ｉ１．０ 信號(hào)從而切斷電動(dòng)機(jī)電源，其帶動(dòng)的欄桿會(huì)被電磁摩擦制動(dòng)模塊鎖閉，從而保證欄桿能夠處在行程中的任何位置［４］ 。

３．３ ＸＤＺ 型多功能信號(hào)點(diǎn)燈電路

ＸＤＺ 型多功能信號(hào)點(diǎn)燈裝置把信號(hào)燈泡的點(diǎn)燈和燈絲的轉(zhuǎn)換融為一體，替代了點(diǎn)燈變壓器和燈絲轉(zhuǎn)換繼電器。其特點(diǎn)是能夠采用軟啟動(dòng)技術(shù)，主、副燈絲斷絲時(shí)都能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警的功能，它的電路原理圖如圖３ 所示。

信號(hào)燈泡燈絲的冷絲狀態(tài)的電阻約為０．５５ Ω，當(dāng)燈絲通電點(diǎn)亮的瞬態(tài)沖擊電流高達(dá)１０ Ａ 以上，容易在通電的瞬間熔斷燈絲。軟啟動(dòng)則是指在燈絲通電點(diǎn)亮的瞬間加在燈絲上的電壓遠(yuǎn)低于燈絲的額定電壓，然后再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間逐步上升到額定電壓值，這個(gè)過(guò)程由電子電路來(lái)完成。采用軟啟動(dòng)技術(shù)后，可使冷絲沖擊電流（指點(diǎn)燈開(kāi)始的瞬間燈絲處于冷態(tài)時(shí)所流過(guò)的電流）限制在６ Ａ 以下，以降低故障發(fā)生率，延長(zhǎng)燈泡使用壽命。冷絲沖擊電流越小，對(duì)延長(zhǎng)燈泡的使用壽命越有利。但是，冷絲沖擊電流越小，軟啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，若軟啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則燈絲繼電器可能出現(xiàn)瞬間落下又吸起的現(xiàn)象，影響燈絲繼電器的正常工作。在冷絲沖擊電流小于６ Ａ 的條件下，軟啟動(dòng)時(shí)間為０．０５～０．２ ｓ，在主燈絲回路中串聯(lián)繼電器ＪＺ，在副燈絲回路中串聯(lián)微電流繼電器ＪＧ。當(dāng)主燈絲完好時(shí)，主燈絲點(diǎn)亮，ＪＺ 吸起，ＪＧ 也吸起，但副燈絲不會(huì)點(diǎn)亮，這時(shí)能檢測(cè)副燈絲是否完好。當(dāng)主燈絲斷絲時(shí)，ＪＺ 斷電落下，ＪＺ 的后接點(diǎn)閉合，自動(dòng)轉(zhuǎn)換至副燈絲點(diǎn)燈，且ＪＧ 被短路落下，通過(guò)的后接點(diǎn)發(fā)出斷絲報(bào)警。當(dāng)主燈絲完好，副燈絲斷絲時(shí)，ＪＧ 斷電落下，也發(fā)出報(bào)警。

３．４ 計(jì)軸器傳感器內(nèi)部電路圖

計(jì)軸器模塊由室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備組成，室外設(shè)備包括計(jì)軸點(diǎn)、電子連接盒；室內(nèi)設(shè)備包括運(yùn)算器和繼電器。下文將詳細(xì)論述電子連接盒部分，即計(jì)軸器內(nèi)部電路圖。電子連接盒向軌道傳感器發(fā)送一定頻率的信號(hào)，從而使得發(fā)送磁頭能夠產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；將接受磁頭中的感應(yīng)信號(hào)通過(guò)電子連接盒進(jìn)行選頻、放大、濾波、整形、鑒相等預(yù)處理工作，再發(fā)送至室內(nèi)計(jì)軸處理機(jī)處理。工作流程如圖４ 所示。

該系統(tǒng)以可編程序的邏輯控制器作為大腦來(lái)控制各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)功能；在采集端使用計(jì)軸傳感模塊、壓力傳感模塊和超聲波傳感模塊分別檢查機(jī)車(chē)的接近遠(yuǎn)去以及占用出清；在執(zhí)行端的模塊主要由電動(dòng)機(jī)來(lái)完成欄桿動(dòng)作的升起降落，其他模塊（如警鈴、信號(hào)警示燈） 也是由可編程序的邏輯控制器直接進(jìn)行控制。

本文主要應(yīng)用了壓力傳感器模塊、ＨＣ?ＲＳ０５ 系列超聲波測(cè)距模塊收集并發(fā)送機(jī)車(chē)即將到來(lái)的信號(hào)，用計(jì)軸傳感器檢查機(jī)車(chē)從道口出清，由可編程控制器分析信息并發(fā)出指令，保證道口欄桿的起落、信號(hào)燈的亮滅、警鈴的響停。欄桿的起落由三相異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。設(shè)備還設(shè)置了電磁摩擦制動(dòng)器和限位開(kāi)關(guān)，保證欄桿能在水平和豎直位置停止，能夠?qū)跅U制動(dòng)在路徑上的任何位置。

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作者簡(jiǎn)介：王儷潔（２００１—），本科，研究方向：軌道交通信號(hào)與控制。