基于地感線圈的道口自動護欄PLC 控制系統(tǒng)設計

朱菊香，張 銘，周 翔，張 盛，翟 銳

（1.無錫學院 軌道交通學院，江蘇 無錫 214105；2.南京信息工程大學 自動化學院，江蘇 南京 210000；3.南京信息工程大學 濱江學院，江蘇 無錫 214105）

0 引言

隨著我國社會經濟的蓬勃發(fā)展，交通運輸業(yè)也得以快速發(fā)展。道路中的各線路相互交錯，交叉道口情況錯綜復雜，對道路交通運輸效率產生了不利影響，在某種程度上也對交通安全造成了一定的負面影響[1]。為了提高交通運輸的效率，減少交通安全事故的發(fā)生，本文設計利用自動護欄和紅綠燈對鐵路與公路交叉道口的通行狀態(tài)進行管理控制，從而使各個方向的道路都可以相互交替通行，進而提高行人和車輛的通過效率。

目前，道口防護欄桿一般基于人工控制，主要通過人工操作機械裝置，對鐵路和公路道口上的防護欄桿實施控制。這會造成勞動力浪費，而且效率低下，加之夜間監(jiān)測作業(yè)存在視野盲區(qū)，總體安全隱患較大。隨著電子技術的迅速發(fā)展，現實生活的許多領域都使用到了自動控制技術。將地感線圈與基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的自動控制技術應用于鐵路和公路交叉道口自動護欄方面，對道口護欄進行自動控制，相較于以往的控制方式，在提升工作效率、提高道路交通安全水平等方面都具有較大的優(yōu)越性，可以促進交通運輸業(yè)的高速、安全發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)功能分析

本設計主要為了實現鐵路與公路道口護欄的自動控制，以解決目前道口存在的安全隱患問題。所設計的道口自動護欄系統(tǒng)將PLC 可編程序邏輯控制器作為控制核心，使用地感、超聲波及紅綠燈信號，結合護欄升降狀態(tài)，實時管控道口的交通。系統(tǒng)把地感線圈振蕩信號轉換成電流信號傳遞到PLC 中，PLC 輸入端獲取信號之后，經過內部CPU處理后，開始輸出護欄升降信號、超聲波啟停、紅綠燈轉換信號。本系統(tǒng)應該具備如下兩個基本功能：

（1）火車駛入入口地感線圈之后，公路護欄能夠實時關閉，同時超聲波發(fā)射裝置啟動，紅綠燈開始變換；

（2）火車駛出出口地感線圈之后，公路護欄能夠實時開啟，同時超聲波發(fā)射裝置關閉，紅綠燈開始變換。

1.2 系統(tǒng)設計方案

從基于PLC 控制的道口自動護欄功能出發(fā)，首先應進行實施場景設定，設定方案為：

（1）設置一條鐵路與一條公路交叉的路口，其中鐵路為單行道，公路為雙行道；

（2）在交叉道口的兩側各設一個護欄，通過兩個電機同步啟停；

（3）設置3 個紅綠燈，其中鐵路對應1 個，公路對應2 個；

（4）建設人工操控室，用于安放控制柜、工控機、超聲波裝置等。

道口護欄系統(tǒng)控制流程如圖1 所示。接通電源，整個控制系統(tǒng)啟動之后，系統(tǒng)自動運行。在火車未進入地感線圈之前，鐵路信號燈為紅燈；公路護欄處于打開狀態(tài)，信號燈綠燈常亮，公路開放交通。當火車順著鐵路駛入地感線圈（“駛入地感線圈”距離交叉路口還有若干分鐘路程）時，“駛入地感線圈”接收到信號，將信息傳送給可編程控制器PLC，PLC 輸出信號，超聲波開始檢測，護欄開始關閉，3 個紅綠燈同時轉換成黃燈閃爍，2 s 之后，鐵路紅綠燈變?yōu)榫G燈，公路紅綠燈變?yōu)榧t燈并關閉交通[2]。期間超聲波信號一邊發(fā)射，一邊接收回波。

圖1 道口自動護欄系統(tǒng)控制流程圖

當火車順著鐵路駛離地感線圈（“駛離地感線圈”距離交叉路口還有若干分鐘路程）時，“駛離地感線圈”接收信號，將信息傳送給可編程控制器PLC，PLC 輸出信號，護欄開始打開，3 個紅綠燈同時轉換成黃燈閃爍，2 s 之后，公路紅綠燈變?yōu)榫G燈并開放交通，鐵路紅綠燈變?yōu)榧t燈，超聲波裝置停止發(fā)射信號。

設計的系統(tǒng)以PLC1214 控制器為核心進行控制，加上TP900 觸摸屏進行系統(tǒng)可視化管理。觸摸屏顯示整個道口護欄系統(tǒng)的完整界面，包括火車前進動態(tài)、護欄啟停、紅綠燈變換、各信號接通狀態(tài)等[3-4]。此外，觸摸屏界面還添加了手/自動切換按鈕，在緊急狀況下，能夠實現人工手動操作，可控制欄桿手動升降，紅綠燈變換；狀況解除后可繼續(xù)恢復自動控制。此操作只針對現場可能出現的緊急狀況（行人、車輛滯留鐵道中，鐵路設備設施檢修等），非緊急情況下不可手動操作[5]。

需要特別注意的是，實際火車通過時，火車的前進速度以當地設定速度為準，駛入駛出地感線圈的準確位置應根據火車距離道口若干分鐘而定，此項設計的主要目的是確保在火車到達之前，公路上的行人和車輛有足夠的反應時間。

地感線圈與道口距離的計算公式如下（按國際標準單位）：

式中：s為地感線圈與道口的距離，v為火車行駛的速度，t為預留的時間。

道口自動護欄系統(tǒng)控制單元設計方案[6]如圖2 所示。

圖2 道口護欄系統(tǒng)控制單元設計

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件電路設計

按照設計目標與系統(tǒng)功能的要求，對選用的PLC 可編程控制器進行各接口功能分配。PLC 接線圖如圖3 所示。

圖3 PLC 接線圖

護欄的打開/關閉電路如圖4 所示。

圖4 護欄打開/關閉電路圖

2.2 系統(tǒng)主要設備選型

通過對道口自動護欄系統(tǒng)的功能分析，確定所需的主要硬件設備有7 個，分別為西門子PLC S7-1200 1214C、地感線圈裝置、紅綠燈、觸摸屏TP900、超聲波檢測裝置、減速電機以及護欄欄桿。

按照道口自動護欄系統(tǒng)功能的要求，對所需I/O（輸入/輸出）點數進行分析，選擇西門子S7-1200 1214C，DC/DC/DC 這一型號的可編程控制器作為本系統(tǒng)的控制核心，其具有使用靈活、功能強大、性價比高的特點[7-8]。

地感線圈主要用于火車經過時的信號檢測。當火車通過地感線圈或者停在線圈上，將會改變線圈內的磁通量，從而使線圈回路電感量發(fā)生變化，地感線圈通過振蕩電路輸出頻率的變化判斷火車的進出[9]。為了使檢測裝置正常工作，線圈的電感量應保持在100～300 μH。同時，地感線圈的屏蔽層能夠有效地屏蔽掉干擾信號，從而保證電纜信號的準確傳遞。

3 系統(tǒng)功能仿真

以上設計完成后，對系統(tǒng)整體功能進行仿真測試。

當火車駛入地感線圈，火車駛入傳感器監(jiān)測接通，欄桿打開到位，紅綠燈全部轉黃燈閃爍，地感線圈狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 剛進入地感線圈界面

當火車剛剛駛離地感線圈，全部紅綠燈變?yōu)辄S燈閃爍2 s，如圖6 所示。

圖6 火車剛駛離地感線圈時的界面

當火車完全駛離地感線圈區(qū)域，公路紅綠燈變?yōu)榫G燈長亮，鐵路紅綠燈變?yōu)榧t燈長亮，護欄打開到位，如圖7 所示。

圖7 火車完全駛離地感線圈后的界面

4 結語

相較于以往的人工控制道口護欄，本文的設計能夠科學合理、智能高效、安全地監(jiān)測道口情況，并實現對道口護欄和信號燈的智能控制。系統(tǒng)以西門子S7-1200 控制器為控制核心，通過地感線圈監(jiān)測火車的運行狀態(tài)，在正常情況下，執(zhí)行道口護欄設備的自動控制功能，即當火車即將到達道口時，系統(tǒng)檢測到地感信號并傳送給PLC 控制單元，輸出電機正/反轉，紅綠燈轉換，公路護欄關閉，公路方向紅燈亮；當火車離開道口后，公路護欄打開，公路方向綠燈亮。在緊急/特殊情況下，可以手動控制各功能，包括鐵路與公路方向的紅綠燈信號和道口護欄狀態(tài)。