朱菊香，張 銘，周 翔，張 盛，翟 銳

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

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)也得以快速發(fā)展。道路中的各線路相互交錯(cuò)，交叉道口情況錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)道路交通運(yùn)輸效率產(chǎn)生了不利影響，在某種程度上也對(duì)交通安全造成了一定的負(fù)面影響[1]。為了提高交通運(yùn)輸?shù)男?，減少交通安全事故的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)利用自動(dòng)護(hù)欄和紅綠燈對(duì)鐵路與公路交叉道口的通行狀態(tài)進(jìn)行管理控制，從而使各個(gè)方向的道路都可以相互交替通行，進(jìn)而提高行人和車輛的通過效率。

目前，道口防護(hù)欄桿一般基于人工控制，主要通過人工操作機(jī)械裝置，對(duì)鐵路和公路道口上的防護(hù)欄桿實(shí)施控制。這會(huì)造成勞動(dòng)力浪費(fèi)，而且效率低下，加之夜間監(jiān)測(cè)作業(yè)存在視野盲區(qū)，總體安全隱患較大。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)實(shí)生活的許多領(lǐng)域都使用到了自動(dòng)控制技術(shù)。將地感線圈與基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于鐵路和公路交叉道口自動(dòng)護(hù)欄方面，對(duì)道口護(hù)欄進(jìn)行自動(dòng)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(jìn)交通運(yùn)輸業(yè)的高速、安全發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能分析

本設(shè)計(jì)主要為了實(shí)現(xiàn)鐵路與公路道口護(hù)欄的自動(dòng)控制，以解決目前道口存在的安全隱患問題。所設(shè)計(jì)的道口自動(dòng)護(hù)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(hào)，結(jié)合護(hù)欄升降狀態(tài)，實(shí)時(shí)管控道口的交通。系統(tǒng)把地感線圈振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)傳遞到PLC 中，PLC 輸入端獲取信號(hào)之后，經(jīng)過內(nèi)部CPU處理后，開始輸出護(hù)欄升降信號(hào)、超聲波啟停、紅綠燈轉(zhuǎn)換信號(hào)。本系統(tǒng)應(yīng)該具備如下兩個(gè)基本功能：

（1）火車駛?cè)肴肟诘馗芯€圈之后，公路護(hù)欄能夠?qū)崟r(shí)關(guān)閉，同時(shí)超聲波發(fā)射裝置啟動(dòng)，紅綠燈開始變換；

（2）火車駛出出口地感線圈之后，公路護(hù)欄能夠?qū)崟r(shí)開啟，同時(shí)超聲波發(fā)射裝置關(guān)閉，紅綠燈開始變換。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

從基于PLC 控制的道口自動(dòng)護(hù)欄功能出發(fā)，首先應(yīng)進(jìn)行實(shí)施場(chǎng)景設(shè)定，設(shè)定方案為：

（1）設(shè)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(cè)各設(shè)一個(gè)護(hù)欄，通過兩個(gè)電機(jī)同步啟停；

（3）設(shè)置3 個(gè)紅綠燈，其中鐵路對(duì)應(yīng)1 個(gè)，公路對(duì)應(yīng)2 個(gè)；

（4）建設(shè)人工操控室，用于安放控制柜、工控機(jī)、超聲波裝置等。

道口護(hù)欄系統(tǒng)控制流程如圖1 所示。接通電源，整個(gè)控制系統(tǒng)啟動(dòng)之后，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。在火車未進(jìn)入地感線圈之前，鐵路信號(hào)燈為紅燈；公路護(hù)欄處于打開狀態(tài)，信號(hào)燈綠燈常亮，公路開放交通。當(dāng)火車順著鐵路駛?cè)氲馗芯€圈（“駛?cè)氲馗芯€圈”距離交叉路口還有若干分鐘路程）時(shí)，“駛?cè)氲馗芯€圈”接收到信號(hào)，將信息傳送給可編程控制器PLC，PLC 輸出信號(hào)，超聲波開始檢測(cè)，護(hù)欄開始關(guān)閉，3 個(gè)紅綠燈同時(shí)轉(zhuǎn)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(guān)閉交通[2]。期間超聲波信號(hào)一邊發(fā)射，一邊接收回波。

圖1 道口自動(dòng)護(hù)欄系統(tǒng)控制流程圖

當(dāng)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(shí)，“駛離地感線圈”接收信號(hào)，將信息傳送給可編程控制器PLC，PLC 輸出信號(hào)，護(hù)欄開始打開，3 個(gè)紅綠燈同時(shí)轉(zhuǎn)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(hào)。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以PLC1214 控制器為核心進(jìn)行控制，加上TP900 觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)可視化管理。觸摸屏顯示整個(gè)道口護(hù)欄系統(tǒng)的完整界面，包括火車前進(jìn)動(dòng)態(tài)、護(hù)欄啟停、紅綠燈變換、各信號(hào)接通狀態(tài)等[3-4]。此外，觸摸屏界面還添加了手/自動(dòng)切換按鈕，在緊急狀況下，能夠?qū)崿F(xiàn)人工手動(dòng)操作，可控制欄桿手動(dòng)升降，紅綠燈變換；狀況解除后可繼續(xù)恢復(fù)自動(dòng)控制。此操作只針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的緊急狀況（行人、車輛滯留鐵道中，鐵路設(shè)備設(shè)施檢修等），非緊急情況下不可手動(dòng)操作[5]。

需要特別注意的是，實(shí)際火車通過時(shí)，火車的前進(jìn)速度以當(dāng)?shù)卦O(shè)定速度為準(zhǔn)，駛?cè)腭偝龅馗芯€圈的準(zhǔn)確位置應(yīng)根據(jù)火車距離道口若干分鐘而定，此項(xiàng)設(shè)計(jì)的主要目的是確保在火車到達(dá)之前，公路上的行人和車輛有足夠的反應(yīng)時(shí)間。

地感線圈與道口距離的計(jì)算公式如下（按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(yù)留的時(shí)間。

道口自動(dòng)護(hù)欄系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)方案[6]如圖2 所示。

圖2 道口護(hù)欄系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)目標(biāo)與系統(tǒng)功能的要求，對(duì)選用的PLC 可編程控制器進(jìn)行各接口功能分配。PLC 接線圖如圖3 所示。

圖3 PLC 接線圖

護(hù)欄的打開/關(guān)閉電路如圖4 所示。

圖4 護(hù)欄打開/關(guān)閉電路圖

2.2 系統(tǒng)主要設(shè)備選型

通過對(duì)道口自動(dòng)護(hù)欄系統(tǒng)的功能分析，確定所需的主要硬件設(shè)備有7 個(gè)，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(cè)裝置、減速電機(jī)以及護(hù)欄欄桿。

按照道口自動(dòng)護(hù)欄系統(tǒng)功能的要求，對(duì)所需I/O（輸入/輸出）點(diǎn)數(shù)進(jìn)行分析，選擇西門子S7-1200 1214C，DC/DC/DC 這一型號(hào)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(qiáng)大、性價(jià)比高的特點(diǎn)[7-8]。

地感線圈主要用于火車經(jīng)過時(shí)的信號(hào)檢測(cè)。當(dāng)火車通過地感線圈或者停在線圈上，將會(huì)改變線圈內(nèi)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(jìn)出[9]。為了使檢測(cè)裝置正常工作，線圈的電感量應(yīng)保持在100～300 μH。同時(shí)，地感線圈的屏蔽層能夠有效地屏蔽掉干擾信號(hào)，從而保證電纜信號(hào)的準(zhǔn)確傳遞。

3 系統(tǒng)功能仿真

以上設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)整體功能進(jìn)行仿真測(cè)試。

當(dāng)火車駛?cè)氲馗芯€圈，火車駛?cè)雮鞲衅鞅O(jiān)測(cè)接通，欄桿打開到位，紅綠燈全部轉(zhuǎn)黃燈閃爍，地感線圈狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 剛進(jìn)入地感線圈界面

當(dāng)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(shí)的界面

當(dāng)火車完全駛離地感線圈區(qū)域，公路紅綠燈變?yōu)榫G燈長(zhǎng)亮，鐵路紅綠燈變?yōu)榧t燈長(zhǎng)亮，護(hù)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(jié)語

相較于以往的人工控制道口護(hù)欄，本文的設(shè)計(jì)能夠科學(xué)合理、智能高效、安全地監(jiān)測(cè)道口情況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)道口護(hù)欄和信號(hào)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(cè)火車的運(yùn)行狀態(tài)，在正常情況下，執(zhí)行道口護(hù)欄設(shè)備的自動(dòng)控制功能，即當(dāng)火車即將到達(dá)道口時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到地感信號(hào)并傳送給PLC 控制單元，輸出電機(jī)正/反轉(zhuǎn)，紅綠燈轉(zhuǎn)換，公路護(hù)欄關(guān)閉，公路方向紅燈亮；當(dāng)火車離開道口后，公路護(hù)欄打開，公路方向綠燈亮。在緊急/特殊情況下，可以手動(dòng)控制各功能，包括鐵路與公路方向的紅綠燈信號(hào)和道口護(hù)欄狀態(tài)。