地铁安全检测系统.docx

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地铁安全检测系统

编号：

审定成绩：

重庆邮电大学移通学院

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

地铁安全检测系统——接收模块设计

单位（系别）：

自动化系

学生姓名：

专业：

班级：

学号：

指导教师：

答辩组负责人：

填表时间：

20年月

重庆邮电大学移通学院教务处制

重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目

学生姓名系别专业班级

指导教师职称联系电话

教师单位下任务日期______年____月____日

主

要

研

究

内

容

、

方

法

和

要

求

本设计是基于地铁安全监测系统的接收模块设计，主要研究内容是根据项目要求（地铁在到站之前接收地铁站台控制中心发送的指令），设计相应的硬件电路和编码、解码方式与元件结构。

地铁在到站之前接收地铁站台控制中心发送的指令，地铁接收指令后做出符合指令的操作方法，以使地铁安全到达指定的车道，确保行程流畅和安全。

如何实现数据的传递，数据的处理，控制地铁安全行驶是本设计的重点。

进

度

计

划

（1）完成开题报告，交给指导老师检查（3月15日前）

（2）查阅资料，翻译英文文献（3月25日前）

（3）收集资料，初步确定设计方案（4月16日前）

（4）毕业设计内容交给指导老师进行中期检查（4月20日前）

（5）毕业设计论文初稿（5月14日前）

（6）毕业设计论文终稿（5月28日前）

主

要

参

考

文

献

[1]范继义，安全技术与管理[M].北京：

中国铁道出版社，2008．4

[2]郭建新，铁道信号基础[M].北京：

中国铁道出版社，2007

[3]周钝熊，PLC在铁路信号连锁控制中心的应用[M]．上海：

上海铁道学院，1999

[4]赵志熙，车站信号控制系统[M]．北京：

中国铁道出版社，1993

指导教师签字：

年月日

教研室主任签字：

年月日

备注：

此任务书由指导教师填写，并于毕业设计（论文）开始前下达给学生。

摘要

铁道信号也称为铁路信号，铁道信号的作用是保证列车运行安全，有效提高铁路运输效率，降低运输成本，大大改善行车人员的劳动条件。

同时，信号是指挥地铁的命令，也是告诫人们安全的警语。

随着时代的发展，社会的进步，科技水平的不断提高，铁路信号的分类和应用也更加精确，高科技的的产品在铁路运输中的应用，将极大可能的优化整个铁路控制系统，同时保证铁路行车安全。

地铁列车到站提醒发送系统及其到站信息发送方式采用目前先进的无线通信技术，该系统包括信息接收控制模块、编码设置模块和无线数据发送模块；信息接收控制模块和编码设置模块制作在同一块电路板上，并通过电路板母线相连，编码设置模块与无线数据发送模块通过列车车载网络连接。

设计主要模拟一个规模较小的地铁站，通过中心元件PLC实现对地铁进出站的信号灯和轨道控制。

预想一个时间段，有数列地铁通过一个铁路的中转站，有5条轨道，期间有各列地铁途径此站时，完成通过，停留，变轨等作业任务，在信号灯与控制台的统一操作下，各列地铁完成有条不紊的安全作业。

设计包括使用PLCSTEP7编程软件编写控制程序，系统硬件的组态以及整个系统使用PLCSIM软件的仿真过程。

【关键词】PLC轨道自动变轨控制信号灯自动控制梯形图编程

ABSTRACT

Therailwaysignalalsocalledrailwaysignal,therailwaysignalroleistoensurethatthetrainoperationsafety,effectivelyimprovetherailwaytransportefficiency,reducethecostsoftransportation,greatlyimprovethedrivingconditionsofLabourpersonnel.Atthesametime,thesignaliscommandthetraincommand,isalsowarnedpeoplesafewittyremarks.WiththedevelopmentofTheTimes,theprogressofthesociety,theimprovementofscienceandtechnology,theclassificationofrailwaysignalandapplicationandmoreaccurate,high-techproductsintherailwaytransport,theapplicationwillgreatlytheoptimizationofthewholerailwaymaycontrolsystem,atthesametimeguaranteearailwaytrafficsafety.Thesubwaytrainstationremindsendsystemanditsstationinformationsentbythewaytheadvancedwirelesscommunicationtechnology,thesystemincludingtheinformationreceivecontrolmodule,encodingSettingsmoduleandwirelessdatasentmodule;Theinformationreceivecontrolmoduleandcodingsetinthesamecircuitboardproductionmodule,andthroughthecircuitboardbusislinkedtogether,codemodulesandwirelessdatasetsentbythetraincarnetworkconnectionmodules.

Designmainlysimulatesasmallerrailwaystation,throughthecentercomponentsofatrainstationPLCinandoutthelightsandtrackcontrol.Expectedatime,havethesequencethrougharailwaytrainstation,therearefiverail,thetrainwayduringthestand,aftercompletion,stay,suchaschangetracktask,inlightoftheconsoleandunifiedoperation,thetraincompletedinanorderlywaysafeoperations.DesignincludingtheuseofPLCSTEP7programmingsoftwarecontrolprocedures,configurationofthesystemhardwareandsoftwareofthesystemusedPLCSIMsimulationprocess.

目录

前言1

第一章绪论2

第一节铁路信号控制技术2

第二节铁路6502集中管理技术2

一、铁路6502技术概述2

二、所选站场简介4

三、车站信号平面布置图4

四、布置信号机5

五、双线轨道电路布置方法5

第三节设计的主要内容6

第二章西门子S7-300PLC概述7

第一节西门子S7-300PLC的基本组成部分7

一、CPU7

二、数字I/O接口7

三、模拟I/O接口8

四、电源8

五、特殊功能模板8

第二节西门子S7-300PLC的硬件配置8

一、西门子S7-300PLEC的组成9

二、西门子PLC的分类9

第三节S7-300系列PLC的工作原理10

第四节西门子S7-300PLC的相关参数11

一、标准CPU相关性能参数11

二、MPI模块相关性能11

第五节S7-300系列PLC的性能11

第六节西门子S7-300PLC的发展前景14

第三章设计总体思想16

第一节控制框图16

一、研究背景图示16

二、设计方案18

三、设计目标18

第二节实验装置18

第三节硬件配置20

第四章软件编程和系统仿真22

第一节梯形程序图编程22

一、梯形图符号说明22

二、I\O地址分配24

第二节S7-plcsim仿真25

一、S7-plcsim特点25

二、PLCSimulation软件强大的断电测试功能操作25

三、S7-pcsim仿真流程26

第五章结论30

致谢31

参考文献32

附录33

一、英文原文33

二、英文翻译38

三、源程序43

前言

随着当代社会快速发展，交通作为人类生活必不可少的一部分在现代生活中起着越来越重要的作用。

作为交通运输中的王牌——铁路的发展对现代生活的作用可想而知。

然而地铁作为现代社会新型的一种交通工具，短时间里已经在人们的生活中起到了举足轻重的作用。

近20多年来，在运输市场激烈竞争的压力下，各国铁路，特别是发达国家铁路为实现提速、高速和重载运输，积极引进采用新技术，大幅度提高了现代化通信信号设备的装备水平，新型技术系统不断涌现。

随着铁路运输提速、重载的发展，基于分立元器件和模拟信号处理技术的传统铁路信号设备越来越满足不了铁路运输安全性和实时性的要求。

因此，全面引进计算机技术，利用计算机的高速分析计算功能，来提高信号设备的技术水平已非常紧迫。

数字信号处理技术（DSP,DigitalSignalProcessing）的出现为铁路信号信息处理提供了很好的解决方法。

随着计算机网络技术的飞速发展，实施企业网络化管理已成为企业实现管理现代化的客观要求和必然趋势。

铁路信号系统网络化是铁路运输综合调度指挥的基础。

在网络化的基础上实现信息化，从而实现集中、智能管理。

近年来，我国铁路行业已成功地推广应用了原TMIS和DMIS（现称TDCS）等系统，在利用信息技术方面取得了长足的进步。

具有代表性的列车调度指挥系统TDCS，以现代信息技术为基础，综合运用通信、信号、计算机网络、多媒体技术，建立了新型现代化运输调度指挥系统.

铁路信号是铁路运营的耳目，它的主要功能是保证行车安全。

关于安全条件的检查，最初是靠运营管理措施来保证的，随着铁路运输的发展需要和科学技术的进步，铁路通信信号技术在现代生活中发生了重大变化，车站、区间和列车控制的一体化，铁路通信信号技术的相互融合，以及行车调度指挥自动化等技术，冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念，推动了铁路通信信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。

随着计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和控制技术（Control）的飞跃发展，向传统的以轨道电路作为信息传输媒体的列车运行控制系统提出了新的挑战。

综合利用3C（Computer、Communication、Control）技术代替轨道电路技术，构成新型列车控制系统已成必然。

第一章绪论

第一节铁路信号控制技术

正文近20多年来，在运输市场激烈竞争的压力下，各国铁路，特别是发达国家铁路为实现提速、高速和重载运输，积极引进采用新技术，大幅度提高了现代化通信信号设备的装备水平，新型技术系统不断涌现。

随着铁路信号技术的发展和应用，铁路信号已成为提高运输效率、实现运输管理自动化和列车运行自动控制以及改善铁路员工劳动条件的重要技术手段。

铁路信号系统按其应用场所可分为车站信号控制系统、编组站调车控制系统、区间信号控制系统、铁路行车指挥控制系统及列车运行自动控制系统等。

6502电气集中联锁系统即为车站信号控制系统，它是一个安全继电集中联锁系统。

这个系统主要包括的技术有：

①进路空闲的检测技术；

②道岔控制技术；

③信号控制技术；

④联锁技术；

⑤故障-安全技术。

这些技术都反应在系统的联锁电路中。

在这些电路安装之前，首先需要现场勘测调查，然后设计站场室内室外设备的布置以及电路电缆的走向、送电受电等等。

第二节铁路6502集中管理技术

一、铁路6502技术概述

6502电气集中使用电气（继电器实现）的方法来集中控制和监督车站内的信号、道岔以及轨道电路,并实现他们之间的联锁关系。

它不仅实现了站内行车指挥自动控制,还能准确地反映现场的行车情况并迅速控制,因而也大大提高了车站作业效率和行车安全程度,改善了劳动条件。

由于其采用非对称的“故障-安全”原则,是实现铁路现代化的重要基础设备。

分析6502电气集中电路动作规律,根据故障现象来实现故障的判断与处理,从而提高该设备的运用质量。

6502电气集中电路的动作程序分析6502电气集中电路动作顺序包括选路、排路、检查联锁条件、锁闭进路、开放信号、解锁进路等过程,其中选路由1~6线实现，主要的继电器有JXJ、DCJ、FCJ；7线是实现进路选排一致性的检查，主要继电器是KJ；8线的主要继电器是XJJ，用来检查进路联锁条件，即检查道岔位置是否正确、进路是否空闲、敌对进路是否未建立；9、10线的主要继电器是QJJ（GJJ）,QJJ↑（GJJ↑）为锁闭进路做准备，每一个区段设一个QJJ，每个道岔设有SJ。

当QJJ↑时，1LJ、2LJ落下，SJ落下，实现进路锁闭；11线的主要继电器是XJ，控制信号的开放。

图示为岔道换位法的示意图，以及控制继电器组成架的示意图：

图1.1岔道换位法的示意图

图1.2控制继电器组成架的示意图

二、所选站场简介：

对于工程设计，首先需要勘测调查。

勘测调查是在接到批准的设计任务书，取得按一定比例绘制的车站线路平面图之后进行的，主要包括收集资料和现场勘测两部分。

本次毕业设计的站场原始资料是由工务部门提供的1：

2000的缩尺图，在此基础上绘制有关车站信号工程设计的图纸。

车站信号平面布置图需正确反映电气集中室外主要设备的布置情况及设置地点、线路和股道的运用情况以及站内列车和调车作业的概况等。

所选站场为复线5股道站场，带有牵出线一条，货物线两条。

设计只针对集中联锁区。

其中IG，IIG为正线，可走超限货物旅客列车，其余为站线。

下行咽喉共布置信号机17架，其中调车信号机9架，从D1至D17；进站信号机两架X和XF；预告信号机1架；出站兼调车信号机5架；道岔12个，其中双动道岔为4组，单动道岔为4组。

上行咽喉共布置信号机12架，其中调车信号机4架，从D2至D8；进站信号机两架S和SF；预告信号机1架；出站兼调车信号机5架；道岔7个，其中双动道岔为2组，单动道岔为3组。

全站共设复示信号机9架。

全站除两条货物线非电化外，其余均设电化，车站上行咽喉进站方向坡度大于6‰。

在信号平面布置图的基础上进行6502电气集中的其他工程设计。

三、车站信号平面布置图

车站信号平面布置图是根据委托单位提供的站场缩尺平面图（1：

2000或1：

1000）绘制成的有关信号设备布置情况的技术图纸，它所包含的内容是电气集中所有后续技术图纸的设计依据。

在这张图纸上能正确反映电气集中室外主要设备的布置情况及设置地点、线路和股道的运用情况以及站内列车和调车作业的概况等。

车站信号平面布置图包括以下内容：

①信号楼及其设置位置，联锁区的全部线路以及与联锁区有密切联系的非联锁区线路；联锁区内的全部道岔，需标明每组道岔岔尖距信号楼中心的距离；

②信号机的布置及每架信号机至信号楼中心的距离；分割轨道区段的全部轨道绝缘节，需标明各绝缘节距信号楼中心距离；

③道口房和机车出入库闸楼的位置；继电器箱和局部控制盘等距信号楼中心的距离；

④标明水鹤的位置；标明桥梁、涵洞及高架天桥的位置；标明道口宽度及其距信号楼的距离；

⑤站台的位置、宽度及线路间距；信号楼外墙至最近线路中心的距离；通话柱位置；

⑥股道上及咽喉区内，与信号机有关的及侵入限界的绝缘节处的警冲标位置；

⑦进站信号机外方制动距离内进站方向为超过6‰的下坡道时，需画出接近车站的制动距离内线路坡道示意图；

⑧对集中道岔、股道、色灯信号机及道岔和无道岔轨道电路区段均需标出编号和名称；

⑨车站线路应以箭头表示其接车方向；当有局部控制道岔时，应对局部控制的道岔在平面图上除标以联锁道岔外再画圆圈表示。

四、布置信号机

信号机是指示列车和车列运行的主要设备,车站线路能否被充分利用及使用中是否具备最大的灵活性,很大程度上取决于信号机的布置是否合理。

因此,设计时应对车站线路运用情况进行充分了解，然后再根据<<铁路技术管理规程>>及<<铁路信号设计规范>>来布置全站的信号机。

一般先布置列车信号机，再布置调车信号机。

五、双线轨道电路布置方法

①轨道电路极性交叉；

②轨道电路送、受电端布置；

③绘出各种室外设备，并标出信号楼的距离。

第三节设计的主要内容

根据实际铁路信号控制的原理，采用中心元件PLC对信号灯和轨道变轨器进行控制。

通过对PLC进行梯形图编程、PLC硬件的组态、程序仿真、程序改进、硬件的调试，最终使得PLC有效合理的控制地铁进出站的信号以及变轨。

第二章西门子S7-300PLC概述

第一节西门子S7-300PLC的基本组成部分

一、CPU

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

应该注意的是：

在PLC中，CPU的概念与普通微型电脑的CPU有很大的不同。

在PLC中，CPU指的不是一块集成电路，而是一個模板，其上不仅包括CPU芯片，还有RAM和ROM或者EPROM。

而且，在中大型PLC中，CPU模板中一般有兩快CPU芯片，一片用作字处理器（主处理器），用于字节指令的处理，并实现各种控制作用；另一片用作字处理器（辅助处理器），用于实现位讯息的高速处理。

二、数字I/O接口

用作CPU模板与外部开关量讯号之间的接口。

它完成诸如电平转换、电气隔离、串/并型数据转换以及对外提供一定的驱动能力等工作。

数字I/O讯号常來自按钮、开关和继电器触点等实际开关量，以及其它外设或受控对象送来的数字量。

三、模拟I/O接口

其输入部分主要完成阻抗匹配、讯号放大、讯号滤波、I/V变换、V/F变换或者A/D变换等工作，以便将来自受控对象的模拟量转换成PLC能夠处理的数字量。

其输出部分主要实现阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。

在一些场合下，模拟讯号也需要与现场电气隔离。

但模拟讯号的隔离比数字讯号要复杂得多。

用于数字讯号的光电隔离因线性度较差而不能用來隔离模拟讯号，因此模拟讯号常常採用成本较高的隔离放大器來实现电气隔离。

四、电源

PLC中的电源稳定性好，抗干扰能力很强。

对电网提供的电源稳定要求不高，一般允许电源电压在额定值±15﹪范围内波动。

PLC电源一般有三类：

+5V、±15V直流电源：

供PLC中TTL芯片和集成运放使用；供输出接口使用的高压大电流的功率电源；锂电池及其充电电源。

考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。

电源的可靠性一般取决于系统所需要输出的电压级别，输出的电压级别越高，所要求电源的可靠性越强。

五、特殊功能模板

特殊功能模板一般都自带CPU和系统软件，与PLC的CPU模板并行工作，并通過PLC系统总线与CPU模板接口。

常见的特殊功能模板包括：

高速计数板（能滿足100KHz以上的计数或定时要求）、具有快速PID调节器的闭环控制模板、通讯模板等。

目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。

通常根据其I/O点的数量將PLC分为三大类：

小型机：

256点以下（无模拟量）；

中型机：

256~2048点（64~128路模拟量）；

大型机：

2048点以上（128~512路模拟量）。

具体实现時，通常採用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置。

但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU，甚至两者都作了热备份，主要保证PLC的数据资料得到最可靠的保存[5]。

第二节西门子S7-300PLC的硬件配置

一、西门子S7-300PLEC的组成

西门子S7-300PLC主要分为整体式PLC（如图2-3）和模块式PLC（如图2-4）。

尽管他们结构不太一样，但个硬件组成和功能作用都是一样的。

一般的，PLC由四大部分组成：

CPU、存储器、I/O系统以及其它可选部件。

前三大部分是PLC完成各种控制所必需的，一般称为PLC的基本组成部分。

其它可选部件包括编程器、外存储器、模拟I/O、通讯接口、扩展接口以及测试设备等，主要用于系统的编程组态、程序存储、通讯网络、系统扩展和系统测试等

二、西门子PLC的分类

①S7系列：

传统意义的PLC产品，S7-200是针对低性能要求的小型PLC。

S7-300是模块式中小型PLC，最多可以扩展32个模块。

S7-400是大型PLC，可以扩展300多个模块。

S7-300/400可以组成MPI、PROFIBUS和工业以太网等。

②M7-300/400：

采用与S7-300/400相同的结构，它可以作为CPU或功能模块使用。

具有AT兼容计算机的功能，可以用C，C＋＋或CFC等语言来编程。

③C7由S7-300PLC，HMI（人机接口）操作面板、I/O、通信和过程监控系统组成。

④WinAC基于Windows和标准的接口（ActiveX，OPC），提供软件PLC或插槽PLC。

图2.1多机架的S7-300PLC

第三节S7-300系列PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

①输入采样阶段：

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有