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铁路与公路交叉口自动控制系统设计的论文
铁路与公路交叉口自动控制系统设计
XXXX
专业名称：
自动化
指导教师：
XXXX讲师
摘要
本设计是护栏自动控制系统。
是由超声波传感器和振动传感器来控制的。
设计中采用了T/R40-16超声波传感器和ZD25振动传感器检测火车信号。
护栏的升降采用三相异步电动机启动。
三级减速外啮合齿轮传动减速器。
控制系统选用FX1NPLC控制。
利用限位开关对护栏位置控制。
栏木机上还装有电磁摩擦制动器，保证护栏可以处在水平和垂直两个极限状态，同时还具备与时制动功能，可使栏杆保持在任何状态。
当机车通过交叉口若干分钟以前，公路段上红灯亮，警铃响，护栏自动下降。
当机车离开时，公路段上绿灯亮，护栏升起，行人与汽车通过。
关键词：
可编程控制器限位行程开关交叉口
Abstract
Theautomaticcontrolsystemisdesignedguardrail.Bytheultrasonicsensorandavibrationsensorcontrol.DesignusesultrasonicsensorsandZD25T/R40-16vibrationsensordetectsatrainsignal.FenceMoveMentsusingthree-phaseasynchronousMotorstarting.Threeexternalgeardrivegearreducer.FX1NPLCcontrolsysteMusedtocontrol.TheuseofliMitswitchesforpositioncontrolfence.TheMachineisalsoequippedwithanelectroMagneticfieldofwoodfrictionbraketoensurethatthefencecanbeinboththehorizontalandverticalliMitsofthestate,alsohasbrakingfunctionintiMe,inanystatecanreMainrailing.
WhenthelocoMotivethroughtheintersectionafewMinutesago,theredlightonHighwaypolicerang,fenceautoMatic（Manual）declined.WhenthelocoMotiveleftonHighwaygreenlight,fencerises,pedestriansandcarspass.
Keywords:
PrograMMable,Controller,crossings
1绪论
自动控制技术从20世纪上半叶形成发展至今，已广泛用于众多领域，控制理论的很多思想和方法不仅应用在工程技术中，而且已渗透进医学、生物学甚至社会、经济的方面，自动控制在现代化建设中起着越来越重要的作用，控制理论研究的深入和计算机技术的迅速发展，使一些控制系统已实现数字化、智能化、计算机化和集成化，从而使控制系统功能更强性能更忧、体积更小、运行更可靠。
使得控制技术已成为国家、社会现代化的重要标志之一。
1.1本文研究的背景与意义
随着交通越来越发达。
人们对交通速度的要求也越来越高。
火车在提速的同时，安全问题也变成了一个需要解决的问题。
汽车越来越多，公路和铁路交叉的地方也越来越多，因此本文来做一个简单的交叉口安全问题解决方法。
本文简单的方法可以使用于铁路和公路交叉口，让道路更加安全，人们可以更加方便清楚的知晓什么时候可以从铁路和公路交叉口开车走过。
在铁路与公路的交叉口的管理中，护栏的启动、回撤以与铁路公路段的报警和灯示通常皆由道口值班人员操作控制，自动控制技术的不断发展与成熟，铁路与公路交叉口采用PLC控制系统，铁路调度人员可以在调度室直接启动PLC控制系统来管理交叉口处、以与多处交叉口的交通。
这样既提高了控制效率，又减少了人力物力，更加强了交通安全性。
1.2研究现状
目前国铁路公路交叉口安全现状。
早期的铁路与道路平交道口只设有简单的警告牌和道口标志，或是在繁忙的道口设看守员，利用机械栏木或栅门进行防护。
随着铁路、道路车辆数量的增加和速度的提高，铁路道口的防护也日益发展和完善。
20世纪20年代，开始在铁路道口设置由轨道接触器或轨道电路控制的自动报警机。
50年代开始出现无人看守的道口自动信号和自动栏木设备。
60年代相继研制出连续测速定时报警的道口自动信号、半自动栏木、全自动化道口防护设备等。
目前，各种遥控栏木和自动信号，以与障碍物自动探测装置和故障集中监视装置正在广泛应用于铁路道口防护。
经济发展与交通事业发展是相辅相成的，没有经济的发展，交通事业的发展将失去发展的基础；交通又会反过来对经济的发展产生巨大的反作用。
具体体现为，交通的快速发展将推动经济的健康增长，而交通的萎缩将成为经济发展的瓶颈，限制经济的发展。
因此，道路交通的顺畅，是国家和地区经济持续、快速增长的非常重要的条件。
我国的公路网营业里程已经突破180万公里，高速公路近2万公里，铁路营业里程达73002公里。
民航和水运也取得充分的发展，中国形成初具规模的运输网络，大大改善了我国的交通运输现状，极大的促进了我国经济的进一步高速发展。
尤其是作为运输骨架的铁路、运输主体的公路，在中国经济高速发展进程中发挥着重要的作用。
但是同时也出现了一些我们没有预料到的问题，特别是汽车保有量的急剧增长，导致了交通拥堵、交通事故、环境污染、能源紧缺等一系列严重问题。
铁道部门的统计资料显示，最近几年来，随着我国铁路的提速、机动车保有量的迅速增长，加之国民安全意识较差，铁路设备的更新换代没有跟上经济发展的步伐等一系列的原因，导致我国铁路平交道口交通事故一直保持在较高的水平。
如2002年发生道口交通事故728件，已经是近20年来的最低水平。
每年仅道口交通事故就造成2000万的直接经济损失。
由于受客观条件的限制，还没有能力从高安全性的先进科技设备应用、科学管理的角度，彻底解决铁路平交道口的交通事故问题。
下面就我国平交道口事故发生率高的原因做出分析，在对新技术应用、经济体制改革的可行性进行阐述后，提出相应的建议。
道口安全现状
据铁路工务部门统计（2003年），我国目前全路由平交道口13149处，从97年至今，我国在铁路平交道口方面投入了较大的力度，增加立交3834处，拆除立交5102处。
在所有的平交道口中，有2000余处由铁路派人看守，其他道口部分繁忙路口由地方政府派人进行监管，约3000处。
，我国铁路平交道口的交通事故，呈现出逐年下降的趋势。
由其他的相关资料，可以得出一个总的结论，在政府的高度重视下，在铁路单位和地方各级政府的共同努力下，我国铁路平交道口的交通事故率、重大事故率、伤亡率以与经济损失，都在稳步下降，道口交通事故的发生得到一定的控制。
道口安全面临的问题
如上所述，我国铁路道口的交通事故，得到一定的控制，但是事故发生率还保持较高的水平，这主要是在铁路提速、机动车保有量的快速增长的前提下，铁路道口的安保设施、管理手段没有跟上的缘故。
分别分析如下：
资金不足，设施落后
自1997年以来，铁道部和各个铁路局每年投入约10亿元进行平交道口的改造，但是这个资金投入是远远不够的。
我国还有一万多个路口没有改造，相对而言，改造的难度是非常大的，如资金来源、地方政府的配合程度，都会直接影响“平改立”工程的进展。
改造进程中，铁路与地方现实利益的冲突是永久的、绝对的。
所以路口防护设施改造、道口看守是减少铁路与地方利益冲突的重要缓冲手段。
而目前道口防护的改造，主要是增加道口信号、防护栏、警铃、派人看管等，这样会明显增加铁路运营成本、降低铁路运输效率。
因此，道口防护信息化、科技化，管理科学化就被提上议事日程了。
道路交通人员素质较低，违章操作现象普遍
人口众多是我国的基本国情，人口总体素质低下又是一个突出的特点。
根据铁道部的统计，在2002年发生的所有道口交通事故中，有95%是属于路外责任。
其中有81%的道口交通事故是由于机动车驾驶人员不遵守《中华人民过和国道路交通管理条例》第44条的规定，非法抢越道口，造成重大交通事故，导致人员伤亡和巨大的经济损失。
因此，提高广大国民尤其是机动车司机的自身素质和守法意识，是一个艰巨、长期而又十分紧迫的问题。
解决交叉口交通问题的建议
可以看出，我国铁路平交道口数量众多、安全状况较差。
在实施“平改立”的过程中，又遇到了资金不足、地方不支持等很难协调的问题。
因此，铁路在努力推进“平改立”的工作的同时，努力提高铁路平交道口设施的科技含量，加快道口防护的信息化进程，是一个可取的发展方向。
目前，铁道部已经把GSMR作为铁路信息化的发展方向，已经应用到青藏铁路，据目前测试的结果来看，这门技术已经发展成熟，为运营组织中的海量数据与时传输提供了条件。
另外，加强GPS在列车定位中的应用，结合GSMR技术，实现列车信息在道口的实时发布，为道口控制、管理和道口与火车司机的通信创造一个良好的工作平台。
上述技术是一个关于道口防护发展方向的构想。
铁路局为解决近年来出现的道路车辆撞火车、威胁旅客列车安全问题，于2002年研制的“铁路道口防撞装置”已经通过铁道部鉴定。
铁道部决定在京哈、京广、京沪、京九四大干线提速区段尚未实现平交改立交的108处有人看守道口全部安装这种装置。
为提高道口事故防护水平做出了一个非常有用的探索。
解决道口交通问题的建议
要解决我国的铁路平交道口交通事故问题，要从体制和科技两个层面进行解决。
因为健全体制和发展科技是相辅相成的两个方面。
健全体制可以提高系统效率，保证先进科技的顺利应用，先进科技的顺利应用又能促进体制的健全。
下面分别从体制层面和科技层面提出解决道口事故的建议。
科技强路，改善交通经济的发展促长了交通事故的发生，同样，经济的发展也能促进道口的立交化改造以与科学技术在事故防中的应用。
1．加快道口平改立步伐。
今后几年，随着国民经济不断发展，公路和铁路必将进入快速发展时期。
火车提速、机动车猛增，道口安全问题将会越来越突出。
铁路部门和地方政府要从长远利益出发，加大道口平改立的力度，彻底解决道口安全问题。
2．积极把先进科技应用到道口设施改造中来，如GPS、GSMR等技术，对于提高道口安全性、通过能力都能起到很大的作用。
努力提高道口信息化水平，使得道口设施更加人性化。
3．地方交通部门积极探索公路与铁路交叉口的衔接方式，落实道口标志、标线的检查验收，对于不合标准的，立即进行改造。
交叉口交通控制器设计的必要性随着我国经济建设的不断发展，交通运输业已日愈繁荣，而路网的建设速度也是有限的，解决之道是提速，现在的火车已经提速到了250kM/小时，使得500M远的火车能在7.2s钟到达你身边。
现有的道口情况是：
人流和车流量多的铁路道口采用栏杆来切断火车通过交叉口时公路方向的流通，但是这种栏杆完全是由人工实现的，因此浪费了大量的人力；一些人流和车流量少的道口即无人看守也无栏杆，增加了道口的危道险性。
现在，电子技术已经渗透到社会生活的各个方面，采用电子技术可以精确的检测火车的到来与离开，并对铁路交叉口的拦车杆实现自动控制，则不仅有效地提高道路运输力，促进交通运输业的发展，又确保了道口的安全通行。
1.3本文研究的容与安排
本设计是护栏自动控制系统。
是由超声波传感器和振动传感器来控制的。
设计中采用了压力传感器检测火车信号。
护栏的升降采用三相异步电动机启动。
三级减速外啮合齿轮传动减速器。
控制系统选用FX1NPLC控制。
利用限位开关对护栏位置控制。
栏木机上还装有电磁摩擦制动器，保证护栏可以处在水平和垂直两个极限状态，同时还具备与时制动功能，可使栏杆保持在任何状态。
当机车通过交叉口若干分钟以前，公路段上红灯亮，警铃响，护栏自动（手动）下降。
当机车离开时，公路段上绿灯亮，护栏升起，行人与汽车通过。
2PLC可编程控制器
2.1可编程序控制器的定义
可编程序控制器，英文称PrograMMableController，简称PC。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalCoMputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。
国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿。
在第三稿中，对PLC作了如下定义：
可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器与其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
定义强调了PLC是：
1数字运算操作的电子系统——也是一种计算机2专为在工业环境下应用而设计3面向用户指令——编程方便4逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作5数字量或模拟量输入输出控制6易与控制系统联成一体7易于扩充
2.2PLC的结构
（1）主机
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接受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，经分析后在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。
与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器与实现它们之间联系的数据、控制与状态总线构成，还有外围芯片、总线接口与有关电路。
它确定了进行控制的规模、工作速度、存容量等。
存主要用于存储程序与数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令与执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算，并存储运算中的结果，它也是在控制器指挥下工作的。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU部的详细分析以无必要，我们只要弄清楚它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示，种种接口与设定或控制开关。
一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。
箱体式PLC的主箱体也有这些显示，它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有存接口，用于安装存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。
CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、存区等。
（2）输入/输出（I/O）接口
I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。
输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。
输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。
I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。
I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。
（3）电源
有些CPU中的电源，是与CPU模块和二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC个模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源以其输入类型有：
交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电流电压，常用的为24V。
（4）编程
编程是PLC利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。
通过专用的PCI电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的软件进行电脑编程和监控。
（5）输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
（6）底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个
（7）PLC外部设备
外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类
编程设备：
有建议编程器和智能图形编程器，由于编程、对系统作一些设定、监控PLC与PLC所控制的系统的工作状况。
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。
监测设备：
有数据监视器和图形监视器。
直接监视数据或通过画面控制数据
存储设备：
有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。
输入输出设备：
用于接受信号或输出信号，一般有条码读入器，输入模拟量的电位器，打印机等。
2.3PLC的基本工作原理
可编程序器属于工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，通过执行反映控制要求的用户程序来实现。
执行用户程序时，需要各种现场信息，如果这些现场信息已送到PLC的输入端口，PLC将采用所有输入信号并存放到输入映象寄存器中，执行用户程序时所需输入状态均在输入映象寄存器中取用。
同样，PLC对外部的输出控制也是先把CPU执行用户程序后的输出结果存放在输出映象寄存器中，等执行完用户程序后，将所有输出结果一次性向输出端口或输出模块输出，使输出设备部件动作。
PLC的工作过程是一个不断循环扫描的过程。
CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
当PLC处于正常运行时，PLC会不断循环扫描地工作下去。
2.4PLC控制系统与电器控制系统的区别
PLC控制系统与电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。
不同之处主要在以下几个方面：
（1）从控制方法上看，电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。
另外，继电器的触点数量有限，所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。
而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。
系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。
（2）从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。
而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式
（3）从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。
而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。
（4）从定时和计数控制上看，电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。
而PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时围宽，用户可根据需要在程序中设定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。
（5）从可靠性和可维护性上看，由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。
而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便
3.5本章小结
这章通过简单的介绍，说明了PLC的定义、结构、工作原理以与PLC的特点，给大家一个简单的认识，给系统设计做了一个初步的期间选择。
3设计方案与器件选型
3.1设计方案
在铁路和公路的交叉口处，汽车、行人的各自交通皆应受交叉口护栏的开启、关闭的控制。
以与指示灯、响铃的提示。
这种控制和提示可以用PLC去完成。
自动控制系统中，选用超声波传感器和振动传感器共同检测机车到来的信息。
采用两种传感器共同检测可以降低系统的误动作。
确保交通的安全和车辆的畅通。
当机车要通过交叉口若干分钟之前，传感器得到信号后。
PLC控制声光报警器。
此时，公路段上红灯亮、警铃响。
系统向机车司机与行人提示，机车要通过交叉口，公路段要关闭。
PLC控制电动机得电，电动机转动，护栏下降。
当机车离开时，振动传感器得到信号后。
PLC控制电动机反转、护栏升起。
其结构如图3.1所示。
图3.1交叉口布置图
图中A1、B1的位置距道口2公里，A2、B2的位置距道口1公里。
在铁路和公路的交叉口处，汽车、行人的各自交通皆应受交叉口护栏的开启、关闭的控制。
以与指示灯、响铃的提示。
这种控制和提示可以用PLC去完成。
自动控制系统中，选用超声波传感器和振动传感器共同检测机车到来的信息。
采用两种传感器共同检测可以降低系统的误动作。
确保交通的安全和车辆的畅通。
在铁路与公路交叉口护栏自动控制系统中，采用传感器检测机车信号，PLC控制护栏的升降。
而电路的设计、梯形图的编制成为整个设计的重点、难点。
3.2元器件选择
3.2.1PLC选型
根据控制要求，此系统需要11个输入端子，5个输出端子，三菱FX1NPLC可以满足这个条件，而且三菱FX1NPLC价格适合，所以选择三菱FX1NPLC
FX1NPLC是一种普遍选择方案,最多可达128点控制,并且能增加特殊功能模块或扩展板。
通讯和数据通信和数据连接功能选项使得FX1N在体积通信和特殊功能模块和能源控制等重要的应用方面非常完美。
系统有11个输入信息：
5个传感器、4个限位开关、两个按钮。
PLC需用11个输入点分别与它们的常开触点相连。
PLC需要用5个输出分别驱动电动机的正反转、声光报警器、制动接触器的线圈。
3.2.2超声波传感器选择
当有40KHz的脉冲电信号从它的两引脚输入时，通过激励换能器处理以后，将其转换成机械振动的能量,其振动频率约为在20KHz以上，由此形成超声波.该信号经锥形“辐射口”处将超声波信号向外部空间发射出去。
当发射出去的超声波信号遇到障碍以后，立即被反射回来，接收
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