基于PLC的动车车顶地沟人员作业测控系统设计Word格式文档下载.docx
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由于动车库内安装有上千伏的高压接触网以及不同设备交叉作业之间存在安全隐患，即使是瞬息间的失神或轻微的判断错误都有可能造成严重的后果。
目前PLC在动车上也得到了广泛的应用，如资阳机车厂和青岛机车厂已在1995年选用日本三菱公司的FX2-80型PLC完成了工矿车控制系统的PLC改造现已投入运营，经技术统计控制系统的故障率减少了95%以上，唐山机车车辆厂于1998年自行开发研制成功的SYZ25型“庐山”号动车就采用了PLC控制，运行良好，PLC在动车系统中发挥了重要作用。
目前动车组越来越多的控制都用到了PLC，PLC控制系统在动车组中发挥着重要作用，对于动车组有重要意义。
三、采用的方法与手段：
通过查阅相关资料，实地考察动车检修作业人员作业，充分了解检修作业人员的作业流程。
据此设计程序流程图，设计出PLC梯形图并设计硬件连线图。
并在指导老师的帮助下完成程序及整个系统的完善。
四、预期达到的效果：
完成对动车车顶、地沟检修人员人体检测及报警电路。
当检测到人体时接触网不能通电。
指导教师签字
时间
2012年2月10日
摘 要
动车库内属高电压作业区,为确保动车车顶及地沟作业人员施工时的安全，更好地保护作业人员在生产过程中的安全和健康，更好的降低风险可能导致的事故，减少事故造成的损失，需对作业人员进行检测。
本文主要介绍了基于PLC的人体检测及控制电路。
文中应用传感器对车顶及地沟作业人员进行检测，并将信号输入到PLC，由PLC进行控制，确保作业人员作业时接触网一直处于断电状态。
并对周边无关人员进行检测，当发现无关人员时由PLC控制报警电路报警，提醒工作人员注意。
关键词:
动车库PLC传感器
Abstract
Activityinthegarageareaisahigh-voltageoperation,toensurethesafetyoftheconstructionontheroofofEMUandthetrenchworks,tobetterprotectthesafetyandhealthofworkersintheproductionprocess,reducetheriskofcausingandaccident,reducethelossescausedbytheaccidentneedtooperating,personnelfortesting.ThispapermainlyintroducesthePLC-basedhumandetectionandcontrolcircuit.Paperdetectionsensorontheroofandtrenchworks,andthesignalinputtothePLC,controlledbythePLCtoensuretheoperatingpersonnelareoperatingtheOSChasbeenintheoffstate.Andsurroundingunrelatedpersonneldetection,thePLCcontrolledthealarmcircuitalarming,whendiscoveredtheunrelatedperson.Andremindthestaffmembersbeattention.
Keywords:
thebullettrainrepairworkshopPLCsensor
目 录
第1章 绪 论
1.1选题的背景及意义
高速铁路具有输送能力大、速度快、安全性好、正点率高、舒适、方便、能源消耗低、土地利用率高、社会效益显著等特点是解决大量旅客快速输送的最有效途径。
1.2国内为研究现状
1.2.1动车检修的发展现状
随着高速列车和城市轻轨线路的飞速发展，车辆段的检修工作显得日益复杂、繁忙。
由于库内安装有上千伏的高压接触网以及不同设备交叉作业之间存在安全隐患，即使是瞬息间的失神或轻微的判断错误都有可能造成严重的后果。
1.2.2传感器检测技术的发展现状
检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量地掌握所采渠道一系列技术措施，它是产品检验和质量控制的重要手段。
借助于检测工具对产品进行质量评价是人们十分熟悉的，这是检测技术的重要领域。
另外，随着新型检测技术的不断成熟和发展，它在大型设备安全经济运行和监测设备，通常在高温、高压、高速和大功率状态下运行，保证这些关键设备的安全运行具有十分重要的意义。
为此，通常设置故障检测系统以对温度、压力、流量、转速、振动和噪声等多种参数进行长期的动态监测，以遍及时发挥异常情况，加强故障防御，达到早期诊断的目的。
这样做可以避免严重的突发情况，保证设备和人生安全，提高经济效益。
随着计算机技术的发展，这类检测技术系统已经发展到故障自诊断系统。
可以采用计算机技术来处理监测信息，进行分析、判断，及时诊断出设备故障并自动报警或采用相应的对策。
检测技术的完善和发展推动了现代科学技术的进步。
人们在自然科学的各个领域内从事的研究工作一般是利用已知的规律对观测试验的结果进行概括、推理，从而对所研究的对象取得定量的概念，并发现它的规律性，然后上升到理论。
因此现代化检测手段所达到的水平在很大程度上决定了科学研究的深度和广度。
检测技术所达到的水平越高，提供的信息越丰富、越可靠，科学研究取得突破性进展的可能性越大。
从另一方面看现代生产和科学技术的发展也不断的对检测技术提出新的要求和课题成为促进检测技术向前发展的动力。
科学技术的新发现和新成果不断应用于检测技术中也有力地促进了检测技术自身的现代化。
第2章 动车的发展及检修
2.1 动车的发展
德国是最早制造和运用动车的国家，制造技术一直领先。
1903年7月8日，首先运行了由钢轨供电的动车组，由4节动车和2节拖车编成。
同年8月14日，又运行了由接触网供电的动车组，这是世界上第一列由接触网供电的单相交流电动车组。
同年10月28日，西门子公司制造的三相交流电动车进行了高速试验，首创时速210.2公里的历史性记录。
美国在20年代拥有汽油动车数量已超过700辆。
1913年瑞典千瓦电力传动柴油动车,后来又制出功率为185千瓦同类型的动车,还能挂3～4节附挂车。
在20～30年代柴油动车发展迅速，为欧洲、美洲国家和日本所大量使用，有些国家拥有动车数千辆。
大洋洲、非洲和东南亚、南亚、中东国家也有使用。
这个时期内无论在动力装置、传动装置、走行部、车内设备等结构方面，还是在舒适性（消减振动和噪声）以及运行速度等性能方面都有很大改进。
在动力装置方面，以内燃机为动力的动车几乎都采用高速柴油机。
它的热效率比汽油机高，燃料较便宜，每千瓦平均重量较小，功率从100千瓦左右发展到800千瓦左右，运行速度达到每小时140公里。
在传动装置方面，200千瓦以下小功率动车采用机械传动，功率大的因变速换挡复杂不易操纵而用电力传动或液力传动。
20世纪初电力动车已用在电气化铁路上。
从1998年我国第一列商用动车组在南昌铁路局运营以来，目前已有几十列动车组奔驰在全国万里铁道线上。
我国的现有动车：
1、姓名：
高速列车“和谐号”380BL；
厂家：
中国北车长客股份中国北车唐车公司；
速度：
持续运营时速380公里，最高运营时速468公里，最高试验时速可超过500公里。
3、CRH2型动车组：
南车四方（联合日本川崎）生产。
200公里级别（营运速度200KM/h，最高速度250KM/h）。
4、CRH3C列车的原型为德国铁路的ICE-3列车（西门子Velaro）中国以引进西门子公司先进技术并吸收的方式，由中国北车唐山轨道客车在国内生产实现国产化，300公里级别（营运速度300KM/h，最高速度380KM/h）。
5、CRH5型动车组是以阿尔斯通公司SM3型动车组为原型车，通过全面引进设计制造技术，由长客股份公司在国内制造生产的，设计速度200Km/h，最高试验速度250Km/h，等等一系列动车组。
2.2 动车的检修及工作体系
按照中华人民国和国铁道部颁布的《铁路技术管理规程》（2007年4月1日起实施的版本）：
动车组实行以走行公里为主的定期检修，检修周期及技术标准按铁道部检修规程执行。
动车组应有专门检修、运用基地，根据需要设备检修库、临修库、供动车组停放的库线、应又相应设备对转向架、车下设备、车上及车顶设备进行检查、维修和清洗作业。
动车组日常运用的整备、清洁、和排污作业在运用基地完成。
动车检修在我国分为五个等级，一二级为日常修，就是每天晚上车体进库后做一个体检，包括车体清洗及外观检查，数据测量受电弓实验，三四级是按动车所跑的公里数来换件修，如CRH1型车当行驶到120万KM时需三级修，240万KM时就得四级修。
而五级修为厂修，几乎全部更换零件。
2.3 动车的一级检修作业流程
2.3.1 检修分工
1、CRH2A型单列动车组
（1）地面一级修作业小组（4名作业人员）负责车顶高压设备、司机室设备、客室配电柜、车体两侧及车底部设备等维护检查。
其中①、②号负责司机室设备、客室配电柜、车顶设备检查及相关性能试验。
③、④号负责车体、裙板、底板、转向架、钩缓连接、制动、车端连接等下部检查。
③、④号车底作业时，前后须间隔3米左右，以车体中心线为界每人检查各一侧，与齿轮箱连接的牵引电机归齿轮箱检查侧作业人员检查，车底中央设备、底板安装状态两人均需检查。
（2）乘务组（1名随车机械师）负责一级修范围内的车内客室设备设施、受电弓控制阀板、自动过分相控制装置状态检查。
（3）辅助人员（2名）负责动车组进库接车、出库送车检查。
在动车组出、入库时,辅助人员分别在动车所入库的库门两侧接车，听取轮对及车下设备运转有无异音，检查车号、目的地显示器、侧门指示灯、车下散热风机等工作状态是否正常，发现故障及时向调度报告。
2、CRH2A型重联动车组
1．重联动车组一级检修由2个检修作业小组（8名作业人员）完成。
（1）每个作业组对1组动车组检修，作业流程和检修路线分别按单列车执行。
主控钥匙领取、供断电申请由动车组非出库端（可按各所实际情况确定）作业小组的①号负责。
由两个作业小组的①号分别完成动车组出库端、非出库端司机室的性能试验。
重联端车钩的检查全部由动车组出检查库方向作业小组的③、④号负责。
动车组重联端司机室的功能测试项目取消。
（2）动车组无电作业时，出库端①号负责在司机室升降弓操作，两个作业组的②号负责对各自动车组的两个受电弓进行检测。
（3）动车组有电作业时，在得到出库端作业组①号司机室性能测试完毕、主控钥匙已拔出的通知后，非出库端作业组①号方可投入主控钥匙进行司机室试验。
出库端①号司机室试验时升后弓，非出库端作业组①号比照司机换端操作程序，断电后换弓再进行试验。
2．辅助检查人员（2名）按单列车作业要求执行。
乘务组（2名随车机械师）每人检查一列，检查内容同单列动车组。
（1）CRH2B、2E型长编组动车组
长编组动车组一级检修由2个检修作业小组（8名作业人员）完成。
2个作业小组检修作业分工参照CRH2A型重联动车组执行。
辅助检查人员和乘务组按CRH2A型单列车作业要求执行。
2.3.2 一级检修作业流程框图
图2-1一级检修作业流程图
2.3.3 CHR2A型动车组检修路线
（1）车顶作业路线
（2）车内作业路线
（3）地沟作业路线
（4）车体两侧作业路线
2.4 动车作业人员安全作业的重要性
由于轨道交通具有用地省、运能大、速度快、节约能源、减少污染、运行经济、安全性好等优点，目前动车处于快速发展阶段。
而我国检修基地和车辆的检修人员数量与车辆的发展不成正比，而且动车组的检修有严格的时间限制，所以大量的检修作业要求作业人员的应该具有高效率。
正是由于作业量的增多，作业时间的限制，检修人员安全问题成为关注的重点，虽然安全教育不断和大量的宣传，但是仍有很多事故发生，如发生在2012年2月3号北京南动车所的事故，CRH3-010C动车组一级检修甲班一组作业人员3号杨世华、4号陈鑫在接触网未断电的情况下违章进入地沟开始车底作业，严重违反相关要求，通过这实例，体现了人控存在很多弊端，所以我们迫切需要一个完善的技术安全防护措施，真正做到安全第一，预防为主，保障作业人员安全。
第3章 作业人员检测系统单元设计
3.1 PLC的选择
可编程控制器，英文称ProgrammableController,简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。
PLC是用于工业现场的电控制器。
它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。
它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物流过程去实现对负载的控制。
PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。
普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。
而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。
特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题，入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。
PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。
其功能要比继电控制装置多的多、强的多。
PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：
①逻辑处理功能;
②数据运算功能;
③准确定时功能;
④高速计数功能;
⑤中断处理（可以实现各种内外中断）功能;
⑥程序与数据存储功能；
⑦联网通信功能；
⑧自检测、自诊断功能。
可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。
像PLC这样。
集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能。
PLC的选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
3.1.1 输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%~20%的可扩展。
余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
本课题的I/O点数为输入21点，输出15点。
3.1.2 存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定公式，许多文献资料中给除了不问公式，大体上都是按数字量I/O点数的10~15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储1000跳梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
3.1.3 控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。
（1）控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
（2）编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。
在线编程方式：
CPU和编程器有个自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序进行。
这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多钟语言编程形式，如C,Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
（3）诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过引荐的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
3.1.4 机型的选择
目前，国内众多的生产厂家生产了多钟系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。
通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分许。
所以决定使用三菱公司生产的FX2N系列的FX2N-48MR型号的可编程控制作为检测及分检的控制器。
3.2 传感器的选择
传感器就是能感知外界信息并将其按一定规律转换成可用信号的机械电子装置。
简言之，传感器就是将外界被测信号转换为电信号的电子装置，它由敏感器件和转换期间两部分组成，有的半导体敏感器件可以直接输出电信号，其本身就构成传感器。
敏感期间品种繁多，就其感知外界信息的原理而言，可分为：
物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应；
化学类，基于化学反应的原理；
生物类，基于酶、抗体和激素等份子识别功能。
通常，根据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
3.2.1 常见传感器介绍
1.电感式传感器
电感式传感器是由LC振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成。
振荡器产生一个交变磁场。
当外界的金属性导电物体接近这一磁场，并达到感应区时，在金属物体内产生涡流，从而导致振荡衰减，以致停振。
振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。
2.光电传感器
光电传感器的基本转换原理是将被测量参数转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件转换成电信号的输出。
常用的光电传感器是采用发光二极管作为光源，光源经过透镜聚焦于空间某一点。
如果在该点有障碍物，光就照不到光敏二极管上，电路处于偏置状态，PN结截止，反向电流很小。
当没有障碍物遮挡时，光照到光敏二极管上时，PN结附近产生电子——空穴对，并在外电场和内电场的共同作用下，漂移过PN结，产生光电流。
此时，光电流与光照强度成正比，光敏二极管处于导通状态。
具体方法是在光源侧使用发光二极管，在受光侧使用光敏二极管，并将信号处理电路集成制作在一块芯片上。
它的特点是体积小，可靠性高，工作电源电压范围宽，接口电路的复杂程度大幅度减少，可直接与TTL，LSTTL和CMLS电路芯片连接。
3.电容式传感器
电容式传感器的感应由两个同轴金属电极构成，很像“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串联在RC振荡回路内。
电源接通时，RC振荡器不
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