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1、基于PLC 的厂区铁路道口报警系统设计,摘要：针对厂区铁路道口存在的安全隐患问题，设计了一种铁路道口报警系统。该系统采用微型PLC控制技术，由红外线探测器、微型PLC 和报警器3 部分组成，可自动监测火车运行方向、火车所处位置，进行灯光、语音报警，可为铁路路口车辆、行人提供安全保证经实际运行检验，该系统具有技术方案成熟、长期运行可靠、报警准确无误等优点。 关键词：PLC ；自动监测；红外线探测器；报警,引言,在大型矿厂和一些制造火车的工厂中有较多铁路，用于运输货物和拖动制造的机车。这些铁路遍布于厂区，不可避免地与厂区的道路平面交叉。厂区内有大量的建筑和树木，会影响视线，造成道路上的汽车司机和行
2、人看不到运行的火车，特别在倒车时，火车司机也看不到车辆和行人。在火车即将到达路口时，为了提醒车辆和行人，必须在路口安装报警设备。老式的警示设备一般由单片机等电子电路构成，虽然制造成本较低，但电路复杂，抗干扰能力弱，对工作电压和环境温度要求较高，在潮湿炎热的南方，电子电路的故障率较高，整机不稳定，这些都不利于报警设备的有效应用。,引言,可编程序控制器（programmable logic controller，PLC）是以微处理器为基础的通用工业控制装置，在内部电路中采用了先进的抗干扰技术，具有较强的抗干扰能力，平均无故障时间达数万小时，可直接用于干扰强烈的工业生产现场。PLC 已被广大用户公认
3、为最可靠的工业控制设备，其安装接线较方便，一般采用接线端子连接外部接线。PLC 具有较强的负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型继电器。以PLC 和继电器来代替电子电路，可降低设备的故障率，提高报警设备的稳定性。同时，PLC 对环境的适应能力较强，与电子电路相比，更适于在南方使用。,系统概述,本系统利用红外线探测器探测火车（火车头）和货物车辆（运货挂车）的运行状态和位置，将对应的信息传输到PLC，PLC 根据程序判断执行相应的命令，驱动声光报警设备。 将编号为1, 2, 3, 4 的红外线探测器 （对射式）按图1 所示成组安装在铁轨的两侧，1, 2 为一组，3, 4 为一组，距离都为0.5
4、m，高度都为火车转向架高度。,系统概述,厂区火车频繁通过公路，一般通过公路道口时的运行速度在20 km/h 以内，而行人和汽车在通过铁路时的速度在5 km/h 以内。铁路两侧10 m 之外为安全距离，人和汽车通过铁轨并到达安全区域，需要的时间约为10 s，而在此时间内，火车的前进距离约为40 m。因此， 本系统将探测器安装在距离公路 80 m 的位置。 。,系统概述,当火车及货物车辆从左侧经过1,2 探测器或从右侧经过4,3 探测器时，探测器将相关的开关信号传输给PLC，PLC 按预定的程序执行驱动，开启并闪烁公路上的报警红灯，同时喇叭发出报警声音。由于公路两边的探头之间距离为160 m，如火
5、车以5 km/h 的速度行驶的话，需要2 min，因此报警提示时间为2min，提示火车在距离公路80 m附近，即将通过公路，行人和车辆应停止通过铁路。在2 min 之内，如果火车驶离安全距离，灯光和声音将自动停止；如果没有驶离安全距离，说明火车不会通过公路，将长时间停留在铁轨，2 min 后报警将停止，行人和车辆可通过铁路,报警装置设备安装示意图,硬件设计,为了检验报警设备是否正常工作，装设一个手动开关，该手动开关接入PLC 的输入端口，通过拨动开关，可定期检查报警设备的工作状况。同时利用该手动开关，可在探测器出现故障时，进行人工报警，保护行人和车辆的安全。根据设计原理，以4 个探测器的检测信
6、号作为PLC 的输入控制信号。因此，整个报警装置需要使用5 个PLC 输入端口。报警装置由4 个报警灯和2 个报警喇叭组成，安放在铁路道口两侧（见图1）。报警灯由发光二极管（light emitting diode，LED）制成，2 个为一组。这样，若某一个报警元件出现了问题，其他的元件可提示行人和车辆，保证报警正常运行。因此，整个报警装置需要使用2 个PLC 输出端口。 本系统采用的微型PLC 为日本欧姆龙公司生产，型号为CPM1A-10CDR-A。该PLC 有6 个输入端口，4 个继电器型输出端口，满足设计要求，且价格便宜，可大批量使用。 4 套红外线探测器为对射式，型号为XA-061D，
7、由日本艾礼富公司生产，其抗干扰能力强，具有通电自检的功能。探测器发射端发射红外线，接收端接收红外线后，接收端内的继电器触头断开。当火车经过时，红外线被火车挡住，接收端的继电器触头由断开变为闭合，PLC 的输入继电器通电。PLC 的I/O 分配如表1 所示。,PLC I/O分配,PLC输入端口00（00000）接入1 号探头的开关信号，输入端口01（00001）接入2 号探头的开关信号，输入端口02（00002）接入3 号探头的开关信号，输入端口03（00003）接入4 号探头的开关信号，输入端口04（00004）接手动开关。输出端口00（01000）驱动继电器KA1，KA1 驱动报警红灯动作；
8、输出端口01（01001）驱动继电器KA2，KA2 驱动报警喇叭；KA1, KA2 为欧姆龙继电器，以12 V 电压驱动。报警时间由PLC 软件设定为2 min，该时间可由软件固定，也可由PLC 的2 个电位器进行设定。由于电位器的参数会受到环境温度和人为因素的影响，本系统采用软件固定的方法，以保证报警时间的准确性。电气接线图见图2。,电气接线图,3、软件设计,3.1 厂区火车运行情况分析 1）火车和货物车辆的长度一般在10 m 以上，远大于每组探头之间的距离。当火车及货物车辆由左侧进入公路附近80 m 范围内时，火车先遮挡探头1，再一起遮挡探头2；继而向右侧行驶，先离开探头1，再离开探头2。
9、对应的PLC 输入状态如图3 所示。,2）当火车及货物车辆由右侧进入公路附近80 m范围内时，火车先遮挡探头4，再一起遮挡探头3；继而向左侧行驶，先离开探头4，再离开探头3。对应的PLC 输入状态如图4 所示。 3）当火车把货物车辆拖运到公路附近80 m 范围内长时间停放，如货物车辆需要被拖离公路，火车将再次拖动货物车辆。如果货物车辆已经停在公路的右侧，现向右行驶离公路，将先离开探头3，再离开探头4；如果货物车辆已经停在公路的左侧，现向左行驶离公路，将先离开探头2，再离开探头1。对应的PLC 输入状态如图5 所示。,4）当火车在厂区内进行铁路换道时，把货物车辆拖运到进入公路附近80 m 范围后
10、马上驶离。如整个过程大于2 min，在2 min 时报警器自动停止报警；如整个过程小于2 min，一旦驶离报警探头，马上停止报警，表示火车进行换道不会通过公路，行人和车辆可以自由通行。对应的PLC 输入状态如图5 所示。,软件编程,根据火车运行情况分析，当PLC 输入口00 为高电平输入端口01 为脉冲上升沿时，火车运行方向为驶近公路当PLC 输入端口03 为高电平，输入端口02 为脉冲上升沿时，火车运行方向为驶近公路。根据脉冲的状态判别火车的运行方向和状态，驱动PLC 输出，发出报警信号。 当PLC 输入端口01 为脉冲下降沿，输入端口00为高电平时，火车运行方向为驶离公路；当PLC 输入端
11、口02 为脉冲下降沿，输入端口03 为高电平时，火车运行方向为驶离公路。根据脉冲的状态判别火车的运行方向和状态，驱动PLC 输出，关闭报警信号。报警流程图如图6 所示，PLC 程序如图7 所示。,流程图,PLC程序,本程序设置了时间为0.5 s 的去抖动功能，防止因脉冲信号不稳定而引起报警装置误动作。报警灯每隔1 s 闪烁1 次，提醒人们火车通过，一次最长报警时间为2 min，当满足关闭报警条件时，报警时间将小于2 min。,结束语,本系统运用PLC 智能控制，与铁路原有信号系统互不干扰，结构简单，安装方便，工作稳定。株洲电力机车厂原来采用电子电路报警设备，在空气潮湿的季节，特别是4 月，不能
12、工作；而在天气炎热的季节，特别是7,8 月，器件发热厉害，损坏较严重，1 年内发生的故障在 5 次以上。而采用本系统3 年，无故障发生，报警准确无误。,参考文献,1 朱亮，李元秀，王者堂，等. 微机联锁控制的铁路道口报警系统设计与应用J. 中国安全科学学报，2010，20(12)：116-121. 2 雷亚平，肖洪祥，匡晚成，等. 基于GPS 和GPRS 的铁路道口报警系统的研究J. 中国仪器仪表，2007(9)：31-33. 3 黄平平. 基于单片机的铁路道口报警系统的研究与设计D. 呼和浩特：内蒙古工业大学，2007. 4 廖常初. PLC 编程及应用M. 北京：机械工业出版社，2005：4. 5 常慧玲. 传感器与自动检测M. 北京：电子工业出版社，2009：130.,
