鐵路無人看守道口信號設備控制系統硬件設計

王儷潔 許家偉 吳思洋

摘要：文章主要應用了壓力傳感器模塊、HC-RS05系列超聲波測距模塊收集并發送機車即將到來的信號，用計軸傳感器檢查機車從道口出清，由可編程控制器分析信息并發出指令，保證道口欄桿的起落、信號燈的亮滅、警鈴的響停。欄桿的起落由三相異步電動機提供動力．設備還設置了電磁摩擦制動器和限位開關，以保證欄桿能在水平和豎直位置停止．能夠將欄桿制動在路徑上的任何位置。

關鍵詞：控制系統；道口；電動機

中圖法分類號：U284 文獻標識碼：A

１ 研究的背景及意義

在紛繁復雜的運輸途徑中，鐵路運輸較其他運輸途徑有著無與倫比的優勢，如運力巨大、輻射范圍廣、運輸速度快等。鐵路在國家運輸行業發揮著龍頭作用并且為與其密切相關產業的持續發展提供重要的基礎保障，是非常普遍、易用的交通出行工具，在中國綜合交通運輸層面上屬于骨干地位。中國千萬級城市林立、自然人口基數龐大、自然資源分布不對稱，所以一種快捷、高效、低價的運輸方式———鐵路運輸便成為了性價比更高的運輸方式，成為人們廣泛使用的運輸方式。

隨著我國社會經濟的穩步增長、科學創新、技術變革，人們在日常生活中對于出行交通工具的速度有了更高的要求。公路和鐵路的爆炸式發展，再加上機車速度的不斷提高，機動車保有量的不斷上漲，鐵路運輸與公路運輸在交叉路口的安全問題也日益顯著。

交叉道口的防護問題迫在眉睫。怎樣才能讓機車能夠快速準確高效的通過？ 怎樣才能做好防護，使得周邊車輛、行人安全通行？ 這些問題需要我們不斷地研究、完善才能逐步解決。

本文主要采用了壓力傳感器模塊、ＨＣ?ＲＳ０５ 系列超聲波測距模塊收集并發送機車即將到來的信號，將列車通過信號發送至ＰＬＣ，ＰＬＣ 接收到信號并控制道口電動機，電動機傳動給蝸輪蝸桿，柵欄落下和警示燈燈亮。等列車完全通過時，計軸傳感器和壓力傳感器給ＰＬＣ 發送信號，ＰＬＣ 接收到機車即將到來的信號并控制道口電動機，電動機將動力傳遞給蝸輪蝸桿，柵欄升起和警示燈燈滅。電動機上還設置有電磁摩擦制動器，能夠保證柵欄處在垂直和水平的極限狀態，電動機還具備制動的功能，可以使柵欄處于路徑中的任何狀態，從而保證列車高效安全地通過道口，盡可能降低對周邊交通的影響。

２ 總體方案設計

在機車距離道口一定距離時，計軸器開始計軸，超聲波傳感器和壓力傳感器采集接近信號，隨即將該接近信息傳輸至ＰＬＣ。ＰＬＣ 收到信號后控制道口信號燈亮（公路方面），電鈴響起，延時２０ 秒后ＰＬＣ 控制電動機正轉，欄桿緩慢降落。當欄桿運動至水平位置時，電動機運轉觸發設置在電動機上的限位裝置，從而切斷電動機的電源。同時，電磁摩擦制動使欄桿吸附保持在水平位置［１～２］ 。

當機車通過道口到達一定位置時，計軸器對比軸數、壓力傳感器給ＰＬＣ 回傳信息。ＰＬＣ 控制信號燈滅、電鈴停止聲響，同時控制電動機反轉欄桿升起，當欄桿運動到豎直位置時，觸發限位器切斷電動機電源，電磁摩擦制動使欄桿保持在豎直位置。其過程如圖１ 所示。

３ 系統控制電路硬件設計

３．１ 欄桿正反轉控制電路

電動機主控制電路圖如圖２ 所示。

ＦＵ 是２ 個熔斷器，作用是保護電路。ＦＲ 是熱過載保護，線路還接有緊急關閉開關，防止意外情況發生。ＫＭ１ 分別是電動機正轉的線圈和觸點，ＫＭ２ 分別是電動機反轉的線圈和觸點。ＳＢ１ 和ＳＢ２ 是接收ＰＬＣ 控制命令的２ 個觸點，分別與ＫＭ１ 和ＫＭ２ 聯動。

２ 個限位器的作用是在電動機轉動至一定位置（欄桿水平或豎直位置）時，切斷電動機的電源，使其停止轉動［３］ 。

３．２ ＰＬＣ 控制設計

本文系統具有自動控制欄桿升降的功能，采用超聲波傳感器、壓力傳感器共同檢測機車的到來，采用計軸傳感器檢測機車的占用和出清，ＰＬＣ 收集并處理信息，同時發出控制命令，使道口燈鈴作用、欄桿起落。

該系統的硬件包含１ 個超聲波傳感模塊、２ 個壓力傳感模塊、２ 個計軸傳感模塊、２ 個限位控制模塊、Ｓ７?２００ 可編程序的邏輯控制器、警示燈、電鈴以及電動機的觸電和線圈。

超聲波傳感模塊、壓力傳感模塊、計軸傳感模塊共用１ 個供電電路ＶＣＣ，以及１ 個ＧＮＤ 接地。當系統初始化，各個模塊啟動并開始工作。

當列車距離道口一定距離時，車輪經過計軸傳感模塊１，同時改變其磁路，傳遞信息給Ｉ０．０，計軸傳感模塊１ 便會開始計軸并在計軸完畢之后將計軸結果發送至ＣＰＵ。與此同時，車輪也將經過超聲波傳感模塊和壓力傳感模塊１，它們的收發將由Ｉ０．１ 和Ｉ０．２ 收發。可編程序的邏輯控制器收到信息后，從Ｑ０．０ 輸出控制道口，燈亮鈴響。在延時２０ 秒之后，該系統的Ｉ０．４ 端口收到軟件編程的觸發指令，從Ｑ０．１ 輸出，使電動機正轉啟動。當電動機運轉到一定階段時，會觸發限位模塊。限位模塊觸發后，給系統Ｉ０．３ 信號，從而切斷電動機的電源。此時，電動機無電，其帶動的欄桿會被電磁摩擦制動模塊鎖閉，從而保證欄桿能夠處在行程中的任何位置。

當列車通過道口，車輪壓在壓力傳感模塊２ 發送信息給Ｉ０．５，從Ｑ０．２ 輸出信號使得道口燈滅鈴息。與此同時，車輪經過計軸傳感模塊２ 并將信息發送給ＩＯ．６，計軸傳感模塊２ 對比計軸傳感模塊１ 所計軸數，若數字一致，則表示列車出清。那么將信息發送至下一環節，即觸發Ｉ０．７ 電動機反轉啟動，同樣當電動機運轉到一定位置時觸發限位模塊，給系統Ｉ１．０ 信號從而切斷電動機電源，其帶動的欄桿會被電磁摩擦制動模塊鎖閉，從而保證欄桿能夠處在行程中的任何位置［４］ 。

３．３ ＸＤＺ 型多功能信號點燈電路

ＸＤＺ 型多功能信號點燈裝置把信號燈泡的點燈和燈絲的轉換融為一體，替代了點燈變壓器和燈絲轉換繼電器。其特點是能夠采用軟啟動技術，主、副燈絲斷絲時都能夠實現報警的功能，它的電路原理圖如圖３ 所示。

信號燈泡燈絲的冷絲狀態的電阻約為０．５５ Ω，當燈絲通電點亮的瞬態沖擊電流高達１０ Ａ 以上，容易在通電的瞬間熔斷燈絲。軟啟動則是指在燈絲通電點亮的瞬間加在燈絲上的電壓遠低于燈絲的額定電壓，然后再經過一段時間逐步上升到額定電壓值，這個過程由電子電路來完成。采用軟啟動技術后，可使冷絲沖擊電流（指點燈開始的瞬間燈絲處于冷態時所流過的電流）限制在６ Ａ 以下，以降低故障發生率，延長燈泡使用壽命。冷絲沖擊電流越小，對延長燈泡的使用壽命越有利。但是，冷絲沖擊電流越小，軟啟動時間越長，若軟啟動時間過長，則燈絲繼電器可能出現瞬間落下又吸起的現象，影響燈絲繼電器的正常工作。在冷絲沖擊電流小于６ Ａ 的條件下，軟啟動時間為０．０５～０．２ ｓ，在主燈絲回路中串聯繼電器ＪＺ，在副燈絲回路中串聯微電流繼電器ＪＧ。當主燈絲完好時，主燈絲點亮，ＪＺ 吸起，ＪＧ 也吸起，但副燈絲不會點亮，這時能檢測副燈絲是否完好。當主燈絲斷絲時，ＪＺ 斷電落下，ＪＺ 的后接點閉合，自動轉換至副燈絲點燈，且ＪＧ 被短路落下，通過的后接點發出斷絲報警。當主燈絲完好，副燈絲斷絲時，ＪＧ 斷電落下，也發出報警。

３．４ 計軸器傳感器內部電路圖

計軸器模塊由室外設備和室內設備組成，室外設備包括計軸點、電子連接盒；室內設備包括運算器和繼電器。下文將詳細論述電子連接盒部分，即計軸器內部電路圖。電子連接盒向軌道傳感器發送一定頻率的信號，從而使得發送磁頭能夠產生交變磁場；將接受磁頭中的感應信號通過電子連接盒進行選頻、放大、濾波、整形、鑒相等預處理工作，再發送至室內計軸處理機處理。工作流程如圖４ 所示。

該系統以可編程序的邏輯控制器作為大腦來控制各個模塊實現功能；在采集端使用計軸傳感模塊、壓力傳感模塊和超聲波傳感模塊分別檢查機車的接近遠去以及占用出清；在執行端的模塊主要由電動機來完成欄桿動作的升起降落，其他模塊（如警鈴、信號警示燈） 也是由可編程序的邏輯控制器直接進行控制。

本文主要應用了壓力傳感器模塊、ＨＣ?ＲＳ０５ 系列超聲波測距模塊收集并發送機車即將到來的信號，用計軸傳感器檢查機車從道口出清，由可編程控制器分析信息并發出指令，保證道口欄桿的起落、信號燈的亮滅、警鈴的響停。欄桿的起落由三相異步電動機提供動力。設備還設置了電磁摩擦制動器和限位開關，保證欄桿能在水平和豎直位置停止，能夠將欄桿制動在路徑上的任何位置。

參考文獻：

［１］ 李干林．微機原理及接口技術［Ｍ］．北京：北京大學出版社，２０１５．

［２］ 邱關源．電路［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．

［３］ 程德福，王君，凌振寶，等．傳感器原理及應用［Ｍ］．北京：機械工業出版社，２０１８．

［４］ 魏艷，劉利芳，高建強，等．鐵路信號基礎設備［Ｍ］．成都：西南交通大學出版社，２００８．

作者簡介：王儷潔（２００１—），本科，研究方向：軌道交通信號與控制。