铁路无人看守道口信号设备控制系统硬件设计

王俪洁 许家伟 吴思洋

摘要：文章主要应用了压力传感器模块、HC-RS05系列超声波测距模块收集并发送机车即将到来的信号，用计轴传感器检查机车从道口出清，由可编程控制器分析信息并发出指令，保证道口栏杆的起落、信号灯的亮灭、警铃的响停。栏杆的起落由三相异步电动机提供动力．设备还设置了电磁摩擦制动器和限位开关，以保证栏杆能在水平和竖直位置停止．能够将栏杆制动在路径上的任何位置。

关键词：控制系统；道口；电动机

中图法分类号：U284 文献标识码：A

１ 研究的背景及意义

在纷繁复杂的运输途径中，铁路运输较其他运输途径有着无与伦比的优势，如运力巨大、辐射范围广、运输速度快等。铁路在国家运输行业发挥着龙头作用并且为与其密切相关产业的持续发展提供重要的基础保障，是非常普遍、易用的交通出行工具，在中国综合交通运输层面上属于骨干地位。中国千万级城市林立、自然人口基数庞大、自然资源分布不对称，所以一种快捷、高效、低价的运输方式———铁路运输便成为了性价比更高的运输方式，成为人们广泛使用的运输方式。

随着我国社会经济的稳步增长、科学创新、技术变革，人们在日常生活中对于出行交通工具的速度有了更高的要求。公路和铁路的爆炸式发展，再加上机车速度的不断提高，机动车保有量的不断上涨，铁路运输与公路运输在交叉路口的安全问题也日益显著。

交叉道口的防护问题迫在眉睫。怎样才能让机车能够快速准确高效的通过？ 怎样才能做好防护，使得周边车辆、行人安全通行？ 这些问题需要我们不断地研究、完善才能逐步解决。

本文主要采用了压力传感器模块、ＨＣ?ＲＳ０５ 系列超声波测距模块收集并发送机车即将到来的信号，将列车通过信号发送至ＰＬＣ，ＰＬＣ 接收到信号并控制道口电动机，电动机传动给蜗轮蜗杆，栅栏落下和警示灯灯亮。等列车完全通过时，计轴传感器和压力传感器给ＰＬＣ 发送信号，ＰＬＣ 接收到机车即将到来的信号并控制道口电动机，电动机将动力传递给蜗轮蜗杆，栅栏升起和警示灯灯灭。电动机上还设置有电磁摩擦制动器，能够保证栅栏处在垂直和水平的极限状态，电动机还具备制动的功能，可以使栅栏处于路径中的任何状态，从而保证列车高效安全地通过道口，尽可能降低对周边交通的影响。

２ 总体方案设计

在机车距离道口一定距离时，计轴器开始计轴，超声波传感器和压力传感器采集接近信号，随即将该接近信息传输至ＰＬＣ。ＰＬＣ 收到信号后控制道口信号灯亮（公路方面），电铃响起，延时２０ 秒后ＰＬＣ 控制电动机正转，栏杆缓慢降落。当栏杆运动至水平位置时，电动机运转触发设置在电动机上的限位装置，从而切断电动机的电源。同时，电磁摩擦制动使栏杆吸附保持在水平位置［１～２］ 。

當机车通过道口到达一定位置时，计轴器对比轴数、压力传感器给ＰＬＣ 回传信息。ＰＬＣ 控制信号灯灭、电铃停止声响，同时控制电动机反转栏杆升起，当栏杆运动到竖直位置时，触发限位器切断电动机电源，电磁摩擦制动使栏杆保持在竖直位置。其过程如图１ 所示。

３ 系统控制电路硬件设计

３．１ 栏杆正反转控制电路

电动机主控制电路图如图２ 所示。

ＦＵ 是２ 个熔断器，作用是保护电路。ＦＲ 是热过载保护，线路还接有紧急关闭开关，防止意外情况发生。ＫＭ１ 分别是电动机正转的线圈和触点，ＫＭ２ 分别是电动机反转的线圈和触点。ＳＢ１ 和ＳＢ２ 是接收ＰＬＣ 控制命令的２ 个触点，分别与ＫＭ１ 和ＫＭ２ 联动。

２ 个限位器的作用是在电动机转动至一定位置（栏杆水平或竖直位置）时，切断电动机的电源，使其停止转动［３］ 。

３．２ ＰＬＣ 控制设计

本文系统具有自动控制栏杆升降的功能，采用超声波传感器、压力传感器共同检测机车的到来，采用计轴传感器检测机车的占用和出清，ＰＬＣ 收集并处理信息，同时发出控制命令，使道口灯铃作用、栏杆起落。

该系统的硬件包含１ 个超声波传感模块、２ 个压力传感模块、２ 个计轴传感模块、２ 个限位控制模块、Ｓ７?２００ 可编程序的逻辑控制器、警示灯、电铃以及电动机的触电和线圈。

超声波传感模块、压力传感模块、计轴传感模块共用１ 个供电电路ＶＣＣ，以及１ 个ＧＮＤ 接地。当系统初始化，各个模块启动并开始工作。

当列车距离道口一定距离时，车轮经过计轴传感模块１，同时改变其磁路，传递信息给Ｉ０．０，计轴传感模块１ 便会开始计轴并在计轴完毕之后将计轴结果发送至ＣＰＵ。与此同时，车轮也将经过超声波传感模块和压力传感模块１，它们的收发将由Ｉ０．１ 和Ｉ０．２ 收发。可编程序的逻辑控制器收到信息后，从Ｑ０．０ 输出控制道口，灯亮铃响。在延时２０ 秒之后，该系统的Ｉ０．４ 端口收到软件编程的触发指令，从Ｑ０．１ 输出，使电动机正转启动。当电动机运转到一定阶段时，会触发限位模块。限位模块触发后，给系统Ｉ０．３ 信号，从而切断电动机的电源。此时，电动机无电，其带动的栏杆会被电磁摩擦制动模块锁闭，从而保证栏杆能够处在行程中的任何位置。

当列车通过道口，车轮压在压力传感模块２ 发送信息给Ｉ０．５，从Ｑ０．２ 输出信号使得道口灯灭铃息。与此同时，车轮经过计轴传感模块２ 并将信息发送给ＩＯ．６，计轴传感模块２ 对比计轴传感模块１ 所计轴数，若数字一致，则表示列车出清。那么将信息发送至下一环节，即触发Ｉ０．７ 电动机反转启动，同样当电动机运转到一定位置时触发限位模块，给系统Ｉ１．０ 信号从而切断电动机电源，其带动的栏杆会被电磁摩擦制动模块锁闭，从而保证栏杆能够处在行程中的任何位置［４］ 。

３．３ ＸＤＺ 型多功能信号点灯电路

ＸＤＺ 型多功能信号点灯装置把信号灯泡的点灯和灯丝的转换融为一体，替代了点灯变压器和灯丝转换继电器。其特点是能够采用软启动技术，主、副灯丝断丝时都能够实现报警的功能，它的电路原理图如图３ 所示。

信号灯泡灯丝的冷丝状态的电阻约为０．５５ Ω，当灯丝通电点亮的瞬态冲击电流高达１０ Ａ 以上，容易在通电的瞬间熔断灯丝。软启动则是指在灯丝通电点亮的瞬间加在灯丝上的电压远低于灯丝的额定电压，然后再经过一段时间逐步上升到额定电压值，这个过程由电子电路来完成。采用软启动技术后，可使冷丝冲击电流（指点灯开始的瞬间灯丝处于冷态时所流过的电流）限制在６ Ａ 以下，以降低故障发生率，延长灯泡使用寿命。冷丝冲击电流越小，对延长灯泡的使用寿命越有利。但是，冷丝冲击电流越小，软启动时间越长，若软启动时间过长，则灯丝继电器可能出现瞬间落下又吸起的现象，影响灯丝继电器的正常工作。在冷丝冲击电流小于６ Ａ 的条件下，软启动时间为０．０５～０．２ ｓ，在主灯丝回路中串联继电器ＪＺ，在副灯丝回路中串联微电流继电器ＪＧ。当主灯丝完好时，主灯丝点亮，ＪＺ 吸起，ＪＧ 也吸起，但副灯丝不会点亮，这时能检测副灯丝是否完好。当主灯丝断丝时，ＪＺ 断电落下，ＪＺ 的后接点闭合，自动转换至副灯丝点灯，且ＪＧ 被短路落下，通过的后接点发出断丝报警。当主灯丝完好，副灯丝断丝时，ＪＧ 断电落下，也发出报警。

３．４ 计轴器传感器内部电路图

计轴器模块由室外设备和室内设备组成，室外设备包括计轴点、电子连接盒；室内设备包括运算器和继电器。下文将详细论述电子连接盒部分，即計轴器内部电路图。电子连接盒向轨道传感器发送一定频率的信号，从而使得发送磁头能够产生交变磁场；将接受磁头中的感应信号通过电子连接盒进行选频、放大、滤波、整形、鉴相等预处理工作，再发送至室内计轴处理机处理。工作流程如图４ 所示。

该系统以可编程序的逻辑控制器作为大脑来控制各个模块实现功能；在采集端使用计轴传感模块、压力传感模块和超声波传感模块分别检查机车的接近远去以及占用出清；在执行端的模块主要由电动机来完成栏杆动作的升起降落，其他模块（如警铃、信号警示灯） 也是由可编程序的逻辑控制器直接进行控制。

本文主要应用了压力传感器模块、ＨＣ?ＲＳ０５ 系列超声波测距模块收集并发送机车即将到来的信号，用计轴传感器检查机车从道口出清，由可编程控制器分析信息并发出指令，保证道口栏杆的起落、信号灯的亮灭、警铃的响停。栏杆的起落由三相异步电动机提供动力。设备还设置了电磁摩擦制动器和限位开关，保证栏杆能在水平和竖直位置停止，能够将栏杆制动在路径上的任何位置。

参考文献：

［１］ 李干林．微机原理及接口技术［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２０１５．

［２］ 邱关源．电路［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．

［３］ 程德福，王君，凌振宝，等．传感器原理及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１８．

［４］ 魏艳，刘利芳，高建强，等．铁路信号基础设备［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，２００８．

作者简介：王俪洁（２００１—），本科，研究方向：轨道交通信号与控制。