基于地感线圈的道口自动护栏PLC 控制系统设计

朱菊香，张 铭，周 翔，张 盛，翟 锐

（1.无锡学院 轨道交通学院，江苏 无锡 214105；2.南京信息工程大学 自动化学院，江苏 南京 210000；3.南京信息工程大学 滨江学院，江苏 无锡 214105）

0 引言

随着我国社会经济的蓬勃发展，交通运输业也得以快速发展。道路中的各线路相互交错，交叉道口情况错综复杂，对道路交通运输效率产生了不利影响，在某种程度上也对交通安全造成了一定的负面影响[1]。为了提高交通运输的效率，减少交通安全事故的发生，本文设计利用自动护栏和红绿灯对铁路与公路交叉道口的通行状态进行管理控制，从而使各个方向的道路都可以相互交替通行，进而提高行人和车辆的通过效率。

目前，道口防护栏杆一般基于人工控制，主要通过人工操作机械装置，对铁路和公路道口上的防护栏杆实施控制。这会造成劳动力浪费，而且效率低下，加之夜间监测作业存在视野盲区，总体安全隐患较大。随着电子技术的迅速发展，现实生活的许多领域都使用到了自动控制技术。将地感线圈与基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的自动控制技术应用于铁路和公路交叉道口自动护栏方面，对道口护栏进行自动控制，相较于以往的控制方式，在提升工作效率、提高道路交通安全水平等方面都具有较大的优越性，可以促进交通运输业的高速、安全发展。

1 系统总体方案设计

1.1 系统功能分析

本设计主要为了实现铁路与公路道口护栏的自动控制，以解决目前道口存在的安全隐患问题。所设计的道口自动护栏系统将PLC 可编程序逻辑控制器作为控制核心，使用地感、超声波及红绿灯信号，结合护栏升降状态，实时管控道口的交通。系统把地感线圈振荡信号转换成电流信号传递到PLC 中，PLC 输入端获取信号之后，经过内部CPU处理后，开始输出护栏升降信号、超声波启停、红绿灯转换信号。本系统应该具备如下两个基本功能：

（1）火车驶入入口地感线圈之后，公路护栏能够实时关闭，同时超声波发射装置启动，红绿灯开始变换；

（2）火车驶出出口地感线圈之后，公路护栏能够实时开启，同时超声波发射装置关闭，红绿灯开始变换。

1.2 系统设计方案

从基于PLC 控制的道口自动护栏功能出发，首先应进行实施场景设定，设定方案为：

（1）设置一条铁路与一条公路交叉的路口，其中铁路为单行道，公路为双行道；

（2）在交叉道口的两侧各设一个护栏，通过两个电机同步启停；

（3）设置3 个红绿灯，其中铁路对应1 个，公路对应2 个；

（4）建设人工操控室，用于安放控制柜、工控机、超声波装置等。

道口护栏系统控制流程如图1 所示。接通电源，整个控制系统启动之后，系统自动运行。在火车未进入地感线圈之前，铁路信号灯为红灯；公路护栏处于打开状态，信号灯绿灯常亮，公路开放交通。当火车顺着铁路驶入地感线圈（“驶入地感线圈”距离交叉路口还有若干分钟路程）时，“驶入地感线圈”接收到信号，将信息传送给可编程控制器PLC，PLC 输出信号，超声波开始检测，护栏开始关闭，3 个红绿灯同时转换成黄灯闪烁，2 s 之后，铁路红绿灯变为绿灯，公路红绿灯变为红灯并关闭交通[2]。期间超声波信号一边发射，一边接收回波。

图1 道口自动护栏系统控制流程图

当火车顺着铁路驶离地感线圈（“驶离地感线圈”距离交叉路口还有若干分钟路程）时，“驶离地感线圈”接收信号，将信息传送给可编程控制器PLC，PLC 输出信号，护栏开始打开，3 个红绿灯同时转换成黄灯闪烁，2 s 之后，公路红绿灯变为绿灯并开放交通，铁路红绿灯变为红灯，超声波装置停止发射信号。

设计的系统以PLC1214 控制器为核心进行控制，加上TP900 触摸屏进行系统可视化管理。触摸屏显示整个道口护栏系统的完整界面，包括火车前进动态、护栏启停、红绿灯变换、各信号接通状态等[3-4]。此外，触摸屏界面还添加了手/自动切换按钮，在紧急状况下，能够实现人工手动操作，可控制栏杆手动升降，红绿灯变换；状况解除后可继续恢复自动控制。此操作只针对现场可能出现的紧急状况（行人、车辆滞留铁道中，铁路设备设施检修等），非紧急情况下不可手动操作[5]。

需要特别注意的是，实际火车通过时，火车的前进速度以当地设定速度为准，驶入驶出地感线圈的准确位置应根据火车距离道口若干分钟而定，此项设计的主要目的是确保在火车到达之前，公路上的行人和车辆有足够的反应时间。

地感线圈与道口距离的计算公式如下（按国际标准单位）：

式中：s为地感线圈与道口的距离，v为火车行驶的速度，t为预留的时间。

道口自动护栏系统控制单元设计方案[6]如图2 所示。

图2 道口护栏系统控制单元设计

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件电路设计

按照设计目标与系统功能的要求，对选用的PLC 可编程控制器进行各接口功能分配。PLC 接线图如图3 所示。

图3 PLC 接线图

护栏的打开/关闭电路如图4 所示。

图4 护栏打开/关闭电路图

2.2 系统主要设备选型

通过对道口自动护栏系统的功能分析，确定所需的主要硬件设备有7 个，分别为西门子PLC S7-1200 1214C、地感线圈装置、红绿灯、触摸屏TP900、超声波检测装置、减速电机以及护栏栏杆。

按照道口自动护栏系统功能的要求，对所需I/O（输入/输出）点数进行分析，选择西门子S7-1200 1214C，DC/DC/DC 这一型号的可编程控制器作为本系统的控制核心，其具有使用灵活、功能强大、性价比高的特点[7-8]。

地感线圈主要用于火车经过时的信号检测。当火车通过地感线圈或者停在线圈上，将会改变线圈内的磁通量，从而使线圈回路电感量发生变化，地感线圈通过振荡电路输出频率的变化判断火车的进出[9]。为了使检测装置正常工作，线圈的电感量应保持在100～300 μH。同时，地感线圈的屏蔽层能够有效地屏蔽掉干扰信号，从而保证电缆信号的准确传递。

3 系统功能仿真

以上设计完成后，对系统整体功能进行仿真测试。

当火车驶入地感线圈，火车驶入传感器监测接通，栏杆打开到位，红绿灯全部转黄灯闪烁，地感线圈状态如图5 所示。

图5 刚进入地感线圈界面

当火车刚刚驶离地感线圈，全部红绿灯变为黄灯闪烁2 s，如图6 所示。

图6 火车刚驶离地感线圈时的界面

当火车完全驶离地感线圈区域，公路红绿灯变为绿灯长亮，铁路红绿灯变为红灯长亮，护栏打开到位，如图7 所示。

图7 火车完全驶离地感线圈后的界面

4 结语

相较于以往的人工控制道口护栏，本文的设计能够科学合理、智能高效、安全地监测道口情况，并实现对道口护栏和信号灯的智能控制。系统以西门子S7-1200 控制器为控制核心，通过地感线圈监测火车的运行状态，在正常情况下，执行道口护栏设备的自动控制功能，即当火车即将到达道口时，系统检测到地感信号并传送给PLC 控制单元，输出电机正/反转，红绿灯转换，公路护栏关闭，公路方向红灯亮；当火车离开道口后，公路护栏打开，公路方向绿灯亮。在紧急/特殊情况下，可以手动控制各功能，包括铁路与公路方向的红绿灯信号和道口护栏状态。