基于PLC的铁路与公路交叉口护栏自动控制系统设计

王静 张江亚 李焕娜

摘要：本设计主要采用PLC控制系统、超声波传感器、振动传感器、三相异步电动机等元件，对铁路与公路交叉口护栏进行了设计，解决交叉口交通混乱，安全等问题，通过计算机可以对系统进行测试和调试，使系统能够正常运行。使用MCGS监控组态软件设计人机界面，经过调试后，系统运行正常，能够实现预期的设计目标。

关键词：自动控制系统;交叉口;PLC

1 研究背景

现如今，人民的生活水平逐渐提高，人们的消费水平越来越高，随之汽车数量大幅度增加。铁路和公路的面积占全国总面积的百分比也随着增多，因此铁路与公路的交叉口数量也比以前增加不少，所以本文是关于研究解决交叉口护栏安全问题的设计方案。

本次设计可以有效的提高交叉口交通的安全性，人们可以快速的、安全的、有序的通过交叉口，同时也大大提高了人们的工作效率。随着我国自动控制技术的迅速发展，渐渐的被应用到生产生活中，控制管理铁路与公路交叉口护栏不再是通过工作人员的控制，而是铁路工作人员使用PLC自动控制技术在操控室内通过计算机来实现对交叉口护栏的控制。这样不但可以加强交叉口的安全性，还可以提高交叉口通车效率，既减少了人员的使用还可以使交通更加便利。

2 PLC概述

2.1 PLC结构

可编程控制器（PLC）和计算机的结构极为相似，它主要包括如图所示几个方面：中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出端口和电源。

2.2 PLC的工作原理

“顺序扫描，周期循环”作为PLC的工作方式。CPU按照规定的顺序从执行第一条开始执行每一条程序，截止到末条指令。循环扫描是在执行时碰到结束指令后返回到最初的第一条程序指令，这样就称为一个扫描周期。CPU执行每一条程序所需要的时间和扫描时的速度影响扫描周期的时间。扫描周期的各个部分分别是输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。第一个阶段就是以规定的顺序扫描读取锁存器里边输入端子的状态，最后存储到寄存器里，关闭端口进入第二阶段。第二阶段就是按照原来的顺序扫描每一条程序，把通过处理运算后的程序传输到输出寄存器中。第三阶段就是所有的程序被读取完后，把输出寄存器中端子的状态传输到输出锁存器中，最后按照一定的形式输出到设备，并使其能够正常工作。

3 控制系统的需求分析

当通过铁路与公路交叉口时，火车、汽车、行人都受交叉口护栏、指示灯以及响铃的控制。在火车到达路口以前，传感器检测到火车即将到来，系统收到传感器传来的信号后交叉口护栏自动控制系统开始启动。同时间段，路口处公路上的警示灯亮红灯，并且伴随着警铃，这一系列反应就是给行人以及车辆的通知，在整个这个时间段公路上不准通过，交叉口上的护栏电动机A、B同时启动，护栏下降。当护栏到达水平位置后，公路禁止通行，数分钟后，火车通过交叉口。当火车通过后，超声波传感器接收不到信号，常闭触点断开，交叉口铁路上的红灯亮，公路上的红灯变为绿灯，警铃停止工作，电动机A、B同时反转，护栏升起并保持垂直状态不变，限位开关保持工作状态，公路上的车辆以及行人及时通过。

4 硬件设计

4.1 选型

（1）PLLC：选择机型时应多注意在功能方面的需求，系统还必须能够正常运行，后期易于维修，应该具有最佳的性能价格比，因此具体应考虑以下因素：机型结构是否合理、功能是否合理、型号是否匹配、PLC容量是否合适等，综上所述，最终选择的是西门子S7-200 CPU224型号。

（2）超声波传感器：因为火车到来声音有着固定的频率范围，所以不会受其他声音的影响。因此选用了UM30-2型号的超声波传感器。

（3）因为火车到来的信号是连续的，所以选用了YD9200型号的振动传感器。

（4）选择電动机的时候，要充分考虑他们的机械特性，严格选择适合负载的电动机。还要满足交叉口护栏自动控制系统的各种要求，选择室外受温度影响小的电动机。尽量选择合适的电动机容量，以保证功率的充分使用，不浪费资源。综上所述，三相异步电动机选用Y801-2型号。

4.2 输入输出单元

根据对需求进行分析，确定了输入输出点的数量和类型，并对其进行了地址分配。

5 软件设计

软件设计的具体操作步骤包括建立新工程、编写控制程序、控制程序清单等。即在主操作页面选择文件里的新建，新建一个程序文件，其次根据要求编写程序，以此达到预期的效果。

监控软件采用的是MCGS组态监控软件，该软件是一套以Windows平台为基础的软件，此组态软件系统用来迅速构成和生成上位机监控系统，它为用户解决了实际工程问题的难题，能够完成收集和处理现场数据、报警、显示画面等功能。MCGS软件有较为实用的优点，比如使用简单、维修简单、性能优良、故障率低，所以在环境检测、钢铁行业、机械制造、交通运输等方面被广泛应用。随着计算机技术的高速发展，工业自动化也逐渐普及，人们可以根据实际需求使用监控系统，出现了对工业化的远程监控技术，可以增加系统的安全性和可靠性，MCGS由于自身的优势完善了对工业化的需求。MCGS具有一般监控软件没有的优点，比如易于维护、性能强、可靠性高、操作方便简单等。封装性是通用组态软件的主要特点。通用软件需要完成的所有功能组件全部都用一种我们很容易使用的方法完成封装，因此，对使用者的编程水平要求比较低，通过简单的学习就能完成一个复杂的工程里面能用到的所有功能。此外该软件还具有延续性、可扩充性和通用性，可以根据现场的用户需求的改变，通过简单的操作就可以实现相应软件的更新和升级。

整体的设计流程如下：第一步为准备阶段，随后系统回到最初状态，之后火车即将到达路口，传感器接收到感应信号后，然后把信号传送到PLC控制系统，PLC控制器开始工作，最后PLC给电动机发出指令，电动机正转，栏杆放下保持水平位置并保持不变，公路红灯亮，禁止行人及车辆通过，此时火车通过。当火车通过后，传感器再次感受到信号，将信号传送到PLC控制系统，PLC将指令传送到电动机，电动机开始反转栏杆升起并保持垂直不动，公路上绿灯亮，行人和车辆及时通过。

6 仿真

其仿真结果是在火车到来的时候，公路上的红灯亮并且护栏下降，铁路上的路灯亮，行人和车辆处于等待状态，火车从路口通过。

其仿真结果是火车在交叉口处通过，行人和车辆在路口以外等候。

其仿真结果是火车从交叉口通过后，铁路上的红灯亮，公路上的绿灯亮，护栏升起，行人和车辆及时从路口通过。

7 总结

本设计包括软件设计和硬件设计两大部分，最后对整个系统进行了调试和改正，已达到预期的效果。此设计的意义在于减少了人力物力的使用，同时也提高了行人以及车辆的安全，给人们带来便利的交通，交通堵塞的情况也得到改善。与铁路建设初期的交叉口相比，自动化程度有显著地提高。

参考文献：

[1] 成凤敏，王蕾.铁路与公路交叉口护栏自动控制系统设计[J].唐山学院学报，2012，25（03）：100-102.

（作者单位：河北科技学院）