基于PLC的港口铁路自动报警系统硬件设计.docx
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基于PLC的港口铁路自动报警系统硬件设计
目录
1引言1
2需求分析及系统的组成2
2.1需求分析2
2.2系统组成3
3系统的控制策略3
3.1火车报警时间的确定3
3.2判断火车行驶方向3
3.3机构执行的工作思路4
4系统的硬件组成5
4.1系统的硬件配置5
4.2无源聚磁传感器6
4.3信号滤波及调理电路8
4.3.1信号滤波8
4.3.2信号调理电路8
4.3.3本系统的信号滤波及调理电路8
4.4可编程控制器(PLC)10
4.4.1PLC简介10
4.4.2本系统PLC的选型10
4.4.3本系统的PLC电气接线图11
4.5中间继电器12
4.6声光报警装置和指示灯13
4.6.1声光报警装置13
4.6.2指示灯13
5结束语14
参考文献14
致谢15
基于PLC的港口铁路自动报警系统硬件设计
摘要:
本文主要介绍了港口铁路报警系统的基本架构,并重点介绍了以PLC技术为基础,由无源聚磁传感器、PLC和声光报警系统三部分组成的报警系统的硬件设计。
此硬件设计是港口铁路报警系统的重要组成部分,可自动监测港口火车的位置、判断港口火车的运行方向,并对港口火车进行报警,可为港口铁路的车辆及行人的安全提供安全保障。
关键词:
港口铁路;PLC;自动报警系统;硬件设计
HardwaredesignofAutomaticAlarmSystembasedonPLCcontrolledPortRailway
Abstract:
ThispapermainlyintroducedthebasicframeworkofportrailwayalarmsystemandthehardwaredesignofalarmsystembasedonPLCtechnology,whichcomposedofthreeparts:
themagneticsensor,PLCandsoundandlightalarmdevice.Thishardwaredesignplayanimportantroleintheportrailwayalarmsystem.Itcanautomaticllymonitorthepositionandjudgetherunningdirectionofthetrain,andalarmforittoprovidessecurityforvehiclesandpedestriansneartheportrailway.
Keywords:
portrailway;PLC;automaticalarmsystem;hardwaredesign
1引言
在大型港口中有较多的铁路,他们用于运输货物和牵引制造机车。
近年来,港口的货物吞吐量迅速增加,进而导致港口内的火车进出港口的频率上升,然而铁路遍布在港口当中,它们就不可避免地和港口形成交叉。
港口内有许多的建筑物和弯道,会影响视线,造成在港口上的人们看不到火车的到来,火车司机也看不到港口内的人们,经常会发生交通事故。
随着火车速度的不断提高,发生事故的频率随之也越来越高,产生了重大的安全隐患,因此,迫切需要研制出一种对港口火车进行实时监控的自动报警系统。
本系统主要由无源聚磁传感器、PLC和声光报警系统三部分组成,可以自动的监测火车在港口的位置、判断港口火车的运行方向,判断后对港口火车进行报警,可为港口铁路的火车、施工人员以及行人提供安全保障。
2需求分析及系统的组成
2.1需求分析
铁路走行路线示意图如图2.1所示,且示意图中的C1、C2、C3、C4为无源传感器,A、B、C、D、E为五个弯道口。
图2.1铁路走行路线示意图
本铁路路段全长约1300多米,系统通过安装在立交桥道房南端和作业站南端的传感器C1、C2、C3、C4进行检测,自动判断火车到来的方向并在弯道A、B、C、D、E处通过黄色的LED箭头指示灯指示出来,并持续闪烁,频率30次/分钟,同时驱动报警器发出“注意火车”的报警,提醒铁路维修人员及过往行人注意避让。
待火车驶离出走行段后停止报警。
考虑到弯道建筑物的阻挡和无线的不稳定性,采用有线无源传感器检测,并设置在走行线约中间位置,以确保检测信号的衰减最小以便更好地保证准确报警。
另外,无论是火车是整列车皮还是单节车皮或是单车头,只要火车经过铁路上的传感器并进站时就必须发出声光报警信号,出站的时候就不用发出报警信号。
2.2系统组成
根据铁路运行路线图的需求分析及所要实现的功能,该系统主要由港口专用控制器、无源传感器、屏蔽电缆、中间继电器、控制箱、声光报警器、指示灯及软件等组成。
3系统的控制策略
本自动报警系统需要完成以下三个工作:
确定火车的报警时间、判断火车行驶方向、控制执行机构的工作并延时等要求。
因此,我们需要从以下三个方面详细介绍本系统的控制策略。
3.1火车报警时间的确定
火车的速度在进港口的时候车速在20km/h左右,为了确保火车和行人的安全,因此要在火车掠过传感器时开始报警,并且火车在经过铁路时整个声光报警装置都在工作,如果火车在经过传感器后便停留在铁路途中,则在报警时间过去之后不报警。
因此,在第一个车轮掠过传感器C2(或C4)时就开始报警,报警的时间是按照最后一个车轮掠过C2(或C4)时开始计时,由于每两个车轮的间距是一样的,故我们可以这样解决:
第一个车轮掠过C2(或C4)开始报警计时,当下一个车轮掠过C2(或C4)时重新刷新报警计时。
这样,我们就可以用车轮经过铁路总长的时间来确定,即第一个车轮掠过传感器开始计时,并设定好时间,当下一个车轮掠过传感器时,对之前设定好的时间再重新计时。
为此,我们计算好这个设定时间,铁路的报警时间就迎刃而解了。
设定时间:
就是一个车轮通过铁路全长的时间。
路程全长为1300多米,火车车速控制在20km/h左右,故车轮通过铁路全程的时间为:
(3-1)
因此,设定时间我们设置成4分钟,火车的报警时间就为第一个车轮掠过传感器时开始报警,并开始延时,直到火车最后一个车轮掠过传感器时再延时4分钟就为这个报警系统的时间。
3.2判断火车行驶方向
判断火车的行进方向是至关重要的,因为只有方向判断正确,才能够准确报警。
因此我们在港口两侧分别设置了两个传感器来判断火车运行方向。
以安装在立交桥道房南端的传感器为例,来判断火车的运行方向,分别有以下四种情况:
(1)假设火车正常运行没有停车,从C1左边驶入,即火车是从立交桥道房一侧进入,则此时车轮掠过传感器的顺序为:
C1---C2---C1。
因为火车的前后轮之间的距离最低为1.8米,而两个传感器之间设定的距离是0.5米。
这样当第一个车轮掠过C1和C2后,此时第二个车轮还有1.3米才能掠过C1,火车行驶速度一定,因此设掠过C1、C2中间的时间为t1,掠过C2、C1中间的时间为t2,t1 C1----t1----C2----t2----C1(3-2) (t1 (2)假设火车正常运行没有停车,从C2右边驶出,此时车轮掠过传感器的顺序为: C2---C1---C2。 同样道理,第一个车轮掠过C2、C1后,第二个车轮还有1.3米才能掠过C2,故设掠过C2、C1中间的时间为t1,掠过C1、C2中间的时间为t2,t1>t2,如(3-4)和(3-5)所示 C2----t1----C1----t2----C2(3-4) (t1 (3)假设火车停车并且车轮停在C1、C2之间,此时如果火车向C2传感器方向驶入,车轮掠过传感器的顺序为: C2---C1---C2。 设掠过C2、C1中间的时间为t1,掠过C1、C2中间的时间为t2,因为火车车轮在C1、C2之间,第一个车轮掠过C2后,第二个车轮再经过1.3米才能掠过C1,然后第二个车轮再经过0.5米掠过C2,这样t1>t2,如(3-6)和(3-7)所示: C2----t1----C1----t2----C2(3-6) (t1>t2)(3-7) (4)假设火车停车并且车轮停在C1、C2之间,此时如果火车向C1传感器方向驶出,车轮掠过传感器的顺序为: C1---C2---C1。 设掠过C1、C2中间的时间为t1,掠过C2、C1中间的时间为t2,与第三种情况同样道理,此时t1>t2,如(3-8)和(3-9)所示: C1----t1----C2----t2----C1(3-8) (t1>t2)(3-9) 上述方法同样应用于作业站一侧的C3、C4传感器。 3.3机构执行的工作思路 根据对火车行驶方向的分析,我们可以对报警装置的执行工作来进行控制。 当火车为驶入方向时进行报警,也就是: 掠过传感器顺序为C1---C2---C1且t1 因此我们首先应该侦测火车掠过传感器的顺序。 有两种情况,分别是: C1---C2---C1和C2---C1---C2。 当为C1---C2---C1这种情况时,再继续侦测掠过两个传感器之间的时间t1、t2,并比较t1和t2的长短。 如果t1 当为C2---C1---C2这种情况时,仍然继续侦测掠过两个传感器之间的时间t1、t2,并比较t1和t2的长短。 如果t1 报警,报警时间结束时再对火车掠过传感器的顺序进行侦测。 作业站一侧则是根据上述原理侦测掠过传感器C3、C4的顺序及两个传感器之间的时间t3、t4,根据顺序及时间来确定火车行驶的方向,进而确定是否需要报警。 因此,我们可以设计出系统的控制思路结构图如下: 否否 是 是 Shi否 是 图3.1系统控制思路结构图 4系统的硬件组成 4.1系统的硬件配置 系统的硬件配置图,如图4.1: 图4.1系统硬件配置图 来自于无源传感器的脉冲信号,经过信号滤波及调理电路后被送到西门子S7-200PLC控制器内,经过处理判断将控制信号传送到声光报警装置。 4.2无源聚磁传感器 传感器是一种用来检测的装置,它是将被测量的信息首先进行感知,然后将这个检测感知到的信息,按照一定的规律转换成了电信号。 它是实现自动控制和自动检测的第一步。 传感器主要是由敏感元件、转换元件、转换电路这三大部分组成,其组成图如图4.2所示: 图4.2传感器组成图 在该系统中,我们这里选择用无源聚磁传感器作为这个系统的检测元件,无源聚磁传感器主要是用永久磁铁做成的,它的寿命随着我们的使用频率的增加而增长。 这个永磁铁相当于提供了一个磁势源,并且还增加了软铁来增强磁场,和外壳等形成了一个磁路。 当火车车轮掠过传感器时,相当于有铁性的物质掠过传感器的上方,磁铁与线圈产生了相对运动,导致它们磁路的磁阻发生变化,从而使线圈的磁通量 发生周期性的变化,根据法拉第电磁感应定律: (4-1) 其中, 为比例系数, 为感应电势, 为磁通量 由于磁通量 发生了周期性的变化,故产生的感应电势 也跟着发生了周期性的变化。 但是我们获得的这个感应电势信号,其中附带了一些其他频率的干扰信号,所以首先要经过二极管1N5189进行整流,从而获得一个我们所需的频率信号。 然后,再经过一个ADCMP354电压比较器,这样在出线端就会得到理想的电压脉冲信号。 转换电路原理图如图4.3所示,其波形变化图如图4.4所示: 图4.3传感器转换电路原理图 图4.4波形变化图 4.3信号滤波及调理电路 4.3.1信号滤波 信号的滤波是在信号处理工作当中的一个相当重要的概念。 通常,信号滤波一般分为经典滤波和现代滤波。 经典滤波,它是根据傅立叶变换和分析,进而提出的一个工程概念。 在高等数学里面有讲到,其中任何一个满足一定条件的信号,该信号就可以看成是由无穷多个正弦波叠加而成。 也就是说,工程信号它是由不同频率的正弦波叠加而成的,组成这些信号的不同频率的正弦波就是所谓的谐波。 只让一定频率范围内的信号通过,而其他与之不同频率的信号则不能通过,这样的电路就叫做滤波电路。 在图4.5中的电路原理图中,我们主要采用的一个EMI滤波电路,它是一个低通滤波电路。 电路中利用电感和电容的特性,让我们所需要的50Hz左右的交流电通过这个滤波电路,比50Hz高的高频干扰信号便不会通过这个电路,经过EMI滤波电路后,这些高频干扰信号都会被滤除掉。 4.3.2信号调理电路 信号调理电路,就是将模拟信号转换成可以为我们用的数字信号的电路。 模拟传感器可测量非常多的物理量,比如磁通、光强、压力、温度等…… 但是在本系统中,传感器输出的电压信号很小,传输出的这个电压信号不能直接转换成我们所用的数字信号,因此,就需要我们在信号转换成为数字信号之前进行必要的调理工作。 调理工作是将模拟信号进行缓冲、放大或校准等操作,使得这个信号符合我们所需要的输入。 然后,将模拟信号进行数字化,结束后将得到的数字信号送到PLC或其他数字器件,这样可以方便系统以后的数据处理。 但是因为我们所用的工业信号有很多的干扰信号,不能让它们进入系统,必须将他们滤除清理掉。 因此我们就必须要考虑之前的滤波了。 经过信号调理使得数据采集设备能够转换成为了一套完整的数据采集系统,这是通过直接连接到的传感器和这个信号的类型来实现的。 关键的信号调理技术,可以全面的把数据采集系统的性能和精度都提高了10倍。 4.3.3本系统的信号滤波及调理电路 信号滤波及调理电路原理图如图4.5所示: 图4.5系统信号滤波及调理电路原理图 由于外部电网的高频脉冲信号对电源有非常强的干扰作用。 因此,从传感器出来电压脉冲信号首先需要通过一个EMI低通滤波电路将来自于外部的高频干扰信号消去,使对我们有用的低频信号通过,并且减少对外界的电磁干扰。 然后,还需要考虑打雷时产生的雷击信号的干扰,雷击的时候,在某个区域内有很强的磁场形成,对于传感器的输出端,感应出的电压的频率和幅值都非常高,使得这两个传感器都处于高电平状态,这样有很大的可能会产生误报。 为此,在信号通过EMI滤波电路后设置一个双向阀值二极管P6KE8.1。 P6KE8.1主要功能是在电路板瞬间出现高压时,对电路起到保护作用,可以在瞬间通过很大的脉冲电流从而使瞬间高压限制在较低的幅值,这样很好的在雷击的时候保护了电路。 经过滤波的信号通过一个三极管实现信号调理的功能,当在门极的电压是低电平的时候,此时三极管不导通,因此输出到PLC输入端口为+24V的高电平;当在门极的电压是高电平的时候,三极管8053导通,输出到PLC的输入端口相当于与地相连,为0V的低电平。 这里就可以将模拟量转换成数字量,高电平为1,低电平为0。 当出现低电平0的时候,PLC的输入端口有效。 4.4可编程控制器(PLC) 4.4.1PLC简介 可编程控制器(PLC)是一种可以进行数字运算操作的电子系统,可以直接应用于工业环境;它是以微处理器为基础,结合了计算机技术、自动控制技术和通信技术,运用面向控制过程和面向用户的“自然语言”来进行编程;是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制设备。 PLC主要是由中央处理单元(CPU)、输入/输出电路(I/O口,单元)、存储器(RAM、ROM)和电源等四大部分组成。 PLC的实物图如图4.3所示: 图4.6S7-200PLC实物图 4.4.2本系统PLC的选型 首先,根据所要实现的功能,我们先确定I/O端口数。 本系统的输入端口有四个,分别对应传感器C1、C2、C3、C4感应出来的信号;输出端口有五个,分别是五个继电器的线圈,通过这五个继电器的线圈来控制A、B、C、D、E这五个弯道的指示灯和声光报警装置。 则我们可以得出表4.1: 表4.1I/O口分配表 对应的硬件器件 对应的I/O口 传感器C1 I0.0 传感器C2 I0.1 传感器C3 I0.2 传感器C4 I0.3 继电器KA1线圈 Q0.0 继电器KA2线圈 Q0.1 继电器KA3线圈 Q0.2 继电器KA4线圈 Q0.3 继电器KA5线圈 Q0.4 根据表4.1的I/O口的分配表,系统一共需要4个输入,5个输出。 因此本系统选用的PLC的是西门子公司的S7-200PLCCPU222。 CPU222共有8个输入和6个输出,因此满足我们这个系统所需要的功能。 而且S7-200PLC还有以下几个方面的优点: 1)A/D、D/A转换精度及转换速度都很高,而且提供了基本的物理条件,包括采样、控制精度和调速系统;其他厂家的PLC的模拟量模块的转换速度都是ms级,因此他们均不符合我们所需要的条件,而且S7-200PLC的模拟量模块每路阶不过300元,价格为相同产品最低的,因此它具有良好的性价比; 2)CPU的运行速度快,指令丰富而且存储容量大,完全满足现代控制技术的要求,譬如自适应控制、最优控制、变结构控制等控制算法的要求; 3)输入/输出点数多、并且响应快,能够适应实时控制的要求; 4)可靠性非常高,将CPU模块、输入/输出(I/O)模块和通讯模块给高度集成为一体,结构简化而且使用方便。 4.4.3本系统的PLC电气接线图 图4.7PLC电气接线图 如图4.7所示,传感器C1、C2、C3、C4感应的电压脉冲信号,经过滤波调理后,将信号分别输入到S7-200PLCCPU222的输入端口I0.0、I0.1、I0.2、I0.3当中,PLC的输出端口Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4分别接五个中间继电器线圈KA1、KA2、KA3、KA4、KA5,然后这五个中间继电器作为控制声光报警装置和指示灯的开关,这五个声光报警装置和指示灯分别放置在铁路运行中的五个弯道口。 PLC通过220V的交流电供电,交流电的火线L与PLC的1L端口、2L端口、L1端口相连,并且还与五个继电器相连作为控制声光报警装置和指示灯的火线,交流电的零线N与PLC的N端口和五个声光报警装置及指示灯相连。 此外,PLC的1M、2M、M端口与四个调理电路的地端详连。 4.5中间继电器 本系统采用的中间继电器是TEConnectivity公司的RTX-5继电器,RTX-5继电器是在奥地利的魏德霍芬生产的,是专门开发出来的继电器,如图4.8所示。 该型号的继电器的规格特点是: (1)产品的尺寸: 29.1x12.7x16mm,大小仅为市场上现有的同类中间继电器的一半,具有节省空间的优点; (2)它可以抗很强大的冲击电流,并且具有高达16A/250VAC的通断能力; (3)它的设计包括了TE“触发器”弹簧和钨预通触点组,从而能够切换到320A(峰值)的冲击电流。 负载的传输和断开通过继电器的银氧化锡触点组来实现; (4)冲击功能的实现采用了一种创新的双接触系统; (5)使用了一种双稳态直流线圈系统的新型设计。 单线圈或双线圈模型都有非常高的能源效率水平; (6)该继电器的驱动器设计了一个内置的触点开口功能,可以使微型焊接的打开成为可能,从而使继电器的寿命延长; (7)引脚间距为5毫米。 图4.8RTX-5中间继电器 因此,我们在该系统中采用RTX-5中间继电器,该中间继电器可以完美的实现它的控制功能。 4.6声光报警装置和指示灯 4.6.1声光报警装置 中间继电器开关闭合时,就会使声光报警装置和指示灯通电工作。 本系统中,所用的声光报警装置为FA-B03声光电子蜂鸣器。 该声光报警器如图4.9所示: 图4.9FA-B03声光电子蜂鸣器 该报警声光报警器的主要参数见表4.2: 表4.2FA-B03声光电子蜂鸣器主要参数 参数名称 参数值 工作环境 环境温度: -30℃~+70℃ 相对湿度: 10%~95% 工作电压 AC380V/AC220V/AC110V/AC48V/AC36V/AC24V/AC12V DC220V/DC110V/DC48V/DC36V/DC24V/DC12V 其他电压定制 电源频率 50~60Hz 额定功率 5W 报警声级 102dB(±5dB) 光源类型 氙气爆闪灯/LED发光 产品净重 1.0kg 该报警声光报警器的主要特点为: (1)高亮度闪光、报警的声音非常响亮; (2)体积小且重量轻,工作运行起来稳定可靠; (3)灯罩采用PC材料,透光性很好、而且还抗紫外线、耐老化; (4)可以选择多种音调; (5)安装方式可以多种选择,通过螺丝固定、或者用法兰盘来安装。 4.6.2指示灯 本系统的指示灯选择是维的美牌的WDM-JT-1800*900-I-Y箭头灯,可以应用与交流110V和220V电压当中,功率为25W,共有600个LED灯珠,产品各项指标均达到或超过GB14887-2003国家标准要求,可以达到所需要的效果。 该指示灯如图4.10所示: 图4.10WDM-JT-1800*900-I-Y箭头灯 5结束语 本自动报警系统主要是通过PLC来实现的智能控制,对铁路之前设计好的信号系统没有干扰,结构简单并且安装非常方便。 本设计的硬件系统还有非常强的抗干扰能力,他可以很好的避免雷击信号的干扰,可以准确地判断火车的驶入驶出方向,并实施报警,它可以非常有效地减少港口铁路交通事故的发生,从而确保火车和行人以及施工人员的安全,同时还提高了安全可靠性,达到了本次设计的目的。 参考文献 [1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2007. 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