摘要：机务段、折返段是铁路机车进行检修、维护保养，乘务员换乘等生产组织的重要基地，本文通过对机务段、折返段内平交道口设备、周围环境、人员及车辆的通行情况、出入库机车的走行径路等因素进行实地调研，通过利用轨边传感器采集车轮接近信息，设计的一种智能化高、可靠性强的无人值守平交道口自动化防护装置。采用可编程逻辑控制器实现机车接近平交道口时的自动报警功能，并将信息转换为交通灯显信号指示过往行人、车辆通过道口，同时将信息传送给道闸装置，实现对行人和车辆的拦截功能，该设计对于减少铁路道口交通事故有一定的实际应用价值，为提高机车通行效率提供了有力保障。
关键词：铁路平交道口；轨边传感器；逻辑控制器；报警功能；
1绪论
1.1研究的背景和意义
机务段、折返段内铁路平交道口一直是交通安全的重点管控对象，一是平交道口处于无人值守状态，二是平交道口处于人员和车辆通行量大，且机车车辆出入库作业活动频繁，三是受周边环境影响，附近的铁路线路错综复杂，平交道口改为立交道口的可能性受到制约，然而在今后相当长的一段时间内，段内的平交道口还是运输生产的主要通道，因此存在严重的安全隐患。
机务段、折返段是机车检修、整备的生产组织基地，机车出入库调车作业较多，且院内的平交道口是机动车辆、行人的主要通道，因此为了提高该平交道口的安全状况，保障员工生命财产安全，着手调研设计一种智能化高、可靠性强的无人值守平交道口自动化防护装置，在机车即将行驶到平交道口时，一方面发出报警信号、语音报告机车行驶方向，提醒行人和车辆注意，一方面利用闸机对平交道口进行拦截，防止道口交通相撞事故的发生。
1.2系统的组成和功能
系统由车轮传感器（磁钢）、PLC可编程控制器、交通信号警示灯、语音报警器、闸机、视频监控、联接线缆等组成。本系统以PLC可编程控制器作为报警系统的核心，与成对安装在钢轨内侧的车轮传感器的检测点构成主检测系统，车轮信号通过电缆发送到PLC中，通过PLC计算出机车接近的方向和距离道口的距离。如果机车即将通过道口，则提前发出声光报警信号，并落下道闸。当机车通过道口后，通过对传感器接收到的信息进行分析比对，PLC确认机车通过后，报警状态结束，此时道口将会开放。即通过实现自动检测、自动报警通知来提高道口的安全性。
1.2.1系统自检功能
开机后系统进入自检状态，对所有传感器、各信号灯、音响及道闸等设备进行测试检查。该系统的传感器是整个系统的关键器件，且易损坏、断线和丢失，因此在工作中系统要不断的检测传感器的状态，一旦发生异常，必须立即发出报警信号并显示系统故障。
1.2.2声光报警功能
当任一个方向的机车接近道口时，PLC会输出信号给语音报警器和交通信号灯，语音报警器发出报警提示音，同时信号灯黄灯闪烁5秒钟后红灯亮，以此提醒过往行人和汽车不要在此时穿越道口。
1.2.3闸机拦截功能
该功能是系统的主要功能，当机车接近道口，在信号灯显示红灯的同时，PLC会控制道口两边的道闸自动落杆，阻止人员、车辆抢行，确保机车的行车安全。
1.2.4系统复原功能
当机车通过道口后，设备自动复原，声光报警停止，道闸自动抬杆，允许人员、车辆通过。设备故障时延时6分钟后自动复原。
1.2.5远程控制功能
设备与远程服务器连接，设备数据实时上传服务器，可以使用手机连接服务器，对设备现场情况进行实时查看及操控。当系统出现故障时，信号灯显示黄灯闪烁，同时以微信监控平台报警给设备管理人员，管理人员根据现场情况可远程进行故障复位。
1.2.6视频监控功能
道口安装有摄像头，对道口进行全天监控，可以记录道口通行情况，并可以在设备故障报警时进行远程观看现场情况，方便人员管理设备。
1.2.7信息存储功能
设备具有记录发生故障信息的功能，方便对故障发生时的情况进行分析。
2系统方案设计
2.1系统组成部分
硬件系统主要由PLC系统、传感器系统、声光报警系统、道闸系统、四视频监控系统及复位系统共6个部分组成，组成框图如图 2-1 所示：
图2-1
2.2系统主要技术指标
系统主要技术指标如表 2-1 所示：
表 2-1系统主要技术指标
2.3系统工作示意图
图 2-2 系统工作平面示意图
3系统硬件选择
3.1传感器类型选择及安装方法
3.1.1选择传感器的依据
系统对传感器的要求非常高，传感器的工作条件比较恶劣，受夏季雨水浸泡和冬季冰雪覆盖影响，因此要求传感器具有较高的输出范围和灵敏度，坚固、耐用，少维修甚至无维修。经过综合比较，本系统最终决定选择YCCG-2有源车轮传感器，该类传感器反应灵敏，外壳为优质铸钢，在铁路领域广泛应用于轨道衡、超偏载监测、车号识别系统、5T系统、6C系统，具备检测列车车速、判断来车方向、计轴判辆等。可以长期稳定的工作，而且无需维修，能够适应现场恶劣的工作环境。
3.1.2传感器的安装方法
安装传感器需要考虑到以下几个因素：
①磁钢外沿距钢轨内侧壁距离：85+5-2毫米（通常为88～90mm，即磁钢外沿与安装尺边缘接近，特殊情况可为95 mm左右）；
②磁钢顶部距钢轨平面距离：按《红规》要求，60轨为37+2毫米（通常为37～38毫米）。50轨为35+2毫米。
图3-1车轮传感器安装示意简图
3.2系统控制器选择
在选择系统控制器时，原则首先是可靠，其次是简单，具有可以满足系统工作需要的计算速度，而且要考虑系统的综合经济成本。因此，选用技术成熟而且可以稳定工作的台达PLC作为系统主电路的核心。台达系列可编程控制器以高速、稳健、高可靠度应用于许多工业自动化机械上；除了具有快速执行逻辑运算、丰富指令集、多元扩展功能卡及高性价比等特色外，并且支持多种通讯规范，使工业自动控制系统联成一个整体。
3.3语音播放系统
本系统选用了ISD公司生产的ISD1400系列语音芯片，其包括低噪前置放大器、时钟振荡器、抗干扰滤波器、128K可编程电擦除只读存储器（EEPROM）、差分功率放大器、自动增益控制电路等电路。ISD1400系列语音芯片直接存储模拟信号，可自动待机省电，采用可编程电擦除只读存储和总线技术，录音数据永久保存、高保真，适用于同PLC接口。此外，此芯片功能十分强大，有四种模式：信息检索、删除 EOM、循环播放、录音等，本设计用的是循环播放功能，在其内部事先存储好一段语音，在需要的时候将其不断播放出来即可。
4系统软件设计
4.1系统软件设计框架
系统软件总体上分三大部分：初始化及设备自检和断线检测、远程复位接口、列车接近检测报警等。采用模块化结构，而且由于各道口的现场线路不尽相同，检测点的数量和检测点的位置也不同，所以程序不能通用，需要根据实际情况进行调整。系统总体程序框图如图 4-1 所示：
图 4-1 软件总体设计框图
4.2系统软件设计原理
系统软件设计需要根据对现场机车运行方式进行分析来设计。根据现场调查结果，J3、J2、J1股道均可双向通车，且经过道岔可以变换股道，因此设计原理如下：
（1）单辆机车通行情况
a.机车从J3股道出库时，经过X0，红灯亮、道闸关。
经过X10或X11后绿灯亮、道闸开，经过X11后，当经过X20或X21后反向入库行驶，此时红灯亮、道闸关，经过X15或X16后绿灯亮、道闸开。
b.机车从J2股道出库时，经过X1，红灯亮、道闸关。
经过X11后绿灯亮、道闸开，当经过X20或X21然后反向入库行驶，此时红灯亮、道闸关，经过X15或X16后绿灯亮、道闸开。
c.机车从J1股道出库时，经过X2或X3，红灯亮、道闸关。
经过X12后绿灯亮、道闸开，当经过X20或X21然后反向入库行驶，此时红灯亮、道闸关，经过X15或X16后绿灯亮、道闸开；
经过X13后绿灯亮、道闸开，当经过X22然后反向入库行驶，此时红灯亮、道闸关，经过X17后绿灯亮、道闸开。
d.机车从J3股道入库时，经过X4，红灯亮、道闸关，经过X14后绿灯亮、道闸开。
e.机车从J2股道入库时，经过X5或X6，红灯亮、道闸关，经过X15或X16后绿灯亮、道闸开。
f.机车从J1股道入库时，经过X7，红灯亮、道闸关，经过X17后绿灯亮、道闸开。
（2）多辆机车通行情况
a.多辆机车同时出库，触发红灯亮、道闸关后，绿灯及道闸的判定以最后经过道口的机车所在股道为准。
例如：J3和J2股道同时有机车出库，J3股道机车A先经过X0，此时红灯亮、道闸关，在机车A未通过道口X10时，J2股道进入一辆机车B，此时红灯亮、道闸关不变，机车A通过X10后，红灯亮、道闸关不变直到机车B通过X11后，绿灯亮、道闸开。
b.多辆机车同时入库，触发红灯亮、道闸关后，绿灯及道闸的判定以最后经过道口的机车所在股道为准。
例如：J3和J1股道同时有机车入库，J1股道机车C先经过X7，此时红灯亮、道闸关，在机车C未通过道口X17时，J3股道进入一辆机车D，此时红灯亮、道闸关不变，机车C通过X17后，红灯亮、道闸关不变直到机车D通过X14后，绿灯亮、道闸开。
C.同时有机车出入库同时，触发红灯亮、道闸关后，绿灯及道闸的判定以最后经过道口的机车所在股道为准。
例如：J2股道有机车出库，J1股道同时有机车入库，J2股道机车E先经过X1，此时红灯亮、道闸关，在机车E出库未通过道口X11时，J1股道进入一辆机车F入库，此时红灯亮、道闸关不变，机车E通过X11后，红灯亮、道闸关不变直到机车F通过X17后，绿灯亮、道闸开。
（3）特殊情况
由于存在误触发、机车进入判定范围X0-7后停止或反向直接驶出、某种原因下系统未判断出机车驶过了道口等等特殊情况，会导致整个系统无法判断机车情况而一直处于红灯亮、道闸关状态，这种情况会造成道口拥堵，行人、车辆无法正常通行，所以必须要有一种检测方式检测该种情况。
系统给红灯亮、道闸关的状态持续设计了一个计时器，如果计时器达到6分钟，会先进行系统自检，如果判定机车只是触发了X0-X7传感器，那么系统会自动复位，如果不是那么系统会进行报警及时通知负责人进行查看，同时现场黄灯持续闪烁。
例1：J3股道有机车出库，经过X0后，红灯亮、道闸关，机车未经过X14，然后反向驶回，系统会一直持续红灯亮、道闸关状态。当计时器到达6分钟，系统会自动复位。
例2：J3股道有机车出库，经过X0后，红灯亮、道闸关，机车只有二个车轮经过了X10，然后反向驶回，系统会一直持续红灯亮、道闸关状态。当计时器到达7分钟，系统自动报警，红灯灭、黄灯持续闪烁，同时通知负责人，可以远程对系统复位。
（4）特殊情况下有机车正常经过道口的情况
对于③中的特殊情况下，如果此时有机车正常经过道口，会刷新计时器，重新进行6分钟计时。
a.非系统判断出现故障的股道，有正常过车的情况：
例1：J3股道有机车出库，经过X0后，红灯亮、道闸关，机车未经过X14，然后反向驶回，系统会一直持续红灯亮、道闸关状态。J3股道判断出现故障，计时器到达2分钟时，J2股道有机车出库，此时红灯亮、道闸关，J2股道机车通过X11后，红灯亮、道闸关状态不变，计时器清零重新计时，到达6分钟时，系统自动复位，绿灯亮、道闸开。
例2：J3股道有机车出库，经过X0后，红灯亮、道闸关，机车只有二个车轮经过了X10，然后反向驶回，系统会一直持续红灯亮、道闸关状态。J3股道判断出现故障，计时器到达2分钟时，J2股道有机车出库，J2股道机车通过X11后，红灯亮、道闸关状态不变，计时器清零重新计时，到达6分钟时，系统自动报警，红灯灭、黄灯持续闪烁，同时通知负责人，可以远程对系统复位。
b.系统判断出现故障的股道，有正常过车的情况：
例1：J3股道有机车出库，经过X0后，红灯亮、道闸关，机车未经过X14，然后反向驶回，系统会一直持续红灯亮、道闸关状态。J3股道判断出现故障，计时器到达2分钟时，J3股道有机车出库，此时红灯亮、道闸关，J3股道机车通过X10后，红灯亮、道闸关状态不变，计时器清零重新计时，到达6分钟时，系统自动报警，红灯灭、黄灯持续闪烁，同时通知负责人，可以远程对系统复位。
5系统抗干扰设计
5.1系统抗干扰性设计原则
PLC系统的工作环境比较复杂、恶劣，其应用的安全性以及可靠性问题比较突出。影响系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装制造工艺和外部环境条件等因素。这些因素对PLC系统造成的干扰后果主要表现在数据采集误差加大、控制状态失灵、数据受干扰发生变化、程序运行失灵。针对这些内部和外部因素的干扰，从软硬件方面着手采取措施，是可靠性设计的基本任务。
内部因素可能影响系统的稳定运行，包括元器件自身的性能以及可靠性、系统结构设计的合理性、安装、调试不当。
外部因素也可导致系统运行不可靠，一是受外部设备影响，如外部有电气设备、外部电源电压、强电场和磁场的影响；二是受外部空间条件影响，如湿度、温度、空气清洁度等；三是受外部机械条件影响，如车轮振动、冲击等；四是受恶劣的自然现象影响，如雷电等。因此在系统设计中，元器件的选择是根本，合理的安装调试是基础，系统的设计是手段，外部环境是保证。这是本系统在抗干扰性以及可靠性设计方面遵循的基本原则。
5.2系统干扰源分析以及硬件抗干扰措施
耦合通道、干扰源、接受电路（对干扰具有敏感性）是干扰形成的必要条件，因此在系统设计时，首先要避开干扰，尽量减少干扰源的影响。但在实际应用中，没有绝对的无干扰环境。实践证明，对干扰的来源进行周密的分析，进而制定对策，对耦合通道采取必要的措施，同时提高接受电路的抗干扰能力并在软件编制中进行相应的抗干扰设计是必要的。具体的来说，本系统受到的主要干扰来自电网供电，空间电磁波，信号传输通道和雷电。
5.2.1较恶劣的供电条件及抗干扰措施
由于现场运行的各种电器设备众多，特别是感性负载的启停，可使电网电压产生大幅度的涨落（浪涌）和较大幅度的高频振荡电压，而各种大功率开关的通断，电机的启停，又会形成很强的尖峰干扰，极易造成PLC应用系统的误动作、数据丢失甚至死机。系统针对供电条件的干扰所采取的抗干扰措施主要有：
（1）在电源的引入线上，采用电源滤波器（带有屏蔽罩的低通滤波器），从而抑制火线上产生的干扰，同时也可防止宽频带在瞬变状态产生的干扰。因为限制通过的交流电为 50Hz，所以较好地衰减了高频电压的干扰。
（2）将 430Ω的压敏电阻加装在电源的引入线线间以及每线的对地间，对抑制高幅度震荡电压以及尖峰脉冲有较好效果。
5.2.2较强的空间电磁波干扰以及抗干扰措施
空间电磁波的干扰无处不在，车站附近可以认为是电磁波重污染区。这里密集了各种无线通信和广播电视信号，内燃机车和电力机车上的各种大功率电机电器和车站的各种设备产生的电磁干扰。系统抗电磁干扰的能力又称为电磁兼容性，电磁兼容性设计主要包括电路设计、接地和屏蔽设计。
电路设计包括带宽控制、去耦、滤波和隔离。带宽控制主要是选用高抗干扰能力的逻辑芯片。去耦措施采取分开回路，对于互阻耦合，采用彼此远离空间导体，尽可能减小尺寸，并且加粗地线，就近接地。滤波措施是对电路内部的连接电缆和输入信号增加滤波环节，比如增加滤波电容，从而抑制传导干扰。隔离措施是通过光电耦合器内部电路和外部接口进行隔离，同时也尽可能隔离开各个单元电路。
5.2.3对信号通道的干扰以及抗干扰措施
本系统内部信号通道比较多，各信号通道间尽量采用电气隔离、空间隔离的措施，减少干扰传输，减少传输距离。对开关量的输入采用电流传输方式，因为电流输入方式比电压输入方式抗干扰能力强。开关通断瞬间产生的尖峰干扰就近采用 RC 滤波进行吸收。
5.2.4雷电对系统的干扰以及抗干扰的措施
由于全金属的铁路线路绝大部分是暴露在空旷环境中，所以更容易直接遭受雷击。直击雷具有电压高、电流大、破坏性极强的特点，其高电压和大电流产生的电磁效应、热效应和机械效应，常会对受雷体造成严重危害。系统可能遭受雷击的途径为安装在道口房内的PLC系统设备和安装在铁轨上的传感器。本系统在防雷设计中除了在PLC电路设计时设计了光电耦合隔离部分以外，在传感器信号引出端采用了氧化锌压敏电阻来防雷。
5.3软件抗干扰措施
虽然本系统在硬件抗干扰方面已经采取了很多措施，从理论到实际也确实可行，但是对于一个系统的整体抗干扰能力来说，还是不够，必须在软件编制上尽可能采取强有力的抗干扰措施。为保证数据的准确，程序的运行正确，系统工作的绝对可靠，从现场实际需要出发，设置程序恢复运行后重新初始化，从而提高了系统的安全可靠性。为防止程序在某些的特殊情况下，进入死循环，造成系统瘫痪，所以给程序设计了自动复位回路及远程复位开关。
6结论
通过对铁路平交道口安全现状的研究与分析，设计开发了铁路平交道口安全防护警示系统，用于实时采集机车车辆信息、防护和警示道口安全，经过现场的安装、试验，最终实现了预期的设计目标，使其具备实际应用价值，可以方便、安全的应用在机务段、折返段内的铁路平交道口，以保证机车车辆的运用秩序和通行人员的安全保障。
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[6]西安云垦YK-A351 GSM/GPRS DTU 模块使用说明.
论文作者:郭童斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：机车论文; 系统论文; 股道论文; 道闸论文; 红灯论文; 道口论文; 平交道论文; 《基层建设》2019年第2期论文;