1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 轨道交通定点停车系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 本文在分析了国内外轨道交通中列车定点停车系统的研究现状之后，提出了一种全新的轨道交通自动定点停车系统，整个系统采用基于三菱公司 的 FX2N 系列 PLC 作为控制核心，结合了当前众多先进轨道交通高速列车实用技术，提出了采用脉冲传感器对火车速度进行实施采集，采用标志应答器无线接收提供定点位置信号的定位方案、采用阶梯制动进行刹车的方法。具有成本低，结构简单、抗干扰能力强，灵活机动的特点。 本文阐述了轨道交通停车系统原
2、理，包括定点停车系统的实现关键技术分析；轨道交通停车系统总体方案设计，重点阐述硬件系统设计，包括系统组成硬件选型，参数设置，系统电气控制设计。 最后介绍了轨道交通停车系统的软件实现，包括控制方案的软件流程，程序设计。 关键词 ： 轨 道交通；定点停车； PLC - 2 - Abstract This paper analyzes the domestic and international rail traffic in the parking system of the train designated status, the paper proposes a new rail transi
3、t systems designated parking, the entire system is based on MITSUBISHIs FX2N Series PLC as the control, a combination of The current number of advanced high-speed rail train practical skills, the pulse sensor is proposed for implementation on the train speed acquisition, the use of signs to provide
4、fixed wireless receiver transponder position signal positioning program, the use of sub-curve of the brake brake brake methods methods. Low cost, simple structure, strong anti-interference ability, flexible features. This will include the following aspects， The principle of Mass Transit parking syst
5、em, parking system, including fixed-point implementation of key technologies；the rail parking system overall design, focusing on the hardware system design, including hardware, system component selection, parameter setting, the system design of electrical control； Finally,rail parking system softwar
6、e, including software flow control scheme, the program design. Key words: rail traffic； Designated parking； PLC - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 轨道交通定点停车系统方案分析 .2 2.1 轨道交通定点停车系统测速方案 .2 2.2 轨道交通定点停车系统定位方案 .3 2.2.1 总定位系统方案 .3 2.2.2 查询应答器方法 .4 2.3 轨道交通定点停车系统制动方案 .5 2.3.1 气动制动 .5 2.3.2 阶梯制动 .5 3 气动回路设计 .7 3.1 闸瓦制动原理
7、 图 .7 3.2 气动系统的工作过程 .7 3.2.1 供气系统 .8 3.2.2 制动单元回路 .8 4 系统硬件设计 .9 4.1 系统主要构成 .9 4.1.1 测速部分 .9 4.1.2 定位部分 .10 4.1.3 制动部分 .10 4.2 系统硬件 .12 4.2.1 测速传感器 .12 4.2.2 车载应答器设计 .12 4.2.3 可编程逻辑控制器 .12 4.3 三菱 FX2N-64MR 简介 .13 4.3.1 FX2N-64MR 基本结构 .13 4.3.2 FX2N-64MR 外部特征 .13 4.3.3 三菱 PLC 的特点 .13 4.4 模拟量输入模块 FX2N
8、-4AD .14 4.5 系统电气控制设计 .14 5 系统软件设计 .17 5.1 控制系统软件方案 .17 5.2 软件程序流程 .18 6 结束语及展望 .22 参考文献 .23 附录 1 FX2N-64MR 主程序梯形图 .24 - 1 - 1 引言 随着铁路运输的任务越来越重，轨道交通运行要求越来越高，保证运输安全的问题也越来越突出。完全靠人工瞭望、人工驾驶列车已经不能保证行车安全了，即使装备了机车信号和自动停车装置，也只能在列车一般速度运行条件下保证安全无法实现列车的安全保证，因为它们不能完成防止偏差停车和冒进信号的现象。因 此，需要研究列车运行控制系统，实现对列车间隔和速度的自动
9、控制，进一步提高运输效率，保证行车安全。 而对运行的列车而言最重要的作业之一便是在车站的定位停车，通常司机在制动时全凭直觉估计到停车点的距离，根据当时的速度来推算减速度，也就是按“记忆模式”来操作制动阀，要做到定位停车也是相当困难，所以必须研究列车自动定位停车，尤其对于设置站台屏蔽门的城市轨道尤为重要。要实现上述目标，不是简单的设备改进可以完成的，需要解决许多关键技术问题，例如：车地之间大容量、实时、可靠信息传输，列车定位，列车精确、安全控制等。需要 车载设备、轨旁设备、车站控制、调度指挥、通信传输等系统良好的配合才能实现，现代信息技术的迅速发展，对铁路信号技术产生了重要影响，为形成现代铁路信
10、号系统提供了条件。 国内外轨道纵观交通自动控制的发展现状，要实现列车间隔与速度的安全控制，首先要及时获取列车运行的速度与列车目前的位置，因此列车的测速与定位是列控系统的关键技术之一，而且 定点停车技术在列车自动控制中的应用，提高了旅客的舒适度，在一定程度上缩短了车站的站台长度，节省了建设的成本。 本文提出了一种基于 PLC 控制的定点停车系统的设计和实现， PLC 不需要大量 的活动元件和连线电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短，使可靠性得到提高。 PLC 采用可靠性高的工业级元件和先进的电子加工工艺制造，抗干扰性强 1。而且 PIC 在硬件设计中采用了屏蔽、滤波、光电
11、隔离等技术，重要的是 具备招标要求 可以和同类产品竞争 等显著优点被广泛应用于工业生产过程的自动控制中。 又因为 PLC 在编程、扩展、操作的灵活性等诸多优点。于是选择 PLC 来实现系统的控制。根据具体控制要求本文采用的是日本三菱公司的 FX2N-64MR 型 PLC 和模拟量输入模块 FX2N-4AD。 - 2 - 2 轨道交 通定点停车系统方案分析 2.1 轨道交通定点停车系统测速方案 要实现列车间隔与速度的安全控制，首先要及时获取列车运行的速度，因此列车的测速是系统的关键技术之一，测速的精度从根本上制约着列车运行自动控制系统的控制精度，测速的精度太低，不仅会增加行车的不安全因素，而且会
12、造成系统预留的安全防护距离过大，从而影响运输效率。 目前存在多种列车测速方式，根据速度信息获取的来源，我们可以把测速方式分成两大类，一类是利用轮轴旋转信息获取列车速度的测速方法，另一类是利用无线方式直接检测列车的速度的测速方法 2。 测速电机方 式 测速电机包括 个齿轮和两组带有永久磁铁的线圈。齿轮固定在机车轮轴上，随车轮转动。线圈固定在轴箱上。轮轴转动，带动齿轮切割磁力线，在线圈上产生感生电动势，其频率与列车速度（齿轮的转速）成正比。这样列车的速度信息就包含在感应电动势的频率特征里。经过频率 电压变化后，把列车实际运行的速度变换为电压值，通过测量电压的幅度得到速度值。 脉冲转速传感器方式 脉
13、冲转速传感器安装在轮轴上，轮轴每转动一周，传感器输出一定数目的脉冲，这样脉冲的频率就与轮轴的转速成正比。输出脉冲经过隔离和整形后，直接输入到微处理器进行频率测 量并换算成速度和走行距离。 脉 冲 转 速传 感 器隔 离 限 幅 整 形频 率 测 量和 计 算速 度 、 距 离参 数 图 2-1 脉冲转速原理图 测速电机方式以模拟技术为基础，存在不可避免的缺陷，影响了测试精度，正处于被逐步淘汰的过程中，轮轴脉冲转速传感器方式将成为作为主流产品。由于列车在运行过程中存在空转、滑行现象，所以，以轮轴旋转推算速度不可避免的会产生误差。 无线测速方式 - 3 - 无线测速定位方式抛开轮轴旋转产生的速度信
14、息，利用外加信号直接测量车体的速度和位置，因此又称为外部信号法。目前提出的有雷达测速方式和卫星定位方式等。由于这类方法 不由轮旋转获得信息，因此能有效地避免车轮空转、滑行等产生的误差，但精度受到无线电波的传播特性等素的影响。 综合上述比较，测速方面本文采用了轮轴旋转推算速度来检测实时速度，在列车进站定点停车之前，列车速度较高，列车车轮保持滚动运行，此时轮轴与列车速度有线性对应关系如下： 6.3/nDV （ 2-1） 其中： D 为车轮直径， n 为车轮转速。 通过检测车轮转速就可以检测出列车当前车速。 当火车制动后，有可能存在车轮滑动情况，故此时可以通过无 线扩频方式， 车载控制器接收到速度传
15、感器车轴脉冲发生器得到实际列车速度信息，对于车轮磨耗加强补偿探测信号的方法来解决，即可通过与为磨耗前后车轮的速度差异进行调整，一般新车轮直径为 840mm，完成磨耗的轮径大约为 770mm，所以以 5mm 为一档，共有 15个设定值对实测速度进行调整，因此，所测速度较为精确。 2.2 轨道交通定点停车系统 定位方案 2.2.1 总定位系统方案 列车定位是列车控制技术的重要部分，有许多方法可以实现列车定位，比如：知道了初始点，利用列车测速信息可以获得列车位置信息；采用 GPS 技术不仅可以 获得列车速度也可以获得列车位置信息，通过地面设备向列车传输信息时，地面设备的位置也可以使列车获得位置信息。
16、 列车定位可以综合采用几种方法获得，并互相校正融合以计算出相对精确的列车位置信息。如图 2-2 所示。 - 4 - 轮 轴 传 感 器相 对 传 感 器G P S 接 收 机纬 度 、 经 度速 度 、 时 间 等融 合 计 算列 车 定 位绝 对 传 感 器罗 盘方 向陀 螺距 离方 向图 2-2 列车定位的融合示意图 前面所述的轮轴传感方法可以获得列车位置信息，但是由于列车的车轮空转、滑行等因素，不可避免的会产生累积误差，因此，一般列控系统采用地面固定安放的设备来对累积误差进行校正，这就是下节要介绍的使用查询应答器的方法来实现。 2.2.2 查询应答器方法 查询应答器如图 2-3 所示，在
17、定点停车处设有地面标志器，当列车接近车站，它首先检测出离停车点最外方的标志器，从而启动车轮制动曲线。 同时，在离停车点固定位置的地方分别放置标记值不同的地面标志器，通过这些在固定里程处设置数字应答器，发送固定频率的信号，当位于列车头部的接收器到该信号，通过信号调理电路解码转换成约定格式的编码，通过查询编码值，则可得到列车当前所处的位置。 车 载 控 制 器天 线应 答 器L E U车 载 设 备地 面 设 备速 度 传 感 器图 2-3 查询应答器定位法 - 5 - 2.3 轨道交通定点停车 系统 制动方案 2.3.1 气动制动 图 2-4 列车制动原理图 如图 2-4 所示，列车制动主要通过
18、压缩空气借助制动装置机械作用来实现对列车车轮的控制。其具体实现情况如下：列车制动装置由装在机车上的供风系统和自动制动阀、分装在机车和车辆上的 制动缸、闸瓦 ，以及贯通全列车的制动管（又称刹车管）组成。 整个制动系统中充以压缩空气。供风系统包括空气压缩机和总风缸，其作用是供给整个系统所需的压缩空气。 制动管减压时，自动控制阀 使风缸中的压缩空气进入制动缸，使闸瓦（或闸片）紧压车轮踏面 (或制动盘 )，阻滞车轮的转动，在轮 轨间粘着力的作用下使列车减速或停止运行；制动管充风升压时，自动控制阀阻 断风缸管路而使制动缸内的压缩空气排入大气，此时制动缸内的复原弹簧复原位，闸瓦离开车轮，从而实现缓解（列车启动） 3。 2.3.2 阶梯制动 阶梯控制方式不需要距离信息，只要在停车信号与最高速度间增加若干中间速度信号，即可实现阶梯控制方式。因此轨道信息量较少，设备相对比较简- 6 - 单，这种传统的控制方式是目前高速铁路最普遍采用的控制方式。 为了提高系统定位的精确度，考虑采用阶梯制动方案。如图 2-5 所示。在列车速度快的时候，制动力 F 也较大，车速变慢 时制动力 F 下降。到最后停车的时刻制动力 F 又增加。 FSS 1 S 2 S 3 S 4 S 5图 2-5 阶梯控制方式示意图
