1、浅谈城市轨道交通信号系统 大学毕业设计浅谈城市轨道交通信号系统摘 要城市轨道交通信号系统是保证列车运城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现代化，提高运输效率的关键系统设备。城市轨道交通信号系统是城市轨道，交通自动化系统中的关键部分，是保证列车和乘客安全，实现列车运行高效、指挥管理有序的自动控制系统。其核心是列车自动控制系统，它由列车自动监控子系统、列车自动防护子系统、计算机联锁子系统和列车自动驾驶子系统组成。ATC系统自上世纪7O年代投入运至今，经历了三十年的发展，技术日趋成熟，为使列车控制技术经济指标更加合理，世界各国纷纷开发了先进的ATC系统，ATC系统按闭塞方式
2、分类有三种类型：固定闭塞方式的ATC系统、准移动闭塞式的ATC系统、移动闭塞式的ATC系统。城轨通信系统与信号系统共同完成行车调度指挥，并为城轨的其它各子系统提供信息传输通道和时标信号。此外，通信系统是城轨交通内部公务联络的主要通道，使构成城轨交通内部的各个子系统能够紧密联系，以提高整个系统的运行效率。当然，通信系统也是城轨交通内、外联系的通道。城轨通信系统在发生灾害、事故或恐怖活动的情况下，是进行应急处理、抢险救灾和反恐的主要手段。城市轨道交通越是在发生事故、灾害或恐怖活动时，越是需要通信联系，但若在常规通信系统之外再设置一套防灾救护通信系统，势必要增加技资，而且长期不使用的设备亦难以保持良
3、好的运行状态。所以，在正常情况下，通信系统能为运营管理、指挥、监控等提供通信联络的手段，为乘客提供周密的服务；在突发灾害、事故或恐怖活动的情况下，能够集中通信资源，保证有足够的容量以满足应急处理、抢险救灾的特殊通信需求。城市轨道交通包括了地铁，轻轨和城市铁路等不同形式具有运量大，速度快，安全准点。平稳舒适，污染小等优点。本文主要阐述城市轨道交通信号控制系统的主要组成。随着我国城市轨道交通的迅猛发展，信号系统作为控制运行安全的核心设备，对其安全、可靠性的分析评价显得尤为重要，本文从列车检测方式、机车信号选择、设备控制方式等方案的主要方面对描述了城巾轨道交通中信号系统的安全策略及可靠性分析。信号系
4、统作为城市轨道交通工程中重要的组成部分,对行车的安全、正点、高效的运行起着至关重要的作用,但由于其中的设计标准不全面,给系统设计方案造成了一定的随意性。本文就其中的系统构成、设计行车间隔和ATP 信息传输方式等方案进行了探讨。 关键词：城市轨道；信号系统；控制系统；行车信号安全目 录摘 要 2第一章 信号的基本理论 51.1联锁和进路 51.2信号作用 6 1.2.1信号与信号显示 6 1.2.2信号的分类 7第二章 城轨信号系统 92.1 信号标志 92.1.1 PLC概述 92.1.2PLC的选型 92.2变频器的选型 112.3水泵的选型 122.3.1水泵的参数及性能 132.3.2选
5、择步骤 162.4硬件接线图 17第三章 系统软件设计 183.1 PLC梯形图概述 183.2 SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的操作方法 183.3 I/O分配表 193.3.1输入信号 203.3.2输出信号 203.4I/O接线图 213.5流程图 213.6梯形图（见附录1） 223.7喷泉控制系统的设计程序 22结论 24致谢 25参考文献 26附录1 27第一章 花样音乐喷泉简介1.1花样喷泉的概述喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头洒出来具有一定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。现代城市中的喷泉形式已十分丰富。随着构筑物的大小及水压等的变化，喷泉或高或低、或珠
6、或雾，精彩纷呈。可分为以下7种：1.普通喷泉：只有简单的几种固定水型及灯光，随着电源的开闭而控制喷泉的运行、水型和灯光的变化。2.程控喷泉：将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样的变化。3.音乐喷泉：在程序控制喷泉的基础上加入了音乐控制系统，计算机通过对音频及MIDI信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步。4.水幕激光喷泉：将激光器发出的激光束射在水幕喷头的水幕上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多样的图案及色彩，照射在晶莹透明的水膜上，形成斑斓夺目的起义效
7、果。5.水珍珠喷泉：利用特殊音波将水变成球体的喷水装置和全频高速闪光灯的视觉图像效果的产品组成。6.游戏喷泉：又称感应泉，喷泉水柱根据游人的动作产生反应，而且这种应具有不确定性，是一种互动式喷泉，增强了娱乐氛围。7.跳跳喷泉：又名光亮泉。是一种高科技水景艺术，水形似根根晶莹透彻地冰柱，一串串飞向空中，轻舞飞扬。1.2系统设计的基本步骤在花式喷泉控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：1.深入了解和分析花式喷泉的工艺条件和控制要求。2.确定I/O设备。根据花式喷泉控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。3.根据I/O点数选择合适
8、的PLC类型。4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出端子 的接线图。5.设计花式喷泉系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图6.程序，这是整个花式喷泉系统设计的核心工作。7.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。1.3系统控制方案花式喷泉系统的控制要求如下：1.12均为外环形状的喷水管，3为内环形状的喷水管，4为星形喷水管。灯光系统由三条支路组成，分别为绿色灯支路（在1,2之间）、黄色灯支路（在2,3之间）红色灯支路（在3,4之间）。2.该喷泉共有三种花样可供选择。按下启动按钮，喷泉即开始工作，按下停止按钮，则停止喷水。喷泉的
9、工作方式（即喷水花样）由选择开关来实现。3.该花式喷泉有四种喷水花样可供选择：(1).花样选择开关在位置1时，按下启动按钮后，4,3,2间隔两秒依次喷水，一起工作18秒后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式，则继续循环下去。(2).花样选择开关在位置2时，按下启动按钮后，1,2,3,4间隔两秒依次喷水，一起工作30秒后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式 ，则继续循环下去。(3).花样选择开关在位置3时，按下启动按钮后，1，3同时喷水，延时3秒后2，4喷水，1，3停止喷水。交替运行15秒后，1,2,3,4全喷水，30秒后，如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作
10、方式 ，则继续循环下去。(4).花样选择开关在位置4时，按下启动按钮后，1,2,3,4间隔两秒依次喷水，一起工作30秒后，1，2，3，4，分别延时2秒，依次停止喷水。再经1秒延时按照4，3，2，1，依次间隔2秒喷水，然后一起喷水。30秒后停止。如果为单步工作方式，则停下来。如果为连续工作方式 ，则继续循环下去。 (5).灯光系统的控制：由PLC的X5输入端为灯光系统控制的选择按钮，当需要灯光配合时，接通X5输入端。此时可实现三路灯光的控制，即3,4任意一层喷水时，红色灯亮；2喷水时，黄色灯亮；所有的喷头喷水时，绿色灯亮。花式喷泉池示意图如图2-1所示：图2-1 花式喷泉示意图1.4花式喷泉控制
11、系统的原理图在喷泉中，通过按钮开关信号来控制PLC：因为有4层喷水，因此用了1个变频器控制4个水泵。花式喷泉控制系统的原理如图2-2所示：图2-2 花式喷泉控制系统原理图第二章 系统硬件设计2.1 可编程控制器（PLC）的选择2.1.1 PLC概述可编程控制器，英文称Progammable Controller,简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC有丰富的指令系统，有各种
12、各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：1.逻辑处理功能；2.数据运算功能；3.准确定时功能；4.高速计数功能；5.中断处理（可以实现各种内部中断）功能；6.程序与数据存储功能；7.联网通信功能；8.自检测、自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。2.1.2PLC的选型 在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输
13、入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。1.输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。2.存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。3.控制功
14、能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。根据本课题所设计控制的需求，主要介绍一下几种功能的选择。（1）.控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。（2）.编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式降低系统成本，但使用和调试不方便。在离线编程方
15、式：CU和编程器有各自的CPU，主机CPU负载现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。五种标准化编程语言：顺序功能（SFC）、梯形图（LD）、功能模式图块(FBD)三种图形化语言和语句表（il）、结构体文（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC113123），同时，还应该支持多种语言编程方式，如C,Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。（3）.诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的
16、性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外币输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 4机型的选择 通过对输入/输出点的选择、对存储量的选择？对I/O响应时间的选择输出负载的特点选型的分许。 该控制系统选用三菱公司FXON系列的PLC。它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的链接，可以增加输入/输出点数。我设计的花式喷泉模型共有6个输入，11个输出，因此，选用型号为FX2N-32MR的PLC。2.2变频器的选型 变频调速技术是针对固定工频而采取的高效节能措施，工频
17、（50Hz）是发电的最佳频率，但它并非是所有用电设备的最佳工作频率，因而导致许多设备长期处于低频率、低功率引述运行状态。占全国耗电2/3的交流电动机目前大多数还在工频、恒速下运动，运行效率只有60%左右。为了提高效率，所以在本设计中用到变频器。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。整流部分为三桥式不可控整流器，逆变比分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、
18、直流储能和缓冲无功功率。变频器选型时要确定以下几点：1.采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。2.变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。3.变频器与负载的匹配问题：（1）.电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。（2）.电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。（3）.转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生。1.在使用变频器驱动告诉电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流地阿牛值增大。因此用于高速
19、电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。2.变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样的情况下，变频器容量要更大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。3.对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器的容量要放大一档。 本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水的高度。我选用的是FR-S520（E）系列变频调速器。其实物图如图2-2示。图2-2 FR-S520（E）系列变频调速器2.3水泵的选型泵是一种面大量广通用型号机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力、冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部
20、门，在国民经济中占有重要的地位。泵的电能消耗起了积极作用。但是目前在国民经济各个领域中，由于选型不合理，许多的泵处于不合理运行状况，运行效率低，浪费了大量能量。还有的泵由于选型不合理，根本不能使用，或者使用维修成本增加，经济效益低。由此可见，合理选泵对节约能源同样具有重要意义。所谓合理选泵，就是要综合考虑泵机组和泵站的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。具体来说，有以下几个方面：必须满足使用流量和扬程的要求，即要求泵的运行工次点经常保持在高效间运行，这样既能剩动力又不易损坏。所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率。具有良好的抗
21、气蚀性能，这样既能减小泵房的开挖深度，又不使水泵发生气蚀，运行平衡、寿命长。2.3.1水泵的参数及性能1.水泵的主要参数水泵参数是指工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。（1）.流量（Q）泵的流量市直单位时间所排出的液体的数量。通常泵的流量用体积计算，以Q表示，单位为米3/时（m3/h）、米3/秒（m3/s）、升/秒（1/s），也可用重量计，以G表示，单位为吨/时（t/h）、吨/秒（t/S）、千克/秒（kg/s）。G与Q的关系：G=r*Q r-液体的重量（千克/米3）因水的重量近似1000千克/米3，故 1升/秒=3.6米3/时=3.6吨/时（2）.扬程（H）泵的扬程是
22、指单位重量的液体通过泵所增加的能量。以H表示，实质上就是水泵能够扬水的高度，又叫总扬程或全扬程。单位为米液柱高度，习惯上省去“液柱”，以米（m）表示。泵的总扬程由吸水扬程两部分组成，因此总扬程=吸水扬程=出水扬程但由于水流经过管路时受到各种阻力而减少了泵的吸水扬程和出水扬程，因此吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程总扬程=实际扬程+损失扬程由于水泵铭牌上表明的扬程是上述水泵的总扬程，因此不能误认为铭牌上的扬程是实际扬程数值，水泵的实际扬程都比水泵铭牌上的扬程数值小。因此在确定水泵扬程时，这一点要特别注意，否则，如果只按实际
23、扬程来确定水泵的扬程，订购来的水泵扬程就低了，那可能会降低水泵的效率，甚至打不上水来。损失扬程与管路上的水管和附近种类（低阀、闸阀、逆止阀、直管、弯管）、数量、水管内径、管长、水管内壁粗糙程度以及水泵流量等都有密切关系，这一点在管路设计和选配水管和附件时也应注意。（3）.允许吸上真空高度（HS）允许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程，也就是泵的吸水扬程（简称泵的吸程），包括实际吸水扬程和吸水损失扬程之和。以Hs表示，单位为米（m）。允许吸上真空高度是安装水泵高度的重要参数，安装水泵时，应使水泵的吸水扬程小于允许吸上真空高度值，否则安装过高，就吸不上水或产生气蚀现象、（4）.转速（n）转速是指泵
24、叶轮每分钟的转数，以n表示，单位为转/分（r/min）。每台泵都有一定的转速，不能随意提高或降低，这个固定的转速称为额定转速，水泵铭牌上标定的转速即为额定转速。如果远大于额定转速，不但会引起动力机超载或转不动，而且泵的零部件也容易损坏；转速降低，泵的效率就会降低，影响水泵的正常工作。（5）.比转数（ns）在前述水泵型号中，有些型号的组成部分有比转数这个参数。比转数与转速是两个概念，水泵的比转数，简称比速，通常用符号为ns。水泵的比转数是指一个假象的所谓标准水泵叶轮的转数，这个假想的水泵与真实水泵的叶轮各部分都几乎相似而在消耗功率为0.735千瓦、扬程为1米、流量为0.075立方米/秒时所具有的
25、转数。叶轮形状相同或相似的水泵比转数相同，叶轮形状不相同或不相似的水泵比转数不相同。如轴流泵比转数比混流泵大，混流泵比转数也是放映水泵特性的综合性指标。此外，要注意比转数大的水泵，其转速不一定高；比转数小的，转速不一定低。大流量、低扬程的水泵，比转数大，防止则小。一般比转数较低的离心泵，其流量小、扬程高；而比转数较高的轴流泵，其流量大、扬程低。2.功率功率是指机组在单位时间内作功的大小。水泵功率可分为有效功率、轴功率和配套功率三种。（1）.有效功率 它是出丢水泵内部损失功率后，纯用于羊水所消耗的功率，因此又称为净功率、输出功率或水马力。常用符号为N效，单位为千瓦（或马力）。有效功率只可用水泵的
26、流量和扬程计算得出： （2）.轴功率 它是动力机传给水泵轴上的功率，因此称为轴功率或输入功率。要包括泵体内轴承的摩擦、水泵轴与填料的摩擦、水与叶轮、泵壳间的摩擦，以及泵内高压水的回漏等所消耗的功率。（3）.配套功率 它是指水泵应选配的动力机的功率，一次又称有用功率。常用符号为N配，它比轴功率大。这是因为动力机把动力传递给水泵的过程中，有传动损失；同时还要考虑水泵工作时，流量及扬程有波动而可能出现动力机超载，因此动力机需要比水泵轴功率大的功率储备。配套功率可按下式求得： 动力安全系数（或称备用系数）可根据水泵轴功率大小确定，轴功率小时取大值。传动交率要根据传动类型和传动方式确定。采用联轴器直接传
27、动时，取0.99。采用皮带传动时，开口式传动取0.98，交叉传动取0.9，半交叉取0.920.94；三角带传动取0.96。3.效率（n）效率是指有效功率与轴功率的比值，因此他是反映泵对动力所给予的功率利用程度的技术经济指标。常用符号为n，其大小用百分数来表示。可用下式表达： 由于有效功率小与轴功率，因此水泵效率永远小于1。但水泵效率值越大说明有效功率越大，泵内损失功率越小。我们选择水泵时，应尽量选择效率高的水泵铭牌上的效率是指水泵可能达到的最高效率，一般农用水泵的最高效率为60%80%，有些大型水泵超过了80%。2.3.2选择步骤1.列出基本数据：（1）.介质的特性：介质名称、比重、粘度、腐蚀
28、性、毒性等。（2）.介质中所含固体和颗粒、含量多少。（3) .所需要的流量，一般工业用泵在工艺流程中可以忽略管道系统中泄漏量（4）.压力，吸水池压力，排水池压力，管道系统中的压力降。2.确定流量扬程和流量（1）.如果生产工艺中已给出最小、正常、最大流量，应按最大流量考虑。（2）.如果生产工艺中只给出正常流量，应考虑留有一定的余量。（3）.如果基本数据值只给重量流量，应换算成体积流量。图2-3 QYP100-4.5-2.2喷泉泵3.喷泉的水泵必须满足大功率快速精确启停，我选用品牌为DESHB(德士比)的QYP100-4.5-2.2喷泉泵。其实物图见其2-3所示： 2.4硬件接线图系统的硬件连接图
29、即PLC和系统中各个硬件的连线。具体的如图2-4所示：图2-4 PLC和系统中各个硬件的连接第三章 系统软件设计3.1 PLC梯形图概述梯形图时使用的最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计成为编程。PLC梯形图中的某些编程元件沿用了几点起这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部继电器等，该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常来触电接通，常闭触点断开，称这种状态时该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储
30、单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。3.2 SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的操作方法本论文采用的编程软件为SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，具体的操作方法如下：1、打开SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，之后点击文件，在下拉菜单栏里点击“新文件（N）”在选择FX2N/FX2NC，确定打开后可以绘制梯形图编本课题的程序。2、在打开文件之后就可以回执梯形图，根据所编的程序，在页面右边的功能图， SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的功能图，在绘制梯形图中选择需要的输
31、入元件，完成对梯形图的绘制。3.3 I/O分配表3-1输入I/O分配表序号输入说明1X0停止说明2X1启动按钮3X2选择开关1的位置4X3选择开关2的位置5X4选择开关3的位置6X5灯控按钮3-2输入I/O分配表序号输出说明1Y0电源指示2Y1控制1管喷水3Y2控制2管喷水4Y3控制3管喷水5Y4控制4管喷水6红色灯红色灯7Y6黄色灯8Y7绿色灯9Y8中速10Y9慢速11Y10正转3.3.1输入信号启动按钮SB0: I0.0 花样选择位置1开关SB1: I/0.1 花样选择位置2开关SB1: I/0.2 花样选择位置3开关SB1: I/0.3 花样选择位置4开关SB1: I/0.4 单步、连续开关SB5: I0.5 停止按钮SB6: I0.63.3.2输出信号1号喷头喷水开关接触器KM1: Q0.1 2号喷头喷水开关接触器KM2: Q0.2 3号喷头喷水开关接触器KM3: Q0.3 4号喷头
