鐵路車站信號計算機聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元研究

1、第29卷第2期2007年4月鐵 道 學 報JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETYVol.29 No.2April2007文章編號:100128360(2007)0220118204鐵路車站信號計算機聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元研究何 濤1, 范多旺1, 魏宗壽1, 方亞非2(1.蘭州交通大學光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室,甘肅蘭州 730070;2.武漢中鐵勘察設(shè)計研究院,湖北武漢 430071)摘 要:介紹了一種新型的鐵路車站計算機聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元,用來取代由安全型繼電器構(gòu)成的傳統(tǒng)計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行層。以四線制道岔電子模塊為例,對執(zhí)行單元的軟硬件設(shè)計、技術(shù)特點以及故障安全

2、實現(xiàn)方法等方面進行了詳細的論述。本文所論述的執(zhí)行單元具有可靠性高、體積小、功能強大、便于組網(wǎng)、易于維護、外線短路自動保護等優(yōu)點,并能夠?qū)ν獠吭O(shè)備和自身設(shè)備進行實時監(jiān)測,可以為鐵路自動化、信息化提供基礎(chǔ)信息,便于實現(xiàn)遠程管理和遠程診斷。以全電子執(zhí)行單元為基礎(chǔ)的全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、層次分明,目前已投入運營,設(shè)備運行穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞:鐵路信號;執(zhí)行單元;全電子化;計算機聯(lián)鎖中圖分類號:U284 文獻標志碼:AResearchontheAll2electronicPerformanceUnitsforComputerInterlockingSystemsatRailwayStationsHE

3、Tao1, FANDuo2wang1, WEIZong2shou1, FANGYa2fei2(1.KeyLaboratoryofOpto2electronicTechnologyandIntelligentControl,MinistryofEducation,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China;2.TheSurvey&DesigninstituteofChinaRailwaysinWuhan,Wuhan430071,China)Abstract:Thenew2typeall2electronicperformanceunitsf

4、orcomputerinterlockingatrailwaystationsareintro2duced,whichareusedtoreplacethesafetyrelaysoftheconventionalcomputerinterlockingsystems.Designofsoftwareandhardware,technicalcharacteristicsandfailsafeoftheperformanceunitsarediscussedindetailwiththefour2lineswitchesmoduleasanexample.Theperformanceunits

5、haveadvantagessuchashighreliabli2ty,smallspaceforequipment,powerfulfunctions,convenienceofbuildinganetwork,easymaintainanceandautomaticprotectionaganstexternalshortcircuiting.Thestatusoftheoutsideandinsideequipmentcanbemo2nitoredinrealtime.Basicinformationcanbeprovidedforrailwaynetworkstofacilitater

6、emotemanagementanddiagnoses.Theall2electroniccomputerinterlockingsystemsbasedontheall2electronicperformanceunitsandfeaturedbyclearconstructionandlevelinghavebeenputintoopration.Theircontinuousrunninghasbeenprovedstableandreliable.Keywords:railwaysignaling;performanceunit;all2electronic;computerinter

7、locking車站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)主要經(jīng)歷了機械聯(lián)鎖控制、6502電氣集中聯(lián)鎖控制、計算機聯(lián)鎖控制3個發(fā)展階段,目前投入使用的計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)實際上是一種利用計算機實現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)系的運算而用安全型繼電器最終執(zhí)行運算結(jié)果的系統(tǒng)。雖然不同制式的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)所保留的繼電器數(shù)目不等,但都給運行維修部收稿日期:2005207212;修回日期:2006201204基金項目:鐵路科技研究開發(fā)計劃項目(99X18)作者簡介:何濤(1977),男,內(nèi)蒙古商都人,講師,碩士。E2mail:hetao門帶來一定問題,既要定期維修繼電器部分,又要維修計算機系統(tǒng),尤其是投入運營的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)數(shù)目增加后,問題會更突出,很難

8、實現(xiàn)減員增效的目的,也難以達到工廠化施工的目標。所以在技術(shù)上必須實現(xiàn)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和綜合化的更新?lián)Q代1。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,以及可靠性和容錯技術(shù)的提高,用具有智能化的全電子執(zhí)行單元來實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖執(zhí)行層中安全型繼電器的功能第2期鐵路車站信號計算機聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元研究1191 全電子執(zhí)行單元概述目前國內(nèi)的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)由聯(lián)鎖機、執(zhí)行繼電器等組成。全電子執(zhí)行單元是計算機聯(lián)鎖的執(zhí)行表示電路,采用全電子電路,由具有不同功能的各種電子模塊組成。電子模塊按照轉(zhuǎn)轍機、信號機、軌道電路等不同類型的控制與采集對象,按完全獨立的單元模塊結(jié)構(gòu)研究設(shè)計,每個模塊相對獨立。電子模塊本

9、身具有命令執(zhí)行、表示采集、動作監(jiān)測、故障保護等功能,它通過執(zhí)行單元柜模塊槽內(nèi)兩組32位歐式插接件連接,可帶電熱插拔。執(zhí)行單元柜內(nèi)裝有鑒別銷,用于防止錯插模塊。執(zhí)行單元與聯(lián)鎖機間信息交換采用兩路CAN通信接口,與監(jiān)測機間信息交換采用1路CAN通信接口。執(zhí)行單元經(jīng)過防雷柜、分線盤與室外設(shè)備相連,見圖1。在執(zhí)行單元中設(shè)置監(jiān)測計算機,用于監(jiān)聽通信總線的工作狀態(tài)和采集存儲現(xiàn)場設(shè)備的模擬量信息。該設(shè)備對其他設(shè)備不發(fā)生任何控制和應(yīng)答信息。監(jiān)測計算機符合鐵道行業(yè)標準TB/T2496220005信號微機監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件6的要求。2 全電子執(zhí)行單元技術(shù)特點電子模塊為執(zhí)行單元的核心,分為信號、道岔、軌道、零散電路等

10、多種類型,根據(jù)設(shè)備類型又可細分為多種型號。信號模塊用于控制各種信號機、表示器的燈光顯示,滿足原電氣集中對信號點燈控制電路運營技術(shù)條件2。根據(jù)信號模塊所控制信號機種類的不同,又可分為1驅(qū)1列車信號模塊、1驅(qū)2列車信號模塊和1驅(qū)4調(diào)車模塊等3種模塊。道岔模塊分為直流四線制、直流六線制、三相交流五線制、單相交流液壓、三相交流液壓等類型。1個道岔模塊控制一組道岔電路,其外電路可以是一臺轉(zhuǎn)轍機也可以是多動轉(zhuǎn)轍機。軌道電路模塊分為交流480型軌道電路模塊和25Hz相敏軌道電路模塊,滿足軌道電路的運營技術(shù)條件。每個軌道模塊具有4組軌道電流采集電路,用于替代6502電氣集中電路中4個軌道繼電器的功能,即1個交

11、流軌道模塊可以替代4個480型軌道繼電器。同樣,1個25Hz相敏軌道電路模塊可以替代4個二元二位相敏軌道繼電器的功能。零散電路模塊用于個別零散電路的狀態(tài)采集、命令執(zhí)行。半自動閉塞模塊是繼電半自動接口模塊,主要用于64D繼電半自動組合電路的驅(qū)動和采集,可以適應(yīng)鐵道科學研究院和通號設(shè)計院的繼電半自動電路通用圖組合電路。場間聯(lián)系模塊(簡稱場聯(lián)模塊)主要用于場間聯(lián)系、道口通知、閉塞方向電路等繼電器電路接口。每個場聯(lián)模塊有兩路輸出、兩路輸入。下面主要以四線制道岔模塊為例說明全電子執(zhí)行單元的設(shè)計思路和技術(shù)3,4120鐵 道 學 報第29卷22.1 四線制道岔模塊的硬件設(shè)計四線制道岔模塊用來代替四線制道岔的

12、執(zhí)行和表示電路,必須滿足四線制道岔控制電路和表示電路的運營技術(shù)條件理框圖。,基于此設(shè)計了如圖2所示的硬件原模塊的主控單元由兩套完全獨立的MCU1電路和MCU2電路組成,它們通過通信總線1和2接收聯(lián)鎖機下發(fā)的指令,然后通過硬件/與0電路對電子開關(guān)K1、K2和K3進行控制,然后將模塊的各種狀態(tài)信息和轉(zhuǎn)轍機的狀態(tài)通過通信總線反饋給聯(lián)鎖機。開關(guān)狀態(tài)檢測電路是將開關(guān)的狀態(tài)實時反饋到MCU1和MCU2中。定操和反操反饋檢測電路的作用,一是可以完成道岔啟動后的自閉功能,二是可以對道岔的動作電流進行采集和監(jiān)測,當電流過大時切斷開關(guān),從而起到保護模塊的作用,所以在模塊的設(shè)計中取消了所有的熔絲;定位表示檢測電路和

13、反位表示檢測電路是用來實時檢測道岔的位置;元件B表示變壓器,可以起到隔離電源和現(xiàn)場設(shè)備的作用,同時也完成了電壓的變換;元件J為繼電器,其作用,一是根據(jù)聯(lián)鎖機的鎖閉命令切斷動作電源,二是在模塊故障發(fā)生時強制切斷動作電源。同時J的狀態(tài)也實時采集到MCU中。2.2 四線制道岔模塊的軟件設(shè)計軟件采用模塊化設(shè)計方法,四線制道岔模塊的主位置和外電路的實時監(jiān)測、對模塊關(guān)鍵電路的監(jiān)測、對道岔操作命令的接收與執(zhí)行等。在軟件的設(shè)計中使用冗余編碼技術(shù),對涉及安全的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、關(guān)鍵標志和關(guān)鍵寄存器等采用字節(jié)編碼方式而取代位編碼方式。2.3 四線制道岔模塊的故障2安全性設(shè)計故障2安全性設(shè)計是模塊軟件和硬件設(shè)計的關(guān)鍵,也是

14、在設(shè)計中要時時考慮的問題。在對電子模塊的設(shè)計中遵循以下原則:(1)閉環(huán)檢測原則對于任何一個控制信號,均采用控制2反饋的閉環(huán)檢測方法,當控制電路與檢測電路具有完全獨立性時,可以實現(xiàn)控制電路與檢測電路的互相監(jiān)督。例如對于開關(guān)K1、K2和K3的控制,開關(guān)狀態(tài)檢測電路實時檢測開關(guān)的狀態(tài),與MCU所發(fā)出的控制命令相校核,一旦發(fā)現(xiàn)不一致時,立刻報警并轉(zhuǎn)入故障2安全程序,即斷開繼電器J以切斷動作電源?；谶@種設(shè)計思路,當模塊未對轉(zhuǎn)轍機進行操作時,如果控制開關(guān)K1、K2或K3中的任何一個擊穿時(擊穿故障為危險側(cè)),開關(guān)狀態(tài)檢測電路能立刻發(fā)現(xiàn),并切斷動作電源;當開關(guān)第2期鐵路車站信號計算機聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元研究

15、121障率。(2)執(zhí)行單元具有外線短路保護功能,全部取消了傳統(tǒng)聯(lián)鎖執(zhí)行層中易于老化的熔斷器,解決了占信號故障比例最高的難題。(3)執(zhí)行單元采用了/控制、監(jiān)督、監(jiān)測一體化0的設(shè)計思想,所有的室內(nèi)外設(shè)備全部運行狀態(tài)采用計算機實時監(jiān)測,使整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。(4)執(zhí)行單元易于實現(xiàn)區(qū)域聯(lián)鎖和無人值守。由于執(zhí)行單元是建立在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠脚_之上,所以很容易實現(xiàn)遠程控制,遠方的車站中也不必再設(shè)置執(zhí)行表示機就能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域聯(lián)鎖控制。使用全電子執(zhí)行單元后,隨著產(chǎn)品的不斷改進和提高,故障率顯著降低,如采用雙機冗余系統(tǒng)的配置,為逐步實現(xiàn)無人值守、遠程監(jiān)控和狀態(tài)修提供了基礎(chǔ)條件。(5)占地面積顯著減少。以一個40組道

16、岔的車站為例,電氣集中為20個組合架,使用執(zhí)行單元而構(gòu)成的系統(tǒng)僅為5個機柜(其中兩臺為聯(lián)鎖機柜),面積為電氣集中的1/5。適用于既有線路改造和大修,可以節(jié)省房屋投資。(6)工程設(shè)計簡捷方便,避免了繼電器繁瑣的配能及時發(fā)現(xiàn),從而實現(xiàn)控制電路與檢測電路之間的互相監(jiān)督和檢測,符合故障2安全原則。(2)動態(tài)刷新原則對于任何信號,均采用動態(tài)刷新原則。對于控制信號,每個控制周期都要刷新所有的控制端口。對于采集信號,每個采集周期都要對端口狀態(tài)進行多次采集,以達到/去偽存真0的目的。并且對于采集信號,設(shè)計時將脈沖信號對應(yīng)于安全側(cè),而將固定電平)無論是/00或/10或其他電平都對應(yīng)于危險側(cè),也符合故障2安全原則

17、。例如對道岔表示信號的采集就是基于這個設(shè)計思想。(3)/與0邏輯控制原則和獨立性原則在模塊設(shè)計中,處處體現(xiàn)/與0邏輯控制原則和獨立性原則。控制電路硬件設(shè)計采用雙MCU結(jié)構(gòu)、雙通信電路和開關(guān)雙斷控制電路等,只有當兩路同時接收到相同的控制命令后模塊才能進行對轉(zhuǎn)轍機的動作,而且兩路的物理連接具有完全獨立性。同樣,在模塊的兩路采集電路硬件設(shè)計中,從傳感器到最終的MCU,均采用獨立的元器件和電路,不存在物理連接。線圖設(shè)計,代之以簡潔的模塊化設(shè)計方法。已完成編制5計算機聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元工程設(shè)計參考圖6用于施工設(shè)計,5計算機聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元接口設(shè)計說明書6用于施工設(shè)計和計算機聯(lián)鎖接口設(shè)計。4 結(jié)束語在研究全電子執(zhí)行單元的基礎(chǔ)上,與國內(nèi)微機聯(lián)鎖廠合作,研制成功具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。目前全國共有5套全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)已投入正式運營,最早的1套設(shè)備已運行3年多,設(shè)備運行穩(wěn)定可靠。全電子執(zhí)行單元已于2005年5月20日通過由鐵道部科技司組織的科技成果鑒定。鐵路信號底層控制設(shè)備的全電子化是必然趨勢,全電子執(zhí)行單元的成功應(yīng)用將為我國鐵路車站控制系統(tǒng)提供一套更新?lián)Q代的新型裝備,也將對