鐵路車(chē)站信號(hào)計(jì)算機(jī)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(xué) 報(bào)JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETYVol.29 No.2April2007文章編號(hào):100128360(2007)0220118204鐵路車(chē)站信號(hào)計(jì)算機(jī)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(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730070;2.武漢中鐵勘察設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430071)摘 要:介紹了一種新型的鐵路車(chē)站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元,用來(lái)取代由安全型繼電器構(gòu)成的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行層。以四線(xiàn)制道岔電子模塊為例,對(duì)執(zhí)行單元的軟硬件設(shè)計(jì)、技術(shù)特點(diǎn)以及故障安全

2、實(shí)現(xiàn)方法等方面進(jìn)行了詳細(xì)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(qiáng)大、便于組網(wǎng)、易于維護(hù)、外線(xiàn)短路自動(dòng)保護(hù)等優(yōu)點(diǎn),并能夠?qū)ν獠吭O(shè)備和自身設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可以為鐵路自動(dòng)化、信息化提供基礎(chǔ)信息,便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和遠(yuǎn)程診斷。以全電子執(zhí)行單元為基礎(chǔ)的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、層次分明,目前已投入運(yùn)營(yíng),設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞:鐵路信號(hào);執(zhí)行單元;全電子化;計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖中圖分類(lèi)號(hào):U284 文獻(xiàn)標(biāo)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(chē)站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)主要經(jīng)歷了機(jī)械聯(lián)鎖控制、6502電氣集中聯(lián)鎖控制、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制3個(gè)發(fā)展階段,目前投入使用的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)實(shí)際上是一種利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)系的運(yùn)算而用安全型繼電器最終執(zhí)行運(yùn)算結(jié)果的系統(tǒng)。雖然不同制式的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)所保留的繼電器數(shù)目不等,但都給運(yùn)行維修部收稿日期:2005207212;修回日期:2006201204基金項(xiàng)目:鐵路科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(99X18)作者簡(jiǎn)介:何濤(1977),男,內(nèi)蒙古商都人,講師,碩士。E2mail:hetao門(mén)帶來(lái)一定問(wèn)題,既要定期維修繼電器部分,又要維修計(jì)算機(jī)系統(tǒng),尤其是投入運(yùn)營(yíng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)數(shù)目增加后,問(wèn)題會(huì)更突出,很難

8、實(shí)現(xiàn)減員增效的目的,也難以達(dá)到工廠化施工的目標(biāo)。所以在技術(shù)上必須實(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,以及可靠性和容錯(cuò)技術(shù)的提高,用具有智能化的全電子執(zhí)行單元來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖執(zhí)行層中安全型繼電器的功能第2期鐵路車(chē)站信號(hào)計(jì)算機(jī)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(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)由聯(lián)鎖機(jī)、執(zhí)行繼電器等組成。全電子執(zhí)行單元是計(jì)算機(jī)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(jī)、信號(hào)機(jī)、軌道電路等不同類(lèi)型的控制與采集對(duì)象,按完全獨(dú)立的單元模塊結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì),每個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立。電子模塊本

9、身具有命令執(zhí)行、表示采集、動(dòng)作監(jiān)測(cè)、故障保護(hù)等功能,它通過(guò)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(xiāo),用于防止錯(cuò)插模塊。執(zhí)行單元與聯(lián)鎖機(jī)間信息交換采用兩路CAN通信接口,與監(jiān)測(cè)機(jī)間信息交換采用1路CAN通信接口。執(zhí)行單元經(jīng)過(guò)防雷柜、分線(xiàn)盤(pán)與室外設(shè)備相連,見(jiàn)圖1。在執(zhí)行單元中設(shè)置監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī),用于監(jiān)聽(tīng)通信總線(xiàn)的工作狀態(tài)和采集存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的模擬量信息。該設(shè)備對(duì)其他設(shè)備不發(fā)生任何控制和應(yīng)答信息。監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2496220005信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)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(diǎn)電子模塊為執(zhí)行單元的核心,分為信號(hào)、道岔、軌道、零散電路等

10、多種類(lèi)型,根據(jù)設(shè)備類(lèi)型又可細(xì)分為多種型號(hào)。信號(hào)模塊用于控制各種信號(hào)機(jī)、表示器的燈光顯示,滿(mǎn)足原電氣集中對(duì)信號(hào)點(diǎn)燈控制電路運(yùn)營(yíng)技術(shù)條件2。根據(jù)信號(hào)模塊所控制信號(hào)機(jī)種類(lèi)的不同,又可分為1驅(qū)1列車(chē)信號(hào)模塊、1驅(qū)2列車(chē)信號(hào)模塊和1驅(qū)4調(diào)車(chē)模塊等3種模塊。道岔模塊分為直流四線(xiàn)制、直流六線(xiàn)制、三相交流五線(xiàn)制、單相交流液壓、三相交流液壓等類(lèi)型。1個(gè)道岔模塊控制一組道岔電路,其外電路可以是一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)也可以是多動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)。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(mǎn)足軌道電路的運(yùn)營(yíng)技術(shù)條件。每個(gè)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(gè)軌道繼電器的功能,即1個(gè)交

11、流軌道模塊可以替代4個(gè)480型軌道繼電器。同樣,1個(gè)25Hz相敏軌道電路模塊可以替代4個(gè)二元二位相敏軌道繼電器的功能。零散電路模塊用于個(gè)別零散電路的狀態(tài)采集、命令執(zhí)行。半自動(dòng)閉塞模塊是繼電半自動(dòng)接口模塊,主要用于64D繼電半自動(dòng)組合電路的驅(qū)動(dòng)和采集,可以適應(yīng)鐵道科學(xué)研究院和通號(hào)設(shè)計(jì)院的繼電半自動(dòng)電路通用圖組合電路。場(chǎng)間聯(lián)系模塊(簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)聯(lián)模塊)主要用于場(chǎng)間聯(lián)系、道口通知、閉塞方向電路等繼電器電路接口。每個(gè)場(chǎng)聯(lián)模塊有兩路輸出、兩路輸入。下面主要以四線(xiàn)制道岔模塊為例說(shuō)明全電子執(zhí)行單元的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)3,4120鐵 道 學(xué) 報(bào)第29卷22.1 四線(xiàn)制道岔模塊的硬件設(shè)計(jì)四線(xiàn)制道岔模塊用來(lái)代替四線(xiàn)制道岔的

12、執(zhí)行和表示電路,必須滿(mǎn)足四線(xiàn)制道岔控制電路和表示電路的運(yùn)營(yíng)技術(shù)條件理框圖。,基于此設(shè)計(jì)了如圖2所示的硬件原模塊的主控單元由兩套完全獨(dú)立的MCU1電路和MCU2電路組成,它們通過(guò)通信總線(xiàn)1和2接收聯(lián)鎖機(jī)下發(fā)的指令,然后通過(guò)硬件/與0電路對(duì)電子開(kāi)關(guān)K1、K2和K3進(jìn)行控制,然后將模塊的各種狀態(tài)信息和轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)通過(guò)通信總線(xiàn)反饋給聯(lián)鎖機(jī)。開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)電路是將開(kāi)關(guān)的狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋到MCU1和MCU2中。定操和反操反饋檢測(cè)電路的作用,一是可以完成道岔啟動(dòng)后的自閉功能,二是可以對(duì)道岔的動(dòng)作電流進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè),當(dāng)電流過(guò)大時(shí)切斷開(kāi)關(guān),從而起到保護(hù)模塊的作用,所以在模塊的設(shè)計(jì)中取消了所有的熔絲;定位表示檢測(cè)電路和

13、反位表示檢測(cè)電路是用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(chǎng)設(shè)備的作用,同時(shí)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(jī)的鎖閉命令切斷動(dòng)作電源,二是在模塊故障發(fā)生時(shí)強(qiáng)制切斷動(dòng)作電源。同時(shí)J的狀態(tài)也實(shí)時(shí)采集到MCU中。2.2 四線(xiàn)制道岔模塊的軟件設(shè)計(jì)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法,四線(xiàn)制道岔模塊的主位置和外電路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)模塊關(guān)鍵電路的監(jiān)測(cè)、對(duì)道岔操作命令的接收與執(zhí)行等。在軟件的設(shè)計(jì)中使用冗余編碼技術(shù),對(duì)涉及安全的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、關(guān)鍵標(biāo)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(xiàn)制道岔模塊的故障2安全性設(shè)計(jì)故障2安全性設(shè)計(jì)是模塊軟件和硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,也是

14、在設(shè)計(jì)中要時(shí)時(shí)考慮的問(wèn)題。在對(duì)電子模塊的設(shè)計(jì)中遵循以下原則:(1)閉環(huán)檢測(cè)原則對(duì)于任何一個(gè)控制信號(hào),均采用控制2反饋的閉環(huán)檢測(cè)方法,當(dāng)控制電路與檢測(cè)電路具有完全獨(dú)立性時(shí),可以實(shí)現(xiàn)控制電路與檢測(cè)電路的互相監(jiān)督。例如對(duì)于開(kāi)關(guān)K1、K2和K3的控制,開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)開(kāi)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(shí),立刻報(bào)警并轉(zhuǎn)入故障2安全程序,即斷開(kāi)繼電器J以切斷動(dòng)作電源。基于這種設(shè)計(jì)思路,當(dāng)模塊未對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行操作時(shí),如果控制開(kāi)關(guān)K1、K2或K3中的任何一個(gè)擊穿時(shí)(擊穿故障為危險(xiǎn)側(cè)),開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)電路能立刻發(fā)現(xiàn),并切斷動(dòng)作電源;當(dāng)開(kāi)關(guān)第2期鐵路車(chē)站信號(hào)計(jì)算機(jī)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(xiàn)短路保護(hù)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(hào)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(cè)一體化0的設(shè)計(jì)思想,所有的室內(nèi)外設(shè)備全部運(yùn)行狀態(tài)采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),使整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。(4)執(zhí)行單元易于實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)鎖和無(wú)人值守。由于執(zhí)行單元是建立在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠脚_(tái)之上,所以很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,遠(yuǎn)方的車(chē)站中也不必再設(shè)置執(zhí)行表示機(jī)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(jìn)和提高,故障率顯著降低,如采用雙機(jī)冗余系統(tǒng)的配置,為逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、遠(yuǎn)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(gè)40組道

16、岔的車(chē)站為例,電氣集中為20個(gè)組合架,使用執(zhí)行單元而構(gòu)成的系統(tǒng)僅為5個(gè)機(jī)柜(其中兩臺(tái)為聯(lián)鎖機(jī)柜),面積為電氣集中的1/5。適用于既有線(xiàn)路改造和大修,可以節(jié)省房屋投資。(6)工程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷方便,避免了繼電器繁瑣的配能及時(shí)發(fā)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)控制電路與檢測(cè)電路之間的互相監(jiān)督和檢測(cè),符合故障2安全原則。(2)動(dòng)態(tài)刷新原則對(duì)于任何信號(hào),均采用動(dòng)態(tài)刷新原則。對(duì)于控制信號(hào),每個(gè)控制周期都要刷新所有的控制端口。對(duì)于采集信號(hào),每個(gè)采集周期都要對(duì)端口狀態(tài)進(jìn)行多次采集,以達(dá)到/去偽存真0的目的。并且對(duì)于采集信號(hào),設(shè)計(jì)時(shí)將脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)于安全側(cè),而將固定電平)無(wú)論是/00或/10或其他電平都對(duì)應(yīng)于危險(xiǎn)側(cè),也符合故障2安全原則

17、。例如對(duì)道岔表示信號(hào)的采集就是基于這個(gè)設(shè)計(jì)思想。(3)/與0邏輯控制原則和獨(dú)立性原則在模塊設(shè)計(jì)中,處處體現(xiàn)/與0邏輯控制原則和獨(dú)立性原則?？刂齐娐酚布O(shè)計(jì)采用雙MCU結(jié)構(gòu)、雙通信電路和開(kāi)關(guān)雙斷控制電路等,只有當(dāng)兩路同時(shí)接收到相同的控制命令后模塊才能進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作,而且兩路的物理連接具有完全獨(dú)立性。同樣,在模塊的兩路采集電路硬件設(shè)計(jì)中,從傳感器到最終的MCU,均采用獨(dú)立的元器件和電路,不存在物理連接。線(xiàn)圖設(shè)計(jì),代之以簡(jiǎn)潔的模塊化設(shè)計(jì)方法。已完成編制5計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元工程設(shè)計(jì)參考圖6用于施工設(shè)計(jì),5計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元接口設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)6用于施工設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖接口設(shè)計(jì)。4 結(jié)束語(yǔ)在研究全電子執(zhí)行單元的基礎(chǔ)上,與國(guó)內(nèi)微機(jī)聯(lián)鎖廠合作,研制成功具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。目前全國(guó)共有5套全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)已投入正式運(yùn)營(yíng),最早的1套設(shè)備已運(yùn)行3年多,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。全電子執(zhí)行單元已于2005年5月20日通過(guò)由鐵道部科技司組織的科技成果鑒定。鐵路信號(hào)底層控制設(shè)備的全電子化是必然趨勢(shì),全電子執(zhí)行單元的成功應(yīng)用將為我國(guó)鐵路車(chē)站控制系統(tǒng)提供一套更新?lián)Q代的新型裝備,也將對(duì)