（交通信息工程及控制专业论文）铁路信号电子联锁系统研究——道岔电子控制模块的设计与实现.pdf

摘要 摘要：铁路车站信号联锁系统是保障行车安全、提高运输效率的关键基础设备。 目前，普遍应用的是电气集中联锁和以继电器为执行机构的计算机联锁系统，维 修维护工作量大、可靠性偏低以及成本偏高是现有系统面临的主要问题，执行环 节的电子化对提高系统可靠性、安全性和降低系统成本具有重要意义，是现阶段 联锁系统的发展方向。 本文在联锁系统执行层电子化控制的研究与应用的工程背景下，对道岔电子 控制模块进行了下述研究工作： 1 在大量收集阅读相关文献和资料的基础上，对铁路信号联锁系统发展现状 进行了综述，分析和提出了设计道岔电子控制模块的重要性和必要性。 2 在现有一般联锁系统体系结构层次的基础上设计了二取二乘二电子联锁 系统的体系结构和关键技术环节。 3 对道岔控制的技术条件和基本原理进行了研究，给出了一种二取二的道岔 电子控制模块的实现方法，并深入研究了通过冗余编码等措施实现基于 c a n 总线的故障安全通信方法。 4 对道岔电子控制模块抗干扰的措施、可靠性及安全性进行了分析。 通过系统分析与试验，本文所设计的车站信号道岔电子控制模块达到铁路信 号相关技术标准，满足新时期铁路运营和提速的需要。 关键词：电子联锁；道岔控制；故障安全；c a n 总线 分类号：u 2 8 4 3 6 2 a b s t r a c t a b s t r a c t ：1 1 地r a i l w a ys t a t i o ns i g n a li n t e r l o c k i n gs y s t e mi sak e ye q u i p m e n tt o e n s u r es a f e 蜉a n di m p r o v et h et r a n s p o r t a t i o n e f f i c i e n c y n o w a d a y s ，t h ee l e c t r i c c e n t r a l i z a t i o na n dt h ec o m p u t e r - b a s e di n t e r l o c k i n gs y s t e mw i t l lr e l a y sa se x e c u t i v e m a c h i n ea r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fr a i l w a ys t a t i o ns i g n a lc o n t r 0 1 1 1 l i sk i n do f i n t e r l o c k i n gs y s t e mh a ss o m ep r o b l e m s ，s u c ha st o om u c hm a i n t e n a n c ew o r k l o a d ，l o w r e l i a b i l i t ya n dh i g hc o s t 1 1 忙i n t e l l e c t u a l i z e de l e c t r o n i ci m p l e m e n t i n gm o d u l ec a n i m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dt h es a f e t y , r e d u c es y s t e mc o s t s ot h i sm o d u l ei s a d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f i n t e r l o c k i n gs y s t e m o nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fi n t e r l o c k i n gs y s t e mi m p l e m e n t i n g e l e c t r o n i cc o n t r o l ，t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa b o u tp o i n te l e c t r o n i cc o n t r o lm o d u l ei nt h i s p a p e r a l ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nr e l a t e dr e f e r e n c e s ，d e v e l o p m e n to fr a i l w a ys i g n a li n t e r l o c k i n gs y s t e m a n di m p l e m e n t i n gl a y e ro fs y s t e ma r es u m m a i z e d a n a l y z e st h ee s s e n t i a l i t yo fa l l e l e c t r o n i ci n t e r l o c k i n gs y s t e m 2 b a s e do nt h es t r u c t u r eo fg e n e r a li n t e r l o c k i n gs y s t e m , d e s i g n st h es t r u c t u r eo f t w oo u to ft w om u l t i p l y i n ge l e c t r o n i ci n t e r l o c k i n gs y s t e ma n dt h ek e yt e c h n o l o g y m o d u l e 3 n 壕e l e c t r o n i cd e s i g np r i n c i p l eo fc o n t r o lm o d u l ei sd i s c u s s e d , a n da c c o r d i n g t ot h et e c h n i c a lc o n d i t i o n sa n do p e r a t i n gp r i n c i p l e s ，t h ed e s i g n so f t w oo u to f t w op o i n t e l e c t r o n i cc o n t r o lm o d u l ea l eg i v e n r e s e a r c ho nh o wu s er e d u n d a n c yc o d e st or e a l i z e f h i l s a f ec o m m u n i c a t i o nb a s e do nc a n 4 d i s c u s s e st h ea n t i - j a m m i n gm e t h o do fp o i n te l e c t r o n i cc o n t r o lm o d u l e ， a n a l y z e st h er e l i a b i l i t ya n dt h es a f e t yo f p o i n te l e c t r o n i cc o n t r o lm o d u l e t h r o u g hs y s t e ma n a l y z ea n dt e s t , g e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep o i n te l e c t r o n i c c o n t r o lm o d u l ea c c o r d s 、j l ，i t l lt h er e q u i r e m e n to fr a i l w a ys i g n a lt e c h n o l o g ys t a n d a r d , f u l f i l sr a i l w a yo p e r a t i o na n ds p e e d - u ps a f e t yi nt h en e wp e r i o d k e y w o r d s ：e l e c t r o n i ci n t e r l o c k i n g ；p o i n tc o n t r o l ；f a i l s a f e ；c a nb u s c i 。a s s n 0 ：u 2 8 4 3 6 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：a 零新张枷 签字日期。k 刁年拉月2 汨签字日期：2 。7 年， 日怠 咿 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下迸行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 a 学位论文作者签名：0最 签字日期： 2 司年1 月2 。日 致谢 首先，我要感谢导师王海峰副教授，本论文是在王海峰老师的悉心指导下完 成的，论文的每一步工作都倾注着导师的心血。导师渊博的知识，敏锐的洞察力、 严谨的科学态度，严以律己、宽以待人的崇高品质对学生将是永远的鞭策，藉此 论文完成之际，谨向培育我的导师表示诚挚的谢意! 其次，我要深深的感谢北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室的 各位老师，感谢他们两年多来对我科研工作的指导和论文撰写过程中的建议与帮 助。同时还要感谢北京交通大学电子信息工程学院所有关心和帮助过我的老师们。 再有，我要感谢我的同学廖亮、刘芳、郎学伟等人。在我参与项目开发和论 文写作期间给予我极大的帮助和支持。与他们日常的交流与探讨，启发了我的研 究思路，也正是和他们的并肩协作，让我一次次体会到成功的激动与喜悦。 最后，我还要由衷的感谢我的父母。数年来他们在物质和精神上给予我无私 的奉献和巨大的支持，是他们鼓励我勇敢前进，成为我生活的动力，使得我能够 更专心的完成学业。 l 引言 信号、道岔、进路之间必须以技术手段保证一定的制约关系和操作顺序，常 称这种制约关系和操作顺序为联锁。而实现联锁关系的系统就是车站联锁系统。 车站联锁控制系统用来指挥站内列车运行和调车作业，保证车站行车安全和提高 运输效率【lj 。联锁系统正常工作时能保证行车安全，系统发生故障时也不能危及行 车安全。故障的后果必须导向行车安全是车站联锁系统必须遵循的基本原则。国 内车站的列车与信号和道岔之间的联锁控制发展经历了机械联锁控制、电气集中 ( 以6 5 0 2 为代表) 联锁控制、电子联锁控制系统三个大的发展阶段【2 1 。 铁路车站信号电子联锁系统，是铁路信号的基础设备，同时也是铁路运输领 域中非常重要的控制系统，它是以现代计算机技术、控制技术和通信技术为基础 来实现对车站信号设备的联锁控制。目前，电子联锁控制技术日趋成熟，正在逐 渐取代继电联锁而成为车站信号的主要控制设备。近2 0 年来，电子联锁技术日趋 成熟，电子联锁系统以其具有控制范围大，易于与列车运行控制系统及列车指挥 系统接口，灵活机动性强等优点，正逐渐取代继电联锁而成为现代化铁路的主要 信号控制设备，随着社会的不断进步和科学技术的日新月异，铁路信号电子联锁 控制系统也在向低成本、高效率、高安全、高可靠及信息化、智能化、网络化和 综合化的方向发展1 3 1 。 1 1 选题的背景和意义 目前国内投入使用的电子联锁系统是一种由计算机完成联锁运算、在执行表 示层由继电器执行外部设备( 信号机、道岔、轨道等) 驱动和表示的过渡性的系 统。执行表示层是铁路信号电子联锁系统的重要组成部分，其在系统中的作用主 要体现在以下几个方面： 1 接收联锁逻辑运算层的信号机控制命令，经过信号机控制电路，改变信号 机显示；接收联锁逻辑运算层的道岔控制命令，经过道岔控制电路，驱动 道岔转换。 2 采集室外信号设备的状态信息，向联锁逻辑运算层传输信号机状态信息、 道岔状态信息，以及轨道电路状态信息，供联锁逻辑运算层进行运算处理。 以继电器执行外部驱动设备的电子联锁系统的缺点有以下几个方面： 1 系统功能不够完善，且不易增加或扩展功能； 2 由于采用大量的继电器，系统占用空间大，维修工作量大，造价高； 3 不便与现代信息系统相连接，不能完全发挥电子联锁系统的智能化与信 息化优势，已难以适应日益增长的运输要求。 这些问题都给运营维修部门带来了一定的问题，既要定期维修继电器，又要 维修计算机系统，尤其上道投入运行的电子联锁系统数目增加后，问题会更加突 出【2 】。 道岔是联锁系统关键的基础设备之一，也是执行表示层主要的受控对象之一。 只有在安全条件满足时才允许道岔的动作，同时道岔的状态必须得到准确及时的 表示。道岔控制机构的电子化应用直接影响到整个联锁系统的全电子化。由电子 器件完成外部设备驱动和采集的道岔电子控制模块是结合电子联锁发展的经验和 现代电力电子技术的成果，具有高可靠性、高安全性、智能化。电子执行单元贯 彻控制监督一体化的原则，自动排除由于人为操作和设备原因引起的各种危及安 全的因素，并降低了系统造价和维修成本。 综上所述，目前在我国，采用继电器执行电路的集中式的电子联锁系统的升 级换代是必然的趋势，而出路就在于综合运用计算机软硬件技术、现场总线技术、 电力电子控制技术等多种最新技术，开发具有安全容错的体系结构、占用空间小、 维护方便的智能化的全电子联锁系统。 基于c a n 总线的智能化全电子联锁系统可以提高原有电子联锁系统的可靠性 和安全性，缩小原有系统的体积，降低系统造价和维修成本，促进高可靠性、高 安全性联锁技术的向前发展，为进一步提高铁路信号设备安全性和可靠性提供高 技术装备，具有重大的经济意义，同时更加适应我国新时期铁路提速安全和运营 的需要。 1 2 国内外联锁技术的发展现状 1 国外电子联锁系统的应用现状 1 9 7 8 年，世界第一个车站电子联锁系统在瑞典哥德堡问世。经过2 0 多年的发 展，目前世界各国的车站电子联锁系统按采用的冗余、容错技术手段分类，大致 分为两类1 4 j ： 软件冗余方式。以a b b 公司( 现庞巴迪公司) 为代表，两套软件运算比 较，结果一致输出指令。 硬件冗余方式。以西门子、阿尔卡特等公司、以及日本、德国、英国等国 家为代表，二取二乘二或三取二表决多数输出。 目前国外新建的车站电子联锁系统多数已实现全电子化控制，此外西门子公 司的道岔操作模块、信号操作模块等电予执行单元已成功应用于国内城市轨道交 2 通信号设备的控制中，从这些全电子联锁系统运行情况来看，效果还是很明显的， 既保证了安全，又提高了技术水平。 2 国内电子联锁系统的应用现状 在我国，自8 0 年代初就开始了电子联锁系统的研制工作，但进展比较缓慢。 到9 0 年代中后期，进入了快速发展阶段，出现了各种型号的电子联锁系绞。其中 具有代表性的是：铁道科学研究院通号所研制的t y j l i i 型、t y j l t r 9 型；通号 公司设计院研制的d s 6 一1 1 型、d s 6 2 0 型和d s 6 k 5 b 型；北京交通大学开发的 j d l a 型、e 1 3 2 一j d 型。目前通过铁道部审查认定的国内的电子联锁系统均采用继 电器组合作为执行电路，控制室外设备( 道岔、信号机、轨道等) 1 3 1 1 5 1 。 1 3 论文的主要研究内容 在攻读硕士学位研究生期间，作者参与了在新型双机热备电子联锁及新型二 取二乘二电子联锁系统的开发。在此基础上本论文的研究内容就借鉴国内外的先 进经验和技术，根据我国联锁系统的发展和现场应用的要求，将新型的电力电子 器件应用到全电子联锁系统的道岔电子控制模块中，来替代传统的继电器执行电 路，并通过c a n 总线完成控制模块与联锁机的故障安全通信。论文主要进行了 以下研究工作： l ，对铁路车站联锁控制系统及其发展现状进行了综述，分析和提出了构建基 于c a n 总线的道岔电子控制模块的重要性和必要性。 2 在现有一般电子联锁系统的体系结构层次分析比较基础上，设计了二取二 乘二的电子联锁系统的系统结构，分析了其关键技术环节。 3 研究了电子联锁系统各层的冗余结构和故障诊断；分析了道岔模块所应具 有的技术要求，依据铁路信号冗余容错技术和现代电力电子技术以及控制 系统故障诊断技术设计实现了道岔电子控制模块的硬件电路和相应的控 制软件。给出了一种通过冗余编码、周期错误检测等措施来实现基于c a n 总线故障安全通信的方案。 4 研究了系统可靠性理论，分析了二取二的道岔电子控制模块的可靠性与安 全性，给出了道岔电子控制模块的技术保障措施。并得出这种基于c a n 总线的道岔电子控制模块符合新时期铁路运营和提速安全需要的结论。 3 2 电子联锁系统 道岔电子控制模块属于作者参与研发的二取二乘二全电子联锁系统的一部 分，为了更好的理解道岔电子控制模块的功能作用，有必要在本章对全电子联锁 系统的整体结构和功能作以介绍，对联锁机整体的切换工作机制加以说明。 2 1 电子联锁系统概述 2 1 1系统层次结构 电子联锁系统要求具有友好而准确的人机界面，同时要具有高可靠性与高安 全性。一般的联锁系统主要由以下几个部分组成：控制台、操作表示机、联锁机、 室外设备执行模块、电务维修机和配电柜等。其中操作表示机设备放置于运转室， 通过前台监视器、输入设备( 鼠标) 、音箱等为值班员提供操作表示界面。还可以 提供后台监视器，便于车站值班员监视前台操作及站场运行情况。在微机室，有 联锁机柜、综合机柜、电务维修终端。联锁机柜内有开关电源、联锁机箱( 包括a 系联锁机、b 系联锁机、联锁机切换倒机单元) 、电子执行单元机箱以及和组合架 间的配线接口【。1 。 根据冗余结构不同，联锁系统可分为双机热备结构的电子联锁系统、三取二 结构的电子联锁系统、二取二乘二结构的电子联锁系统；无论哪种结构方式，电 子联锁系统的层级结构可分为三层：人机会话层、联锁运算层、现场设备执行层。 电子联锁系统结构如图2 1 所示。 图2 _ l 电子联锁系统的结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo f e l e c t r o n i ci n t e r l o c k i n gs y s t e m 4 2 1 2系统功能分析 人机会话层的功能是操作人员通过操作向联锁机构输入操作信息和接受联锁 机构输出的反映设备工作状态和行车作业情况的表示信息。采用人机会话层计算 机可以加快人机会话的响应速度，对操作台的操作命令进行预处理，还可以与上 级系统联网，构成更高一级的监测控制系统，如调度集中系统( c t c ) 或调度信息管 理系统( d m i s ) 。 联锁运算层是联锁系统的核心，必须具有故障安全性能。联锁控制层除了接 收来自人机会话层的操作信息外，还接收来自现场设备控制层的反映信号机、动 力转辙机和轨道电路状态的信息。联锁控制层的功能就是根据联锁条件，对输入 的操作信息和状态信息，以及联锁机构当前的内部信息进行处理，改变内部信息， 产生相应的输出信息，即信号控制命令和道岔控制命令，并交付现场设备控制层 的控制电路予以执行。 现场设备控制层的主要功能是：接收来自联锁层的控制命令，经过信号机控 制电路，改变信号的显示；接收来自联锁层的道岔控制命令，经过道岔控制电路， 驱动道岔转换；向联锁机传输信号状态信息、道岔状态信息，以及轨道电路的状 态信息。 2 2 二取二乘二全电子联锁系统的结构设计 上节分析了电子联锁系统层次结构、以及各层的主要功能，综合考虑电子联 锁系统的可靠性和整个系统的成本，提出二取二乘二的全电子联锁系统结构设计 方案。整体系统结构分三层：其中人机会话层中包括两套热备的上位机和一套维 修机以及上位机切换装置，联锁层包括两系热备的联锁机，每一系均有两套独立 的完成联锁运算的c p u ，现场设备控制层包括热备的二取二智能电子执行单元。 二取二乘二的全电子联锁系统有如下技术特点： ( 1 ) 联锁机双倍冗余，每一系的电子联锁系统由两个c p u 分别运算，比较一 致后才作为该计算机系统的输出，故障时自动切换到另一系。 ( 2 ) 操作表示机双倍冗余，故障时能自动切换。 ( 3 ) 联锁机与智能电子执行单元的通信采用c a n 总线，传输信道双倍冗余， 具有高速、高可靠性。经过特殊编码，提高了安全性。 ( 4 ) 智能电子模块双倍冗余，单路故障不影响系统工作；具有自诊断能力， 出现故障立即报警或系统停止运行，且每一系均采用双m c u 进行“与”运算。 其系统构成原理图如图2 - 2 所示【7 j 甲甲甲甲訾 ii 霞m 辑蓁 区习f 司隰却荔 冗余通信网 c a n 总线 图2 2 二取二乘二电子联锁系统结构 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f 2o u to f 2m u l t i p l y i n ge l e c t r o n i ci n t e r l o c k i n gs y s t e m 2 2 1人机会话层 人机会话层要求完成以下功能：车务人员操作命令的输入、站场状态表示信 息的输出和操作提示( 包括文字和语音) 。 入机会话层的技术方案比较成熟。由于该层为非安全层，即操作错误的情况 下，只会影响行车指挥的效率，而不会产生非安全的后果。该层的设计主要从可 靠性和可用性两个方面来考虑，同时，要进一步考虑功能的扩展和信息化管理的 可能。二取二乘二的上位机一般采用双机热备的工作方式来满足提高系统的可靠 性。同时该层可以通过以太网与更高一级的系统联网，提升系统的信息化。该层 的结构如图2 3 所示。 该层由三部分组成：两台操作表示计算机，双机切换电路、操作输入和显示 输出设备。操作表示计算机是整个人机会话层的核心设备，完成所有的操作运算 及图形处理任务，同时向下位联锁机发送操纵按钮信息和接收下位机传递的站场 状态数据，并将数据转化为图形状态显示输出。双机切换电路提供操作输入的接 口和显示的输出接口，向下与两台操作表示计算机相连，向上与操作输入设备和 显示输出设备相连，通过串口通信检测两台操作表示计算机的工作状态，一旦工 作的主机发生故障，无法进行正常的操作作业时，切换装置自动将输入输出接口 转换到热备的另一台操作表示计算杌上，从而保证作业的连续性和系统的可靠工 作。操作输入设备可以采用鼠标、光电笔等。还可以采用更先进的触摸显示屏完 6 成操作的输入【6 】。 操作表示机与联锁机通过双网冗余的通信网相连，双网同时工作，采用双路 冗余通信网可以提高系统的可靠性。 图2 3 人机会话层结构示意图 f 遮2 - 3h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nl a y e rs t r u c t u r e 2 2 2联锁运算层 联锁运算层是电子联锁系统的核心层，完成联锁逻辑的运算，并调度协调各 项任务。二取二乘二全电子联锁系统的联锁运算计算机要求有4 个处理器，两个为 一系，构成二取二结构，双系同时工作构成热备结构。二取二结构设计的关键点 是要考虑处理器的同步问题，同步分为时钟同步和任务同步。时钟同步往往要求 两个c p u 采用同一个时钟，按同一节拍进行工作：而任务同步的两个c p u 单元进行 独立的联锁运算，运算结果分别通过信息通道传送给对方进行比较，当比较结果 一致时，才产生有效的驱动。 同一系内的处理期间要进行数据交换，数据交换的方式有两种，一种是采用 内部总线方式，即对同一个存储去进行读写操作，这种交换数据的方式适合两种 同步模式；另一种是采用现代的通信网，两处理器间通过通信网交换数据。这种 方式要求通信网有足够快的速度，完成一个周期的通信时间应小于任务同步所容 忍的限度，另一方面要求交换的数据必须精简，但信息量要足够多。这种方式适 合任务级同步。 此外上位机和联锁机之间的通信过程中，通信双方都没有专门的收发等待时 间，而采用后台等待方式，即联锁程序在执行其他功能模块时，通信卡实现收发。 通信双方的运行过程不同步 7 在二取二乘二全电子联锁系统中，拥有驱动输出控制权的联锁机称为工作 机，另一系联锁机为备用机。工作机故障引发系统切换，备用机成为工作机。而 原先出现故障的工作机脱机，重新启动。同一系内的两个联锁机同时接收操作表 示机发送来的操作命令，同时接收两个智能电子执行单元所发送的站场状态信息， 通过信息通道传送给对方，两份采集数据经过比较，如果一致，才被两个c p u 单 元认可为有效的采集数据。这种结构有利于实现系统信息的安全性。两系联锁机 在运行期间。不但通过自诊断系统应证本机是否工作正常，而且实时交换动态信 息，互相比较、验证，判断本机和其它机是否工作正常。在双系切换和联锁机重 新启动时，不影响整个系统运行，即实现了系统的动态无缝切换 8 1 。 联锁软件采用模块化结构，设计有信号、道岔、轨道等独立的逻辑单元，程 序数据模块的连接结构与站场的几何图形完全对应，即采用站场图形数据结构。 现场的每个信号机、道岔和轨道区段在程序中均有对应的数据模块，相邻的模块 通过上下链指针相互连接。一个数据模块是描述对应设备的特征的所有数据的集 合。对于不同的站场，数据不同。根据站场的结构把这些数据模块单元连接起来 就可以完成联锁逻辑处理叫。 联锁机与智能电子执行单元之间的通信采用c a n 总线通信方式。联锁机向智 能电子执行单元命令，该单元回应结果信息。每个智能电子执行单元相当于一个 独立的单片机系统，对应唯一的标识码。 2 2 3电子执行层 执行层包括多种电子执行单元模块：道岔控制单元、轨道电路单元、列车信 号单元、调车信号单元、零散单元、开关量输入输出单元等。本论文所设计的道 岔电子控制模块就属于其中一种。全部单元均采用二取二结构，由两套独立的微 控制器( m c u ) 分别运算处理，分别与一系内的两个联锁机通信。当两个输出结 果一致时才执行。各个单元通过c a n 总线与联锁机相连，实时接收控制总线上的 信息，经校验取得目标模块地址，并与模块所处排列位置定义的地址作比较，只 有一致时，才能接收处理。 基于c a n 总线的电子执行层的输出可以直接对现场设备进行驱动，或者将从 现场设备采集到的状态信息作为输入，传送给联锁运算层。执行层收到的控制命 令包括模块类型码、目标模块地址、命令内容等。现场电子模块实时接收控制命 令、取得模块类型码、模块地址等信息，确认无误后执行命令内容。整个过程是 电子化、信息化、智能化。 设备智能化是指设备具有各种信息处理、识别和控制的能力。例如，道岔电 8 子控制模块可以接收现场总线发来的控制命令，在执行命令时可以对命令的信息 属性以及相关设备当前状态进行分析判断，以确保设备在安全的前提下进入命令 要求的状态。执行层设备控制智能化的基础是： l 完备的设备描述语言。 2 与设备无关的现场总线通信与控制模块。 3 与物理接口无关的信息传输和处理协议。 4 完备的设备控制安全性。 基于c a n 总线的执行层控制方式，不仅可以实现底层设备的安全控制，还可 以由监控系统得到目前设备的运行状态。执行层具有了随时检查系统中各设备以 及设备故障自检和报警的功能，以便实现安全控制。智能化的电子执行层有一定 的信息处理能力，使铁路信号系统具有相当高的安全性。 2 2 4双系切换的实现 双系切换的前提条件是故障的确定及诊断。从理论角度分析，故障具有以下 特点：故障的输出行为，即诊断的实现只能建立在检测信息之上：故障发展的层 次性，即故障可能影响相邻元件；故障发生和发展的延时性，即故障有一定的发 生和发展过程，有一个量变到质变的过程；故障诊断与系统输入的相关性；故障 判别的多样性：故障的不确定性【l o l 。 在敌障理论分析基础上，故障诊断就是在一定的检测策略明确下实施对被诊 断系统的检测，获取能表达被诊断系统故障模式的测量信息，经给定的计算方法 提取系统的测量特征并从中提取出状态特征信息，在此基础上根据预定的推理原 则对特征信息做出综合评估，实施故障定位。故障诊断的过程步骤【1 1 1 如下： 获取被诊断系统的测量信息，此信息集合能够充分表达系统的状态特征； 以给定的计算方法和诊断规则对原始信息集合进行变换并提取出测量特 征： 、 在测量特征信息集合中消去噪声和干扰，获得状态信息集合即故障特征： 综合评估，即确定对象的状态性能、该状态可能的发展与可能导致的后果 以及所要求采取的处理措施，并确定故障位置、故障机理等； 对故障结果进行决策和处理。 1 切换机制 双机切换分为自主切换和手工切换两种方式。自主切换就是通过联锁程序诊 断，如果发现主机故障时，主动停止主机的工作，系统切换到备机接续工作。手 工切换是人为切断主系电源或强制复位而使备机升级为主机来接续工作。无论采 9 用何种切换模式，在主、备机切换过程中时序都是一致的。 在第一次上电启动时，a ，b 机是处于竞争主机状态，这里假设a 机第一次竞 争为主机。ar u n 表示a 机工作，高电平为工作状态，am s t 为a 机输出控制信 号，当am s t 为高电平时表示a 机可以把控制命令输出，即a 机作为工作主机。与 a 机相对应的是b 机的控制信号。在某时n a 机故障，b 机要接续a 机继续输出，这 时ar u n 由高变低表明a 机故障停机，bm s t 由低变为高此时b 机转为主机工作。 2 双系切换的软硬件设计与实现 ( 1 ) 硬件设计与实现 硬件监控切换电路既要保证主、备机的分别工作，又要保证在切换的过程中 输出信号的连续性。切换逻辑由外部继电电路实现。主机的状态是由ar u n 与a m s t 共同决定的，在正常工作状态，应只有一个联锁机的输出有效。输出控制信 号只能有一个处于有效状态。本电路的动态驱动与动态采集所使用的动态方波采 用m c u 的p w m 方式。驱动时，程序控制发出频率为1 0 0 h z 占空比。约为5 0 的p w m 方波；采集为实时采集，利用动态方式，动态方波为5 0 h z ，即每1 0 m s 读取一次， 在方波为高时读出的数据有效，方波为低时应读出0 ，按此规律判断正确的采集信 息。即读出数据为方波则判断采到1 ，读出数据为持续低电平则判断采n o ，具备 故障安全特性。每3 秒向上发送采集的节点信息。当采集信息有变化时，立即向上 发送，使得具备实时特性。联锁机向下发送正常信息，控制驱动输出。通过外部 继电逻辑电路保证了只有主机可以有效输出控制信号。 ( 2 ) 双机切换的软件实现 软件控制双机切换属于主动切换。当系统发生软件故障或电子化控制模块等 故障时，联锁软件通过检测来诊断并定位故障，同时控制系统的切换或联锁机的 工作是否需要停止来维修。双机切换的软件控制流程如图2 4 所示。这里的接收联 锁数据包是指接收到一个完整的数据包，当诊断到联锁控制进程的软件故障时， 则重新引导联锁程序。这里要注意的是，对联锁控制进程故障的诊断，要考虑到 通信故障引起的数据畸变，因此，采用二取二技术来进行判断，即接收到两个完 整的数据包，当每次比较的结果都是进程控制故障时，此时可确认故障，此时无 论工作机为主机还是备机都要重新引导联锁程序，以免故障累积而引起系统的溯 溃或导致危险侧输出。而诊断到硬件故障后，首先要确认故障机为主机还是备机， 若为备机则马上停机进行维修。若为主机，则要检查备机是否完好，备机完好则 马上进行双机切换来保证系统的可靠工作。但此时若备机已因故障而停机，而现 场作业要求不能随意中断，则要判断故障性质，若为不会导致危险侧输出的故障， 则要求主机坚持工作，此时系统只是不能完成故障部分的进路作业任务，最大程 度保证了工作的效率。若为危险侧故障，则马上停机或重新引导系统来停止危险 1 0 侧的输出【1 2 】。 图2 - 4 系统切换软件流程图 f i g 2 - 4f l o wc h a r to f s y s t e mh a n d o f f s o f t w a r e 2 3 电子执行单元设计 电子执行单元设计主要包括铁路信号三大基础设备控制模块的电子化设计： 区段检查模块的电子化设计、信号控制模块的电子化设计和道岔控制模块的电子 化设计。本节分析了电子执行单元设计的原则，对电子执行单元的结构做了介绍。 2 3 1电子执行单元的故障安全设计原则 联锁系统作为铁路信号的基础安全设备，其安全性和可靠性要求是非常高的。 安全设备在元件发生故障时要具有能自动导向安全的功能，即要求设备具有故障 安全功能。信号设备的安全性是指设备或设备的一部分发生故障时，最大可能的 限制出现危及行车安全后果的能力。安全性是一种概率形式的标准，信号设备也 不可能具备排除任何危险的绝对安全，应以特殊的方式做出反应并导向安全。 传统的车站联锁系统，即电气集中联锁系统实现故障安全的方法主要可归纳 为以下两条：采取安全型继电器作为基本电路元件，资料表明，安全型继电器的 危险比8 s 1 0 。h ；按照安全侧对应原则设计电路1 1 3 1 。 对于电子器件来说，它本身不具有故障安全特性，即az1 ，在电子化设计中 需要采用冗余措施才能满足故障安全设计原则。电子执行层各控制模块的技术条 件各不相同，需要在电子化设计中采用不同的控制方式来保证其故障安全的设计 原则，使联锁系统满足故障导向安全的原则，并且具有高故障覆盖率：并充分考 虑电磁兼容问题，保证整个系统在有外界干扰的情况下仍能正常工作。 为了在技术上实现故障一安全，在电子执行单元设计过程中贯彻动态刷新控制、 闭环控制等原则，采用了双控制器“与”逻辑控制以及硬件互锁、软件陷阱、指 令冗余等多种抗干扰措施【1 4 1 。 2 3 2电子执行单元的构成 不同功能的电子执行单元总体上由两部分组成：电子控制部分和通信部分。 1 电子控制部分 电子控制部分由联锁机控制，接收并严格执行联锁机下发的命令，同时上传 本机状态回应给联锁机。控制部分的控制核心由两片高性能的m c u 组成。每个 m c u 通过独立的信道分别与联锁机通过c a n 总线相通信。每个m c u 独立运行相应 的程序，最后通过硬件相与将结果输出，使信号设备动作。信号设备动作的前提 条件是两个c a n 总线数据传送正确一致，两个m c u 独自计算正确，两个m c u 同时 输出一样结果。着由于某些原因，如通信错误、外界干扰、m c u 程序死锁等，两 个m c u 独自运算的结果则不一致，则信号设备无法动作，因此系统的安全性很高。 2 通信部分 联锁机循环扫描各个模块，扫描周期是2 5 0 m s 。其工作过程是：联锁机给一个 模块下发命令帧，等待模块响应，模块收到后，检查地址，地址和自己的地址不 相符则不与处理，相等则立即将现在的模块状态发送给联锁机，然后完成命令帧 中规定的操作。联锁机收到该模块的状态帧后，数据交给相应处理程序，继续给 下一个模块发命令帧，等待被叫模块上传状态帧后，再转下一个模块，如此循环。 若联锁机下发命令后，等待几毫秒，模块没上传状态帧，则认为模块故障，直接 给下一个模块发命令帧。此外还有双m c u 的串口通信部分。 1 2 3 道岔电子控制模块的设计 道岔电子控制模块是执行表示层电子执行单元的组成部分，通过电子器件完 成对道岔动作的控制以及道岔位置信息的表示回采。道岔控制电路，分启动电路 和表示电路两部分。启动电路指动作电动转辙机的电路，而表示电路指把道岔位 置反映到控制台的电路。道岔控制电路由于转辙机采用的电动机不同( 直流或交 流) ，电路结构也不相同。本章分析了道岔控制电路的技术条件和基本原理，并 研究如何设计符合联锁技术条件的道岔电子控制模块。 3 1 继电联锁的道岔控制电路 继电联锁中，每一组单动道岔和双动道岔都有一套道岔控制电路。道岔控制电 路既要满足进路方式控制，也要满足单独控制。由于道岔的位置和密贴状况是涉 及行车安全的重要因素。因此道岔控制电路必须符合故障安全原则。 3 1 1道岔控制电路的技术条件和基本原理 在联锁系统中，道岔的控制主要是由电动转辙机及其控制电路实现的。目前 广泛采用四线制道岔控制电路，现以四线制道岔控制电路来分析道岔控制电路的 工作原理。 运营实践证明，道岔启动电路应保证实现以下技术条件 1 5 l ： 1 ) 道岔区段有车时，道岔不应转换。此种锁闭作用叫做区段锁闭。 2 ) 进路在锁闭状态时，进路上的道岔，都不应再转换。此种锁闭作用叫做进 路锁闭。 3 1 在道岔启动电路已经动作以后，不论其所在的区段轨道电路故障或有车进 入轨道区段，则应保证转辙机能继续转换到底。 4 ) 道岔启动电路动作后，如果由于转辙机的自动开闭接点接触不良或电动机 的整流子与电刷接触不良，以致电动机电路不通时，启动电路自动停止工 作复原，保证道岔不会转换。 5 ) 为了便于维修试验，以及在尖轨与基本轨之间夹有障碍物，致使道岔转不 到底时，能使道岔转回原位，必须保证道岔无论转到什么位置，都可随时 手动操纵的方法使它回转。 6 ) 道岔转换完毕，应自动切断电动机的电路。 道岔表示电路不仅用于监督道岔位置，而更重要是实现联锁的主要条件。道 岔表示电路必须采用完善的措施并满足以下技术条件： 1 ) 只能用道岔表示继电器的吸起反映道岔的位置，不准用一个继电器的吸起 和落下来表示道岔的两种位置。 2 ) 当外线发生混线或混入其它电源时，必须使d b j 和f b j 都处于落下状态。 3 ) 在道岔转换过程中，或发生挤岔、停电、断线等故障时，应保证d b j 和f b j 落下。道岔表示电路的d b j 和f b j 由两个偏级继电器组成，由道岔表示变 压器b b 供电。道岔转换到定位或反位后。1 d q j 失磁落下，用其后接点接 通道岔表示电路。 3 1 2四线制道岔的电路动作顺序 图3 1四线制道岔启动电路 f i g 3 - 1f o u r - w i r ep o i n ts t a r t - u pc i r c u i t 如图3 1 所示，假设需要将道岔由反位转向定位。同时按下道岔按钮c a 和道岔 总定位按钮z d a 后，道岔按钮继电器c a j 和道岔定位操纵继电器d c j 励磁吸起。于 是第一道岔启动继电器1 d q j 接通，随后第二道岔启动继电器2 d q j 接通。1 d q j 转 极，使得第三级电机电路接通。电机通过由x 1 和x 4 构成的回路转极，使道岔由反 位转向定位。转到定位以后，电机电路断开。如图3 2 所示，通过x l 和x 3 定位表示 继电器d b j 的励磁电路接通。d b j 吸起以后，给出定位表示。同理，如果需要将道 岔由定位转向反位，在反位操纵继电器f c j 励磁吸起后，1 d q j 接通，随后2 d q j 也 接通。l d q j 电路断开，第三级电机电路接通。电机通过由x 2 和x 4 构成的回路转极， 1 4 使道岔由定位转向反位。转到反位以后，电机电路断开，通过x 2 和x 3 ，f b j 的励 磁电路接通。f b j 吸起后，给出反位表示。 如果x 1 和x 2 接颠倒时，因表示电路不通，给不出表示，错误会得到及时纠正。 在x 1 和x 2 发生混线时，若室内外设备一致，则不影响表示。但一旦不一致，因整 流电流方向与表示继电器所要求的电流方向不一致，则将给不出表示，立即会被 发现，故障也将及时得到排除。若表示线x 1 或x 2 和x 3 接颠倒时，或发生混线时， 前者相当于把整流堆反接，后者相当于把整流堆短路，都将得不到表示。控制线 x 4 若与表示线x 3 接颠倒了，因构不成回路，不会产生危险。若控制线x 4 与控制线 x l 或x 2 接颠倒了，因电流方向改变了，电机不转，错误将及时得到纠正。在x 4 和 x l 或x 2 发生了混线，都将使动作电源断路，也不至造成危险。因此，四线制道岔 控制电路的安全度比二线制电路高。在我国得到了推广普及。在道岔电子控制模 块设计中，我们采用了这种四线制方式。 图3 - 2 四线制道岔表示电路 f i g 3 2f o u r - w i r ep o i n ti n d i c a t i o nc i r c u i t 3 2 道岔电子控制模块原理设计 道岔电子控制模块对于列车的安全运营有着极其重要的意义，如果在故障情 况下错误输出，造成道岔误动，很可能会产生危险因素，以致发生危险情况，甚 至直接对人民生命财产安全造成影响。因此，在对道岔控制模块进行初期设计时， 就对该模块的安全性做充分的分析和研究，在理论和实际应用两个方面都做充分 的准备，使其达到故障安全的要求。 3 2 1故障安全措施 ( 1 ) 双路冗余比较 在控制模块中，所有器件均设计为两套。数据经过两路c a n 控制器送给各自 的m c u 。两个m c u 在工作过程中通过串口通信进行逻辑“与”比较。对于一般的 故障，双m c u 通过判断、比较以后能够区分故障性质，并做出相应的处理。如果 处理结果经比较不一致，则可以判定某一路发生了故障。如果其中一个m c u 的输 出故障而出现固定电平时，可以在检测时发现，不会累积故障。双路比较还可以 有效地避免外部干扰对模块的影响【1 6 】【17 1 。 ( 2 ) 闭环故障检测 在各项控制命令在输出后，即刻采用动态脉冲反馈信号，回送到控制模块进 行判断处理，从而形成了闭环监测。如果状态不正常，可以及时发现报警，在上 传报警信息的同时，自动切断输出控制命令。 ( 3 ) 信号隔离传输 在控制线路中，全部采用了光电耦合器。这样控制和监测信息是以隔离的电 流方式进行传输的，一旦器件或线路发生故障，输出变为无效信号，使模块及系 统倒向了安全侧。 ( 4 ) 动态方式控制 在道岔启动、道岔表示信息回采以及短路自检电路中，全部采用了动态脉冲 信息。这样可以保证在各元器件断线或短路对导致输出为固定直流电平，即无效 信号。从而确保模块及系统倒向安全侧。 ( 5 ) 双断控制 道岔的定位操纵或反位操纵受控正、控负两个固态继电器控制。在其中一个 继电器发生故障时，电路不会导通，道岔不会误