（机械设计及理论专业论文）机车出入段安全系统的研究及实现.pdf

武汉理： 火学硕士学位论文 摘要 本文针对国内机务段内信号系统的现状，特研究了一套新型的机车出入 段安全系统。该系统将可编程控制器用于铁路信号系统中并作为系统的核心 控制器，取代了传统的电气集中控制方式，克服了其系统庞大、可靠性低的 缺点。本系统还采用微机监测的方式，监测p l c 控制系统工作的可靠性，并 将各种段内作业记录备案，实现了机务段的现代化管理。 系统将p l c 作为系统的核心控制器，因为p l c 有其自身的很多优点。 p l c 在工业控制系统中的可靠性非常高，在铁路信号系统中更有其优势，因 为它可以代替铁路信号系统中信号继电器，p l c 的软触点在理论上是可以无 限次使用，而信号继电器是机械式的，其寿命是有限的。 第一章综述了目前铁路信号系统的现状及其发展趋势和国内机务段的 实际情况，提出了存在的问题并初步提出了解决方案。 第二章介绍了铁路信号系统的基本概念，详细阐述了系统的总体方案并 提出了系统需要解决的关键技术问题。 第三章详细介绍了p l c 控制系统的组成和工作原理以及硬件电路设计。 另外详细探讨了系统的可靠性和防雷技术。 第四章详细介绍了微机监测系统的工作原理和其软件的工作模块，并详 细说明了串口通讯程序的编制。 第五章介绍了系统的软件构成，具体说明了系统的模块结构和数据结 构，并进一步阐述了p l c 控制程序的编制和上位机_ ；l 螽测程序的编制。 第六章对整个系统进行总结，并提出了需要继续研究的问题和工作展 望。 【关键词】机务段可编程控制器信号机联锁微机监测系统 垫堡望三盔堂堡主堂堡堡塞 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e san e wt y p eo fs a f es y s t e ma b o u tl o c o m o t i v ei na n do u ts e c t i o n a i m i n ga tt h ep r e s e n ts t a t eo fi n t e r n a ls i g n a ls y s t e m t h i ss y s t e mu s e sp l c i nr a i l w a ys i g n a l s y s t e m a st h ec o r ec o n t r o l l e ra n di t r e p l a c e s t h ea d d i t i o n a le l e c t r i cc e n t r a l i z e dc o n t r o l m o d e 、o v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sh u g e n e s s 、l o w r e l i a b i l i t y t h i ss y s t e ma d o p t s c o m p u t e rm o n i t o rm o d e t os u p e r v i s et h er e l i a b i l i t yo ft h ep l cc o n t r o ls y s t e m 、p u td i f f e r e n t s e c t i o n sw o r kn o t eo nr e c o r da n dt h e nr e a l i z em o d e r n i z e dm a n a g e m e n t t h i s s y s t e m u s e sp l ca st h ec o r ec o n t r o l l e rb e c a u s et h a tp l ch a s m a n yo w n a d v a n t a g e s t h er e l i a b i l i t yo fp l c i s v e r yh i g hi nt h ei n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，a n di t i s s u p e r i o r i t yi nt h er a i l w a ys i g n a ls y s t e mb e c a u s e i tc a n r e p l a c es i g n a lc o n n e c t o ri nt h er a i l w a y s i g n a ls y s t e m ，t h es o f tt o u c hs p o tc a nb eu s e di n f i n i t e l yi nt h e o r y b u ts i g n a lc o n n e c t o ri s m e c h a n i s ma n di t sj i f ej sf i n i t e i n c h a p t e r1 ，t h ep r e s e n ts t a t eo fr a i l w a ys i g n a ls y s t e m 、d e v e l o pd i r e c t i o na n dt h e i n t e r n a la c t u a lc o n d i t i o na r es u m m a r i z e d ，t h ee x i s t e n t p r o b l e m sa r ep r o p o s e da n ds o l v e p r o j e c ti sa l s op r i m a r yp r o p o s e d i nc h a p t e r2 。t h eb a s i cc o n c e p to fr a i l w a y s i g n a ls y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h em a s sp r o j e c t o ft h es y s t e mi sp a r t i c u l a r l ye x p o u n d e d t h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e mw h i c ht h es y s t e md e m a n d t or e s o l v ei sp r o p o s e d i nc h a p t e r3 ，t h ec o n s t i t u t eo fp l cc o n t r o ls y s t e m 、w o r kp r i n c i p l ea n dt h eh a r d w a r e c i r c u i td e s i g na r ei n t r o d u c e da n dt h e r e l i a b i l i t y 、t h ep r e v e n tt h u n d e rt e c h n i q u eo fs y s t e ma r e e x p l o r e d i nc h a p t e r4 ，t h ew o r k p r i n c i p l eo ft h ec o m p u t e rs y s t e ma n ds o f t w a r ew o r km o d u l ea r e p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d ，t h ew o r k o u to fs e r i a lp o r tp r o g r a mi se x p l i c a t e d i n c h a p t e r5 ，s y s t e ms o f t w a r ei si n t r o d u c e d ，m o d u l es t m c t u r ea n dd a t as t r n c t u r ea r e e x p l i c a t e d ，t h ea u t h o r i z e do fp l cp r o g r a ma n de p i g y n u u sm a c h i n em o n i t o rp r o g r a ma r e m o r e e x p o u n d e d i nc h a p t e r6 ，as u m m a r i z a t i o no ft h ed i s s e r t a t i o ni s g i v e n ，t h ep r o b l e ma n dp r o s p e c t w h i c ha r ed e m a n d e dt ob ec o n t i n u es t u d i e da r e p r o p o s e d 一 k e y w o r d s ：l o c o m o t i v em a i n t e n a n c e s e c t i o n ，p l c ，s i g n a ll a m p s ，i n t e r l o c k ， m i c r o c o m p u t e r m o n i t o r s y s t e m l l 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪 论 1 1 目前铁路信号系统的现状及其发展趋势 纵观国外铁路信号技术发展历程，已经历了机械、机电、继电、电子到 微电子信号等技术演变和发展过程，而各国铁路信号技术发展，各具特色。 总结起来，可分为北美、西欧、日本、前苏联等四种地区模式。 北美是世界上经济最发达地区，其铁路信号技术发展一直居领先地位。 特别提出的是美国和加拿大铁道协会( a a r 和r a c ) 于1 9 8 3 年联合制订了 先进列车控制系统( a t c s ) 研究计划，这项研究计划的目标是利用现代通 信技术将调度中心的中央计算机系统，线路侧设备与车载计算机系统联成一 体，组成一个以铁路信号为核心的铁路新型运输指令控制系统，以取代传统 的自动闭塞车站联锁，列车自动控制和调度集中等信号系统功能，全面提高 铁路经济效益，改善铁路运输服务质量。西欧是工业发达科技繁荣的重要地 区，各国在信号方面竞相研制列车控制系统。在欧共体和国际铁路联盟主持 下，制定了泛欧列车自动控制系统( e t c s ) 研究计划，其目标是将欧洲高 速铁路网的列车自动控制系统研究纳入统一框架之下。目前，日本铁路面向 2 1 世纪研究开发的重点目标是：高速化、便捷舒适、提高安全性和节约高效。 在铁路信号方面，目前致力于数字化列车控制系统和计算机无线辅助列 车控制系统( g 蝴) 的研究开发工作。前苏联解体后，独联体各国都组建 了各自的国家铁路。计算机在各国的铁路信号系统中的应用发展缓慢，较工 业发达国家有较大差距。【l l 【2 】【4 7 1 我国的铁路信号技术自建国五十多年来技术进步较大，基本上实现了由 机械信号为主向继电技术为主发展的现代化技术改造，目前正向微电子技术 发展，所装备的设备除个别为引进国外产品外，全部由国内信号工业生产。 我国铁路技术和装备水平基本上跟上了世界一般铁路传统信号发展主流。但 是必须指出，国外先进铁路是按照经济原则和运营需要有选择地进行更新改 造的，从而有些铁路至今仍沿用未达使用寿命的既有设备：在近几十年来大 力发展的高速铁路和城郊快速运输系统，装备了先进的现代化铁路信号系 统。因此，在评价国内铁路信号发展水平时，应充分考虑这些因素，我国铁 武汉理工大学硕士学位论文 路信号无论从技术、设备质量和运用等方面与国外先进铁路相比，还存在较 大差距，从发展的角度还存在以下值得考虑的问题： ( 1 ) 在设备质量和运用效益方面，尽管国内铁路信号产品的数量和品 种基本上能适应铁路运营和建设需要，但有些产品出厂后需经调试检修方能 安装运用，有些设备达不到正常运用要求，有些工程迟迟不能正常投入运用， 有些在铁路信号系统应用的电子产品不是规范产品。 ( 2 ) 国内铁路信号在科研、设计、试验、试用及工程建设工作中，按 科学方法严格管理不够，存在着形式上完备，但实质上却存在着这样那样的 问题，必须给予应有的重视。 ( 3 ) 国内铁路信号技术发展迅速从某种角度衡量，国内铁路信号技术 与国外的差距有进一步扩大的危机。如何远近结合，特别是抓一些关键技术， 制订国内铁路信号技术发展规划，跟踪世界铁路先进信号技术的发展是摆在 我们面前的重要课题。【3 】【4 】f 5 】【6 】 世界铁路信号技术自8 0 年代以来，酝酿着一场本质性的飞跃，它将冲 击传统铁路信号概念信号、联锁、闭塞，形成铁路运输指令控制系统新 概念。世界铁路信号技术发展趋势可概括为：【1 】【4 8 】 ( 1 ) 引进新技术。随着半导体技术的发展，微电子器件有了很大的发 展。铁路信号系统也出现以微电子器件为基础的新型信号系统，出现了微机 联锁、微电子闭塞、微机化调度集中、车载微机系统。与此同时，数据无线 通信、卫星通信感应通信等现代通信技术也被引入到铁路信号系统中，使之 扩大了监控范围，增强了功能，以更精确地实现列车定位、更有效地实现列 车与地面、列车与列车间的信息交换。 ( 2 ) 系统设计从经验型定性方式向分析定量方式发展。故障一安全设 计原则是在铁路信号系统设计中最早提出的，信号安全继电器就是靠衔铁重 力和采用不融结的接点材料保证在电路故障时衔铁保持在落下位置以达到 故障一安全要求的，铁路信号系统中引入电子器件，必须解决保障系统运作 安全问题。国际铁路联盟经多年研究提出了对安全性用量化概念评价的理 论，从而使铁路信号系统安全性有了定量的指标。与此同时，随着计算机技 术的发展，使复杂系统建模成为可能，在铁路信号系统设计工作中利用建立 系统模型，对系统运作进行，以便进行分析研究和评估。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 系统组成向模块化、集成化发展。微型计算机的出现，使复杂系 统划分为不同功能的单元模块，按需要组成系统。铁路信号系统按运营需要， 分阶段安装运用，实现系统功能模块化和集成化。 ( 4 ) 向智能化发展。铁路信号系统是以安全为核心的运输生产过程控 制系统，经历以人工控制、设备控制、信息控制为主体的各阶段向以知识为 主体的智能化发展。 1 2 机务段内信号系统的现状及存在的问题1 我国铁路的联锁信号设备主要以6 5 0 2 型继电电气集中为主，装备率已 达9 0 4 。但由于这种设备以车站控制为本，没有考虑为车、地信息交流而 采集并提高列车运行所需的多种行车信息，实施对列车运行控制的信号系统 不利。 目前国内机务段内行车速度较慢，而且受资金的限制，并没有安装传统 的信号系统，传统的信号系统采用继电式6 5 0 2 电气集中控制，并配备室外 信号机、电动转辙机、轨道电路等室外设备组成，但此系统投资较大，不适 于在机务段内安装。所以，现普遍采用人工搬道，搬道员给手信号行车的行 车方式。这大大影响了机务段内的行车和生产效率，并给行车带来了安全隐 患，因为调度人员并不能及时看到道岔的接通情况，以及机车的运行情况。 调度人员只能通过对讲系统通知搬道人员搬动道岔并给机车发放手信号，机 车运行时并不能确保道岔已完全搬到位，存在极大的安全隐患。 国内的信号系统一般采用6 5 0 2 电气集中控制，他主要是采用大量的继 电器来形成各信号机的逻辑联锁关系，信号逻辑联锁关系的复杂程度随信号 机数量的增加而成指数关系增长，所以需要大量的继电器组成其逻辑联锁关 系。甚至大的车站或机务段需要配备若干个继电器控制台对各信号机分段控 制，形成一个庞大的信号控制系统。如图1 1 所示，图中所示即为6 5 0 2 电 气集中控制的继电器组合架，庞大而复杂，检修困难而且可靠性不高。 以随卅i 机务段的现状为例： 第一，段内并没有配备机车出入段安全系统，主要是采用人工调度的方 式，生产效率低下，并且浪费了大量的人力和财力，还存在着极大的安全隐 患，工作人员并不能有效实时的检测道岔的接通情况，可能出现挤岔、列车 武汉理工大学硕士学位论文 出轨等重大事故，并给机务段和国家带来极大的经济损失。 图1 16 5 0 2 电气集中继电器组合架 第= ，段内的管理系统也不完善，主要靠工作人员人工记录机车的运行 和出入库情况，并最终以报表的形式形成文件，这种方式并不能准确的记录 机车的机型和出入库时间，难免出现错误。所以，这种方式并不能对段内机 车进行有效的管理，也对机车的统筹调配带来了一定的影响。 第三，为了适应我国铁路提速的要求，达到列车快速安全行进的目的， 段内也需要一现代化的安全系统来提高机车行进的效率和质量，并对机车实 行现代化的管理。 1 3 机车出入段安全系统研究的目的和意义 本课题的研究目的：当前机务段内并没有安装传统的信号系统，段内机 车在出入库和进行调车作业时，都需要机车司机向扳道员鸣笛要道，然后， 扳道员在确认道岔在搬到位时，向机车司机给出旗信号，机车司机看到旗信 号后才能行车。为了使机务段内的行车更加快速和准确的调度，提高其安全 生产的效率，并且满足段内安全生产的需要，特设计了机车出入段安全系统。 实现机务段现代化的安全管理系统。 本课题的研究意义：本论文将可靠性非常高的工业级计算机p l c 作为该 系统的核心控制部分，来控制信号机的开放。并通过电路和程序的设计实现 4 武汉理工大学硕士学位论文 各股道之间和信号灯之间严格的逻辑联锁关系。该系统可以组成计算机实时 监控系统，即计算机通过采集p l c 内部继电器的状态，全面准确的记录道岔 搬动、信号机开放和机车出入库等各种情况，并建立相应的数据库，便于查 询和存档，从而实现机务段机车出入段自动化管理，大大提高了机务段内安 全生产的效率。 1 4 机车出入段安全系统拟采用的方案及可能性论证 机车出入段安全系统的主要方案：该安全系统拟采用p l c 为主要核心控 制器，计算机为辅的信号控带和机车管理系统。系统采用在道岔转辙机上加 装行程开关，并在股道旁安装信号机。行程开关可以检测股道的接通情况， 将信号输入到p l c 中，p l c 通过其内部所编制的程序来控制段内信号机的 - 丌放。在控制台的面板上用光条来模拟现场股道的接通情况，并用红、绿色 的指示灯来模拟在现场安装的信号机，使红绿灯的亮灭与现场信号机的开放 保持一致。调度人员通过按钮控制信号机的开放。系统中还将设置报警系统 和防雷系统。对系统中有可能出现的故障报警提示工作人员；为了防止恶劣 的天气对系统的损坏和影响，特配备一套防雷系统，防止雷电损坏系统的设 备。该系统还可以组成计算机实时监控系统，即计算机通过采集p l c 内部继 电器的状态，全面准确的记录道岔搬动、信号机开放和机车出入库等各种情 况，并建立相应的数据库，便于查询和存档，从而实现机务段机车出入段自 动化管理。 系统总体设计方案根据现有实际情况，按照投资小、效果好的原则，特 提出在原有道岔标志灯( 已使用多年) 的基础上，增加道岔信号机及其信号 机中央控制系统，并通过计算机实时监控实现机务段的机车出入段自动化管 理。铁路信号系统比较完善的方案是由轨道电路、电动转辙机和6 5 0 2 电气 集中微机联锁设备组成的信号控制系统【”。然而，该系统的投资非常大，对 于机务段库内信号机系统是不适合的。传统的办法是采用道岔标志灯。不能 实现机车可视化调度管理和道岔信号的联锁控制。机务段库内信号机系统通 常采用简易信号的办法，即人工扳道，并在道岔转辙机上加装行程开关和信 号机，由信号继电器组成联锁控制逻辑，以控制信号机的开放。由于信号逻 辑联锁关系的复杂程度随信号机数量的增加而成指数关系增长，因此，简易 5 武汉理 ：大学硕士学位论文 信号系统通常只能分段设计，即一个机务段内有多个小型继电器控制台。而 本文中所提出的机车出入段安全系统采用程序进行逻辑组合，p l c 的常开、 常闭触点，理论上可无限次使用。因此，可以组成简单的控制电路实现极其复 杂的逻辑控制关系，即可将整个机务段库内信号系统集中设计在一个控制台 上，并实现所有道岔信号的联锁和互锁，这对传统的简易信号系统来说几乎 是不可能的。同时，该系统可为机调人员提供全面的库内道岔连接情况和方 便的信号机控制手段，便于集中管理。 该系统吸收了简易信号系统的优点，即采用在道岔转辙机上加装行程开 关和信号机，使得信号系统的成本低、投资小。控制部分采用p l c ，大大简 化了传统继电器控制电路的结构，用p l c 的软触点代替继电器的硬触点，使 得系统的可靠性大大提高，并省略了大部分的逻辑组合电路，极大地减少了 外接电缆的数量，降低了成本。 系统的最大优点还在于该系统可以组成计算机实时监控系统，即计算机 通过采集p l , c 内部继电器的状态，全面准确的记录道岔搬动、信号机开放和 机车出入库等各种情况，并建立相应的数据库，便于查询和存档，从而实现 机务段机车出入段自动化管理。 6 武汉理工人学硕士学位论文 第二章机车出入段安全系统总体方案设计 2 1 铁路信号系统的基本概念7 m m l 、 列车和调车车列由某一指定地点运行至另一指定地点所经过的路段称 作进路。所谓保证行车安全，就是保证列车或车列在驶入进路之前，必须确 证进路是在空闲状态；必须确证进路上的所有道简的位置正确而且被锁在正 确的位置，防止由于震动或扳动道俞而使运行中的列车或车列脱轨：必须确 证其它列车或车列不会从正面、侧面和尾部闯入进路而造成撞车事故。在以 上条件都满足时才允许向列车或车列发出允许信号，让列车驶入进路，或者 说只有在条件满足时，防护该进路的信号机才有丌放的可能。 当一条进路的始端和终端确定后，那么检查进路空闲的范围及检查哪些 道岔的状态也就明确了。在一个车站或机务段内，根据站场结构和作业情况， 可以划分成许多进路。在这些进路中，如果一条进路与另一条进路没有任何 共用的路段，那么这样彼此无关的进路同时建立时是不会导致撞车事故的， 这类进路中的一条是另外一条进路的平行进路。当一条进路与另一条进路具 有共用的路段时，显然这样的两条进路不应同时建立，否则将有导致撞车的 危险。当两条进路既有共用的路段又对共用道岔的位置要求相同，我们称在 这类进路中一条进路是另一条进路的敌对进路。 从排列进路到列车或车列通过了该进路是一个过程，我们称该过程为进 路控制过程。进路控制过程可分为两个大的阶段。第一阶段是建立进路的过 程，又可分为三个子过程： ( 1 ) 进路选择。根据值班人员的操作，从许多进路中选取一条要办理 的进路。在选择过程中主要是将道岔转换到与进路相符的位置，但在转换之 前必须检查道岔区段是否有车，道岔是否在锁闭状态等。 ( 2 ) 进路锁闭。当进路选取后，在确证进路在空闲状态，道岔位置正 确以及敌对进路没有建立的条件下，把与进路有关的道岔和敌对进路进行锁 闭，使它们不能扳动和建立，称这种锁闭为进路锁闭。 ( 3 ) 开放信号。在实现进路锁闭后，使防护迸路的信号机开放，允许 列车或车列驶入进路。 7 武汉理 ：火学硕士学位论文 控制过程的第二阶段是进路锁闭过程。进路解锁与进路锁闭相对应，当 列车或车列确实越过了道岔区段后，应使该区段内的道俞以及相关的敌对进 路解除锁闭。进路控制过程可简化成图2 1 1 所示。 从以上讨论可以看出：信号、道岔和进路之间必须有一定的制约关系( 或 条件) ，而且必须按照一定的程序才能动作和建立，只有遵循这种关系和程 序习能保证行车安全。信号、道岔和进路必须按照一定程序并满足一定条件 才能动作和建立的这种约束称作联锁。 f 进路选择 厂1 进路建立 p o r t o p e n = t r u e ： 打丌串口2 m s c o m m l 一 o u t b u f f e r c o u n t = o ：清空发送和接受缓冲 m s c o m m l 一 i n b u f f e r c o u n t = 0 ： m s c o m m l 一 o u t p u t = s e n d ： t i m e r d o g 一 e n a b l e d = t r u e ：打开看门狗1 看门狗程序主要是扫描通讯程序是否采集到了p l c 的信号。如果没有采 集到，就提示工作人员检查通讯电缆并重新起动；否则继续执行下面的程序。 武汉理工大学硕士学位论文 看门狗程序如下。 v o i df a s t c a l lt f o r m _ s i g n ：t i m e r d o g t i m e r ( t o b j e c t * s e n d e r ) t i m e r d o g 一 e n a b l e d = f a l s e ： i f ( t i m e s ! = 5 ) i f ( m s c o m m l 一 p o r t o p e n = = t r u e )m s c o m m l 一 p o r t o p e n = f a l s e ： t i m e r c o m m 一 e n a b l e d = t r u e ：重新启动发送程序 t i m e s = t i m e s + l ：计数 r e c e i v e r = ： ) e l s e 否则认为接受失败 f ti m e s = 0 ： 计数器复位 t i m e rc o m m 一 e n a b l e d = f a l s e ： 停止发送 r e c e i v e r = ： i f ( m s c o m m l 一 p o r t o p e n = = t r u e ) m s c o m m l 一 p o r t o p e n = f a l s e ： s h o w m e s s a g e ( ”通信失败! 请检查电缆是否正确连接并重新启动 程序! ”) ： j 通过m s c o m m 控件采集p l c 中间继电器状态的程序如下。 v o i d f a s t c a l l t f o r m _ s i g n ：m s c o m m l c o m m ( t o b j e c t * s e n d e r ) s w i t c h ( m s c o m m l 一 c o m m e v e n t ) c a s ec o m e v r e c e i v e ： 4 8 武汉理工大学硕士学位论文 a n s i s t r i n gr r = m s c o r m l 一 i n p u t v o l e s t r ： r e c e i v e r = r e c e i v e r + r r ： i f ( r e c e i v e r s u b s t r i n g ( r e c e i v e r l e n g t h ( ) ，i ) = = x 0 3 ) 接收 完毕 ( i f ( r e c e i v e r l e n g t h 0 = = 3 5 ) 是读操作 t i m e s = o ： 复位 t i m e r d o g 一 e n a b l e d = f a l s e ：关闭看门狗2 i “r e c e i v e r ! = r e c e i v e r r )数据处理 r e c e i v e r r = r e c e i v e r ： a n s i s t r i n ga ，r e c l ，r e c 2 ，r e e 3 ，r e c 4 ，r e c 5 ，r e c 6 ：校验受到的f 确性 i n t r e c l l ，r e c 2 2 ，r e c 3 3 ，r e c 4 4 ，r e c 5 5 ，r e c 6 6 ： f o r ( i n ti = 1 1 ：i = 3 4 ：i + + ) ( a = r e c e i v e _ r r s u b s t r i n g ( i ，1 ) ： i f ( ( ( a ”9 ”) ) ( ( a ”f ”) ) ) g o t oe n d ： ) r e c l = ”0 x ”+ r e c e i v e r r s u b s t r i n g ( 1 1 ，4 ) ： r e c ll = s t r t o i n t ( r e c l ) ： b o o l p p l 1 6 ： i f ( ( r e c l l & o x 0 0 0 1 ) = = 0 ) p p l 0 = f a l s e ： e l s ep p l 0 = t r u e ： ) 至此，p c 机采集到了p l c 中间继电器的状态，就可以进行上位机的编 程了。 武汉理工