（计算机应用技术专业论文）铁路车站计算机联锁系统若干技术的探讨.pdf

南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京工业大学或其它教育 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 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名同期 二、关于学位论文使用授权的声明 南京工业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京工业大学研究生 部办珲。 研究生签名：导师签名 日期 摘要 摘要 铁路车站联锁系统是指以技术手段实现信号、道岔与进路之间的制约关系和 操作顺序的联锁控制系统，是保证车站行车安全的信号系统。 随着铁路网规模不断扩大，铁路不断提速，研制更加先进的车站联锁系统成 为了必然的趋势。 本文在研究了车站联锁控制系统基础上，依据现代车站联锁系统的要求，使 用现代先进的计算机技术、信息技术和网络技术，从计算机联锁系统的通信技术、 进路控制技术和分布式信息管理技术三个方面对计算机联锁系统进行了探讨。 全文共分五章。第一章为绪论，介绍了计算机联锁系统的概念，以及国内车 站联锁系统的发展过程和研究现状。 第二章介绍了计算机联锁系统的系统结构。这为下面的深入探讨打下了一个 基础。 第三章对计算机联锁系统的通信技术和进路控制技术进行了探讨。目前，大 多数计算机联锁系统的开发软件采用的是c 、v c + + 、d e i p h i 等，它们都是与平 台有关的，还没有看到用j a v a 语言编写的联锁控制软件，因此，本文尝试着用 j a v a 语言来编写联锁控制软件。首先编写了基于j a v a 2 的p c 串行通信程序和p l c 串行通信程序，实现了基于j a v a 2 的联锁逻辑控制层的p c 和采集驱动层的p l c 串行通信。然后，对进路控制过程进行了探讨，给出了进路搜索策略，它是由按 “节点对”分段依次搜索、直股优先搜索、弯股优先搜索和沿同类型渡线搜索4 个策略所组成。依据此进路搜索策略，制定了详细的进路搜索算法。最后，用 j a v a 语言编写了进路控制的程序，并设计了进路控制台图形界面。 第四章对计算机联锁系统的分布式信息管理技术进行了探讨。目前车站联锁 系统的信息管理存在着信息难共享、分布不合理等诸多问题。因此，本章在软件 上又尝试着用5 2 e e 技术，来实现计算机联锁分布式信息管理。采用b e a 公司的 w e b l o g l cs e r v e r 8 i 作为j 2 e e 服务器，b o r l a n d 公司的5 b u i l d e r 9 作为开发环 境的组合，系统的开发分为e j b 开发和w e b 应用程序开发两部分。w e b 应用程序 开发采用s t r u t s 框架，e j b 部分开发采用了s e s s i o nf a c a d e 设计模式。据此， 设计和开发了计算机联锁分布式信息管理系统，并给出了系统界面的设计。 第五章对全文进行了总结和展望，总结了本文所取得的科研成果。 关键字：汁算机联锁系统j a v a 2j 2 e e串行通信进路控制 a b s r a c t r a i l w a ys t a t i o n si n t e r l o c k i n gs y s t e mi st h ei n t e r l o c k i n gs y s t e mw h i c hr e a l i z e s r e s t r i c ta n do p e r a t i o ns e q u e n c eb e t w e e ns i g n a l ，t u r n o u ta n dr o u t eb yt e c h n i c a l m e t h o d w i t ht h er a i l w a yn e te x p a n d i n ga n dr a i l w a ys p e e di n c r e a s i n g ，i ti san e c e s s a r y t r e n dt o d e v e l o p ar a i l w a ys t a t i o n s i n t e r l o c k i n gs y s t e m w i t hm o r ea d v a n c e d t e c h n o l o g y a f t e rs t u d y i n gr a i l w a ys t a t i o n si n t e r l o c k i n gs y s t e m ，t h ep a p e rm a k e st h r e e r e s e a r c h e s0 nt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h er o u t ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h e d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yo fc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e m ， a c c o r d i n ga st h er e q u i r e m e n t so fm o d e r ns t a t i o n si n t e r l o c k i n gs y s t e m ，m a k i n gu s eo f t h ea d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h e c o n c e p to fc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e m a n dt h ed e v e l o p i n gw a ya n dr e s e a r c h a c t u a l i t yo fd o m e s t i ca n do v e r s e a ss t a t i o n si n t e r l o c k i n gs y s t e m t h es e c o n dc h a p t e rr e c o m m e n d st h es t r u c t u r eo fc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e m w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o n st om a k e st h r e er e s e a r c h e sb e l o w i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ep a p e rm a k e st w or e s e a r c h e so nt h ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h er o u t ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e m a t p r e s e n t 、t h ed e v e l o p i n gs o f t w a r eo fc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e mi sm o s t l yc v c 十+ a n dd e l p h iw h i c ha r er e l a t e dt op l a t f o r m w eh a v en o ts e e nt h ei n t e r l o c k i n gc o n t r o l s o i w a r ew r i t t e ni nj a v a s ot h ea u t h o rt r i e st ow r i t el o c k i n gc o n t r o ls o f t w a r ei nj a v a f i r s to fa l l ，t h ej a v a 2 - b a s ep cs e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a m sa n dp l cs e r i a l c o m m u n i c a t i o np r o g r a m sa r ew r i t t e n t h ej a v a 2 一b a s es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n p co ft h ei n t e r l o c k i n gl o g i cl a y e ra n dp l co ft h ec o l l e c t i o nd r i v el a y e ri sr e a l i z e d t h e nt h ep r o c e s so fr o u t ec o n t r o li sd i s c u s s e d t h es t r a t e g yo fr o u t es e a r c hi sg i v e n w h i c hc o n s i s t so f f o u r s e a r c h s t r a t e g i e s a c c o r d i n ga s t h es e a r c hs t r a t e g y ，t h e a r i t h m e t i co fr o u t es e a r c hi sw r i t t e ni n d e t a i l i nt h ee n do ft h ec h a p t e r ，t h er o u t e c o n t r o lp r o g r a m sa r ew r i t t e ni nj a v aa n dt h eg r a p h i c si n t e r f a c e so fr o u t ec o n s o l ea r e d e s i g n e d i nt h ei b u r t hc h a p t e r ，t h ep a p e rm a k e sar e s e a r c ho nt h ed i s t r i b u t e di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tt e c h n o l o g yo fc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e ma tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n y a b s t r a c t p r o b l e m ss u c ha si n f o r m a t i o ns h a r ed i f f i c u l ta n di n f u r r n a t i o nd i s t r i b u t i n gi r r a t i o n a li n t h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to fs t a i o n si n t e r l o c k i n gs y s t e m t h e r e f o r e ，i ns o f t w a r e ， t h ea u t h o rt r i e st or e a l i z ed i s t r i b u t e di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti nj 2 e ea g a i n i ta d o p t s w e b l o g i cs e r v e r 81 a sj 2 e es e r v e ra n dj b u i l d e r 9a s d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h e d e v e l o p m e n to fs y s t e mi s m a d eu po fe j bd e v e l o p m e n ta n dw e ba p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n t t h ed e v e l o p m e n to fw e ba p p l i c a t i o na d o p t st h e s t r u t sf r a m ea n dt h e d e v e l o p m e n to fe j ba d o p t ss e s s i o nf a c a d ed e s i g nm o d e l a c c o r d i n ga si t ，t h ea u t h o r d e s i g n sa n dd e v e l o p s ad i s t r i b u t e di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi nc o m p u t e r i n t e r l o c k i n gs y s t e ma n dg i v e st h ed e s i g no fs y s t e mi n t e r f a c e i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h ea u t h o rs u m su pt h ef u l lp a p e ra n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hf r u i t o b t a i n e d k e y w o r d s ：c o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e m ； j a v a 2 ：j 2 e e ；s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ：r o u t ec o n t r o l 硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 铁路运输是以机车车辆等移动设备和铁路线路、桥梁隧道、站场等固定设备 为基本设备，以车站为运输生产基地的实现旅客和货物运输的庞大系统。在这个 系统中，必须有一套行车指挥系统，以指挥行车按运行计划，安全有效地运行。 这个行车指挥系统的主要技术装备就是铁路信号系统。 为了防止列车冲突事故的发生，把铁路线路划分成许多线段，在车站之间的 线段称作区间，在车站内的线段称作进路，在线段的入口处设置信号机进行防护。 对于区间来说，以人工或技术方法检查区间内确实无列车存在，即在空闲状 态时，防护该区间的信号才能开放。 对于车站进路来说，同样需要在迸路的入口设置信号予以肪护。但在信号开 放时不仅要检查进路空闲，而且要检查进路中的道岔位置是否正确，还要检查是 否和其他进路发生冲突等，只有在进路空闲、道岔位噩正确并锁闭f 不能再操纵) 和可能发生冲突的进路( 称做敌对进路) 没有办理并己锁闭( 不能再办理) 的条件 下，信号才能开放。列车驶入进路后，防护信号应立即关闭。列车离开了迸路中 的道岔区域后，道岔和敌对进路才允许解锁。由此看出，为了保证行车安全，信 号、道岔与进路之间必须以技术手段保持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。因此，又称保证车站行车安全的铁路信号系统为车 站联锁系统。 车站联锁系统不仅要控制信号机，而且还要控制道岔。早期的联锁设备是以 人力操纵信号机和道岔的。后来( 一直到今天) 采用了色灯信号机和动力转辙机等 电气设备，不再需要人力操纵了，特别是在1 9 2 7 年发明了轨道电路以后，用它 检查线路是否空闲，这为实现铁路信号自动控制创造了条件。在车站信号系统中， 采用了色灯信号机、动力转辙机和轨道电路之后，既缩短了办理进路的时间，提 高了运输效率，又改善了值班人员的劳动条件。 在铁道部颁布的铁路信号名词术语中，联锁的定义是“通过技术方法， 使信号、道岔和进路必须按照一定程序并满足一定条件，才能动作或建立起来的 相互关系”。该定义包含了两层意思，一是说，为保证车站行车安全，必须制定 一系列联锁规则以约束信号、道岔与进路的动作与建立；_ 二是说，必须以技术手 段实现这些规则。 用计算机技术来实现联锁功能的车站联锁系统称为计算机联锁系统。 第一章绪论 现代的联锁系统是指以色灯信号机、动力转辙机和轨道电路作为室外三大基 础设备，以电气设备或电子设备实现联锁功能以及采用集中分散控制方式对信号 机和道岔进行控制的系统。 当前广泛使用的联锁系统是电气联锁系统。由于该系统的联锁机构是由继电 器及其电路构成的，所以电气联锁系统又称继电联锁系统。在我国广泛使用的是 6 5 0 2 电气集中联锁系统。一方面电气联锁系统性能比较稳定，在保障铁路行车 安全和提高车站作业效率等方面起到良好的作用。几十年来国内外都普遍使用这 种联锁系统。另一方面，继电联锁系统采用安全型继电器作为二值元件，利用一 定的构成法则组成继电电路，从而构成了继电联锁控制系统。这种继电电路有一 定的局限性，主要是难以表达过于复杂的逻辑关系。同时，如果电路规模过于庞 大，造价必然大幅度上扬，以致于在经济上难以占优势。随着铁路行车速度的提 高和密度的增加，以及对车站作业现代化的要求，继电联锁系统无论在保障安全 方面，还是在增加功能方面都显得力不从。i f , 。 在微型计算机在工业系统中得到广泛应用的今天，用计算机技术取代继电电 路构成联锁机构以减少继电器检修工作量就成为了必然的趋势。电气集中联锁相 对计算机联锁，有功耗大，器材分散，故障面广，且房屋需求面积量大，日常维 修工作量繁重等缺点，另外它不能提供备用系统、不易实现远程故障诊断，且受 继电器技术影响，功能简单，信息量少。铁道部电务局9 7 年8 3 号文关于积极 稳妥发展计算机联锁的通知中指出：“由于受到继电器设备技术水平的限制， 6 5 0 2 电气集中功能单一、信息量小、维修工作量大且功能难以扩展，从技术发 展上看，已难以适应日益增长的运输要求”。以计算机技术取代继电电路具有许 多的优点：减少继电器检修工作量；减少系统的设计、施工和维护的工作量；减 少建筑使用面积；当采用分布式系统结构时，可以节省干线电缆，从而降低工程 造价；当采用了必要的提高系统的可靠性和安全性的技术措施后，系统的可靠性 和安全性将得到提高；便于改造：便于增加新功能。 1 2 研究现状 1 2 1 国内车站联锁控制系统的发展过程和现状 国内车站的信号和道岔与进路之间的联锁控制系统由最初的机械联锁控制、 经过电气集中联锁、现在发展到计算机联锁加继电器控制，经历了三大发展阶段。 其中出机械联锁发展到6 5 0 2 电气集中，是一次飞跃。大约是在1 9 7 0 年基本完成 的。电气集中联锁系统经过几十年的运行和发展，此设备己显示出了很多弊病： 体积庞大、效率低下、故障定位难、维修不方便等。 硕士学位论文 随着微型计算机在工业系统中得到广泛应用，用计算机技术取代继电电路 就成为了必然的趋势。从上个世纪8 0 年代后期开始研制计算机联锁加继电器执 行的控制系统，9 0 年代进行了试验，相继研制成功d s 6 2 0 计算机联锁系统、j d l a 汁算机联锁系统、t y j l i i 型车站计算机联锁系统、t r 9 型容错计算机联锁系统、 t y j i ，一t r 2 0 0 0 型容错计算机联锁系统，近几年丌始小批量上道捧广，截至目前， 在国营铁道上约有几百个车站安装使用。这些计算机联锁按照我国铁路的营运情 况进行研发，适合中国铁路大运量、高密度、客货共存的现状。 j dl a 型计算机联锁系统【2 j 属于双机热备型系统。系统采用联锁网和监控网 2 层结构，联锁网和监控网都采用c a n 总线。 d s 6 2 0 型计算机联锁系统【3 j 采用了高安全度专用容错系统平台g m r ( 美 国g e f a n u c 公司生产的具有三重冗余结构的g m r 系统) ，结合中国铁路通信信号 总公司研究设计院自行开发，符合6 5 0 2 技术条件的应用软件，以实现高可靠、高 安全的先进联锁控制。 t y j li i 型计算机联锁系统【4 j 是双机热备( 双模冗余、热备切换) 系统，采 用了基于总线和网络通信的分布式计算机控制方式，采用了双套联锁软件，比较 一致时，生成驱动命令，控制现场信号设备，系统结构为多微处理器系统，联锁 机和执行机之i h j 的光纤通信通道，使系统具有良好的远距离实时控制能力。 t v j r 。一t r 9 型计算机联锁系统 4 是三模多数表决系统，是由三个计算机模块构 成的三重硬件冗余计算机系统，对主处理模块、输入模块和输出模块三大环节全 面实现三重化，以保证系统中任何部件的单永久性故障或瞬间故障发生时，系统 仍然能无差错、不间断工作，并通过软硬件表决( 三取二) 后输出命令，驱动继 电器以保证安全和系统不问断运行。 t y j l 一i r2 0 0 0 型计算机联锁系统 5 6 1 是三模冗余容错系统，它具有对实时任 务的容错计算功能，同时实现了系统上电重构功能，系统采用任务级松散同步， 故障的检测、屏蔽、恢复及系统的重构等功能均由软件来实现。其中的车站控制 局域网采用以太网作为物理层，使用标准的n e t b i o s 通信协议，来连接操作表示 层和逻辑控制层：联锁安全总线采用c a n 总线来连接逻辑控制层和采集驱动层。 北方交通大学的王增力提出了全电子化计算机联锁系统，它主要是对联锁系 统的执行层进行了研究，分析了联锁系统执行层采用继电器的优缺点，针对继电 器执行方式的不足，提出了计算机联锁系统执行层的电子化的解决方式。但它没 有考虑执行层电子模块的冗余，另外连接联锁层和执行层的网络总线采用的是 r 5 4 8 5 总线，也没有对其进行更深入的研究oj 。 区域计算机联锁系统强j 是在车站计算机联锁基础上结合了网络技术、安全传 输、遥控及自动进路控制等技术发展起来的，它将整个控制区域视为一个车站， 第一章绪论 使用一套联锁机控制。实现两个一体化，即区间闭塞、车站联锁 u c t c ( 调度集 中系统) 控制一体化；信号通信、计算机技术一体化。它能完全省去设在车站的 调度集中或调度监督的终端设备和传输通道，大大减少重复投资，能取得显著的 经济效益。实现区域计算机联锁控制，区域内远端车站可以只配置巡视察看人员， 对于自然环境恶劣、生活艰苦的地区非常适合。 我国从9 0 年代开始，进行了区域计算机联锁系统初步的研究和论证，现已 达到了实用化的初期阶段，己在国铁和地方铁路的湖东区段站、合肥编组站、马 钢等得到应用，现已确定采用区域联锁的工程还有沈阳、长春、哈尔滨等站，大 量的推广和应用还有待更先进的技术支持和深入的研究丌发。 1 2 2 国外车站联锁控制系统现状 1 9 7 8 年世界上第一台计算机信号联锁设备在瑞典的哥德堡问世，英国、日 本已制定出相应的技术标准来开发和维护相应的计算机联锁设备，以取代传统的 继电器联锁设备。总得来说，目前国外已投入运行的计算机联锁系统中多数与我 国状况相当，也即是计算机联锁、继电器执行。 随着电子技术的迅速发展，特别是计算机技术、信息技术和大功率电子器件 的发展，计算机联锁系统已经向全电子化方向发展，如a b b 、西门子公司的计算 机联锁系统。 而区域联锁系统在欧美等发达国家的干线铁路上已经有多年的应用经验，系 统的构成方式也有多种多样。 德国铁路汉诺威一沃尔堡高速线1 3 0 k m ，1 4 个车站，由2 个站控制，奥斯豪 森站控制8 个车站7 5 k m ，克什海姆站控制6 个站5 5 k m 。 德国铁路汉马格德堡一柏林线i l i k m ，1 2 个车站，由两个站控制，汉马格德 堡站控制9 各站，9 3 k m ，波茨坦站控制3 个站，1 8 k m 。 芬兰铁路埃斯普枢纽由1 个控制中心控制全部枢纽的6 个联锁区域，3 2 k m 线路。 芬兰铁路鹿特丹枢纽由1 个控制中心控制全部枢纽的8 个联锁区域，2 0 k m 的线路。 在国外的地铁、轻轨中也大量采用区域联锁系统的控制方式。 1 3 本文主要工作 目前，在我国铁路6 0 0 0 多个车站中，采用先进的计算机联锁设备的只有几 百个左右，仅今后的大修、改造，就展示出极为广阔的发展前景。此外，我国新 硕士学位论文 铁路建设仍在大量开工，特别是高速铁路将在今后有极大的发展，这就为计算机 联锁设备提供了巨大的市场需求空间，同时也提出了更高的技术要求。专家预测， 汁算机联锁系统在我国的发展空间极为广阔，可望成为我国的一项高新技术产 业。因此研制更加先进的计算机联锁系统具有十分重要的意义。 本文对计算机联锁系统的通信技术、进路控制技术和分布式信息管理技术进 行了探l 寸。 j a v a 是一种具有简单、面向对象、分布式、安全、跨平台、可移植等各种 特性的语言。目前，大多数计算机联锁系统的开发软件采用的是c 、v c + + 、d e l p h i 等，它们都是与平台有关的，还未见用j a v a 语言编写的联锁控制软件。因此， 本文尝试着用j a v a 语言来实现联锁通信和进路控制。 ( 1 ) j a v a 语言本身并不直接支持串口通信，我们借助于1 a v a 的j n i ( j a v a n a t i v ei n t e r f a c e ) 技术来达到控制串行通信的目的。通信模式采用自由端口模 式，该模式为计算机或其它有串行通信接口的设备提供了一种廉价和灵活的通信 方法。不需要专门的通信卡，只需要r s 2 3 2 到r s 4 8 5 的通信转换器( 例如p c p c i 电缆) ，即可实现它们之间的通信。在这我们以s i m e n s s 7 2 0 0p l c 为例，采 用j a v a 2 技术通过串口，来实现p l c 和p c 的串行通信。编写了基于j a v a 2 的p c 串行通信程序和p l c 串行通信程序，实现了基于j a v a 2 的联锁逻辑控制层的p c 和采集驱动层的p l c 串行通信。 ( 2 ) 在车站范围内，列车和调车车列由某一指定地点运行至另一指定地点 所经过的路段称为进路。从排列进路到列车通过了该进路是一过程，我们称该过 程为进路控制过程。本文接着对进路控制过程进行了探讨，给出了进路搜索策略， 它是由按“节点对”分段依次搜索、直股优先搜索、弯股优先搜索和沿同类型渡 线搜索4 个策略所组成。依据此进路搜索策略，指定了详细的进路搜索算法，用 j a v a 语言编写了进路控制程序，并设计了进路控制台图形界面。 ( 3 ) 目前车站联锁系统的信息管理存在着信息难共享、分布不合理等诸多 问题。铁路车站联锁系统需测控的点多，测控对象分布的地理范围广，应采用分 布式系统。因此，本章在软件上又尝试着用j 2 e e 技术，来实现计算机联锁分布 式信息管理。采用b e a 公司的w e b l o g i cs e r v e r 8 1 作为j 2 e e 服务器，b o r l a n d 公司的g b u i i d e r 9 作为开发环境的组合，系统的开发分为e j b 丌发和w e b 应用程 序开发两部分。w e b 应用程序开发采用s t r u t s 框架。在这个s t r u t s 框架中，j s p 用予前端展现，s e r v l e t 用于控制，a c t i o n 用于处理前端页面j s p 发来的请求， 请求参数通过a c t i o n f o r m 进行传递，a c t i o n 在获得请求后通过调度业务系统提 供的f a c a d e 会话b e a n 做处理，最后将处理结果转发到相应的j s p 进行展现。e j b 部分开发采用了s e s s i o nf a c a d e 设计模式，即通过会话b e a n ，把客户端和它们 第一章绪论 使用的e j b 分割开来，客户端必须通过会话b e a n ，才能够访问到实体b e a n 。实 体b e a n 代表数据对象，在本系统中有3 种数据对象：轨道、道岔、信号灯，所 以共设计了3 个实体b e a n 。据此，设计和开发了计算机联锁分布式信息管理系 统，并给出了系统晃面的设计。 硕士学位论文 2 1 引言 第二章计算机联锁系统的系统结构 计算机联锁系统，既要求有比较高的可靠性指标，又要求有比较高的安全性 指标，因此只采用单层结构无法满足系统技术要求，需要采用两层乃至多层的分 层结构。 通过对国内外计算机联锁系统的分析研究，它们的系统结构大体相当， 最常用的是三层体系结构，以下将从硬件和软件两方面对其做个简单的介绍。 2 2 硬件系统 采集驱动层 信号机转辙机 轨道电路 图2 1 计算机联锁控制系统结构功能图 f i g2 1 s t r u c t u r eo f c o m p u t e r i n t e r l o c k i n gs y s t e m 计算机联锁控制系统，是建立在硬件冗余基础上的控制系统，其系统结构分 为3 层：操作表示层、联锁逻辑控制层、采集驱动层，如图2 一l 所示。其中操 作表示层和联锁逻辑控制层之间通过车站控制局域网进行通信，逻辑控制层和采 集驱动层之间通过联锁安全总线进行通信。从安全性角度考虑，整个系统分为安 全区域和非安全区域，其中安全控制区域包括联锁逻辑控制层、采集驱动层和联 锁安全总线；非安全控制区域主要包括操作表示层和车站控制局域网。 第二章计算机联锁系统的系统结构 2 2 1 操作表示层 本地操作表示层包括操作表示模块、电务维护模块和远程通信模块。其中： 操作表示模块采集值班员的操作命令并进行处理，实现进路的初选，并把执行的 结果显示在控制台上，同时还提供沾场状态的图形显示和系统错误提示：电务维 护模块记录值班员操作命令、站场变化信息和系统错误，实现记录的存储、打印 和再现，为电务维修提供方便：远程通信模块提供与车站综合局域网、广域网的 通信接口，连接各种辅助行车系统。 2 2 2 联锁逻辑控制层 联锁逻辑控制层的基本功能是进行联锁运算。它的输入信息是来自操作表示 层的操作信息和来自采集驱动层的反映信号机、转辙机、轨道电路等的信息，它 的输出信息是信号机控制信息、道岔控制信息等。联锁过程是根据信号联锁的技 术要求，对输入的操作信息和状态信息以及联锁层当前内部信息进行处理，产生 相应的输出信息。联锁逻辑控制层包括联锁模块、系统调度模块和通信模块。其 中，联锁模块是根据站场结构和操作要求，进行联锁逻辑处理和控制；系统调度 模块可实现系统间的通信和同步处理；通信模块为联锁系统与其他安全系统提供 耍全的通信信道。 为了使系统达到所要求的可靠度，联锁计算机通常采用硬件冗余结构，最常 用的是二重冗余结构，其中一台计算机为主机，另台计算机为备用机。当故障 发生时，备用机变成主机，而故障机的维修时间不大于8 h 。 2 2 3 采集驱动层 采集驱动层包括智能输入模块和智能输出模块。智能输入模块采集现场设备 的状态信息，传输给联锁层，具有强大的自检功能：智能输出模块接收联锁层的 控制命令，执行联锁输出，驱动继电器并动作信号设备。 2 2 4 现场设备 1 道岔控制电路 道俞控制电路由于转辙机采用的电动机不同，电路结构也不同。此处，以 目前广泛采用的直流电动转辙机的控制电路为例讲述。 道翁控制电路分为道岔表示电路和道岔启动电路两大部分吼 硕士学位论文 ( 1 ) 道岔表示电路 对每组单动或双动道岔设置两个表示继电器，即道翁定位表示继电器d b j 和道龠反位表示继电器f b j 。其接点都接到p l c 上。当道岔定位表示继电器d b j 励磁吸起，其接点闭合时，表示道岔处于定位；当道岔反位表示继电器f b j 励 磁吸起，其接点闭合时，表示道岔处于反位。 b b d j z 2 2 0 vd j f 2 2 0 v ( 图中d b j 和f b j 的型号：j p x c 1 0 0 0 ) 图2 2道岔表示电路原理图 f i g 2 2 t u r n o u td e n o t a t i o nc i r c u i t r y 图2 2 是集中供电式四线制道岔控制电路的表示电路原理图。它使用了两 个偏极继电器作为表示继电器。道岔在定位时，转辙机内的自动开闭器定位接点 d b ( 3 l - - 3 2 ，3 3 3 4 ) 闭合，反位表示接点( 2 1 - - 2 2 ，2 3 - - 2 4 ) 断开。此时就接通 了道岔表示变压器b b 的二次侧电路。在该电路中接有整流管z ，敝只有半波整 流电流流通。电流经定位表示继电器d b j 线圈端子l 流入，从其端子4 流出， 使d b j 励磁吸起。另一半波时，d b j 靠电容器c 放电电流使其保持励磁。道岔 在反位时原理类似。 第二章计算机联锁系统的系统结构 ( 2 ) 道岔启动电路 四线制道岔启动电路分为三级电路：第一道岔启动继电器1 d q j 电路、第 二道岔启动继电器2 d q j 电路、电动机动作电路。 c a jf ( d c jf 或f c j ) 一1 d q jf 一鑫b jf 一 1 ) 第一道岔启动继电器1 d q j 电路 ( 图中i d q j 的型号：j w x c h 1 2 5 04 4 ) 图2 3第一道岔启动继电器1 d q j 电路原理削 f i g 2 3s t a r t u pr e l a yo f t h ef i r s tt u r n o u t 道岔既可以进路操纵也可以单独操纵。 i 进路操纵 道岔定位操纵继电器d c j 和反位操纵继电器f c j 的接点，是用于进路操纵 的。 如图2 3 所示，假设操纵道岔由定位向反位转换：道岔在定位时2 d q j 的 极性定位接点1 4 1 1 4 2 闭合，道岔区段空闲且处于解锁状态，s j 的前接点闭合。 当道岔反位操纵继电器f c j 励磁吸起，其前接点接向象件电源k f ，使1 d q j 的 3 4 线圈的励磁电路被接通，1 d q j 励磁吸起，以其前接点和2 d q j 极性接点接通 电动机电路，使道岔转换。 一一堡主鲎堡垒查 假设操纵道岔由反位向定位转换：道岔在反位时2 d o j 的极性反位接点1 4 i 1 4 3 闭台，道岔区段空闲且处于解锁状态，s j 的前接点闭合。当道岔定位操纵 继电器d c j 励磁吸起，其前接点接向条件电源k f ，使i d q j 的3 4 线圈的励磁 电路被接通，l d q j 励磁吸起，以其前接点和2 d o j 极性接点接通电动机电路，使 遭捻转换。 i i 单独操纵 单独操纵优先于进路操纵。这样做的好处是，当进路式操纵无效或因故遭岔 不能正常转到底，可用单独操纵方式使道岔往回转或向规定方向转，以免烧毁电 机。 如图2 - - 3 所示，假设操纵道岔由定位向反位转，道岔在定位时2 d o j 的极性 定位接点1 4 1 一1 4 2 闭合，道岔区段空闲且处于解锁状态，s j 的前接点闭合，按 下道岔单独操纵按钮c a 后，c a j 励磁吸起，其前接点接向条件电源“k f z f j ”。 当按下总反位按钮，z f j 励磁吸起后，i d q j 的3 4 线圈的励磁电路被接通。当 需要使道岔从反位向定位转换时，2 d o j 的反位极性接点1 4 1 1 4 3 闭合，条件电 源k f z o j 接通后，1 d q j 又会励磁吸起，以其前接点和2 d q j 极性接点接通电动 机电路，便道岔转换。 2 ) 第一道岔启动继电器2 d o j 电路 ( 幽中2 d q j 的型号：j y z x c1 3 5 2 2 0 ) k f - z f j 图2 - 4 第二道岔启动继电器2 d o j 电路原理图 f i g2 4s t a t t u pr e l a yo f t h es e c o n dt u f n o u t 第二章计算机联锁系统的系统结构 如图2 - - 4 所示，1 d q j 励磁吸起后，如果是单独操纵使2 d q j 励磁，它是经 过条件电源“k f - - z d j ”或“k f - - z f j ”、c a j 的前接点等条件接通，2 d q j 励磁转 极。如果2 d q j 的1 2 线圈励磁时，2 d q j 的极性反位接点闭合，即1 1 1 1 1 3 和 i 2 1 1 2 3 接点闭合，如果2 d q j 的3 - 4 线圈励磁则2 d q j 的极性定位接点闭合， 即l l l 1 1 2 和1 2 1 1 2 2 两组接点闭合，从而接通了电动机的不同的激励绕组和 转子电路，使定子绕组的磁场方向改变使电动机正转或反转。 3 ) 电动机动作电路 1 d q j d 图2 5 电动机动作电路原理图 f i g2 5 a c t i o nc i r c u i t r yo f e l e c t r o m o t o r 如图2 5 所示，在分析上述的l d q j ，2 d q j 的电路时，实际上已涉及到电 动机动作电路了。这里补充几点：一是利用2 d q j 的极性接点改变电动机定子线 圈的电路，使其产生正向或反向磁场，使转子正转或反转，以便带动道岔尖轨向 定位或反位转换。二是在电动机电路里串接有自动开闭器的动作接点d d ( 4 1 4 2 ) 和f d ( 1 1 一1 2 ) ，以便使道岔转换完毕后及时切断电动机电路，使启动电路 复原。三是在正向转动电路和反向转动的电路里分别装设了熔断器( 3 a ) ，以便 在道岔转换过程中，其中一个熔断时，仍可伎道岔转回原位。另外在电动机电路 硕士学位论文 中接有保护接点0 5 0 6 ，其目的是当维修转辙机时，将此接点断丌，使电动机 不再受控制台控制以保证维修人员的安全。 2 轨道电路 轨道电路区段分为三种：道岔区段、无岔区段和接发车股道。检查各轨道 电路区段空闲，是通过检查串接在8 线上的各轨道电路区段的轨道继电器前接点 来实现。 进路从建立到解锁可划分为若干阶段，对应每一个阶段需要不同的继电器来 完成。 区段检查继电器q j j ：在大站上由于阻道岔区段作为锁闭与解锁的对象，所 以对应每个道岔区段设置一个区段检查继电器q j j 。区段检查继电器q j j 的功能 是为实现进路锁闭而设置的。 进路继电器1 i j 和2 l j ：对应每个道彷区段设置进路继电器1 l j 和2 i j 各 个。其功能是专门为检查解锁条件( 三点检查) 用的。 照查继电器z c j ：接发车股道的两端各设黄一个照查继电器z c j 。照查继电器 z c t 的功能是为锁闭另一咽喉区迎面敌对进路而设置的。 股道检查继电器g j j ：对应每个照查继电器z w 设置一个股道检查继电器。 其功能是为了配合z c j 为锁闭另一咽喉区迎面敌对进路而设置的。 锁闭继电器s j - 每一个道岔设一个锁闭继电器，双动道岔则需设两个，l sr 为左端的，2 s j 为右端的。其失磁落下，说明已把进路中的道岔锁在规定位置， 同时也把本咽喉的敌对进路给锁住了。 信号检查继电器x j j ：对应每一架信号机设一个信号检查继电器。其功能是 检查实现进路锁闭的条件是否满足一一进路空闲、进路中道岔位置正确和与之敌 对的迸路未建立。 1 ) 进路空闲：这是通过检查各轨道电路区段的轨道继电器前接点来实现。 2 ) 进路中道岔位置正确：在进路锁闭以前，是通过检查开始继电器k j 前接点 恻接地实现，实际上是通过检查7 线的d b j 或f b j 的前接点来实现：在进路锁闭 以后，信号开放前，是通过检查1 1 线( 信号继电器x j 的励磁网络线) 来实现。 3 ) 本啊喉区没有建立迎面敌对进路：这是在8 线上，通过检查敌对信号的开始 继电器k j 和终端继电器z j 的后接点来实现。 4 ) 另一啁喉区也没有建立迎面敌对进路：这是通过检查照查继电器z c j 的前接 点来实现。 3 信号控制电路 第二章计算机联锁系统的系统结构 本文以进站信号机的点灯电路为例进行讲述。 ( 剖由i d j 和2 d j 都采用j z x c h 1 8 型继电器) 图2 6 f i g 2 6 信号机点灯电路 s i g n a ll a m pc i r c u i t r y , 硕士学位论文 我们知道进站信号机有5 个灯位，需要5 个灯泡，直上而下排列为一黄、绿、 红、二黄( 下黄) 、月白。它们分别表示为l u 、l 、h 、2 u 和y b 。根据规定， 这j 个灯泡中，只有l u 和2 u ，l 和2 u ，以及h 和y b 能同时点灯外，其它l u 和 。，h 和2 u 、h 和y b 是不应该同时点灯。对于能同行点灯的两个灯泡必须各用一 个灯丝继电器d j 进行灯丝检查。根据这些，如图2 8 所示，l u 、l 和h 共用 一个灯丝继电器l d j 进行监督。而2 u 和y b 电共用个灯丝继电器，叫第二灯丝 继电器2 d 5 。图2 6 中红灯变压器h b 次级的点