铁路车站全电子计算机联锁系统的研究与设计.docx

魏文军, 范多旺( 兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室 甘肃兰州, 730070)摘 要: 介绍了一种新型的铁路信号控制系统铁路车站全电子计算机联锁系统的总体结构、系统的硬件组成和软件设计、全电子执行单元的结构和软硬件设计以及系统具有的突出的优点和特 点。系统已投入使用, 经实践检验运行效果良好。关键词: 全电子; 计算机联锁; 执行单元; 铁路信号Abstr act:This paper introduces a new type of railway signal controlling systemthe all electronic com- puter interlock system in railway station, and its overall structure, hardware components, software design, struc- ture of the full electronic implementing unit and of its software and hardware design. The outstanding character- istics and advantages of the system are also covered in the paper. This system has been under application, which has performed well through practical test.Key wor ds:Full electronic; Computer interlocking; Implementing unit; Railway signal中图分类号: TP 274+.5文献标识码: A文章编号: 1001- 9227( 2007) 03- 0019- 040引 言国内车站的联锁控制经历了机械联锁控制、电及记录系统运行状况的维修机和各种执行机。( 1) 联锁机由高可靠计算机、智能通信板组成。联 锁软件根据联锁条件, 对操作信息和状态信息以及联 锁程序当前内部信息进行处理, 产生相关的输出信 息, 即信号控制命令和道岔控制命令, 交付执行机予 以执行;( 2) 控显机采用工控机, 完成车站信号的完全真 实表示及操作命令的下发, 监控机和联锁机建立以太 网连接后, 从联锁机接收站场信息, 然后按照数据协 议设置每一个设备状态, 实时刷新站场图, 另外, 操作 员的信号控制命令通过鼠标点击操作下发给联锁机, 控显机还显示操作员操作信息、系统时间显示等;( 3) 维修机通过监听监控机与联锁机的通信获取 系统的运行数据并做记录, 利用监听数据实时刷新界 面显示,将监控机的操作命令、联锁系统的计算结果以 及系统的通信情况实时的记录在数据库中, 另外维修 机的功能还有, 提供多种形式的记录查询, 站场图形 回放重现等;( 4) 执行单元是基于 CAN 总线的智能执行单元, 包括道岔执行单元、信号灯执行单元、轨道执行单元 等, 采用高性能单片机 Atmel128 作为 CPU, 它片内有128K 可重复编程 Flash、4K 字节的 EEPROM、4K 字节 的 内 部 SRAM、4 个 定 时 器 / 计 数 器 、8 通 道 的 10 位 A/D 转换、4 通道 PWM 等功能。通讯电路部分, CAN 总 线 的 总 线 控 制 器 是 SJA1000, 总 线 收 发 器 是 TJA1050。气集中(以 6502 为代表) 联锁控制、计算机联锁加继电器执行控制三个大的发展阶段, 其中, 由机械联锁发展到 6502 电气集中, 是一次重大的飞跃, 大约是在70 年代基本完成的。而计算机联锁加继电器执行的控 制系统是从 80 年代后期开始研究, 90 年代进行试验 并逐渐批量上道使用。目前国内投入使用的计算机联 锁系统都是从继电电气集中过渡发展起来的, 还都不 是以计算机技术为核心的全电子化联锁系统, 实际上 是一种计算机联锁、继电器执行的系统。虽然不同制 式的计算机联锁系统所保留的继电器数目都较少, 但 都存在维修、运行及施工等方面的问题, 难以适应新 的更高的要求, 并且基础信号设备模拟量监测上也存 在一定问题, 还需单独增加微机监测系统。由兰州大 成自动化工程有限公司设计的全电子计算机联锁系 统, 去掉了执行部分的继电器电路, 代之以智能全电 子执行单元, 很好的解决了以上问题, 实现了控制、监 督、监测一体化, 为铁路信号设备的升级做了有益的 技术积累。1系统总体方案设计计算机联锁全电子控制系统的组成 (如图 1) , 包括用户界面层的控显机、联锁关系运算的联锁机、以* 铁道部重点项目( 2006X018- E) ; 甘肃省科技攻关计划项目( 2GS045- B52- 016)收稿日期: 2007- 01- 16铁路车站全电子计算机联锁系统的研究与设计 魏文军, 等控显机图 1系统结构图业控制。开发语言选择 Visual C+.Net, VC 相比其它语言, 开发更加高效、灵活。控显机的程序流程见图 2, 控 显机主要功能是站场图的列车运行实时显示, 接受操 作人员的操作并和联锁机通讯。2.2 联锁机硬件组成及软件设计2系统硬件和软件的设计2.1控显机硬件组成及软件设计采 用 研 华 工 控 机 ,操 作 系 统 是 Windows2000,Win2000 是基于 NT 系统内核, 运行稳定可靠, 适合工图 2程序主流程图联锁机: 采用研华 CPCI 高可靠工业计算机, 操作系统采用 VxWorks 实时操作系统 ,该操作系统可靠性 高、实时性好, 由美国风河系统公司研制, 曾成功应用 在火星探测器勇敢号和机遇号上, 以及飞机和其它航 空器上。联锁软件采用 VxWorks 专用的 C 语言。合微机技术的特点, 补充和改善联锁程序应实现的功能或技术条件。而后将技术条件转换成概念性方案, 例如分成哪些功能模块, 采用怎样的逻辑顺序, 采用 什么形式的数据结构, 遇到异常情况如何处理等等。 然后把功能模块的具体内容变换成计算机可认的处 理程序。最后还利用车站模拟系统对程序进行周密的 验证;( 2) 提高联锁程序的标准化程度, 使它尽可能不 随车站结构和规模的更改而修改, 这就避免了因修改 联锁程序而可能引入的错误;联锁软件采用故障 -安全的原则进行设计, 主要有:( 1) 充分利用设计继电联锁的经验, 把继电联锁系统已经实现的功能或技术条件进行周密而详细地 归纳, 作为设计联锁程序的基本依据; 在此基础上, 结20自动化与仪器仪表2007 年第 3 期( 总第 131 期)( 3) 安全性数据采取特殊编码, 以便出错时能被识别。存储器和寄存器中的逻辑量是独立地被读写 的。为提高它们独立存在的可靠性和安全性必须采用多个码元编码。为了避免串行传输数据出错, 采用了 数据校验技术;2.3铁路信号执行单元硬件组成及软件设计信号设备执行单元是基于 CAN 总线的智能执行 单元, 包括道岔执行单元、信号灯执行单元、轨道执行 单元等, 下面就道岔执行单元做一个详细介绍, 其它 执行单元设计类似。(4)编制自诊断程序,如果在规定的时间内读不(1)道岔执行单元硬件组成到数据, 联锁程序报错;( 5) 250ms 一个循环周期, 数据每周期刷新一次,发现问题及时导向安全;( 6) 执行机单元在收到错误命令或通讯中断时,控制导向安全侧。如图 3 所示, 执行单元由通信接口、高性能 MCU、驱动电路、主回路开关电路、检测回路等组成。MCU 通 过通信接口接收联锁机的命令, 经过运算后通过驱动 电路控制主回路的开关, 启动道岔动作。MCU 通过反然后 MCU 将状态馈检测电路得到道岔的状态信息,图 3 双 MCU 控制器结构框图信息上传给联锁机。( 2) 道岔执行单元软件设计道岔执行单元软件采用模块化结构, 主要有: 自 检模块、初始化模块( 包括端口初始化、CAN 初始化、时钟等) , 道岔命令处理模块、A/D 采样模块等。整个程 序分主程序和中断处理程序。中断处理程序有两个:一个是 CAN 通讯中断处理程序、一个是转动电流采 集中断采集程序。主程序流程见图 4。概括起来, 本系统系统有以下重要特点:(1)全电子化计算机联锁系 统能够实现 区域联锁, 通过网络进行远程监测、监控, 减少了用户投资和现场维护人员, 并大大减少了人员工作量;( 2) 联锁机采用双机热备方式, 通信网采 用双网 冗余, 实现了系统的无缝自动切换和不间断运行, 为 用户单位运输效能和安全生产提供了可靠的保证;(3)维修机和监测机合二为一, 不仅提供了丰富的设备运行和维护信息, 方便用户维护, 同时也降低了用户投资成本;( 4) 执行单元采用全电子电路, 取消了原有的继 电器。图 4 道岔执行单元主流程图21铁路车站全电子计算机联锁系统的研究与设计 魏文军, 等2郑丽英,董 昱,李敬文.车站电气集中计算机联锁控制系统研究和开发J. 自动化与仪器仪表, 2005,1: 50- 53郭秀清, 陈永生. 计算机联锁控制系统故障 - 安 全 保 障 体 系J.计算机工程与应用,2002,8:226- 229何 涛. 铁路车站信号全电子计算机联锁执行单元J. 铁 路 通信信号工程技术,2005,4:11- 16王东民,徐 悦,何春明. 微机联锁系统体系结构研究J. 铁道 学报,1996,18:59- 62张星昌,徐 悦,方志刚. 微机联锁系统软件设计模型研究J.铁道学报,1996,18:68- 713总 结该系统充分利用现代电子信息技术、电力电子开 关技术、计算机技术、自动控制等技术, 完成了铁路车站全电子计算机联锁系统的设计和调试, 为铁路信号产品的升级换代做好了技术基础。该系统已经投入使 用, 得到了用户的肯定, 取得了满意的结果。3456参考文献1 赵志熙. 车站信号控制系统M.北京: 中国铁道出版社, 1999!上接第 14 页)(节, 以 INPUT=07 分别表示这 8 种输入类型;#数据类型: BCD( 00009999) 、无符号整型( 065535) 、有 符 号 整 型( - 32767 +32767) 共 三 种 选 择 ;占 1 个字节, 以 VAR=02 分别表示这 3 种数据类 型;# 输入模式: 单端输入( 4 通道) 、双端输入( 2 通 道) 共二种选择; 占 1 个字节, 以 CHNO=01 分别表 示这 2 种输入模式;因此: 用户参数长度 User_Prm_Data_Len=3。2.3 软件设计中应注意的几个问题置 为 57.4Kbps。 钠 离 子 检 测 仪 通 过 通 信 模 块 向PROFIBUS 总 线 上 的 节 点 发 送 数 据 , 计 算 机 安 装PROFIBUS 总线测试软件 OPC Scout 进行数据接收。 实验结果表明, 数据通信稳定可靠, 达到了预期的效果。4结束语本文介绍了 一种基于 PROFIBUS 总 线 的 钠 离 子 检测仪通信模块设计, 重点阐述了硬、软件的设计方 案和设计时应注意的一些问题。基于 PROFIBUS 总线的钠离子检测仪通信模块, 结构简单且抗干扰能力较强, 使得钠离子检测仪也能 提 供 PROFIBUS 总 线 的 接 口 功 能 , 为 完 善 基 于 PROFIBUS 总线的钠离子检测测量系统网络打下了良 好的基础。(1) 初始化报文中的 ID 号必须和钠离子分析仪申请的 GSD 文件中的 ID 号一致才能连通, 初始化报文中的 I/O 配置数据、用户参数长度必须和 GDS 文件 中描述的完全一致, 包括: 顺序、个数、数值;( 2) Na 离子设置的站号必须和主站配置时设置 的站号一致; 如使用 STEP 7, 在 HARDWARD 配置中,从站站号要和仪表设置的站号一致;参考文献唐 济 扬 .PROFIBUS 系 统 集 成 与 产 品 开 发 . 现 场 总 线PROFIBUS 技术、产品与应用研讨会, 2004阳宪惠.工业数据通信与控制网络M.北京:清华大学出版社,2003侯维岩.PROFLBUS 协议分析和系统应用M.北京:清华大学 出版社, 2006SIMATIC NET.SPC3 Siemens PROFIBUS Controller,October2002SIMATIC.PROFIBUS Interface Components,November 2003(3)在系统初始化之前, 最好把所有中断全部屏1蔽, 初始化结束后再开相应的中断, 以保证在初始化过程中不会受到意外的干扰而使初始化不能正常完 成。2