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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,在现有一般联锁系统体系结构层次的基础上设计二取二乘二电子联锁系统的体系结构和关键技术环节。同时对道岔控制的技术条件和基本原理进行研究,给出一种二取二的道岔电子控制模块的实现方法。
关键词电子联锁;道岔控制;CAN总线
中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)102-0013-01
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。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術的日新月异,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。
基于CAN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电子联锁系统概述
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。
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。
1.2二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CPU,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CPU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CAN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MCU进行“与”运算。
1.3电子执行单元
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MCU组成。每个MCU通过独立的信道分别与联锁机通过CAN总线相通信。每个MCU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CAN总线数据传送正确一致,两个MCU独自计算正确,两个MCU同时输出一样结果。若由于某些原因,如通信错误、外界干扰、MCU程序死锁等,两个MCU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25Oms。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MCU的串口通信部分。
2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。
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:
l)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)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。
3结论
随着控制技术、电子信息技术、容错技术、故障诊断技术的发展,电子联锁控制系统在铁路信号控制领域里的优势越来越来明显。本文在现有铁路信号电子联锁系统结构及功能基础上,研究设计了二取二乘二电子联锁系统的结构和双系切换的控制机制。并根据联锁系统技术条件和工作原理,通过综合运用冗余技术、故障诊断技术和现代电力电子技术,进行了二取二道岔电子控制模块的软硬件设计。
现场设备电子控制模块可替代车站信号控制系统执行表示部分的继电器组合,并实现对信号现场设备的控制、监督、检测的一体化。整个模块技术先进、设备紧凑,占地少、能耗低。因此,本课题研究具有重要意义。
参考文献
[l]赵志熙等编著.计算机联锁系统技术[M].北京:中国铁道出版社,2003.93:203.
[2]卜长堑,赵志熙,高继祥.我国铁路计算机联锁发展的启示与展望[J].中国铁路,2006,3:36-37.
关键词电子联锁;道岔控制;CAN总线
中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)102-0013-01
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。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術的日新月异,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。
基于CAN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电子联锁系统概述
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。
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。
1.2二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CPU,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CPU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CAN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MCU进行“与”运算。
1.3电子执行单元
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MCU组成。每个MCU通过独立的信道分别与联锁机通过CAN总线相通信。每个MCU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CAN总线数据传送正确一致,两个MCU独自计算正确,两个MCU同时输出一样结果。若由于某些原因,如通信错误、外界干扰、MCU程序死锁等,两个MCU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25Oms。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MCU的串口通信部分。
2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。
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:
l)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)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。
3结论
随着控制技术、电子信息技术、容错技术、故障诊断技术的发展,电子联锁控制系统在铁路信号控制领域里的优势越来越来明显。本文在现有铁路信号电子联锁系统结构及功能基础上,研究设计了二取二乘二电子联锁系统的结构和双系切换的控制机制。并根据联锁系统技术条件和工作原理,通过综合运用冗余技术、故障诊断技术和现代电力电子技术,进行了二取二道岔电子控制模块的软硬件设计。
现场设备电子控制模块可替代车站信号控制系统执行表示部分的继电器组合,并实现对信号现场设备的控制、监督、检测的一体化。整个模块技术先进、设备紧凑,占地少、能耗低。因此,本课题研究具有重要意义。
参考文献
[l]赵志熙等编著.计算机联锁系统技术[M].北京:中国铁道出版社,2003.93:203.
[2]卜长堑,赵志熙,高继祥.我国铁路计算机联锁发展的启示与展望[J].中国铁路,2006,3:36-37.