基于可編程序控制器的CHEC K 方式閉塞子系統(tǒng)

摘　要　針對城市軌道交通信號系統(tǒng)的特點,研制了CHECK 方式的列車運行控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括CHECK 方式調(diào)度監(jiān)督子系統(tǒng)、CHECK 方式閉塞子系統(tǒng)和CHECK 方式聯(lián)鎖系統(tǒng)。提出了一種基于可編程序控制器(PLC) 的CHECK 方式閉塞子系統(tǒng),并就其安全性、可靠性進行了論述。
關(guān)鍵詞　列車自動控制系統(tǒng),信號系統(tǒng),區(qū)間閉塞,可編程序控制器,CHECK 方式
長期以來,我國城市軌道交通信號技術(shù)基本以引進國外先進的列車自動控制系統(tǒng)為主,尚未形成完整的國產(chǎn)系統(tǒng)。利用國外城市軌道交通信號技術(shù)的成功經(jīng)驗,結(jié)合我國城市軌道交通的特點和需要自行研究開發(fā)信號系統(tǒng)設(shè)備,是我國城市軌道交通信號技術(shù)發(fā)展的方向,也是降低造價、發(fā)展城市軌道交通的有效方式。
由此,我們提出了一種基于CHECK 方式的列車運行控制系統(tǒng)[ 1 ] 。CHECK 方式的列車運行控制系統(tǒng)包括:以無線通信技術(shù)替代傳統(tǒng)的軌道電路來檢測列車;基于可編程控制器(PLC) 的閉塞系統(tǒng)完成區(qū)間的閉塞;應(yīng)用高性能的工業(yè)計算機,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)全線的調(diào)度監(jiān)督。本文主要研究基于PLC 的CHECK 方式閉塞系統(tǒng), 并采用OM2 RON 公司CPM2A 系列的PLC 來實現(xiàn)。
1 　CHEC K 方式列車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理
　　CHECK 方式列車控制系統(tǒng)利用射頻通信器讀取列車頭部和尾部安裝的非接觸式智能標簽中的數(shù)據(jù)信息,以此來判斷列車到達和出清;利用射頻通信器輸出的列車進、出站信息以及前后站占用情況實現(xiàn)區(qū)間閉塞;利用CAN 總線以及高性能工業(yè)計算機實現(xiàn)全線調(diào)度監(jiān)督。圖1 為系統(tǒng)原理圖[1 ] 。

圖1 　基于Check 方式的列車運行控制系統(tǒng)原理框圖
當甲站通信器收到列車1 的尾標簽(Out) 信息時,表明列車已駛離甲站,Out 信息結(jié)合本站的In 信息,符合邏輯條件時向下一站發(fā)送列車出清信息,甲站信號機(SF) 自動關(guān)閉,區(qū)間閉塞。乙站的通信器B 檢測到列車1 的頭標簽后,將收到的列車信息進行相應(yīng)的處理,以判斷是否已符合邏輯條件(即本站收到的In 信息與上一站傳送來的In 信息相比較,相同則條件滿足),滿足條件表明列車完整到達。當列車出發(fā)收到Out 信息后向下一站發(fā)送本站的In 信息,如果列車1 的尾部駛離了乙站,當乙站通信器收到列車1 尾標簽的Out 信息再結(jié)合In 信息,區(qū)間可以復原。各站檢知的列車In 、Out 信息都實時地通過通信器之間的通道傳送到下一站的通信器;前方通信器利用后方傳送來的信息(或從中心巡檢時轉(zhuǎn)發(fā)來的信息) 進行相應(yīng)的比較運算,控制相應(yīng)的In 、Out 電路動作。中央主機通過CAN 總線輪檢各站通信器,當通信器發(fā)現(xiàn)主機輪檢到自己時,就傳送Chec K In 、Check Out 信息, 以及與前方通信器通信出現(xiàn)故障時的報告,并請求控制主機轉(zhuǎn)發(fā)信息給前方通信器。中央主機根據(jù)各通信器采集到的數(shù)據(jù)實時監(jiān)督列車的運行,同時將車次號發(fā)給各站控制車次號顯示的模塊,并下發(fā)到各站自動廣播系統(tǒng),使其廣播相應(yīng)的內(nèi)容。這種控制列車運行的系統(tǒng)稱為基于CHECK 方式的列車運行控制系統(tǒng)。
2 　基于PLC 閉塞系統(tǒng)的分析與設(shè)計
2. 1 　閉塞系統(tǒng)原理
為確保列車安全運行,一個區(qū)間只允許一列車運行,這種按空間間隔控制的行車技術(shù)稱為閉塞。列車一旦被允許進入?yún)^(qū)間(區(qū)間開通),在該列車未出清區(qū)間之前,這一區(qū)間就處于關(guān)閉的狀態(tài)(區(qū)間閉塞),不再允許其它列車進入。列車占有區(qū)間,必須給予一定的行車憑證。區(qū)間行車安全就是借這種行車憑證的取得、傳遞與收回來保證的。
以圖1 為例,發(fā)車站(甲站) 車站值班員按壓發(fā)車按鈕,現(xiàn)場的列車出發(fā)檢知部件(對應(yīng)站射頻通信器) 檢測到列車的尾標簽(Out) 后發(fā)出列車出發(fā)信息(Out 信息),使區(qū)間閉塞,此時系統(tǒng)向接車站發(fā)出通知出發(fā)信息;接車站(乙站) 收到通知出發(fā)信息,在列車到達接車站(此時現(xiàn)場的列車接車檢知部件收到In 信息) 后向發(fā)車站發(fā)送列車到達信息。當接車站檢測到列車的尾標簽(Out) 信息后(即列車從原來的接車站出發(fā)),接車站的車站值班員可以按壓復原按鈕向發(fā)車站發(fā)送復原信息表明區(qū)間可以復原。如此就完成了一次區(qū)間的閉塞-還原。
2. 2 　系統(tǒng)接口分析
從閉塞系統(tǒng)原理可知,系統(tǒng)各部件之間的邏輯關(guān)系是相當復雜的。一個部件的動作條件,既有賴于本站其它部件的狀態(tài),還有賴于上一站和下一站傳送來的信息以及現(xiàn)場信息。在構(gòu)建基于PLC 的閉塞系統(tǒng)時,需從接收和發(fā)送兩種接口加以分析。
在發(fā)車站,接收端口有:接收發(fā)車按鈕信息的端口;列車尾標簽信息的接收端口;接收列車到達下一站的通知信息的接口;接收區(qū)間復原信息的端口;接收取消復原時現(xiàn)場信息的端口;接收辦理取消復原時閉塞按鈕信息的端口。發(fā)送端口有:控制發(fā)車表示燈紅、黃、綠燈的三個端口;控制出站信號的端口;發(fā)送列車出發(fā)脈沖的端口。因此,發(fā)車站對外的接口共有11 個,在PLC 的編程中分別對其進行定義,以“A”打頭,表明該端口屬于發(fā)車站。
在接車站,接收端口有:接收列車從上一站出發(fā)時發(fā)送的出發(fā)正脈沖的端口;接收In 信息的端口;接收正常復原時復原按鈕信息的端口;接收事故按鈕信息的端口。發(fā)送端口有:控制電鈴的端口;控制接車表示燈紅、黃燈的兩個端口;列車到達時發(fā)送脈沖的端口;復原時發(fā)送脈沖的端口。在PLC 中分別加以定義,以“B”打頭,表明該端口屬于接車站。
一個站內(nèi)的閉塞系統(tǒng)同時具有發(fā)車和接車的功能,因此將PLC 分成發(fā)車模塊和接車模塊。由上分析,對外接口的輸入點數(shù)為11 , 輸出點數(shù)為10 。因此,選用輸入點數(shù)為18 , 輸出點數(shù)為12 , 型號為CPM2A -30CDT 系列的PLC 就可以完成所需的功能。
2. 3 　系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
本系統(tǒng)采用新設(shè)備、新技術(shù),主要完成區(qū)間閉塞功能,并具有良好的可擴展性。其總體框架如圖2 , 實現(xiàn)框架如圖3 。

圖2 　CHECK 方式中基于PLC 的閉塞

圖3 　基于PLC 閉塞系統(tǒng)的實現(xiàn)框架
根據(jù)閉塞系統(tǒng)原理和系統(tǒng)接口分析,可抽象出閉塞系統(tǒng)的邏輯關(guān)系。在PLC 中針對部件邏輯關(guān)系的需要設(shè)置內(nèi)部標志。對于具有緩放功能的繼電器,通過設(shè)立特殊內(nèi)部標志并使用時鐘來控制其狀態(tài)的延緩轉(zhuǎn)換。這樣做,可以精確地確定延緩狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時間,又可以靈活方便地改變延緩轉(zhuǎn)換的時間,以滿足不同線路中狀態(tài)延緩改變的要求。其流程圖如圖4(以A DELA YKT 為假時的狀態(tài)延緩轉(zhuǎn)換為例) 。其中:A DELA YKT 具有在滿足使該標志由真轉(zhuǎn)為假的情況下延遲狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能的特殊內(nèi)部標志;A BSFLA G 用于表示區(qū)間的閉塞情況,當區(qū)間閉塞時該標志位為假,區(qū)間開放時為真。
當車站值班員按壓發(fā)車按鈕(A SETHANDL E 為真) ,A DELA YKT 轉(zhuǎn)換為真,這時先判斷區(qū)間是否處于閉塞狀態(tài)。如果區(qū)間開放則啟動定時器,否則進一步判斷發(fā)車按鈕是否松開(A SETHANDL E 為假) 。若已松開,則再進一步判斷車站值班員是否按壓取消復原按鈕(其標志位為A CANCELBSB TN) ; 若沒有按壓(A CAN2 CELBSB TN 為假),則也需要啟動定時器。
根據(jù)抽象出的邏輯關(guān)系及制定的一系列規(guī)則, 利用PLC 的編程工具便可編制出目標程序,并在測試中不斷加以調(diào)整,以求達到最佳狀態(tài)。

圖4 　A DELA YKT 為假時狀態(tài)延緩轉(zhuǎn)換流程圖
3 　系統(tǒng)可靠性、安全性分析
在CHECK 方式列車運行控制系統(tǒng)中,由基于PLC 的閉塞系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)共同確保列車的安全運行。任何一個系統(tǒng)的不安全因素都有可能危及到列車的行車安全。基于PLC 的閉塞系統(tǒng)充分考慮了系統(tǒng)安全性、可靠性的要求。
首先,可編程序控制器是專門用于工程現(xiàn)場的自動控制設(shè)備,在設(shè)計和制造過程中采取了抗干擾措施,穩(wěn)定性和可靠性較高。如PLC 具有很強的自診斷功能,保證在“硬核”(如CPU 、RAM 、I/ O 總線等) 都正常的情況下才執(zhí)行用戶的控制程序。一旦CPU 、RAM 或I/ O 總線出現(xiàn)故障則立即給出信號,并停止用戶程序的執(zhí)行,等待修復。
其次,PLC 的輸入、輸出都采用了光電隔離, 在工藝上也加強了抗干擾措施,抗干擾性能好。
再次,在成本允許的情況下,可以采用具有雙機冗余的高檔PLC(高檔PLC 加入了更多的安全控制技術(shù)),來進一步加強PLC 工作的可靠性。從實踐來看,用可編程序控制器實現(xiàn)的自動控制工程穩(wěn)定可靠。
最后,在基于PLC 閉塞系統(tǒng)的設(shè)計中,吸取了原有系統(tǒng)在安全性方面的成功經(jīng)驗,在執(zhí)行部件上采用安全性繼電器輔助PLC 控制的方式。如此當PLC 在軟件或硬件上出現(xiàn)故障時(此時PLC 輸出全部為OFF) ,都能實現(xiàn)故障導向安全,進一步加強了基于PLC 閉塞系統(tǒng)的安全性可靠性。
4 　結(jié)語
上述介紹的一種構(gòu)建于CHECK 方式基礎(chǔ)上基于PLC 的閉塞子系統(tǒng),結(jié)合已投入實際運行中的CHEC K 方 式聯(lián)鎖系統(tǒng)和調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng),共同構(gòu)成了完整的CHECK 方式列車控制運行系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中加入速度信息環(huán)線就可以構(gòu)成完整的CHECK 方式列車自動控制系統(tǒng),從而為列車自動控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化開辟一種新的思路。

參　考　文　獻
1 　鐘建娟,徐金祥. CHECK 方式列車運行控制系統(tǒng). 城市軌道交通研究,2001 ,(1) :26
2 　鄭宇軒,陳永生. CHECK 方式調(diào)度監(jiān)督子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn). 城市軌道交通研究,2001 ,(1) :59
3 　郎宗炎等. 現(xiàn)代鐵路信號技術(shù). 成都:西南交通大學出版社,1998. 406～441
4 　趙志熙. 車站信號控制系統(tǒng). 北京:中國鐵道出版社,1999. 37～142
5 　OMRON CPM2A Programmable controllers operation Mannual. 1999