基于可編程序控制器的CHEC K 方式閉塞子系統(tǒng)

摘　要　針對(duì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的特點(diǎn),研制了CHECK 方式的列車運(yùn)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(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞　列車自動(dòng)控制系統(tǒng),信號(hào)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(hào)技術(shù)基本以引進(jìn)國外先進(jìn)的列車自動(dòng)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(hào)技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我國城市軌道交通的特點(diǎn)和需要自行研究開發(fā)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備,是我國城市軌道交通信號(hào)技術(shù)發(fā)展的方向,也是降低造價(jià)、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(yùn)行控制系統(tǒng)[ 1 ] 。CHECK 方式的列車運(yùn)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(jì)算機(jī),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)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(shí)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(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息,以此來判斷列車到達(dá)和出清;利用射頻通信器輸出的列車進(jìn)、出站信息以及前后站占用情況實(shí)現(xiàn)區(qū)間閉塞;利用CAN 總線以及高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)實(shí)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(yùn)行控制系統(tǒng)原理框圖
當(dāng)甲站通信器收到列車1 的尾標(biāo)簽(Out) 信息時(shí),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(shí)向下一站發(fā)送列車出清信息,甲站信號(hào)機(jī)(SF) 自動(dòng)關(guān)閉,區(qū)間閉塞。乙站的通信器B 檢測到列車1 的頭標(biāo)簽后,將收到的列車信息進(jìn)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(dá)。當(dāng)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(dāng)乙站通信器收到列車1 尾標(biāo)簽的Out 信息再結(jié)合In 信息,區(qū)間可以復(fù)原。各站檢知的列車In 、Out 信息都實(shí)時(shí)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(shí)轉(zhuǎn)發(fā)來的信息) 進(jìn)行相應(yīng)的比較運(yùn)算,控制相應(yīng)的In 、Out 電路動(dòng)作。中央主機(jī)通過CAN 總線輪檢各站通信器,當(dāng)通信器發(fā)現(xiàn)主機(jī)輪檢到自己時(shí),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(shí)的報(bào)告,并請(qǐng)求控制主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)信息給前方通信器。中央主機(jī)根據(jù)各通信器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)督列車的運(yùn)行,同時(shí)將車次號(hào)發(fā)給各站控制車次號(hào)顯示的模塊,并下發(fā)到各站自動(dòng)廣播系統(tǒng),使其廣播相應(yīng)的內(nèi)容。這種控制列車運(yùn)行的系統(tǒng)稱為基于CHECK 方式的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。
2 　基于PLC 閉塞系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)
2. 1 　閉塞系統(tǒng)原理
為確保列車安全運(yùn)行,一個(gè)區(qū)間只允許一列車運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(duì)應(yīng)站射頻通信器) 檢測到列車的尾標(biāo)簽(Out) 后發(fā)出列車出發(fā)信息(Out 信息),使區(qū)間閉塞,此時(shí)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(dá)接車站(此時(shí)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(dá)信息。當(dāng)接車站檢測到列車的尾標(biāo)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(fù)原按鈕向發(fā)車站發(fā)送復(fù)原信息表明區(qū)間可以復(fù)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(dāng)復(fù)雜的。一個(gè)部件的動(dòng)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(shí),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(biāo)簽信息的接收端口;接收列車到達(dá)下一站的通知信息的接口;接收區(qū)間復(fù)原信息的端口;接收取消復(fù)原時(shí)現(xiàn)場信息的端口;接收辦理取消復(fù)原時(shí)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(gè)端口;控制出站信號(hào)的端口;發(fā)送列車出發(fā)脈沖的端口。因此,發(fā)車站對(duì)外的接口共有11 個(gè),在PLC 的編程中分別對(duì)其進(jìn)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(shí)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(fù)原時(shí)復(fù)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(gè)端口;列車到達(dá)時(shí)發(fā)送脈沖的端口;復(fù)原時(shí)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(gè)站內(nèi)的閉塞系統(tǒng)同時(shí)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(duì)外接口的輸入點(diǎn)數(shù)為11 , 輸出點(diǎn)數(shù)為10 。因此,選用輸入點(diǎn)數(shù)為18 , 輸出點(diǎn)數(shù)為12 , 型號(hào)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(jì)與實(shí)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(kuò)展性。其總體框架如圖2 , 實(shí)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(shí)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(duì)部件邏輯關(guān)系的需要設(shè)置內(nèi)部標(biāo)志。對(duì)于具有緩放功能的繼電器,通過設(shè)立特殊內(nèi)部標(biāo)志并使用時(shí)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(shí)間,又可以靈活方便地改變延緩轉(zhuǎn)換的時(shí)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(shí)的狀態(tài)延緩轉(zhuǎn)換為例) 。其中:A DELA YKT 具有在滿足使該標(biāo)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(biāo)志;A BSFLA G 用于表示區(qū)間的閉塞情況,當(dāng)區(qū)間閉塞時(shí)該標(biāo)志位為假,區(qū)間開放時(shí)為真。
當(dāng)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(shí)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(dòng)定時(shí)器,否則進(jìn)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(jìn)一步判斷車站值班員是否按壓取消復(fù)原按鈕(其標(biāo)志位為A CANCELBSB TN) ; 若沒有按壓(A CAN2 CELBSB TN 為假),則也需要啟動(dòng)定時(shí)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(biāo)程序,并在測試中不斷加以調(diào)整,以求達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖4 　A DELA YKT 為假時(shí)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(yùn)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(yùn)行。任何一個(gè)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(dòng)控制設(shè)備,在設(shè)計(jì)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(qiáng)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(hào),并停止用戶程序的執(zhí)行,等待修復(fù)。
其次,PLC 的輸入、輸出都采用了光電隔離, 在工藝上也加強(qiáng)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(jī)冗余的高檔PLC(高檔PLC 加入了更多的安全控制技術(shù)),來進(jìn)一步加強(qiáng)PLC 工作的可靠性。從實(shí)踐來看,用可編程序控制器實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制工程穩(wěn)定可靠。
最后,在基于PLC 閉塞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,吸取了原有系統(tǒng)在安全性方面的成功經(jīng)驗(yàn),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(dāng)PLC 在軟件或硬件上出現(xiàn)故障時(shí)(此時(shí)PLC 輸出全部為OFF) ,都能實(shí)現(xiàn)故障導(dǎo)向安全,進(jìn)一步加強(qiáng)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(shí)際運(yùn)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(yùn)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(dòng)控制系統(tǒng),從而為列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化開辟一種新的思路。

參　考　文　獻(xiàn)
1 　鐘建娟,徐金祥. CHECK 方式列車運(yùn)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(jì)與實(shí)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(hào)技術(shù). 成都:西南交通大學(xué)出版社,1998. 406～441
4 　趙志熙. 車站信號(hào)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