全电子信号联锁系统的应用

作者：***

来源：《电脑知识与技术》2015年第21期

        摘要：作为铁路信号联锁系统的最新形式，全电子计算机联锁系统以其简洁的系统结构、高效的处理速度、便捷的操作维护和低廉的建设投入在国内外大型企业铁路中越来越广泛的得以应用。本文选取国外某企业铁路站为例，从系统原理、安装调试和运行保障等方面进行阐述。

        关键词：铁路信号；全电子；联锁

        中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）21-0167-03

        1 概述

        1.1联锁系统的发展

        自从1825年英国建立了第一条铁路以来，铁路运行控制系统经过了近两百年的发展，经历了最初的人工信号、20世纪中期的继电器联锁系统到如今广泛应用的计算机联锁系统，系统功能越发强大，运输效率显著提高。

        2000年以来，随着大规模集成电路的设计、制造能力的提升以及大容量触点微型继电器的广泛应用，一种全新模式的联锁系统走上了历史的舞台，这就是全电子信号联锁系统。

        因中国原铁道部采用许可经营制度，全电子信号联锁迟迟未能进入国铁车站使用，其主要面向对象为冶金、矿山领域的企业铁路车站、地方铁路货运专用线以及国外铁路项目。据不完全统计，截止2014年12月，全国已有超过300个铁路车站已经装备了全电子信号联锁系统。

        1.2举例站场概述

        本举例站场为国外某大型企业新建的特大型钢厂配套厂内铁路运输站，全站分为两个车场，全站铁路线路总长5公里，包含组道岔、154架调车信号机和138个50HZ轨道电路区段以及若干道口设备，项目建设周期2年，其中信号系统建设周期6个月。本文仅举例其一个站场，平面图如下：

        1.3联锁系统主要功能

        铁路信号联锁系统是通过采集铁路站场中轨道电路占用出清状态、控制铁路站场中道岔转动、信号机开放和关闭，进而实现对站场中列车运行进行指挥的控制系统，其只主要功能如下：

        1） 联锁控制功能：进路控制；信号开放、关闭；道岔单独操作、锁闭、解锁。

        2）显示功能：

        站场基本图形显示；现场信号设备状态显示；值班员按压按钮动作的确认显示；联锁系统工作状态、故障报警显示；时钟显示、汉字提示等。

        3）记录存储和故障检测与诊断功能：

        系统可按时间顺序自动记录和存储值班员按钮操作情况、现场设备动作情况和行车作业情况；提供图像再现功能；实现进路存储和自动办理；具有集中检测和报警功能。

        2 技术方案

        2.1系统设计

        根据项目前期调研结果，本项目有如下几个特点：

        时值经济新常态，业主力求投资收益比最佳；

        新建信号楼空间局限，为此系统预留的机械室面积仅有50平方米；

        本项目建立在某第三世界国家，考虑到承担维护工作的本地员工学历技能有限；

        项目所在地滨海，空气内盐水含量比较高，对设备元器件的耐腐蚀性要求严苛。

        为解决以上问题，某设计院为企业业主力荐全电子信号联锁系统，经过数次考察和论证得以应用。

        应用于本举例站的全电子信号联锁系统结构如下：

        由图中可以看出，本系统采用四层结构，每层实现不同的功能，分别为人机会话层、联锁层、接口层和室外设备层。

        2.2系统详述

        1）人机会话层

        人机会话层的设备设于车站值班室，用于提供人机会话界面。

        控显机负责为车站值班员使用，值班员操作控显机界面上的按钮/菜单，控显机将其操作意图转化为程序命令发给联锁机，并将联锁层反馈的反映站场设备实时状态的信息转化为图形图像显示给值班员。

        电务维修机是维护人员用于系统维护和信号设备监测。通过通信总线获得联锁主机提供的站场设备实时状态信息和系统诊断报警信息，将之实时图形化显示并储存在数据库中，方便电务维护人员随时查询、显示和打印，并具备一定时间段内（一般三个月）站场设备动作回放功能。

        2） 联锁运算层

        联锁运算层是计算机联锁系统的核心，主要功能是进行联锁数据运算。

        联锁机是联锁运算层的关键设备。系统中联锁机为二乘二取二结构，联锁机接受通过以冗余太网总线接收控显机下发的站场设备控制命令；通过双路CAN总线接收通信机传来的模块采集到的室外信号设备状态，从而进行联锁数据运算；通过双路CAN总线发送驱动命令至通信机以至功能模块，驱动室外信号设备完成既定操作，同时向控显机上传站场设备的实时状态信息。

        以两个高性能微处理器构成二取二的双计算通道，双通道间的数据通过通信实现任务级同步，能够实现故障自动切换；为提高整个系统的可靠性，另一系为热备冗余联锁机，两系之间同步工作。

        3） 接口层

        接口层指联锁层与各个现场设备之间的通信机和各种模块。全电子信号联锁系统中的模块主要分为：道岔模块、信号模块、轨道电路模块、零散模块等。接口层的通信机负责联锁主机和各种模块之间的通信，通信方式为冗余CAN总线通信；接口层的各种模块接收联锁层下发的设备控制指令，转化为驱动相应室外设备动作的指令并执行，还负责实时收集室外设备的工作状态，并上传给联锁主机。接口层使室内设备和室外设备沟通的通道，其输入输出必须实现电气隔离和光电隔离，均遵守故障-安全原则。

        4）室外设备层

        室外设备层是指计算机联锁系统控制的用以指挥机车运行/停止/转向的铁路信号控制/监测设备，有指挥车列运行/停止的色灯信号灯，驱动道岔转动二改变列车运行方向的转辙机，监测铁路站场区域内各轨道区段占用（故障）/空闲状态的轨道电路等。

        2.3系统特点

        1） 二乘二取二结构

        为提高系统输出安全性，系统全面采用二取二设计思想，对系统中每个模块的硬件单板均以两颗微处理器为核心构成两个同步运算通道，运算通道之间同步运算，实时比较，构成二取二结构。两系输出结果比较一致则正常输出，不一致则认为模块故障并切断输出，并上传故障信息；

        为提高系统运行可靠性，对要求较高的联锁机和通信机在二取二基础上，双系热备冗余，这样就构成了核心设备的二乘二取二结构；

        同时，系统中用于安全通信的网络设备全部为冗余设计，保证系统通信的高效运作。

        3） 全电子化接口电路设计

        本系统抛弃中国铁路传统使用的AX型安全继电器，采用大规模集成电路和高性能运算芯片处理器结合极少量微型大容量触点继电器，实现了系统的小型化、标准化和全电子模块化。

        系统以EN5012X标准为研发指导，针对道岔、信号机、轨道电路和其他结合电路设备的控制、监测原理设计了专用的接口模块，接口模块满足故障-安全的原则，并具有故障指示和热插拔功能，在发生故障时可以迅速的替换修复。

        2） 满足国内铁路站场集中联锁的所有功能；

        联锁系统必须根据联锁技术条件的要求对进路、信号和道岔实行控制，以及具备有效的误操作防护能力。

        系统具备CTC的升级应用能力，可以实现数个车站联锁信号设备集中控制的功能。

        系统具备完善的企业铁路微机监测功能，针对企业铁路运营特点，定制监测计划和监测目标，为企业铁路信号系统维护提供数据记录和技术支撑。

        4）强大的接口扩展能力：

        系统具备完整的对外接口体系，可通过串口、以太网、光纤等主流接口实现对外信号协议传输。

        系统可与企业ERP网、国铁电务检测系统、CTC系统、物流信息系统、机车运行监控系统等各类系统实现互联互通，高效融入现代工业企业物流网络体系。

        2.4系统安全性指标

        1）安全性：系统倒向危险侧的概率HR≤10-9/h。

        2）可靠性：平均无故障时间MTBF≥106h；

        3）可维修性：平均修复时间MTTR≤15min；

        4）可用性：A≥99.99%

        2.5与传统计算机联锁系统比较

        3 系统安装调试

        由于系统结构简单，技术成熟，所以整套系统从现场到货到开通运行仅用时15天，现场安装调试计划如下图：

        由图中可看出，整个安装调试工作的中心在于接配线工作和室内外联调，这也是保障系统正常运行的关键。

        为保障整个系统的接配线准确无误，系统采用了标准的电缆通用插头从根本上解决了传统联锁系统现场接配线工作量大、人工容易失误等问题，在出厂时就完成了所有通用插头的配线制作和检验，现场只需按图纸插好即可，简单方便。

        室内外联调工作是确保联锁系统和室外设备间配合正确与否的关键，此部分工作由专业铁路信号工程师配合完成，针对信号机灯光显示、道岔操作与位置核对、轨道电路受电端分路电压调整逐个进行试验排查，形成最终的设备定反位标记。

        4 系统运行保障

        与传统计算机联锁系统不同，因为采用了先进的故障诊断和热插拔技术，全电子信号联锁系统的维护工作十分简单。

        系统的维护分为日常维护和故障维护。

        4.1日常维护工作

        因为整个系统的设计采用了全电子模块化的设计理念，所有模块均为免维护式设计，只要安装设备的机械室满足恒温恒湿防尘的一般要求，绝大部分的时间系统将实现“免维护”的目标。

        日常维护仅需对外购的电源系统进行定期充放电保养以及全系统的日常巡视即可。

        4.2故障维护工作

        当系统发生故障时，系统的自诊断功能就会启动，迅速自行判断故障发生的位置并作出处理并在人机交互界面及电务维修机界面上进行提示。

        系统的联锁核心和通信设备都是热备模式，如果系统判断出故障出现在此类设备上，就会自动将故障设备切除（重启），同时将备用设备及时启用，不会影响系统正常工作。如果故障出现在非热备模式的设备（比如模块），那么系统会停止此设备的输出工作，并点亮模块故障灯，并在电务维修机界面上进行提示，人机交互界面上与此相关设备也会出现故障状态，维护人员根据上述提示直接使用备件热插拔替换掉故障设备即可完成故障修复。

        5 结语

        举例站场通过使用全电子信号联锁系统，基本实现了其在有限建设成本、短建设工期和维护力量不足的情况下实现对全厂铁路的高效控制的目标，收到了比较好的效果。

        近些年，通过数百个类似举例站的实际案例，全电子信号联锁系统通实际上已经证明了其具备相当成熟可靠的铁路信号联锁控制能力，未来应用前景十分光明。

        参考文献：

        [1] 徐洪泽，岳强.车站信号计算机联锁控制系统-原理及应用[M].北京：中国铁道出版社， 2006.

        [2] 赵志熙.车站信号控制系统[M].北京：中国铁道出版社，2005.

        [3] 赵志熙.计算机联锁系统技术[M].北京：中国铁道出版社，2004.

        [4] 郑丽英.车站电气集中计算机联锁控制系统研究与开发[J].自动化与仪器仪表，2005，117（1）：50-53.

        [5] 傅世善. 计算机联锁进一步发展的探索[J].铁路通信信号工程技术，2006（4）.