（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通綜合實(shí)訓(xùn)中心,210031,南京∥第一作者,碩士）

NTY-I型計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

曹峰束元洪冠

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通綜合實(shí)訓(xùn)中心,210031,南京∥第一作者,碩士）

由于計算機(jī)聯(lián)鎖的核心技術(shù)一直被國外供應(yīng)商壟斷,為了適應(yīng)我國高速鐵路和城市軌道交通的發(fā)展需要,本單位自行研制了一套以PLC（可編程邏輯控制器）為核心的NTY-I型計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。介紹了 NTY-I型計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn),包括系統(tǒng)組成、硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)三部分。在軟件結(jié)構(gòu)部分分別介紹了上位機(jī)軟件設(shè)計和聯(lián)鎖主機(jī)軟件的設(shè)計。

信號設(shè)備;計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng);可編程邏輯控制器

First-author’saddress Rail Transit Comprehensive Training Center Nanjing Institute of Railway Technology, 210031,Nanjing,China

聯(lián)鎖是保證車站內(nèi)列車和調(diào)車作業(yè)安全、提高車站通過能力的一種信號設(shè)備。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,具備運(yùn)作速度快、信息量大、安全性高、便于調(diào)試和維修等優(yōu)點(diǎn)的計算機(jī)聯(lián)鎖已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的繼電器聯(lián)鎖,成為高速鐵路、客運(yùn)專線和城市軌道交通車站聯(lián)鎖設(shè)備的首選。目前計算機(jī)聯(lián)鎖的核心技術(shù)幾乎被國外研究機(jī)構(gòu)和供貨商所掌控,所以迫切需要國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在消化吸收國外先進(jìn)聯(lián)鎖技術(shù)的基礎(chǔ)上研制出具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。本單位在上述背景下展開研究,自行設(shè)計開發(fā)了一套NTY-I型計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機(jī)作為上位機(jī),采用西門子公司的可編程邏輯控制器（PLC）S7-300作為聯(lián)鎖主機(jī),實(shí)現(xiàn)對車站信號設(shè)備的實(shí)時控制。

1 系統(tǒng)組成

NTY-I型計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)模型：第一層為人機(jī)會話層,即上位機(jī),采用高可靠性的工業(yè)控制計算機(jī);第二層為聯(lián)鎖控制層,采用西門子公司的PLC S7-300進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)對車站信號設(shè)備的實(shí)時控制;第三層為執(zhí)行層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（1）人機(jī)會話層是車站調(diào)度員與計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的接口,實(shí)現(xiàn)調(diào)度員與聯(lián)鎖系統(tǒng)之間的人機(jī)交互功能。上位機(jī)接受操作命令,實(shí)時下發(fā)給聯(lián)鎖主機(jī),并實(shí)時接受來自聯(lián)鎖主機(jī)發(fā)出的室外信號設(shè)備狀態(tài)信息,通過顯示器顯示站場信息以及相關(guān)報警提示。

（2）聯(lián)鎖控制層由聯(lián)鎖主機(jī)、驅(qū)動板和采集板組成。聯(lián)鎖主機(jī)接受上位機(jī)的操作命令,通過采集信號設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算,產(chǎn)生正確的輸出命令。驅(qū)動板通過控制繼電器動作執(zhí)行聯(lián)鎖主機(jī)下發(fā)的命令。采集板實(shí)時采集室外信號設(shè)備的狀態(tài)發(fā)送給聯(lián)鎖主機(jī)。

（3）執(zhí)行層由安全繼電器接口電路和室外信號設(shè)備組成,實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)對室外信號設(shè)備操作控制。安全繼電器接口電路根據(jù)聯(lián)鎖主機(jī)下達(dá)的命令驅(qū)動室外信號設(shè)備,如控制信號機(jī)的顯示、道岔的轉(zhuǎn)動等,并實(shí)時地反應(yīng)信號設(shè)備的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件平臺

NTY-I型計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)硬件,主要包括作為上位機(jī)的工業(yè)控制計算機(jī)和作為聯(lián)鎖主機(jī)的可編程邏輯器件兩部分。

（1）本系統(tǒng)上位機(jī)采用研華IPC-610L型工控機(jī)。CPU主頻2.8 G,內(nèi)存1 G,其微處理器支持533/800 MHz系列系統(tǒng)總線,集成 LAN、IDE、I/O接口功能以及看門狗計時器等若干先進(jìn)功能。上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)與聯(lián)鎖主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（2）聯(lián)鎖主機(jī)為雙機(jī)熱備冗余結(jié)構(gòu),主、備系均采用西門子公司的PLCS7-300（見圖2）。每系配備了2個電源模塊,1個 CPU 模塊,7個輸入模塊（32×7點(diǎn)）和7個輸出模塊（32×7點(diǎn)）。對于站型不是特別復(fù)雜的車站來說,這樣的配置已經(jīng)足夠。

圖2 PLC S7-300硬件結(jié)構(gòu)配置圖

3 軟件結(jié)構(gòu)描述

聯(lián)鎖軟件主要由上位機(jī)軟件和PLC軟件兩部分構(gòu)成。上位機(jī)軟件包括人機(jī)接口模塊、通信模塊和信息提示模塊;PLC軟件包括聯(lián)鎖運(yùn)算模塊、通信模塊和聯(lián)鎖驅(qū)采模塊等軟件。整個聯(lián)鎖軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。各個模塊之間相對獨(dú)立,只有數(shù)據(jù)交換,沒有程序上的聯(lián)系,使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰,設(shè)計和編程符合通用性和模塊性原則。

圖3 聯(lián)鎖軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

3.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件設(shè)計采用面向?qū)ο缶幊痰姆椒?編程語言為 C#,開發(fā)工具是基于.NETFramework框架的 Microsoft Visual Studio 2010,底層數(shù)據(jù)庫選用微軟的Access。從結(jié)構(gòu)層次上來分,上位機(jī)軟件可以分為三層（見圖4）：第一層為數(shù)據(jù)庫層,主要負(fù)責(zé)參數(shù)配置和保存歷史數(shù)據(jù),供用戶查看;第二層為應(yīng)用層,負(fù)責(zé)人機(jī)交互,響應(yīng)用戶的操作命令,并實(shí)時處理來自通信層的數(shù)據(jù);第三層為通信層,負(fù)責(zé)將應(yīng)用層的操作命令發(fā)送給聯(lián)鎖主機(jī),并接受來自聯(lián)鎖主機(jī)的數(shù)據(jù),反饋給應(yīng)用層。

圖4 上位機(jī)軟件的分層結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 數(shù)據(jù)庫層

數(shù)據(jù)庫層具備處理信息能力強(qiáng)和存儲容量大的優(yōu)點(diǎn),有利于聯(lián)鎖系統(tǒng)維護(hù)和自動化管理,用于記錄從聯(lián)鎖主機(jī)發(fā)送的實(shí)時站場信息和已執(zhí)行的操作命令信息。在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建兩個表,分別按時間順利存儲。數(shù)據(jù)庫層同時支持?jǐn)?shù)據(jù)回放,還原歷史設(shè)備狀態(tài)和操作命令,便于查找故障和分析問題。

3.1.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能,采用C#編程語言對人機(jī)界面進(jìn)行總體設(shè)計,根據(jù)需求創(chuàng)建了信號機(jī)、道岔、軌道區(qū)段等用戶自定義控件。定義了操作命令由3個字節(jié)組成：第一個字節(jié)為命令類型;第二個字節(jié)為進(jìn)路/設(shè)備編號;第三個字節(jié)為操作命令。軟件設(shè)計中加入了自檢模塊,對于非法操作,會在屏幕上給出錯誤操作提示。上位機(jī)會周期性地接受來自聯(lián)鎖主機(jī)的數(shù)據(jù),以便實(shí)時顯示現(xiàn)場信號設(shè)備狀態(tài)。軟件設(shè)計周期為100 ms。對于設(shè)備故障,屏幕會報警提示,以便維護(hù)人員及時處理。用戶界面如圖5所示。

圖5 用戶界面圖

3.1.3 通信層

通信層實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和聯(lián)鎖主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。為確保通信的實(shí)時性和高可靠性,其軟件采用基于工業(yè) 以 太 網(wǎng) 的 UDP/IP 機(jī) 制 進(jìn) 行 通 信,利 用send UdpClient.Send（）函數(shù)發(fā)送 操 作 命 令,利用receiveUdp Client.Receive（）函數(shù)接受信號設(shè)備狀態(tài)信息。上位機(jī)不間斷循環(huán)接受數(shù)據(jù),每次接受的數(shù)據(jù)會與前一次進(jìn)行比較。如果相同,則不處理。通信過程中設(shè)置定時器,若上位機(jī)超過5 s接受信息為空,則認(rèn)為通信故障,并在屏幕給出報警提示。

3.2 PLC軟件

聯(lián)鎖主機(jī)軟件是計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心,它的主要功能是實(shí)現(xiàn)了信號機(jī)、進(jìn)路和道岔的相互制約關(guān)系。軟件的設(shè)計需以鐵道部《計算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件》為依據(jù),并能完成6502電氣集中的所有聯(lián)鎖關(guān)系。PLC軟件設(shè)計采用西門子公司S7-300的模塊化編程語言STEP7作為開發(fā)工具,編程采用梯形圖法。由于聯(lián)鎖系統(tǒng)對安全要求極其苛刻,為了保證軟件結(jié)構(gòu)清晰、邏輯正確,PLC聯(lián)鎖軟件設(shè)計開發(fā)應(yīng)遵循功能需求分析、設(shè)計、編碼、測試的步驟（如圖6所示）。

3.2.1 模塊化設(shè)計

圖6 PLC軟件開發(fā)流程圖

為了便于開發(fā)調(diào)試和功能增減,PLC軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。每一個模塊對應(yīng)著一個運(yùn)算功能。PLC軟件包含以下功能模塊：命令接受處理模塊、設(shè)備狀態(tài)處理模塊,選路檢查模塊,照查模塊,選路執(zhí)行模塊,開放/關(guān)閉信號模塊,取消進(jìn)路模塊,道岔單獨(dú)操作模塊,人工解鎖模塊,故障解鎖模塊和區(qū)段解鎖模塊等。在上位機(jī)沒有下達(dá)操作命令時,軟件循環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)度程序,當(dāng)發(fā)出命令,命令接受處理模塊接受命令并分析,轉(zhuǎn)向相應(yīng)的軟件模塊進(jìn)行運(yùn)算。另外,系統(tǒng)每隔500 ms發(fā)出一次中斷請求,CPU 相應(yīng)中斷轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序,執(zhí)行計時和輸出脈沖,以完成轉(zhuǎn)換道岔和開放信號等功能。

3.2.2 安全性設(shè)計

為確保系統(tǒng)的安全型,PLC軟件采用冗余結(jié)構(gòu)：PLC配置兩套功能相同但結(jié)構(gòu)不同的程序,同時執(zhí)行相同的命令,一旦系統(tǒng)發(fā)生故障,命令不會被執(zhí)行,確保了系統(tǒng)的安全性。

設(shè)備狀態(tài)信息是聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算的重要參數(shù)。為確保設(shè)備狀態(tài)正確無誤,采用冗余編碼,對于每一個設(shè)備狀態(tài)均采用兩位二進(jìn)制碼表示。例如01表示軌道區(qū)段空閑,10表示有車占用,00和11均為非法碼。這樣,當(dāng)存儲單元發(fā)生故障時,能有效地確保故障導(dǎo)向安全。

PLC軟件采用冗余結(jié)構(gòu)和信息冗余編碼的工作方式,充分體現(xiàn)了鐵路信號“故障-安全”的設(shè)計原則,系統(tǒng)的安全性得到充分保障。

4 結(jié)語

NTY-I型計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在硬件上對安全關(guān)鍵部分和安全相關(guān)部分均采用了冗余結(jié)構(gòu),在軟件上采用容錯機(jī)制,具有較高的安全性、可靠性、可用性和可維護(hù)性。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成。

［1］ 趙志熙.計算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社,2008.

［2］ 高繼祥.鐵路信號運(yùn)營基礎(chǔ)［M］.北京：中國鐵道出版社,2008.

［3］ EN 50126 Railway Application：The Specification and Demonstration of RAMS［S］.1999.

［4］ SIEMENS公司.SIEMENSPLC系列參考手冊［G］.

［5］ TB/T 3027—2002.計算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件［S］.

［6］ 林瑜筠.城市軌道交通信號［M］.北京：中國鐵道出版社,2011.

［7］ 高繼祥,鄭俊杰.雙機(jī)熱備計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性與安全性指標(biāo)分析［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報,1998（5）：71.

［8］ 于拓華,趙林海,于建宇.計算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)的研究［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報,1998（5）：85.

［9］ 穆中華,李麗蘭.客運(yùn)專線計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的開發(fā)［J］.城市軌道交通研究,2012（1）：75.

Design and Implementation of NTY-I Computer Interlocking System

Cao Feng,Shu Yuan,Hong Guan

The core technology of computer interlocking system has been monopolized by foreign suppliers.To meet the requirements of high-speed railway and urban rail transit development in China,a PLCbased NTY-I computer interlocking system is developed.The design and implementation of NTY-I computer interlocking system is introduced in general,including system composition,hardware structure and software structure,then the design of upper machine and interlock host software is introduced specially from the aspect of software structure.

signal facility;computer interlocking system; programmable logic controller（PLC）

2013-08-22）

U 284.3