李帥
摘要:作為鐵路信號聯(lián)鎖系統(tǒng)的最新形式,全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)以其簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、高效的處理速度、便捷的操作維護(hù)和低廉的建設(shè)投入在國內(nèi)外大型企業(yè)鐵路中越來越廣泛的得以應(yīng)用。本文選取國外某企業(yè)鐵路站為例,從系統(tǒng)原理、安裝調(diào)試和運(yùn)行保障等方面進(jìn)行闡述。
關(guān)鍵詞:鐵路信號;全電子;聯(lián)鎖
中圖分類號:TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2015)21-0167-03
1 概述
1.1聯(lián)鎖系統(tǒng)的發(fā)展
自從1825年英國建立了第一條鐵路以來,鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)經(jīng)過了近兩百年的發(fā)展,經(jīng)歷了最初的人工信號、20世紀(jì)中期的繼電器聯(lián)鎖系統(tǒng)到如今廣泛應(yīng)用的計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng),系統(tǒng)功能越發(fā)強(qiáng)大,運(yùn)輸效率顯著提高。
2000年以來,隨著大規(guī)模集成電路的設(shè)計、制造能力的提升以及大容量觸點微型繼電器的廣泛應(yīng)用,一種全新模式的聯(lián)鎖系統(tǒng)走上了歷史的舞臺,這就是全電子信號聯(lián)鎖系統(tǒng)。
因中國原鐵道部采用許可經(jīng)營制度,全電子信號聯(lián)鎖遲遲未能進(jìn)入國鐵車站使用,其主要面向?qū)ο鬄橐苯?、礦山領(lǐng)域的企業(yè)鐵路車站、地方鐵路貨運(yùn)專用線以及國外鐵路項目。據(jù)不完全統(tǒng)計,截止2014年12月,全國已有超過300個鐵路車站已經(jīng)裝備了全電子信號聯(lián)鎖系統(tǒng)。
1.2舉例站場概述
本舉例站場為國外某大型企業(yè)新建的特大型鋼廠配套廠內(nèi)鐵路運(yùn)輸站,全站分為兩個車場,全站鐵路線路總長5公里,包含64組道岔、154架調(diào)車信號機(jī)和138個50HZ軌道電路區(qū)段以及若干道口設(shè)備,項目建設(shè)周期2年,其中信號系統(tǒng)建設(shè)周期6個月。本文僅舉例其一個站場,平面圖如下:
1.3聯(lián)鎖系統(tǒng)主要功能
鐵路信號聯(lián)鎖系統(tǒng)是通過采集鐵路站場中軌道電路占用出清狀態(tài)、控制鐵路站場中道岔轉(zhuǎn)動、信號機(jī)開放和關(guān)閉,進(jìn)而實現(xiàn)對站場中列車運(yùn)行進(jìn)行指揮的控制系統(tǒng),其只主要功能如下:
1) 聯(lián)鎖控制功能:進(jìn)路控制;信號開放、關(guān)閉;道岔單獨操作、鎖閉、解鎖。
2)顯示功能:
站場基本圖形顯示;現(xiàn)場信號設(shè)備狀態(tài)顯示;值班員按壓按鈕動作的確認(rèn)顯示;聯(lián)鎖系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障報警顯示;時鐘顯示、漢字提示等。
3)記錄存儲和故障檢測與診斷功能:
系統(tǒng)可按時間順序自動記錄和存儲值班員按鈕操作情況、現(xiàn)場設(shè)備動作情況和行車作業(yè)情況;提供圖像再現(xiàn)功能;實現(xiàn)進(jìn)路存儲和自動辦理;具有集中檢測和報警功能。
2 技術(shù)方案
2.1系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)項目前期調(diào)研結(jié)果,本項目有如下幾個特點:
時值經(jīng)濟(jì)新常態(tài),業(yè)主力求投資收益比最佳;
新建信號樓空間局限,為此系統(tǒng)預(yù)留的機(jī)械室面積僅有50平方米;
本項目建立在某第三世界國家,考慮到承擔(dān)維護(hù)工作的本地員工學(xué)歷技能有限;
項目所在地濱海,空氣內(nèi)鹽水含量比較高,對設(shè)備元器件的耐腐蝕性要求嚴(yán)苛。
為解決以上問題,某設(shè)計院為企業(yè)業(yè)主力薦全電子信號聯(lián)鎖系統(tǒng),經(jīng)過數(shù)次考察和論證得以應(yīng)用。
應(yīng)用于本舉例站的全電子信號聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下:
由圖中可以看出,本系統(tǒng)采用四層結(jié)構(gòu),每層實現(xiàn)不同的功能,分別為人機(jī)會話層、聯(lián)鎖層、接口層和室外設(shè)備層。
2.2系統(tǒng)詳述
1)人機(jī)會話層
人機(jī)會話層的設(shè)備設(shè)于車站值班室,用于提供人機(jī)會話界面。
控顯機(jī)負(fù)責(zé)為車站值班員使用,值班員操作控顯機(jī)界面上的按鈕/菜單,控顯機(jī)將其操作意圖轉(zhuǎn)化為程序命令發(fā)給聯(lián)鎖機(jī),并將聯(lián)鎖層反饋的反映站場設(shè)備實時狀態(tài)的信息轉(zhuǎn)化為圖形圖像顯示給值班員。
電務(wù)維修機(jī)是維護(hù)人員用于系統(tǒng)維護(hù)和信號設(shè)備監(jiān)測。通過通信總線獲得聯(lián)鎖主機(jī)提供的站場設(shè)備實時狀態(tài)信息和系統(tǒng)診斷報警信息,將之實時圖形化顯示并儲存在數(shù)據(jù)庫中,方便電務(wù)維護(hù)人員隨時查詢、顯示和打印,并具備一定時間段內(nèi)(一般三個月)站場設(shè)備動作回放功能。
2) 聯(lián)鎖運(yùn)算層
聯(lián)鎖運(yùn)算層是計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心,主要功能是進(jìn)行聯(lián)鎖數(shù)據(jù)運(yùn)算。
聯(lián)鎖機(jī)是聯(lián)鎖運(yùn)算層的關(guān)鍵設(shè)備。系統(tǒng)中聯(lián)鎖機(jī)為二乘二取二結(jié)構(gòu),聯(lián)鎖機(jī)接受通過以冗余太網(wǎng)總線接收控顯機(jī)下發(fā)的站場設(shè)備控制命令;通過雙路CAN總線接收通信機(jī)傳來的模塊采集到的室外信號設(shè)備狀態(tài),從而進(jìn)行聯(lián)鎖數(shù)據(jù)運(yùn)算;通過雙路CAN總線發(fā)送驅(qū)動命令至通信機(jī)以至功能模塊,驅(qū)動室外信號設(shè)備完成既定操作,同時向控顯機(jī)上傳站場設(shè)備的實時狀態(tài)信息。
以兩個高性能微處理器構(gòu)成二取二的雙計算通道,雙通道間的數(shù)據(jù)通過通信實現(xiàn)任務(wù)級同步,能夠?qū)崿F(xiàn)故障自動切換;為提高整個系統(tǒng)的可靠性,另一系為熱備冗余聯(lián)鎖機(jī),兩系之間同步工作。
3) 接口層
接口層指聯(lián)鎖層與各個現(xiàn)場設(shè)備之間的通信機(jī)和各種模塊。全電子信號聯(lián)鎖系統(tǒng)中的模塊主要分為:道岔模塊、信號模塊、軌道電路模塊、零散模塊等。接口層的通信機(jī)負(fù)責(zé)聯(lián)鎖主機(jī)和各種模塊之間的通信,通信方式為冗余CAN總線通信;接口層的各種模塊接收聯(lián)鎖層下發(fā)的設(shè)備控制指令,轉(zhuǎn)化為驅(qū)動相應(yīng)室外設(shè)備動作的指令并執(zhí)行,還負(fù)責(zé)實時收集室外設(shè)備的工作狀態(tài),并上傳給聯(lián)鎖主機(jī)。接口層使室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備溝通的通道,其輸入輸出必須實現(xiàn)電氣隔離和光電隔離,均遵守故障-安全原則。
4)室外設(shè)備層
室外設(shè)備層是指計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)控制的用以指揮機(jī)車運(yùn)行/停止/轉(zhuǎn)向的鐵路信號控制/監(jiān)測設(shè)備,有指揮車列運(yùn)行/停止的色燈信號燈,驅(qū)動道岔轉(zhuǎn)動二改變列車運(yùn)行方向的轉(zhuǎn)轍機(jī),監(jiān)測鐵路站場區(qū)域內(nèi)各軌道區(qū)段占用(故障)/空閑狀態(tài)的軌道電路等。
2.3系統(tǒng)特點
1) 二乘二取二結(jié)構(gòu)
為提高系統(tǒng)輸出安全性,系統(tǒng)全面采用二取二設(shè)計思想,對系統(tǒng)中每個模塊的硬件單板均以兩顆微處理器為核心構(gòu)成兩個同步運(yùn)算通道,運(yùn)算通道之間同步運(yùn)算,實時比較,構(gòu)成二取二結(jié)構(gòu)。兩系輸出結(jié)果比較一致則正常輸出,不一致則認(rèn)為模塊故障并切斷輸出,并上傳故障信息;
為提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性,對要求較高的聯(lián)鎖機(jī)和通信機(jī)在二取二基礎(chǔ)上,雙系熱備冗余,這樣就構(gòu)成了核心設(shè)備的二乘二取二結(jié)構(gòu);
同時,系統(tǒng)中用于安全通信的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全部為冗余設(shè)計,保證系統(tǒng)通信的高效運(yùn)作。
3) 全電子化接口電路設(shè)計
本系統(tǒng)拋棄中國鐵路傳統(tǒng)使用的AX型安全繼電器,采用大規(guī)模集成電路和高性能運(yùn)算芯片處理器結(jié)合極少量微型大容量觸點繼電器,實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化、標(biāo)準(zhǔn)化和全電子模塊化。
系統(tǒng)以EN5012X標(biāo)準(zhǔn)為研發(fā)指導(dǎo),針對道岔、信號機(jī)、軌道電路和其他結(jié)合電路設(shè)備的控制、監(jiān)測原理設(shè)計了專用的接口模塊,接口模塊滿足故障-安全的原則,并具有故障指示和熱插拔功能,在發(fā)生故障時可以迅速的替換修復(fù)。
2) 滿足國內(nèi)鐵路站場集中聯(lián)鎖的所有功能;
聯(lián)鎖系統(tǒng)必須根據(jù)聯(lián)鎖技術(shù)條件的要求對進(jìn)路、信號和道岔實行控制,以及具備有效的誤操作防護(hù)能力。
系統(tǒng)具備CTC的升級應(yīng)用能力,可以實現(xiàn)數(shù)個車站聯(lián)鎖信號設(shè)備集中控制的功能。
系統(tǒng)具備完善的企業(yè)鐵路微機(jī)監(jiān)測功能,針對企業(yè)鐵路運(yùn)營特點,定制監(jiān)測計劃和監(jiān)測目標(biāo),為企業(yè)鐵路信號系統(tǒng)維護(hù)提供數(shù)據(jù)記錄和技術(shù)支撐。
4)強(qiáng)大的接口擴(kuò)展能力:
系統(tǒng)具備完整的對外接口體系,可通過串口、以太網(wǎng)、光纖等主流接口實現(xiàn)對外信號協(xié)議傳輸。
系統(tǒng)可與企業(yè)ERP網(wǎng)、國鐵電務(wù)檢測系統(tǒng)、CTC系統(tǒng)、物流信息系統(tǒng)、機(jī)車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)等各類系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通,高效融入現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)物流網(wǎng)絡(luò)體系。
2.4系統(tǒng)安全性指標(biāo)
1)安全性:系統(tǒng)倒向危險側(cè)的概率HR≤10-9/h。
2)可靠性:平均無故障時間MTBF≥106h;
3)可維修性:平均修復(fù)時間MTTR≤15min;
4)可用性:A≥99.99%
2.5與傳統(tǒng)計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)比較
3 系統(tǒng)安裝調(diào)試
由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,技術(shù)成熟,所以整套系統(tǒng)從現(xiàn)場到貨到開通運(yùn)行僅用時15天,現(xiàn)場安裝調(diào)試計劃如下圖:
由圖中可看出,整個安裝調(diào)試工作的中心在于接配線工作和室內(nèi)外聯(lián)調(diào),這也是保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。
為保障整個系統(tǒng)的接配線準(zhǔn)確無誤,系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的電纜通用插頭從根本上解決了傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)現(xiàn)場接配線工作量大、人工容易失誤等問題,在出廠時就完成了所有通用插頭的配線制作和檢驗,現(xiàn)場只需按圖紙插好即可,簡單方便。
室內(nèi)外聯(lián)調(diào)工作是確保聯(lián)鎖系統(tǒng)和室外設(shè)備間配合正確與否的關(guān)鍵,此部分工作由專業(yè)鐵路信號工程師配合完成,針對信號機(jī)燈光顯示、道岔操作與位置核對、軌道電路受電端分路電壓調(diào)整逐個進(jìn)行試驗排查,形成最終的設(shè)備定反位標(biāo)記。
4 系統(tǒng)運(yùn)行保障
與傳統(tǒng)計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)不同,因為采用了先進(jìn)的故障診斷和熱插拔技術(shù),全電子信號聯(lián)鎖系統(tǒng)的維護(hù)工作十分簡單。
系統(tǒng)的維護(hù)分為日常維護(hù)和故障維護(hù)。
4.1日常維護(hù)工作
因為整個系統(tǒng)的設(shè)計采用了全電子模塊化的設(shè)計理念,所有模塊均為免維護(hù)式設(shè)計,只要安裝設(shè)備的機(jī)械室滿足恒溫恒濕防塵的一般要求,絕大部分的時間系統(tǒng)將實現(xiàn)“免維護(hù)”的目標(biāo)。
日常維護(hù)僅需對外購的電源系統(tǒng)進(jìn)行定期充放電保養(yǎng)以及全系統(tǒng)的日常巡視即可。
4.2故障維護(hù)工作
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,系統(tǒng)的自診斷功能就會啟動,迅速自行判斷故障發(fā)生的位置并作出處理并在人機(jī)交互界面及電務(wù)維修機(jī)界面上進(jìn)行提示。
系統(tǒng)的聯(lián)鎖核心和通信設(shè)備都是熱備模式,如果系統(tǒng)判斷出故障出現(xiàn)在此類設(shè)備上,就會自動將故障設(shè)備切除(重啟),同時將備用設(shè)備及時啟用,不會影響系統(tǒng)正常工作。如果故障出現(xiàn)在非熱備模式的設(shè)備(比如模塊),那么系統(tǒng)會停止此設(shè)備的輸出工作,并點亮模塊故障燈,并在電務(wù)維修機(jī)界面上進(jìn)行提示,人機(jī)交互界面上與此相關(guān)設(shè)備也會出現(xiàn)故障狀態(tài),維護(hù)人員根據(jù)上述提示直接使用備件熱插拔替換掉故障設(shè)備即可完成故障修復(fù)。
5 結(jié)語
舉例站場通過使用全電子信號聯(lián)鎖系統(tǒng),基本實現(xiàn)了其在有限建設(shè)成本、短建設(shè)工期和維護(hù)力量不足的情況下實現(xiàn)對全廠鐵路的高效控制的目標(biāo),收到了比較好的效果。
近些年,通過數(shù)百個類似舉例站的實際案例,全電子信號聯(lián)鎖系統(tǒng)通實際上已經(jīng)證明了其具備相當(dāng)成熟可靠的鐵路信號聯(lián)鎖控制能力,未來應(yīng)用前景十分光明。
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