基于可編程序控制器的CHEC K 方式閉塞子系統

摘　要　針對城市軌道交通信號系統的特點,研制了CHECK 方式的列車運行控制系統。該系統包括CHECK 方式調度監督子系統、CHECK 方式閉塞子系統和CHECK 方式聯鎖系統。提出了一種基于可編程序控制器(PLC) 的CHECK 方式閉塞子系統,并就其安全性、可靠性進行了論述。
關鍵詞　列車自動控制系統,信號系統,區間閉塞,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基本以引進國外先進的列車自動控制系統為主,尚未形成完整的國產系統。利用國外城市軌道交通信號技術的成功經驗,結合我國城市軌道交通的特點和需要自行研究開發信號系統設備,是我國城市軌道交通信號技術發展的方向,也是降低造價、發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[ 1 ] 。CHECK 方式的列車運行控制系統包括:以無線通信技術替代傳統的軌道電路來檢測列車;基于可編程控制器(PLC) 的閉塞系統完成區間的閉塞;應用高性能的工業計算機,結合網絡技術實現全線的調度監督。本文主要研究基于PLC 的CHECK 方式閉塞系統, 并采用OM2 RON 公司CPM2A 系列的PLC 來實現。
1 　CHEC K 方式列車控制系統的結構和原理
　　CHECK 方式列車控制系統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據信息,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區間閉塞;利用CAN 總線以及高性能工業計算機實現全線調度監督。圖1 為系統原理圖[1 ] 。

圖1 　基于Check 方式的列車運行控制系統原理框圖
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 信息結合本站的In 信息,符合邏輯條件時向下一站發送列車出清信息,甲站信號機(SF) 自動關閉,區間閉塞。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。當列車出發收到Out 信息后向下一站發送本站的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 信息再結合In 信息,區間可以復原。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(或從中心巡檢時轉發來的信息) 進行相應的比較運算,控制相應的In 、Out 電路動作。中央主機通過CAN 總線輪檢各站通信器,當通信器發現主機輪檢到自己時,就傳送Chec K In 、Check Out 信息, 以及與前方通信器通信出現故障時的報告,并請求控制主機轉發信息給前方通信器。中央主機根據各通信器采集到的數據實時監督列車的運行,同時將車次號發給各站控制車次號顯示的模塊,并下發到各站自動廣播系統,使其廣播相應的內容。這種控制列車運行的系統稱為基于CHECK 方式的列車運行控制系統。
2 　基于PLC 閉塞系統的分析與設計
2. 1 　閉塞系統原理
為確保列車安全運行,一個區間只允許一列車運行,這種按空間間隔控制的行車技術稱為閉塞。列車一旦被允許進入區間(區間開通),在該列車未出清區間之前,這一區間就處于關閉的狀態(區間閉塞),不再允許其它列車進入。列車占有區間,必須給予一定的行車憑證。區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,發車站(甲站) 車站值班員按壓發車按鈕,現場的列車出發檢知部件(對應站射頻通信器) 檢測到列車的尾標簽(Out) 后發出列車出發信息(Out 信息),使區間閉塞,此時系統向接車站發出通知出發信息;接車站(乙站) 收到通知出發信息,在列車到達接車站(此時現場的列車接車檢知部件收到In 信息) 后向發車站發送列車到達信息。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),接車站的車站值班員可以按壓復原按鈕向發車站發送復原信息表明區間可以復原。如此就完成了一次區間的閉塞-還原。
2. 2 　系統接口分析
從閉塞系統原理可知,系統各部件之間的邏輯關系是相當復雜的。一個部件的動作條件,既有賴于本站其它部件的狀態,還有賴于上一站和下一站傳送來的信息以及現場信息。在構建基于PLC 的閉塞系統時,需從接收和發送兩種接口加以分析。
在發車站,接收端口有:接收發車按鈕信息的端口;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;接收區間復原信息的端口;接收取消復原時現場信息的端口;接收辦理取消復原時閉塞按鈕信息的端口。發送端口有:控制發車表示燈紅、黃、綠燈的三個端口;控制出站信號的端口;發送列車出發脈沖的端口。因此,發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,表明該端口屬于發車站。
在接車站,接收端口有:接收列車從上一站出發時發送的出發正脈沖的端口;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;列車到達時發送脈沖的端口;復原時發送脈沖的端口。在PLC 中分別加以定義,以“B”打頭,表明該端口屬于接車站。
一個站內的閉塞系統同時具有發車和接車的功能,因此將PLC 分成發車模塊和接車模塊。由上分析,對外接口的輸入點數為11 , 輸出點數為10 。因此,選用輸入點數為18 , 輸出點數為12 , 型號為CPM2A -30CDT 系列的PLC 就可以完成所需的功能。
2. 3 　系統設計與實現
本系統采用新設備、新技術,主要完成區間閉塞功能,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 閉塞系統的實現框架
根據閉塞系統原理和系統接口分析,可抽象出閉塞系統的邏輯關系。在PLC 中針對部件邏輯關系的需要設置內部標志。對于具有緩放功能的繼電器,通過設立特殊內部標志并使用時鐘來控制其狀態的延緩轉換。這樣做,可以精確地確定延緩狀態轉換的時間,又可以靈活方便地改變延緩轉換的時間,以滿足不同線路中狀態延緩改變的要求。其流程圖如圖4(以A DELA YKT 為假時的狀態延緩轉換為例) 。其中:A DELA YKT 具有在滿足使該標志由真轉為假的情況下延遲狀態轉換功能的特殊內部標志;A BSFLA G 用于表示區間的閉塞情況,當區間閉塞時該標志位為假,區間開放時為真。
當車站值班員按壓發車按鈕(A SETHANDL E 為真) ,A DELA YKT 轉換為真,這時先判斷區間是否處于閉塞狀態。如果區間開放則啟動定時器,否則進一步判斷發車按鈕是否松開(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。
根據抽象出的邏輯關系及制定的一系列規則, 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整,以求達到最佳狀態。

圖4 　A DELA YKT 為假時狀態延緩轉換流程圖
3 　系統可靠性、安全性分析
在CHECK 方式列車運行控制系統中,由基于PLC 的閉塞系統和聯鎖系統、調度監督系統共同確保列車的安全運行。任何一個系統的不安全因素都有可能危及到列車的行車安全。基于PLC 的閉塞系統充分考慮了系統安全性、可靠性的要求。
首先,可編程序控制器是專門用于工程現場的自動控制設備,在設計和制造過程中采取了抗干擾措施,穩定性和可靠性較高。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行用戶的控制程序。一旦CPU 、RAM 或I/ O 總線出現故障則立即給出信號,并停止用戶程序的執行,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),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的自動控制工程穩定可靠。
最后,在基于PLC 閉塞系統的設計中,吸取了原有系統在安全性方面的成功經驗,在執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故障時(此時PLC 輸出全部為OFF) ,都能實現故障導向安全,進一步加強了基于PLC 閉塞系統的安全性可靠性。
4 　結語
上述介紹的一種構建于CHECK 方式基礎上基于PLC 的閉塞子系統,結合已投入實際運行中的CHEC K 方 式聯鎖系統和調度監督系統,共同構成了完整的CHECK 方式列車控制運行系統。在該系統中加入速度信息環線就可以構成完整的CHECK 方式列車自動控制系統,從而為列車自動控制系統的國產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. 城市軌道交通研究,2001 ,(1) :26
2 　鄭宇軒,陳永生. CHECK 方式調度監督子系統的設計與實現. 城市軌道交通研究,2001 ,(1) :59
3 　郎宗炎等. 現代鐵路信號技術. 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. 北京:中國鐵道出版社,1999. 37～142
5 　OMRON CPM2A Programmable controllers operation Mannual. 1999