LonWorks總線技術在鐵路道岔融雪控制系統(tǒng)中的應用

摘要：介紹了鐵路道岔融雪控制系統(tǒng)組成、基本結構和相關要求，探討了LonWorks總線技術在其中應用的可行性。針對現(xiàn)行各種總線的對比，提出LonWorks總線技術在鐵路道岔融雪控制系統(tǒng)中應用的優(yōu)越性。

關鍵詞：融雪系統(tǒng)LONWORKS總線

隨著列車運行速度的大幅提高，列車運營系統(tǒng)對道岔相關設備的要求越來越高，道岔轉(zhuǎn)換設備能否正常工作將直接影響到列車行車安全和運營效率由于道岔轉(zhuǎn)換設備主要位于室外軌旁、露天工作，其工作狀態(tài)受環(huán)境溫度和相對濕度的影響比較大，尤其是雨雪天氣，軌道結冰，道岔設備不能正常轉(zhuǎn)換。道岔融雪系統(tǒng)是保證道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)正常轉(zhuǎn)換的重要保障設備之一。它能夠在發(fā)生降雪、降雨或大幅度降溫致使道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)積雪結冰影響道岔正常轉(zhuǎn)換時，自動或人工啟動融雪系統(tǒng)單元。通過加熱元件融化道岔積雪、防止結冰，易于保證道岔靈活有效地正常轉(zhuǎn)換，從而大大減輕了鐵路工人人工掃雪的工作量。而融雪控制系統(tǒng)中監(jiān)測設備多、網(wǎng)絡負載重、數(shù)據(jù)傳輸速率要求快、數(shù)據(jù)傳輸距離遠、外界干擾大，對監(jiān)測設備、操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的現(xiàn)場總線提出了更高的要求。所以，開發(fā)配置高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線的現(xiàn)場總線方案尤為重要。

1 鐵路道岔融雪控制系統(tǒng)以及相關要求

1.1 融雪控制系統(tǒng)的組成

由于道岔融雪控制系統(tǒng)根據(jù)不同的加熱元器件各有不同，這里僅介紹的電加熱式道岔融雪系統(tǒng)，其框架如圖1所示，它具有自動控制功能，主要有以下六大部分組成：

（1）遠程控制中心（2）本地工作站（3）電氣控制柜（4）軌道溫度、環(huán)境溫度及雨雪傳感器（5）隔離變壓器（6）道岔加熱元件。

1.2 性能指標

1.2.1 電源要求

采用三相TN-S（五線）供電系統(tǒng)，電源電壓AC380V，波動范圍為＋15～－20 % ；頻率50Hz，變化范圍±3Hz。融雪專用供電變壓器容量應根據(jù)現(xiàn)場氣象資料和需要融雪的道岔型號、數(shù)量設計確定。

1.2.2 傳感器性能要求

根據(jù)鐵路道岔融雪控制系統(tǒng)要求，鋼軌(滑床板)溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器和雪傳感器等技術指標參考如下：

a）溫度測量范圍： －50℃～＋80℃；

b）系統(tǒng)測量精度： －10℃～＋10℃范圍內(nèi)不大于±0.5℃；其他溫度范圍不大于±1.0℃；

c）信息輸出：發(fā)送電平分檔可調(diào)；

d）信號傳輸速率：不低于2 400bit/s；

e）信息傳輸距離：不小于1 200m。

1.2.3 控制柜及控制中心要求

車站道岔融雪系統(tǒng)處于工作時，在車站控制柜和控制中心均應能監(jiān)測到以下實時信息：

a）輸入電源電壓、電流、頻率。若工作電流電壓不符合額定數(shù)值，融雪系統(tǒng)不能正常工作，從而不能保證道岔正常的轉(zhuǎn)換，造成列車運行的安全隱患。

b）輸入電源斷電、缺相及斷相報警。若報警，啟動應急預案。

c）各加熱電路的啟動與關閉，工作電壓、電流。隨時監(jiān)測各加熱設備的運行狀況。

d）各傳感器的工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)顯示；

e）各接觸器、斷路器、漏電保護器的工作狀態(tài)；

f）各接觸器、斷路器、漏電保護器、加熱電路（含絕緣）、傳感器等故障報警；

g）加熱電路對地絕緣；

h）車站控制柜柜門狀態(tài)及開門報警。以防非工作人員的誤操作。

同時，控制中心和車站控制柜還應具有以上監(jiān)測信息的記錄管理功能，以便可以根據(jù)記錄，分析系統(tǒng)運行狀況。

綜上，該系統(tǒng)設備組成如圖2所示。

1.2.4 輸出電路要求

根據(jù)該系統(tǒng)實際應用要求：輸出電路8～16路；每路都按三相四線AC 380V/220V輸出；每路輸出額定電壓AC380V ，額定電流AC30A 。

2 LonWorks總線技術在道岔融雪控制系統(tǒng)中的應用探討

根據(jù)以上對系統(tǒng)要求的分析，LonWorks總線能為岔道融雪控制系統(tǒng)的測、控、管提供全局性的解決方案。

2.1 LonWorks總線技術優(yōu)點

與一般的現(xiàn)場總線相比，LonWorks總線技術有以下優(yōu)點：

（1）采用LonTalk通訊協(xié)議，遵循國際標準化組織（ISO）定義的開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，功能覆蓋面廣，支持多介質(zhì)，大網(wǎng)絡。適用于岔道融雪控制系統(tǒng)監(jiān)測設備多，且要監(jiān)測、控制、管理協(xié)調(diào)工作的特點。

（2）LonWorks的通信協(xié)議被固化在一個神經(jīng)元芯片（neuron chip）中【1】，神經(jīng)元芯片可以實現(xiàn)通訊功能和現(xiàn)場控制功能，在一個神經(jīng)元芯片內(nèi)部包含了三個8位CPU，其中兩個用于實現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡的通訊控制，一個用來實現(xiàn)本地的控制功能；可直接與與他所監(jiān)視的傳感器和控制設備連接，高度集成，所需外部器件較少。

（3）采用Predictive P-Persistant CSMA (預測時間槽-載波監(jiān)挺多路訪問)方式進行總線沖突檢測，保證在網(wǎng)絡負載很重時，不會帶來網(wǎng)絡癱瘓；

（4）采用面向?qū)ο蟮脑O計方法實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊，既采用網(wǎng)絡變量使網(wǎng)絡通訊的設計簡化成為對參數(shù)的設置，大大地提高了通訊的可靠性；

（5）采用短包結構，提高通訊的抗干擾能力，提高了通訊的實時性，采用可變長數(shù)據(jù)幀，每幀數(shù)據(jù)長度從0-228個字節(jié)；

（6）有兩種通訊速度：78KBps,1.25MBps，滿足傳感器對信號傳輸速率的要求。

（7）通訊距離130m-2700m，能保證鐵路岔道融雪系統(tǒng)對信號傳輸距離的要求。

（8）響應時間短：1.25Mpbs 雙絞線網(wǎng)絡,使用10MHz 時鐘情況下,對于1-8個字節(jié)的非確認的顯式報文,其應響時間<10ms。網(wǎng)絡的快速響應提高了系統(tǒng)的監(jiān)測水平。

（9）同一個網(wǎng)上的節(jié)點數(shù)可以達到32000個，不僅滿足系統(tǒng)的現(xiàn)有監(jiān)測要求，日后根據(jù)實際情況還可以拓展。

（10）LonWorks采用現(xiàn)場總線技術，一對傳輸線，Ｎ臺儀表，雙向傳輸多個信號。這種一對一結構使得接線簡單施工周期短，安裝費用低，維護容易。如果增加現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表，只需掛接到電纜上，無需架設新的電纜，形成了開放性的集成模式。

（11）LonWorks技術的數(shù)字信號傳輸抗干擾能力強、精度高，無需采用抗干擾和提高精度的措施。不但降低了成本，而且LonWorks集成系統(tǒng)的抗干擾能力是其它DCS系統(tǒng)所不及的。

（12）LonWorks技術有成熟、穩(wěn)定的性能。它自91年在美國推出后，現(xiàn)已成為世界控制網(wǎng)絡的工業(yè)標準，系統(tǒng)集成符合國際主流的開放性標準，方便和系統(tǒng)其他設備的連接。

（13）系統(tǒng)的規(guī)模和功能可由用戶的需求隨時擴大和調(diào)整，不影響其它用戶的正常使用。方便的系統(tǒng)維護和升級，用戶只需在控制中心通過網(wǎng)絡下載各用戶的控制器資料或新的控制軟件或參數(shù)即可，這種系統(tǒng)集成從根本上保護了系統(tǒng)的一期投資。

（14）由于采用開放式的網(wǎng)絡技術，用戶可以選擇眾多廠家的產(chǎn)品，以提高用戶所提供最高的質(zhì)量和最合理的產(chǎn)品開發(fā)。用戶可以選擇不同的制造商提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表，并將不同的品牌的儀表互聯(lián)，即使某臺儀表出現(xiàn)故障，換上其它品牌的同類儀表也能照常工作，實現(xiàn)“即插即用”。

2.2 LonWorks總線技術的結構

底層為LonWorks總線，頂層為InterNet網(wǎng)。LonWorks網(wǎng)總線部分設備組成：

（1）NodeBuilder 系列開發(fā)包

NodeBuilder 開發(fā)工具包是一個為Neuron芯片和埃斯朗公司智能收發(fā)器開發(fā)應用程序的硬件和軟件平臺。NodeBuilder工具包涵一套完整得、基于windows的設備開發(fā)軟件和能用作樣機設計和測試的硬件平臺。NodeBuilder工具包括Neuron C編程語言的編譯器和調(diào)試器。

（2）神經(jīng)元芯片（NeuronChip）:

神經(jīng)元芯片是LonWorks總線技術的核心控制器件，是組成LonWorks系統(tǒng)的基本單元，它除了具備很強的總線通訊與總線控制能力以外，還可以實現(xiàn)各種的數(shù)據(jù)處理功能，合理地使用神經(jīng)元芯片的內(nèi)部資源，使用神經(jīng)元芯片的強大的外部擴展能力，將會方便地組成一個簡潔、穩(wěn)定、可靠的分布式控制系統(tǒng)，尤其是對一個大型的分布式控制系統(tǒng)，采用LonWorks技術將顯得更為重要。幾百萬個神經(jīng)元連接在一起，每個神經(jīng)元都能通過位數(shù)眾多的路徑向其他的神經(jīng)元發(fā)送信息。每個神經(jīng)元通常專注于某一種特殊功能，但是任何一個神經(jīng)元的故障不會影響整個網(wǎng)絡的性能。

（3）i.LON 100e3 internet服務器

i.LON 100e3 internet對控制網(wǎng)絡和設備的監(jiān)控提供了改進的方法。能夠?qū)崿F(xiàn)從一個本地網(wǎng)絡、VPN網(wǎng)絡或者Internet訪問設備，并且用戶可以通過鑒別機制僅允許授權的用戶訪問網(wǎng)絡。從而大大保證了實現(xiàn)網(wǎng)絡的訪問權限以及網(wǎng)絡的安全控制。

對該系統(tǒng)，既需要進行遠程監(jiān)控又需要進行大量數(shù)據(jù)管理，可考慮在相鄰接點之間采用LonWorks網(wǎng)，遠程節(jié)點之間通過i.Lon路由器，實現(xiàn)LonWorks網(wǎng)與TCP/IP網(wǎng)的無縫對接，通過InterNet實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

2.3 LonWorks總線技術減少產(chǎn)品開發(fā)周期

LonWorks總線技術的一系列優(yōu)越性保證我們在使用該技術時便于開發(fā)。特別是其包含OSI協(xié)議的1 ~ 7層協(xié)議，因此，我們在開發(fā)時，只需開發(fā)應用層便可，從而大大減少了開發(fā)周期。

3 結論

鑒于LonWorks總線技術的的高效快速、互操作性以及通信可靠等優(yōu)點，國外已有成功應用案例，如日本大田（Daidan）鐵路－鐵軌防結冰保護系統(tǒng)，就是采用的LonWorks總線技術。它不僅防止了鐵軌冬天雪后結冰而影響鐵路道岔的密貼度，而且快速可靠的保證了鐵路行車運行安全。所以，它在國內(nèi)市場也將得到廣泛應用。■

參考文獻

[1] 楊育紅. lon網(wǎng)絡控制技術及應用[M]. ISBN 7-5606-0720-9/TP.0364 ,西安：西安電子科技大學出版社 1999

[2]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社,1999..

[3] Echelon公司，Neuron C Programmers Guide revision 7[M]2003

[4] Echelon公司，NodeBuilder Uesrs Guiderevision 7[M]2003

[5] Echelon公司，DDE Server Users Guide revision 7[M]2003

[6] Echelon公司，Neuron C Programmers Guide revision 7[M]2003

作者簡介：

彭麗霞， 女，講師 ，1978年生，碩士，目前主要承擔電氣自動化專業(yè)課程的教學工作。研究方向：電氣自動化。