道岔融雪控制系統(tǒng)典型問題分析與優(yōu)化設(shè)計

曹 達(dá),張雪松,李紅俠

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部,北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所,北京 100081； 3.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

北方地區(qū)冬季寒冷，經(jīng)常降雪且降雪量較大，道岔附近的積雪會影響道岔密貼效果，從而對行車安全造成影響，需要由自動化除雪設(shè)備或人工清除積雪。自動化除雪的方式有很多種，如電加熱、熱水循環(huán)加熱、鹽水融雪、風(fēng)力除雪、燃?xì)饧訜帷㈦姶艤u流加熱等[1-3]，綜合考慮到鋼軌對熱量和鹽分的承受能力及對軌道電路等電氣化設(shè)備的影響，一些方式的融雪技術(shù)在我國并未得到發(fā)展和實際應(yīng)用。

目前國內(nèi)應(yīng)用比較成熟的是電加熱道岔融雪技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是：將絕緣加熱條安裝在軌腰部位，以通電加熱的方式使鋼軌保持在一定的溫度范圍內(nèi)，從而融化積雪。道岔融雪設(shè)備的核心控制邏輯中不包含復(fù)雜的算法，且屬于弱電控制強(qiáng)電設(shè)備，終端軟件完成的主要任務(wù)是對融雪設(shè)備進(jìn)行控制和顯示各加熱條、接觸器、傳感器等的狀態(tài)，因此，國內(nèi)很多型號的道岔融雪設(shè)備都采用了工業(yè)組態(tài)技術(shù)編制終端軟件，設(shè)計控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和邏輯[4-5]。但是，隨著道岔融雪設(shè)備的大規(guī)模推廣及應(yīng)用，控制系統(tǒng)存在的一些典型問題逐漸暴露出來。這些問題的出現(xiàn)，影響了道岔融雪設(shè)備的生產(chǎn)效率和工作效率。

因此，本文對這些典型問題進(jìn)行了分析，并針對這些問題提出新的解決方案，設(shè)計實現(xiàn)了一套新型道岔融雪控制系統(tǒng)。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)典型問題分析

通過對國內(nèi)已經(jīng)成熟應(yīng)用的幾種型號道岔融雪系統(tǒng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)了一些普遍存在的典型問題，下面對這些問題進(jìn)行簡要說明，并對問題成因進(jìn)行分析與總結(jié)。

1.1 用戶操作體驗

問題描述：通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，既有道岔融雪系統(tǒng)的操作終端多數(shù)僅能在界面提供單個控制柜的運(yùn)行參數(shù)，無法直觀顯示控制柜及加熱條的位置與實時狀態(tài)；對單個控制柜及加熱條進(jìn)行控制操作時步驟也較為繁瑣。

成因分析：道岔融雪系統(tǒng)終端軟件多采用了工業(yè)組態(tài)軟件作為基礎(chǔ)框架進(jìn)行開發(fā)，由于框架本身的限制，軟件中不能夠自由選擇設(shè)備的圖標(biāo)、展現(xiàn)方式，框架自帶圖標(biāo)與控件美觀性欠佳，復(fù)雜界面開發(fā)成本較高[6]；在軟件研發(fā)時僅僅實現(xiàn)了融雪控制終端的基本控制功能，在人機(jī)交互體驗方面還不夠完善。

1.2 生產(chǎn)效率與兼容性

問題描述：既有道岔融雪系統(tǒng)的車站控制終端和遠(yuǎn)程控制中心需要針對每個站進(jìn)行重新設(shè)計與編譯，生產(chǎn)周期較長；軟件僅能支持某一種型號的控制柜，在站場后期改造時新舊型號控制柜不能同時工作；軟件對運(yùn)行設(shè)備與環(huán)境要求苛刻。

成因分析：基于組態(tài)軟件的道岔融雪終端，由于其圖形界面是由框架本身提供的控件拼湊而成，因此，針對不同的站場，不同數(shù)量的控制柜和加熱條，每一個站場的車站終端都需要重新在編程環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計與編譯，路局遠(yuǎn)程控制中心也需要進(jìn)行修改，生產(chǎn)效率較低；組態(tài)軟件本身對通信協(xié)議及下行設(shè)備型號有限制，例如由MCGS組態(tài)軟件編制的融雪控制終端，無法兼容采用單片機(jī)作為控制器的控制柜。而且，MCGS組態(tài)軟件廠家在多年前就停止了其整個平臺的更新與維護(hù)。組態(tài)軟件需要在單獨的運(yùn)行容器中運(yùn)行，基于C++編寫的終端對操作系統(tǒng)和CPU類型的限制更加嚴(yán)格，造成了軟件的兼容性欠佳。

1.3 系統(tǒng)性能

問題描述：既有道岔融雪系統(tǒng)控制終端的容量有限，控制柜和加熱條數(shù)量增多時運(yùn)行流暢度、穩(wěn)定性、延遲等均表現(xiàn)欠佳。

成因分析：當(dāng)站場較大控制柜數(shù)量較多時，加熱電路各配屬設(shè)備及傳感器等組件數(shù)量和數(shù)據(jù)量成倍增長，組態(tài)運(yùn)行環(huán)境同時為控件渲染和數(shù)據(jù)分析、記錄提供支持，已經(jīng)出現(xiàn)了性能瓶頸，而運(yùn)行環(huán)境本身還要受制于Windows平臺的運(yùn)行狀況；組態(tài)軟件采用了Modbus協(xié)議，協(xié)議規(guī)定了單幀最大長度[7]，在站場設(shè)備增多，尤其是用于車站終端與遠(yuǎn)程中心間的數(shù)據(jù)交互時，由于需要傳輸多個站場的整場數(shù)據(jù)，采用Modbus協(xié)議必須進(jìn)行拆包處理，多個設(shè)備的通信需要進(jìn)行排隊和輪詢，通信延遲較大。

1.4 控制可靠性與安全性

問題描述：既有道岔融雪系統(tǒng)控制終端運(yùn)行不穩(wěn)定，可能會出現(xiàn)死機(jī)；控制柜內(nèi)的控制器故障率高，經(jīng)常出現(xiàn)通信中斷；單個控制柜故障可能造成多個控制柜故障；車站終端與控制柜通信中斷后控制柜不停止加熱；車站終端和遠(yuǎn)程中心間缺乏完善的控制權(quán)限管理。

成因分析：基于組態(tài)軟件的道岔融雪控制終端，由于運(yùn)行容器本身的不穩(wěn)定性，造成了終端可靠性下降，基于C++的道岔融雪控制終端，由于內(nèi)存泄露問題也會造成終端可靠性下降[8-9]；控制柜內(nèi)采用了組態(tài)觸屏+PLC的方式，多級控制降低了可靠性[10-11]，通信通過專用的通信盒將信號電纜信號轉(zhuǎn)換為網(wǎng)線信號，工作不穩(wěn)定；控制柜間通信采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，某一控制柜通信中斷時將造成后續(xù)所有控制柜通信中斷；控制柜缺少判斷機(jī)制，在通信中斷時仍舊按之前的控制狀態(tài)運(yùn)行；軟件框架本身存在限制，實現(xiàn)權(quán)限管理功能難度較大。

1.5 小結(jié)

綜合目前系統(tǒng)存在的典型問題及成因分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，在融雪控制終端方面，多數(shù)問題都是由軟件框架本身引發(fā)的，無論是基于組態(tài)還是C++，框架本身的缺陷加上軟件代碼質(zhì)量的不足，都會降低軟件的生產(chǎn)效率和使用效果。另外，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、控制方式等方面也存在問題，也會降低系統(tǒng)的可靠性與安全性。

2 道岔融雪控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案

對于軟件開發(fā)而言，當(dāng)軟件缺陷的成因主要來自于框架本身時，比較好的解決方案是更換框架，從根本上解決問題。針對上文所述的問題與分析，綜合考慮系統(tǒng)的各方面需求，在實現(xiàn)道岔融雪系統(tǒng)原有的基本控制功能的基礎(chǔ)上，對道岔融雪系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計實現(xiàn)了一套全新的道岔融雪控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)整體介紹

設(shè)計實現(xiàn)道岔融雪控制系統(tǒng)，應(yīng)首先滿足《客運(yùn)專線鐵路信號產(chǎn)品暫行技術(shù)條件-電加熱道岔融雪系統(tǒng)設(shè)備》中對控制系統(tǒng)功能和性能的要求，可概括為：實現(xiàn)對控制柜的自動控制、手動控制；完成對控制柜的參數(shù)設(shè)定；實時顯示控制柜的各種采集信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄；具備車站控制終端和遠(yuǎn)程控制中心兩級控制，且上級故障對下級設(shè)備不造成影響；具備安全認(rèn)證功能[12-13]。

在此基礎(chǔ)上，考慮到實際應(yīng)用中的功能需求和工程化設(shè)計等方面，在控制柜、車站控制終端、遠(yuǎn)程控制中心3個層級分別進(jìn)行了設(shè)計與優(yōu)化。其中，控制柜負(fù)責(zé)采集各加熱電路和傳感器參數(shù)，并驅(qū)動隔離變壓器；車站控制終端設(shè)置在各車站，負(fù)責(zé)采集顯示各控制柜數(shù)據(jù)，直接向控制柜下達(dá)控制指令，向遠(yuǎn)程控制中心轉(zhuǎn)發(fā)本站各控制柜數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程控制中心設(shè)置在路局指揮中心，負(fù)責(zé)顯示各站數(shù)據(jù)，必要時可向各站的各個控制柜下達(dá)控制指令。

2.2 人機(jī)交互設(shè)計

道岔融雪系統(tǒng)控制終端需要經(jīng)常有值班人員進(jìn)行操作，在保證融雪效果的前提下，控制終端的用戶操作體驗成為了評判系統(tǒng)質(zhì)量的重要因素。新型道岔融雪控制終端采用Windows桌面軟件的典型布局，頂部為菜單欄和功能按鈕，顯示直觀易于上手。借鑒鐵路計算機(jī)聯(lián)鎖等操作終端，新型道岔融雪控制終端加入了站場圖形化顯示功能，如圖1所示。

圖1 軟件界面

將控制柜和各加熱條按照實際安裝位置顯示在本站站場圖上，并通過設(shè)備的顏色、閃爍、文字等的不同狀態(tài)，可直觀顯示整個站場內(nèi)所有融雪設(shè)備的工作情況。站場圖形界面具備縮放和拖動功能，便于站場較大時查看。在設(shè)備上直接點擊右鍵可進(jìn)行控制柜控制模式轉(zhuǎn)換、加熱條單開單關(guān)等關(guān)鍵操作，并增加了全場操作按鈕可以一鍵控制全場所有控制柜。

此外，軟件還添加了語音報警、日志記錄和數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。當(dāng)站場內(nèi)某一設(shè)備出現(xiàn)故障時，終端軟件播報故障報警提示值班人員進(jìn)行查看；日志記錄功能作為數(shù)據(jù)記錄功能的冗余，對用戶的關(guān)鍵操作和軟件運(yùn)行的關(guān)鍵步驟如通信狀態(tài)等進(jìn)行記錄；用戶可在界面輸入過濾條件查看記錄的數(shù)據(jù)，并可選擇導(dǎo)出至Excel中便于數(shù)據(jù)分析。

2.3 生產(chǎn)效率與兼容性

為提高生產(chǎn)效率，新型道岔融雪終端采用了軟件代碼統(tǒng)一，通過修改配置和數(shù)據(jù)文件適應(yīng)不同站場的方案[14]。在站場圖形方面，引入項目組自行研發(fā)的CAD軟件，將融雪系統(tǒng)的控制柜、加熱條及站場的股道、庫線、道岔等作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備嵌入CAD軟件中，并具備了常規(guī)CAD軟件具備的復(fù)制、粘貼、對齊等等各種操作。每開通一個新站時，只需用CAD軟件繪制該站的站場圖并導(dǎo)入至融雪控制軟件目錄，融雪終端啟動時首先加載CAD圖形文件并以此為基礎(chǔ)對各設(shè)備按照配置文件進(jìn)行屬性賦值。軟件運(yùn)行共需要4個主要的配置文件：軟件全局配置文件、單個站場設(shè)備配置文件、用戶管理配置文件和協(xié)議格式配置文件。軟件全局配置文件主要包含軟件運(yùn)行的主要配置；單個站場配置文件主要包含某一站場的底層設(shè)備詳細(xì)信息，如控制柜個數(shù)、IP或串口號、各加熱電路的參數(shù)等；用戶管理配置文件包含本站用戶的用戶名、密碼、權(quán)限等信息；協(xié)議格式配置文件主要包含終端與底層設(shè)備通信的協(xié)議格式。由于不需要調(diào)整軟件代碼，不需要重新編譯，軟件的生產(chǎn)周期縮短至1 d，與傳統(tǒng)的軟件控件拼接相比，效率明顯提高。

除了提高生產(chǎn)效率，在軟件兼容性方面也進(jìn)行了優(yōu)化。為解決運(yùn)行平臺問題，新型道岔融雪控制軟件采用C#語言開發(fā)，基于.Net Framework 4.0框架，可直接運(yùn)行在Windows XP至Windows 10的所有版本W(wǎng)indows系統(tǒng)中。車站終端和遠(yuǎn)程中心共用一套代碼，通過修改配置文件即可完成車站和中心功能的切換。作為車站終端運(yùn)行時，通過修改配置文件，可支持通過串口和網(wǎng)絡(luò)(TCP/IP)方式與控制柜設(shè)備進(jìn)行通信，支持自定義通信協(xié)議格式。因此，只要經(jīng)過簡單的修改，軟件可兼容目前國內(nèi)的各種型號的控制柜。軟件支持同時管理多個站場，如某一車站具有上下行兩個咽喉，上行咽喉較早投入使用，并配備了采用Modbus協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)(TCP/IP)通信方式的控制柜，下行咽喉則配備了采用自定義協(xié)議和串口通信方式的控制柜，此時可將車站劃分為兩個站場，雖然兩個站場的控制柜類型不同，甚至可能是不同廠家的設(shè)備，仍可在軟件中統(tǒng)一控制，上下行咽喉采用不同的配置分別管理，在軟件中只需要點擊切換站場即可顯示和控制不同站場的圖形和設(shè)備。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用兼容性設(shè)計后的終端軟件，可直接運(yùn)行在工作站、工控機(jī)、筆記本電腦或Windows平板電腦上，達(dá)到了一套軟件多處使用的效果，如圖2所示，遠(yuǎn)程控制中心、車站控制終端與調(diào)試終端所用軟件相同，僅僅進(jìn)行配置上的簡單切換即可實現(xiàn)不同的終端類型。調(diào)試終端直接連接道旁控制柜可模擬車站終端，測試控制柜功能；在車站調(diào)度室接入控制柜通信總線可模擬車站終端，測試控制柜功能及各控制柜通信狀態(tài)；在車站調(diào)度室直接連接車站終端可模擬遠(yuǎn)程控制中心，測試車站終端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與命令執(zhí)行功能；在路局指揮中心接入車站終端通信線可模擬遠(yuǎn)程控制中心，測試車站終端功能及通信狀態(tài)。

2.4 系統(tǒng)性能

對于道岔融雪系統(tǒng)，其性能的評價指標(biāo)主要為控制系統(tǒng)容量和控制響應(yīng)時間。

傳統(tǒng)組態(tài)軟件受制于封閉的開發(fā)運(yùn)行平臺，無法進(jìn)行性能調(diào)優(yōu)；基于C++編寫的車站終端，由于指針等語言特性的存在，性能調(diào)優(yōu)難度較大且容易出現(xiàn)內(nèi)存泄露等情況。新版道岔融雪終端基于C#編寫，在充分利用C#面向?qū)ο?、異步、事件與委托、多線程、垃圾回收等語言特性[15]，對程序性能進(jìn)行了優(yōu)化，軟件直接運(yùn)行在Windows環(huán)境中，加上Oracle數(shù)據(jù)庫的配合，經(jīng)測試新型終端軟件在單站場控制柜數(shù)量達(dá)到30個時仍舊保持了良好的運(yùn)行狀態(tài)。如果控制柜全部采用新型控制柜(每個柜子最大可接入24路加熱電路)，系統(tǒng)容量可以滿足各種站場的規(guī)模。

另一方面，新型道岔融雪系統(tǒng)的遠(yuǎn)程中心與車站終端采用了自定義變長協(xié)議和TCP/IP通信方式，車站終端和控制柜間采用了自定義定長協(xié)議，采用此種設(shè)計后，每個獨立設(shè)備的全部數(shù)據(jù)都可通過一包數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，減少了輪詢次數(shù)，從而縮短了輪詢的總周期。下行設(shè)備可選類型范圍變得更廣，而不僅僅局限于組態(tài)軟件規(guī)定的幾種設(shè)備類型。協(xié)議格式全部從配置文件讀取，這樣也便于以后協(xié)議的拓展和修改。

2.5 控制可靠性與安全性

道岔融雪系統(tǒng)安裝在道岔附近的鋼軌上，與鐵路行車息息相關(guān)，因此設(shè)計其控制系統(tǒng)時，必須考慮其可靠性與安全性。

根據(jù)系統(tǒng)可靠性理論，可靠性是指系統(tǒng)無故障工作的能力。系統(tǒng)的高可靠性，是指系統(tǒng)在某一部分不能夠正常工作時，整個系統(tǒng)仍能完成正常功能。對于道岔融雪系統(tǒng)，其正常功能是將活動軌與基本軌間的積雪融化，保證道岔的密貼效果。為了保證道岔融雪系統(tǒng)的正常功能，主要進(jìn)行了以下優(yōu)化設(shè)計：軟件方面，由于采用了.Net框架托管的方式，相比于原有的組態(tài)或者C++，其故障率更低；硬件方面，除了保持原有的工業(yè)控制計算機(jī)和工業(yè)級的UPS、接觸器、漏電保護(hù)器等，還為加熱電路配備了雙路電源，為控制柜內(nèi)設(shè)備提供了兩塊加熱板，保證硬件的正常工作；控制結(jié)構(gòu)方面，控制柜間的通信連接采用了CAN環(huán)網(wǎng)而不是之前的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在某一控制柜通信故障時，不會影響其他控制柜的通信；控制柜應(yīng)急控制采用純硬件電路設(shè)計，在車站終端不能夠正常工作時，車站應(yīng)急按鈕按下，向控制柜輸出應(yīng)急控制信號直接驅(qū)動繼電器接通加熱電路進(jìn)行加熱；為防止啟動瞬間電路負(fù)載過高，在自動控制模式下由軟件加入延遲，應(yīng)急模式下由延時繼電器加入延遲；柜內(nèi)控制單元采用了單片機(jī)，單片機(jī)外部封裝全鋁外殼并灌膠，提高了單片機(jī)對惡劣環(huán)境的防護(hù)能力，柜內(nèi)控制只有單片機(jī)一級，相比之前型號的MCGS觸屏+PLC柜內(nèi)2級控制，在顯著降低成本的同時提高了控制可靠性和響應(yīng)速度；在控制柜內(nèi)設(shè)有手動-脫控-自動切換按鈕，保證在車站軟件及應(yīng)急均控制故障時，現(xiàn)場仍可打開控制柜直接用按鈕進(jìn)行啟動和停止加熱操作。

根據(jù)系統(tǒng)安全性理論，安全性是指系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時不發(fā)生事故的能力。當(dāng)系統(tǒng)的某一部分或某些部分出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍舊能夠保證人員和財產(chǎn)安全，這是系統(tǒng)安全性設(shè)計所要達(dá)到的目標(biāo)，即故障-安全設(shè)計理念。為提高道岔融雪系統(tǒng)的安全性，主要進(jìn)行了以下優(yōu)化設(shè)計：軟件方面，加強(qiáng)軟件運(yùn)行環(huán)境的安全防護(hù)，車站終端與控制柜間的通信采用串口方式，與遠(yuǎn)程控制中心間通過鐵路專網(wǎng)連接，與外部互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)完全的物理隔離，對危險端口進(jìn)行封閉處理，并安裝病毒防護(hù)軟件，軟件的各種關(guān)鍵操作都設(shè)有密碼防護(hù)；硬件方面除保持原有的絕緣和防漏電措施外，還在控制柜內(nèi)加轉(zhuǎn)了防雷設(shè)備，同時對加熱條進(jìn)行重新設(shè)計，保證其持續(xù)加熱時鋼軌溫度不超過60 ℃；控制結(jié)構(gòu)與邏輯方面變動較大，采用控制電路與加熱電路物理隔離的方式，由單片機(jī)驅(qū)動接觸器對加熱電路的通斷進(jìn)行控制，控制回路不受加熱電路電壓波動的影響；車站終端與單片機(jī)間采用指令-應(yīng)答的方式，車站終端定時向單片機(jī)發(fā)出運(yùn)行指令，單片機(jī)接收到指令后按指令參數(shù)工作，當(dāng)單片機(jī)10 min內(nèi)沒有收到車站終端的指令時，判斷為通信故障并將所有接觸器切斷，防止在手動加熱狀態(tài)下通信終端造成的持續(xù)加熱；遠(yuǎn)程控制中心與車站終端間采用權(quán)限交接機(jī)制，只有當(dāng)車站全部控制柜處于自動加熱狀態(tài)時，遠(yuǎn)程中心才能獲取該站控制權(quán)限，通信中斷后車站終端默認(rèn)獲取控制權(quán)限，且車站終端設(shè)有強(qiáng)制獲取權(quán)限按鈕，防止由遠(yuǎn)程控制中心設(shè)置為手動加熱后通信中斷造成的持續(xù)加熱[16]；每一路加熱電路單獨設(shè)置正常工作的電壓和電流值，超出正常范圍即觸發(fā)界面和語音報警，在一定時間內(nèi)未得到人工處理時，軟件自動將該路接觸器斷開。

3 結(jié)語

通過深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)并分析了現(xiàn)有道岔融雪系統(tǒng)存在的典型問題，并針對這些問題在不同方面提出了優(yōu)化設(shè)計方案。在原有型號的基礎(chǔ)上，對整個控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計，研發(fā)完成了TYDR-B型道岔融雪系統(tǒng)，該系統(tǒng)已于2017年初順利通過CRCC的高低溫、電磁兼容、防雷等各項實驗，驗證了設(shè)計的可行性，并取得了CRCC認(rèn)證。目前該系統(tǒng)在南昌西站、上饒站、北京和天津地鐵車輛段等多個站場得到了實踐的檢驗，應(yīng)用效果良好。

道岔融雪系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中的很多思想都可以應(yīng)用在同類設(shè)備的設(shè)計當(dāng)中，為鐵路設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計提供了很好的項目經(jīng)驗和參考。

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