一種新型計算機聯鎖道岔控制模塊方案研究

岳麗麗，王耀東

（蘭州交通大學，蘭州 730070）

鐵路信號控制系統(tǒng)經歷了由機械聯鎖，到電氣集中聯鎖，再到如今的計算機聯鎖的發(fā)展過程。當前主流的聯鎖產品為計算機聯鎖，即以現代計算機技術為核心的車站聯鎖實時控制系統(tǒng)。然而，由于種種原因，當前絕大多數計算機聯鎖產品用計算機實現了操作控制和核心聯鎖運算功能，而用于驅動和采集的接口部分仍然是采用了傳統(tǒng)電氣集中的繼電器電路，即信號接口電路中保留了YXJ、ZXJ、TXJ、LXJ、DXJ、LUXJ、ZCJ、DJ等，道岔接口電路中保留了DCJ、FCJ、DBJ、FBJ、YCJ等，軌道電路接口電路中保留了DGJ等。而繼電器電路又有其自身的缺點，主要表現在兩個方面：

（1）繼電電路可靠性差。繼電器的工作方式是通電的吸合方式，在接點接通和斷開的瞬間，產生火花和電弧容易使接電氧化；同時由于繼電器動作的機械磨損，會影響系統(tǒng)的可靠性，增加維護和檢修成本。

（2） 繼電電路造價高。聯鎖控制所用到的繼電器，不同型號的價格不同，但價格多在幾百甚至上千元。同時，繼電器接口電路會用到較多的電線電纜，工程造價較高。

因此，正如計算機聯鎖取代電氣集中聯鎖是車站信號控制的必然趨勢一樣，電子接口取代繼電接口將是計算機聯鎖發(fā)展的必然趨勢。本文以此為背景，主要研究計算機聯鎖接口的道岔控制模塊，對模塊的結構、軟硬件等進行設計。

1 聯鎖系統(tǒng)總體架構

1.1 道岔控制方案器件選型

近些年，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，一些相關科研單位和企業(yè)正在積極研發(fā)全電子計算機聯鎖系統(tǒng)并取得了一些科研成果，而且部分科研成果已經初步產業(yè)化。這些計算機聯鎖的電子接口，大多是基于單片機或可編程邏輯控制器（PLC），而本文介紹的聯鎖道岔控制模塊將用Arduino開發(fā)板實現。

Arduino是一款便捷靈活的開源電子開發(fā)平臺，包含了一塊單板的微控制器和一整套開發(fā)軟件。其硬件包含一個以Atmel AVR 單片機為核心的開發(fā)板，是配備了電源、接口、下載電路等外圍器件的最小系統(tǒng)板。軟件包括一個基于Eclipse的類似C語言、Java語言的開發(fā)環(huán)境和在開發(fā)板上運行的燒錄程序。Arduino系統(tǒng)區(qū)別于一般單片機系統(tǒng)的特點在于對硬件底層的控制代碼細節(jié)進行了封裝，用戶只需要使用Arduino的外圍接口就可以實現控制功能。

Arduino開發(fā)板的型號較多，如Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino Mega系列等，以Arduino Uno板為例，其處理器核心是ATmega328芯片，有14個數字I/O口，6個模擬I/O口，一個復位開關，支持ICSP下載，支持USB接口，如圖1所示。

圖1 Arduino Uno開發(fā)板結構圖

Arduino Uno板總體參數，如表1所示。

表1 Arduino Uno總體參數

1.2 聯鎖道岔控制方案總體架構

計算機聯鎖采用分布式結構，包含人機會話層、聯鎖層和執(zhí)行層3個層次。

（1）人機會話層的主要功能是人機交互，一方面接收車站值班員的進路辦理、解鎖、設備操縱等各種操作，形成操作命令，另一方面是接收來自聯鎖機的室外設備狀態(tài)數據，通過上位機的軟件形成圖形、圖像和聲音語音信息。

（2）聯鎖層是整個計算機聯鎖的核心，主要負責進行各種復雜的聯鎖運算，運算的結果將生成兩路數據，一路為表示信息，通過串口傳遞到上位機，另一路設備控制信息則傳遞給執(zhí)行層。

（3）執(zhí)行層負責對聯鎖層下達的操作命令的執(zhí)行和向聯鎖層采集室外設備的狀態(tài)信息。執(zhí)行層包含信號控制、道岔控制和軌道占用檢查3個子系統(tǒng)。本文專指道岔控制子系統(tǒng)。

所謂道岔控制電子模塊，就是取消了傳統(tǒng)接口的DCJ、FCJ、DBJ、FBJ、YCJ繼電器電路，用電子電路或單片機來實現室內外接口的數據采集和驅動控制。在控制器選型上，本方案選擇的是Arduino系列開發(fā)板中較為典型的Uno板。Arduino控制器在配置上采用雙機比較的冗余結構，其處理器通過總線與聯鎖機進行通信，向聯鎖機發(fā)送室外設備狀態(tài)數據，同時執(zhí)行聯鎖機對室外設備操作的控制命令。道岔控制的開關采用固態(tài)繼電器（SSR，Solid State Relays）。方案總體架構，如圖2所示。

圖2 聯鎖道岔控制方案總體架構圖

1.3 道岔控制單元安全機制

本文將從系統(tǒng)結構方面研究聯鎖道岔控制模塊的安全性問題，而對于底層硬件、數據存儲與傳輸及軟件方面的安全性問題不做討論。由下位機向執(zhí)行層傳遞的道岔控制命令為涉安信息，必須要對其進行安全性處理，以滿足故障—安全原則。道岔控制電子模塊總體設計為雙機冗余結構，采用2取2比較及診斷的安全機制，如圖2所示。聯鎖道岔控制模塊設2個處理器，分別接收來自聯鎖I系和聯鎖II系的道岔控制變量，該命令通過處理器運算輸出進行2取2表決，若比較結果為一致，則輸出道岔控制命令，若比較結果不一致，則可以斷定至少有一路運算發(fā)生了故障，立即以中斷的方式強制兩個處理器運行故障檢測模塊來定位故障。

這種安全機制的常態(tài)（即雙機均無故障的情況下）是2取2結構，系統(tǒng)運行速度快，在2取2輸出失敗后，才調用診斷模塊來檢測定位故障。因此，在滿足故障—安全原則的前提下，該機制同時具有運行速度快、能定位故障的優(yōu)點。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

2.1.1 道岔控制電路設計

道岔控制模塊用于控制各種型號的道岔，以四線制ZD-6型電動轉轍機為例。四線制轉轍機室內外連接導線有4根，其含義如下：

X1：定位操縱控制線和定位表示線；

X2：反位操縱控制線和反位表示線；

X3：定位表示、反位表示電路公用回線；

X4：定位操縱、反位操縱電路公用回線。

相應地，每組道岔有2個驅動量，分別是定位操縱DC和反位操縱FC，DC為1表示輸出道岔定位轉換的控制信號，FC為1表示輸出道岔反位轉換的控制信號。

道岔控制電路采用SSR作為道岔控制電路的控制開關。SSR是一種無觸點通斷電子開關，為四端有源器件。其中，兩個端口為輸出控制端，另外兩個端口為輸出控制端，在輸入端加上較小直流或脈沖信號，輸出端就能從關斷狀態(tài)轉變成導通狀態(tài)，從而控制較大負載。中間采用光電耦合器件，實現了輸入與輸出之間完全的電氣隔離。這種電子開關具有無打火、無抖動和回跳、電磁干擾小、開關速度快（＜200μs）、壽命長等優(yōu)點。

本設計控制器選用的是比較流行的Arduino Uno板。在工程應用中，根據實際站場驅動采集量的大小，可選用不同型號的Arduino 電路板，例如：Arduino Mega2560板的資源比Arduino Uno板豐富很多，它有54個數字I/O口（其中，14個可以提供PWM輸出），16個模擬I/O口，4對串行數據通信口。

Arduino Uno有14個數字I/O口，而道岔的控制量為DC和FC兩個量，采集量為DB和FB兩個量。每個控制量和采集量分別對應Arduino Uno的一個數字I/O端口，本設計中選擇了2、4、GND引腳作為四線制道岔控制信號的輸出口，7、8兩個端口作為四線制道岔表示狀態(tài)信息的輸入口，PWM及其他引腳作為提速道岔功能擴展預留端口。四線制道岔控制電路連接，如圖3所示。

道岔控制單元采用雙模冗余結構，每個道岔控制處理器分別接受來自聯鎖I系和聯鎖II系的道岔控制命令，并分別形成各自的道岔動作信號并進行比較，若系統(tǒng)正常，比較結果一致，則由主機（A機）發(fā)出相應的控制信號，置相應道岔所對應的數字I/O引腳為高電平，以控制SSR導通。SSR導通后接通信號電源屏供出的DZ220直流電，經過整流后接至四線制道岔電路的X1和 X2線，驅動道岔動作，Arduino板收到聯鎖機的定位操縱命令DC，則置引腳4為高電平，SSR2導通，X1接通DZ220電源電路，轉轍機執(zhí)行定位轉動的指令；若操作指令為反位操縱FC，引腳2置高電平，SSR1接通X2操縱DZ220電源電路，轉轍機執(zhí)行范圍轉動的指令。本方案一塊Arduino Uno板電路可以控制1組四線制ZD6型轉轍機動作。

2.1.2 道岔位置采集電路設計

道岔有定位、反位兩種正常狀態(tài)，故道岔數據采集模塊需要采集道岔的BD、FB兩個量，分別對應四線制道岔電路中的X1和X2表示線。另外，微機對道岔數據采集模塊需要實施監(jiān)督，故采集模塊還需要向聯鎖機發(fā)送自身工作狀態(tài)的量ZT，ZT=1說明該模塊正常工作，ZT=0則說明發(fā)生故障，此時系統(tǒng)應立即導向安全側。

本方案由降壓防護電路、隔離電路及Arduino Uno數據采集板構成道岔位置采集電路，如圖4所示。降壓防護電路一方面是對轉轍機表示電路X1和X2線電壓進行降壓處理，經調整生成占空比為1:1的50 Hz脈沖信號，在經過光電耦合電路，對計算機和外部電源進行隔離后接入Arduino Uno板相應的引腳。

圖4 道岔位置采集電路圖

2.2 軟件設計

道岔控制模塊軟件一方面對來自聯鎖機的控制命令進行接收和校驗，另一方對采集到的道岔表示信息進行編碼和發(fā)送。聯鎖機與道岔控制模塊之間的安全通信極其重要，通信通道采用雙通道方式，當兩路總線數據比較一致時才認為數據有效，否則應視為故障狀態(tài)。

方案中主控模塊的軟件在Arduino集成開發(fā)環(huán)境Arduino IDE下完成編碼。主程序上電初始化道岔控制模塊，運行自檢模塊，自檢模塊正常且兩路道岔控制命令一致，計時器清零，記錄道岔轉換時間，同時輸出道岔控制命令，即Arduino Uno板相應引腳輸出高電平，若發(fā)現異常立即停止輸出控制命令進行故障處理。驅動命令輸出后對道岔表示信息進行采集，道岔位置判定正確后回送給聯鎖機，若道岔轉換超時，給出報警信息并處理故障。道岔控制主流程圖，如圖5所示。

圖5 道岔主控流程圖

3 結束語

車站信號自動控制系統(tǒng)是保障鐵路安全運營的核心設備，而電子化聯鎖控制系統(tǒng)則是車站信號控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。本文提出了一種采用Arduino系統(tǒng)開發(fā)板作為核心控制器件的道岔控制方案，重點設計了道岔控制模塊、表示采集模塊和軟件模塊，該方案的可靠性和安全性尚需要進一步測試和檢驗。本方案為鐵路信號計算機聯鎖電子接口領域的研究提供了新思路。