全電子模塊化計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

蒙 浩

0 引言

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是軌道交通的重要控制系統(tǒng)，早期基于傳統(tǒng)繼電器接口的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)存在配線復(fù)雜、占地空間大、安全性低、維護(hù)難度大等缺點(diǎn)[1]。為解決這些問題，基于新的電子技術(shù)研發(fā)的全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[2]。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用智能電子化的模塊取代原有的采集驅(qū)動(dòng)單元和大量繼電器。由于避免了繼電電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接線、焊點(diǎn)數(shù)量多導(dǎo)致抗干擾能力弱等問題，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和安全性，已經(jīng)逐步成為軌道交通的主流控制系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)與全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

圖1所示為計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，左圖為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，其主要部分包括人機(jī)對(duì)話、聯(lián)鎖運(yùn)算、采驅(qū)模塊、接口和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。人機(jī)對(duì)話層的任務(wù)是進(jìn)行人機(jī)交互，并通過聯(lián)鎖系統(tǒng)判斷故障。聯(lián)鎖運(yùn)算層主要進(jìn)行狀態(tài)信息和操作指令接收、控制指令輸出和聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算。采驅(qū)模塊利用采集電路實(shí)時(shí)獲取組合架繼電器的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電路則負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)組合架繼電器工作。通過接口配線，接口層實(shí)現(xiàn)采集電路及驅(qū)動(dòng)電路與相應(yīng)繼電器連接。

圖1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的技術(shù)核心是計(jì)算機(jī)控制，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)需要使用繼電器，計(jì)算機(jī)控制聯(lián)鎖電路時(shí)，繼電器和聯(lián)鎖電路的連接、繼電器內(nèi)部的電路連接需要通過人工配線完成，存在較多接口和焊點(diǎn)，因此在工作中容易出現(xiàn)各種故障。同時(shí)，由于電路走線較為復(fù)雜，給維修帶來了極大的難度。

1.2 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)

經(jīng)過多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的軟件、硬件已經(jīng)非常成熟穩(wěn)定，在軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)中已大量應(yīng)用。為了避免早期通信技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)的缺點(diǎn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，國外車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)已開始逐步取消了繼電器的接口控制方式，直接采用電子執(zhí)行單元。通過圖1左圖和右圖的對(duì)比可知，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)采用智能電子化的模塊取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的繼電器等采驅(qū)模塊中的電器元件，從而避免了使用大量繼電器和驅(qū)動(dòng)采集單元結(jié)合電路，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖設(shè)備直接對(duì)室外信號(hào)設(shè)備的控制、采集、監(jiān)控。與傳統(tǒng)繼電器接口的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)相比，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)不僅配線簡(jiǎn)單、占地空間小，還具有便于維護(hù)的特點(diǎn)。

為保證軌道交通運(yùn)輸?shù)陌踩c穩(wěn)定，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使用體積小、功能強(qiáng)的模塊化電子單元，便于組網(wǎng)及遠(yuǎn)程管理和診斷，節(jié)省在線更換和系統(tǒng)維護(hù)的時(shí)間。

2 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的構(gòu)成與功能

2.1 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的構(gòu)成

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)采用模塊化的電子元件，通過工業(yè)控制技術(shù)的應(yīng)用，全面取消繼電器的使用，控制軌道電路、信號(hào)機(jī)的電路由相應(yīng)的功能模塊取代。功能模塊可實(shí)現(xiàn)熱插拔，具有較為完善的自診斷功能，出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)顯示故障。該系統(tǒng)使用插接電纜連接機(jī)柜和分線柜，大幅降低了施工現(xiàn)場(chǎng)接線口的數(shù)量。全電子系統(tǒng)在維修過程中，針對(duì)發(fā)生故障的模塊，若是硬件導(dǎo)致的故障，則可直接更換模塊，方便維修。

軟件構(gòu)成方面，聯(lián)鎖軟件可以采用模塊化編程方式，將某個(gè)功能封裝成一個(gè)函數(shù)，根據(jù)需要將程序的功能模塊進(jìn)行組裝，模塊之間通過變量值的傳遞實(shí)現(xiàn)信息通信。技術(shù)員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要對(duì)聯(lián)鎖軟件進(jìn)行調(diào)試或重新組裝功能模塊，解決程序運(yùn)行過程中存在的各種問題。同時(shí)用戶可以利用輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，輸入必要的參數(shù)后自動(dòng)生成聯(lián)鎖程序，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)，大幅降低了人為失誤。

2.2 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要功能

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要功能是保障列車行駛過程中信號(hào)機(jī)、道岔和軌道電路之間聯(lián)鎖的正確與穩(wěn)定。主要功能包括：（1）設(shè)備正常時(shí)，正確完成列車進(jìn)路的聯(lián)鎖功能；設(shè)備異常時(shí)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路和總閉鎖的引導(dǎo)。（2）辦理調(diào)車進(jìn)路時(shí)，可以一次性辦理多條基本進(jìn)路，也可以分段辦理。（3）進(jìn)行敵對(duì)關(guān)系、空閑區(qū)段檢查時(shí)，確保岔道位置正確、不允許敵對(duì)進(jìn)路同時(shí)開放信號(hào)。（4）信號(hào)關(guān)閉功能，包括正常和特殊的關(guān)閉，能夠防止人工或自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)重復(fù)開放。（5）進(jìn)路解鎖功能，不僅具備進(jìn)路的中途返回、人工和自動(dòng)解鎖功能，還具備取消進(jìn)路解鎖功能。（6）單獨(dú)操作道岔功能。

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)具有靈活多樣的系統(tǒng)組態(tài)，包括人機(jī)會(huì)話層、聯(lián)鎖機(jī)和IO執(zhí)行模塊。各層之間使用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，可以實(shí)現(xiàn)二乘二取二等聯(lián)鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在不增加設(shè)備的情況下，監(jiān)測(cè)室內(nèi)和室外的設(shè)備工作狀態(tài)及參數(shù)。系統(tǒng)具備較大的存儲(chǔ)空間，能夠記錄并存儲(chǔ)較長時(shí)間的監(jiān)控信息（包括系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)、列車的作業(yè)辦理、道岔和軌道電路等設(shè)備的狀態(tài)等），可以根據(jù)存儲(chǔ)的信息進(jìn)行回放，有助于發(fā)生故障時(shí)的原因查找與分析。同時(shí)系統(tǒng)采用軟件雙編碼或回讀等手段，能夠自動(dòng)診斷故障原因及定位發(fā)生故障的模塊。系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)設(shè)備的具體狀態(tài)和操作情況，通過網(wǎng)絡(luò)建立遠(yuǎn)程聯(lián)系，技術(shù)人員能夠遠(yuǎn)程調(diào)用記錄的信息，獲得監(jiān)測(cè)報(bào)告和系統(tǒng)故障分析報(bào)告等資料，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)與診斷。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)可以與調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)整個(gè)站場(chǎng)之間的信息連通與共享，達(dá)到多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的目的。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的輸入和輸出的IO模塊包括兩套電路，即采取二取二的模式，確保聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)生局部故障時(shí)最大限度地保證設(shè)備安全運(yùn)行，使故障最大限度地被弱化。

2.3 全電子聯(lián)鎖電子執(zhí)行單元

以DS6-60e全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)為例，其支持的執(zhí)行模塊包括信號(hào)機(jī)、道岔、通用輸入/輸出和軌道電路4種模塊，如表1所示。

表1 DS6-60e系統(tǒng)的執(zhí)行模塊

2.4 全電子聯(lián)鎖信號(hào)機(jī)模塊

信號(hào)機(jī)模塊分為交流信號(hào)機(jī)模塊（ASU）和直流信號(hào)機(jī)模塊（DSU）。信號(hào)機(jī)模塊成對(duì)安裝于信號(hào)機(jī)機(jī)籠內(nèi)，機(jī)籠推薦采用6U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)籠。

機(jī)籠及模塊規(guī)格推薦：每個(gè)機(jī)籠內(nèi)最多可控制4對(duì)信號(hào)機(jī)模塊，每對(duì)模塊都有Ⅰ系和Ⅱ系，工作時(shí)區(qū)分為主備系；每對(duì)模塊最多可控制4架信號(hào)機(jī)和8個(gè)燈位，同一信號(hào)機(jī)燈位原則上不允許跨模塊配置，模塊信號(hào)機(jī)燈位順序須按實(shí)際情況從上到下排列。以ASU機(jī)籠為例，信號(hào)機(jī)模塊機(jī)籠結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信號(hào)機(jī)模塊正視網(wǎng)圖

機(jī)籠背面安裝了2塊配置板，分為Ⅰ系和Ⅱ系，還安裝有交流/直流信號(hào)機(jī)端子板及電源端子板。信號(hào)機(jī)模塊機(jī)籠支持交流110 V和交流220 V供電，兩種電源通用電源端子板上的驅(qū)動(dòng)電接口（每個(gè)機(jī)籠配置兩系驅(qū)動(dòng)電源），分別為Ⅰ系的4個(gè)信號(hào)機(jī)模塊板卡和Ⅱ系4個(gè)信號(hào)機(jī)模塊板卡供電。機(jī)籠背面如圖3所示。

圖3 信號(hào)機(jī)模塊背視網(wǎng)圖

2.5 全電子聯(lián)鎖道岔模塊

道岔模塊分為交流道岔模塊（APU）和直流道岔模塊（DPU），道岔模塊成對(duì)安裝于道岔機(jī)籠內(nèi)，機(jī)籠為19英寸6U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)籠。道岔模塊機(jī)籠結(jié)構(gòu)與信號(hào)機(jī)模塊機(jī)籠結(jié)構(gòu)完全一致。

機(jī)籠及模塊規(guī)格推薦：每個(gè)機(jī)籠內(nèi)最多可安裝4對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊，每對(duì)模塊同信號(hào)機(jī)模塊也為雙系，工作時(shí)區(qū)分為主備系；每對(duì)模塊可以控制2架交流轉(zhuǎn)轍機(jī)或2組單機(jī)雙動(dòng)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)，單機(jī)雙動(dòng)或雙機(jī)單動(dòng)道岔原則上不允許跨模塊配置。

2.6 全電子聯(lián)鎖通用輸入輸出模塊

通用輸入輸出機(jī)籠內(nèi)安裝通用輸出模塊GOU和通用輸入模塊GIU，實(shí)現(xiàn)安全繼電器直接控制和狀態(tài)采集。通用輸入、輸出模塊成對(duì)安裝于通用輸入輸出機(jī)籠內(nèi)，機(jī)籠推薦為19英寸6U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)籠。

機(jī)籠及模塊規(guī)格推薦：機(jī)籠內(nèi)最大可以安裝4對(duì)通用輸入或輸出模塊，每對(duì)模塊具備Ⅰ系和Ⅱ系，工作時(shí)區(qū)分為主備系，機(jī)籠中可以單獨(dú)安裝其中1種或同時(shí)安裝2種模塊；每對(duì)輸出模塊可以驅(qū)動(dòng)24路安全繼電器，每對(duì)輸入模塊可以采集24路信息。

2.7 全電子聯(lián)鎖軌道電路模塊

軌道電路模塊機(jī)籠內(nèi)最大可以安裝2對(duì)軌道電路接收模塊，每對(duì)模塊互為Ⅰ系和Ⅱ系，工作時(shí)雙系并行工作，每對(duì)模塊可以接收12路信號(hào)。

2.8 聯(lián)鎖邏輯部

全電子聯(lián)鎖60e系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯部與60系統(tǒng)在板卡配置上有所區(qū)別，由2塊以太網(wǎng)通信板代替了傳統(tǒng)60系統(tǒng)的3塊ARCNET通信接口板及本地IO遠(yuǎn)程通信接口板。聯(lián)鎖邏輯部由雙系組成，工作方式為并行主從系統(tǒng)，根據(jù)開機(jī)順序，首先投入運(yùn)行的為主系，后投入的為從系。在運(yùn)行中，從系與主系保持同步，如果其中一系發(fā)生故障，按故障程度不同降級(jí)為待機(jī)或退出運(yùn)行，另一系自動(dòng)升為主系，維持系統(tǒng)控制功能。

60e系統(tǒng)邏輯部的單系最小系統(tǒng)如圖4所示，由5塊板卡組成，分別為邏輯部電源板、邏輯部主板、雙機(jī)通信接口板、以太網(wǎng)通信接口板1（負(fù)責(zé)與全電子執(zhí)行模塊的通信）、以太網(wǎng)通信板2（負(fù)責(zé)與控顯機(jī)、監(jiān)測(cè)機(jī)的通信）。60e應(yīng)用于CBTC2.0系統(tǒng)后，正線一級(jí)設(shè)備集中站一般還需增加3塊以太網(wǎng)板，分別負(fù)責(zé)與ZC/站間CI通信、與LEU通信、與VOBC通信。邏輯部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DS6-60e邏輯部配置（CBTC2.0系統(tǒng)）

聯(lián)鎖邏輯部由Ⅰ系邏輯部機(jī)籠、Ⅱ系邏輯部機(jī)籠組成。機(jī)籠推薦使用標(biāo)準(zhǔn)6U機(jī)箱，機(jī)柜推薦使用19英寸機(jī)柜。機(jī)箱采用總線式結(jié)構(gòu)，各模板通過底板總線連接通信，完成信息的采集。

3 全電子聯(lián)鎖機(jī)柜

3.1 一級(jí)設(shè)備集中站

一級(jí)設(shè)備集中站的DS6-60e計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)硬件設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)配置為3個(gè)及以上19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，分別為綜合柜、主機(jī)柜、模塊柜。以上走線為例，機(jī)柜正面布局如圖5所示。

圖5 DS6-60e聯(lián)鎖系統(tǒng)機(jī)柜正面布置示意圖（上走線）

機(jī)柜內(nèi)模塊配置：

（1）綜合柜：控制顯示A/B機(jī)、維護(hù)終端顯示器、接口電源和邏輯電源。

（2）主機(jī)柜：邏輯部Ⅰ系和Ⅱ系、電子模塊機(jī)籠、交換機(jī)。

（3）模塊柜：電子模塊機(jī)籠、邏輯電源、交換機(jī)。

3.2 二級(jí)設(shè)備集中站

二級(jí)設(shè)備集中站的作用是為了如需擴(kuò)展一級(jí)設(shè)備集中站聯(lián)鎖設(shè)備的控制范圍，可在二級(jí)設(shè)備集中站設(shè)置相應(yīng)聯(lián)鎖設(shè)備。

與傳統(tǒng)聯(lián)鎖不同，一級(jí)設(shè)備集中站與二級(jí)設(shè)備集中站IO采用遠(yuǎn)程通信單元交換控制命令，一級(jí)設(shè)備集中站具有一定的邏輯運(yùn)算能力。全電子聯(lián)鎖二級(jí)設(shè)備集中站的聯(lián)鎖設(shè)備不具有邏輯運(yùn)算能力，僅需執(zhí)行一級(jí)設(shè)備集中站邏輯部下發(fā)的命令。

3.3 模塊柜的電源配置

小型車站（無模塊柜）電源推薦配置：邏輯電源（20 A）、接口電源（10 A）。中型車站（1個(gè)模塊柜）電源配置：邏輯電源（40 A）、接口電源（10 A）。大型車站電源配置：邏輯電源（40 A）、接口電源（10 A）。各型車站電源模塊均設(shè)置于綜合柜。

4 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）自動(dòng)化程度高，聯(lián)鎖設(shè)備自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的指令，從傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)的人工控制轉(zhuǎn)向了自動(dòng)化控制；系統(tǒng)能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)故障并定位故障位置，維修人員可以直接更換相應(yīng)的功能模塊實(shí)現(xiàn)快速維修。（2）靈活方便、故障率低，聯(lián)鎖區(qū)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)站場(chǎng)布置靈活改變參數(shù)，每個(gè)功能模塊體積小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能模塊能夠自行診斷故障，從而不影響其他模塊的運(yùn)行，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。（3）節(jié)省投資和工期，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，具有遠(yuǎn)程操作能力，能夠輕松實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)鎖；進(jìn)行了功能模塊化設(shè)計(jì)，施工過程中減少了的焊接等操作，縮短了工期。

與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)相比，全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)具有顯著優(yōu)點(diǎn)，但存在以下缺點(diǎn)：質(zhì)量控制不足，由于制造工藝存在不足，整體封裝的功能化模塊降低了透明度，需要保證模塊具有較高的生產(chǎn)質(zhì)量；執(zhí)行穩(wěn)定性不夠，系統(tǒng)的執(zhí)行未設(shè)置冗余，為提高穩(wěn)定性，可以考慮使用實(shí)時(shí)在線的+1系統(tǒng)。

4.1 與傳統(tǒng)聯(lián)鎖設(shè)備數(shù)量相比較

以某線正線車站為例，進(jìn)行傳統(tǒng)聯(lián)鎖與全電子聯(lián)鎖空間利用對(duì)比。該正線車站設(shè)備數(shù)量：信號(hào)機(jī)35架、轉(zhuǎn)轍機(jī)25臺(tái)、軌道區(qū)段54個(gè)。

（1）機(jī)柜數(shù)量：全電子聯(lián)鎖相比于傳統(tǒng)聯(lián)鎖機(jī)柜數(shù)量減少9個(gè)，節(jié)省近60%。

（2）房間面積：全電子聯(lián)鎖相比于傳統(tǒng)聯(lián)鎖房屋面積節(jié)省近30%。

4.2 零散設(shè)備控制

目前，城市軌道交通中使用全電子聯(lián)鎖設(shè)備后，對(duì)于計(jì)軸設(shè)備控制與采集、與站臺(tái)門接口、緊急關(guān)閉按鈕、扣車按鈕、站臺(tái)開關(guān)門按鈕、人員防護(hù)開關(guān)等零散設(shè)備電路，仍需使用繼電器接口電路進(jìn)行室內(nèi)外控制及信息采集。但重力型繼電器體積大、質(zhì)量重、安裝空間要求大，不適應(yīng)全電子聯(lián)鎖設(shè)備小型化、集成化要求。因此，根據(jù)全電子聯(lián)鎖通用輸入輸出模塊安全應(yīng)用條件、繼電器安全原理旨在將控制零散電路的繼電器小型化，選取小型化歐標(biāo)安全繼電器替代原重力型繼電器。

5 結(jié)語

全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通過采用功能化模塊，避免了傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)大量使用繼電器的弊端，具有自動(dòng)化程度高、占地小、靈活方便、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)設(shè)備制造應(yīng)提高制造工藝和執(zhí)行穩(wěn)定性，使全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)更加完善，從而提升工作穩(wěn)定性和效率。