基于可编程序控制器的CHEC K 方式闭塞子系统

摘　要　针对城市轨道交通信号系统的特点,研制了CHECK 方式的列车运行控制系统。该系统包括CHECK 方式调度监督子系统、CHECK 方式闭塞子系统和CHECK 方式联锁系统。提出了一种基于可编程序控制器(PLC) 的CHECK 方式闭塞子系统,并就其安全性、可靠性进行了论述。

关键词　列车自动控制系统,信号系统,区间闭塞,可编程序控制器,CHECK 方式

长期以来,我国城市轨道交通信号技术基本以引进国外先进的列车自动控制系统为主,尚未形成完整的国产系统。利用国外城市轨道交通信号技术的成功经验,结合我国城市轨道交通的特点和需要自行研究开发信号系统设备,是我国城市轨道交通信号技术发展的方向,也是降低造价、发展城市轨道交通的有效方式。
由此,我们提出了一种基于CHECK 方式的列车运行控制系统[ 1 ] 。CHECK 方式的列车运行控制系统包括:以无线通信技术替代传统的轨道电路来检测列车;基于可编程控制器(PLC) 的闭塞系统完成区间的闭塞;应用高性能的工业计算机,结合网络技术实现全线的调度监督。本文主要研究基于PLC 的CHECK 方式闭塞系统, 并采用OM2 RON 公司CPM2A 系列的PLC 来实现。
1 　CHEC K 方式列车控制系统的结构和原理
　　CHECK 方式列车控制系统利用射频通信器读取列车头部和尾部安装的非接触式智能标签中的数据信息,以此来判断列车到达和出清;利用射频通信器输出的列车进、出站信息以及前后站占用情况实现区间闭塞;利用CAN 总线以及高性能工业计算机实现全线调度监督。图1 为系统原理图[1 ] 。

图1 　基于Check 方式的列车运行控制系统原理框图
当甲站通信器收到列车1 的尾标签(Out) 信息时,表明列车已驶离甲站,Out 信息结合本站的In 信息,符合逻辑条件时向下一站发送列车出清信息,甲站信号机(SF) 自动关闭,区间闭塞。乙站的通信器B 检测到列车1 的头标签后,将收到的列车信息进行相应的处理,以判断是否已符合逻辑条件(即本站收到的In 信息与上一站传送来的In 信息相比较,相同则条件满足),满足条件表明列车完整到达。当列车出发收到Out 信息后向下一站发送本站的In 信息,如果列车1 的尾部驶离了乙站,当乙站通信器收到列车1 尾标签的Out 信息再结合In 信息,区间可以复原。各站检知的列车In 、Out 信息都实时地通过通信器之间的通道传送到下一站的通信器;前方通信器利用后方传送来的信息(或从中心巡检时转发来的信息) 进行相应的比较运算,控制相应的In 、Out 电路动作。中央主机通过CAN 总线轮检各站通信器,当通信器发现主机轮检到自己时,就传送Chec K In 、Check Out 信息, 以及与前方通信器通信出现故障时的报告,并请求控制主机转发信息给前方通信器。中央主机根据各通信器采集到的数据实时监督列车的运行,同时将车次号发给各站控制车次号显示的模块,并下发到各站自动广播系统,使其广播相应的内容。这种控制列车运行的系统称为基于CHECK 方式的列车运行控制系统。
2 　基于PLC 闭塞系统的分析与设计
2. 1 　闭塞系统原理
为确保列车安全运行,一个区间只允许一列车运行,这种按空间间隔控制的行车技术称为闭塞。列车一旦被允许进入区间(区间开通),在该列车未出清区间之前,这一区间就处于关闭的状态(区间闭塞),不再允许其它列车进入。列车占有区间,必须给予一定的行车凭证。区间行车安全就是借这种行车凭证的取得、传递与收回来保证的。
以图1 为例,发车站(甲站) 车站值班员按压发车按钮,现场的列车出发检知部件(对应站射频通信器) 检测到列车的尾标签(Out) 后发出列车出发信息(Out 信息),使区间闭塞,此时系统向接车站发出通知出发信息;接车站(乙站) 收到通知出发信息,在列车到达接车站(此时现场的列车接车检知部件收到In 信息) 后向发车站发送列车到达信息。当接车站检测到列车的尾标签(Out) 信息后(即列车从原来的接车站出发),接车站的车站值班员可以按压复原按钮向发车站发送复原信息表明区间可以复原。如此就完成了一次区间的闭塞-还原。
2. 2 　系统接口分析
从闭塞系统原理可知,系统各部件之间的逻辑关系是相当复杂的。一个部件的动作条件,既有赖于本站其它部件的状态,还有赖于上一站和下一站传送来的信息以及现场信息。在构建基于PLC 的闭塞系统时,需从接收和发送两种接口加以分析。
在发车站,接收端口有:接收发车按钮信息的端口;列车尾标签信息的接收端口;接收列车到达下一站的通知信息的接口;接收区间复原信息的端口;接收取消复原时现场信息的端口;接收办理取消复原时闭塞按钮信息的端口。发送端口有:控制发车表示灯红、黄、绿灯的三个端口;控制出站信号的端口;发送列车出发脉冲的端口。因此,发车站对外的接口共有11 个,在PLC 的编程中分别对其进行定义,以“A”打头,表明该端口属于发车站。

在接车站,接收端口有:接收列车从上一站出发时发送的出发正脉冲的端口;接收In 信息的端口;接收正常复原时复原按钮信息的端口;接收事故按钮信息的端口。发送端口有:控制电铃的端口;控制接车表示灯红、黄灯的两个端口;列车到达时发送脉冲的端口;复原时发送脉冲的端口。在PLC 中分别加以定义,以“B”打头,表明该端口属于接车站。
一个站内的闭塞系统同时具有发车和接车的功能,因此将PLC 分成发车模块和接车模块。由上分析,对外接口的输入点数为11 , 输出点数为10 。因此,选用输入点数为18 , 输出点数为12 , 型号为CPM2A -30CDT 系列的PLC 就可以完成所需的功能。
2. 3 　系统设计与实现
本系统采用新设备、新技术,主要完成区间闭塞功能,并具有良好的可扩展性。其总体框架如图2 , 实现框架如图3 。

图2 　CHECK 方式中基于PLC 的闭塞

图3 　基于PLC 闭塞系统的实现框架
根据闭塞系统原理和系统接口分析,可抽象出闭塞系统的逻辑关系。在PLC 中针对部件逻辑关系的需要设置内部标志。对于具有缓放功能的继电器,通过设立特殊内部标志并使用时钟来控制其状态的延缓转换。这样做,可以精确地确定延缓状态转换的时间,又可以灵活方便地改变延缓转换的时间,以满足不同线路中状态延缓改变的要求。其流程图如图4(以A DELA YKT 为假时的状态延缓转换为例) 。其中:A DELA YKT 具有在满足使该标志由真转为假的情况下延迟状态转换功能的特殊内部标志;A BSFLA G 用于表示区间的闭塞情况,当区间闭塞时该标志位为假,区间开放时为真。
当车站值班员按压发车按钮(A SETHANDL E 为真) ,A DELA YKT 转换为真,这时先判断区间是否处于闭塞状态。如果区间开放则启动定时器,否则进一步判断发车按钮是否松开(A SETHANDL E 为假) 。若已松开,则再进一步判断车站值班员是否按压取消复原按钮(其标志位为A CANCELBSB TN) ; 若没有按压(A CAN2 CELBSB TN 为假),则也需要启动定时器。
根据抽象出的逻辑关系及制定的一系列规则, 利用PLC 的编程工具便可编制出目标程序,并在测试中不断加以调整,以求达到最佳状态。

图4 　A DELA YKT 为假时状态延缓转换流程图
3 　系统可靠性、安全性分析
在CHECK 方式列车运行控制系统中,由基于PLC 的闭塞系统和联锁系统、调度监督系统共同确保列车的安全运行。任何一个系统的不安全因素都有可能危及到列车的行车安全。基于PLC 的闭塞系统充分考虑了系统安全性、可靠性的要求。
首先,可编程序控制器是专门用于工程现场的自动控制设备,在设计和制造过程中采取了抗干扰措施,稳定性和可靠性较高。如PLC 具有很强的自诊断功能,保证在“硬核”(如CPU 、RAM 、I/ O 总线等) 都正常的情况下才执行用户的控制程序。一旦CPU 、RAM 或I/ O 总线出现故障则立即给出信号,并停止用户程序的执行,等待修复。
其次,PLC 的输入、输出都采用了光电隔离, 在工艺上也加强了抗干扰措施,抗干扰性能好。
再次,在成本允许的情况下,可以采用具有双机冗余的高档PLC(高档PLC 加入了更多的安全控制技术),来进一步加强PLC 工作的可靠性。从实践来看,用可编程序控制器实现的自动控制工程稳定可靠。
最后,在基于PLC 闭塞系统的设计中,吸取了原有系统在安全性方面的成功经验,在执行部件上采用安全性继电器辅助PLC 控制的方式。如此当PLC 在软件或硬件上出现故障时(此时PLC 输出全部为OFF) ,都能实现故障导向安全,进一步加强了基于PLC 闭塞系统的安全性可靠性。
4 　结语
上述介绍的一种构建于CHECK 方式基础上基于PLC 的闭塞子系统,结合已投入实际运行中的CHEC K 方 式联锁系统和调度监督系统,共同构成了完整的CHECK 方式列车控制运行系统。在该系统中加入速度信息环线就可以构成完整的CHECK 方式列车自动控制系统,从而为列车自动控制系统的国产化开辟一种新的思路。

参　考　文　献
1 　钟建娟,徐金祥. CHECK 方式列车运行控制系统. 城市轨道交通研究,2001 ,(1) :26
2 　郑宇轩,陈永生. CHECK 方式调度监督子系统的设计与实现. 城市轨道交通研究,2001 ,(1) :59
3 　郎宗炎等. 现代铁路信号技术. 成都:西南交通大学出版社,1998. 406～441
4 　赵志熙. 车站信号控制系统. 北京:中国铁道出版社,1999. 37～142
5 　OMRON CPM2A Programmable controllers operation Mannual. 1999