鐵路信號計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)設計與優(yōu)化

1、鐵路信號計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)設計與優(yōu)化隨著鐵路運輸行業(yè)迅猛發(fā)展，原先的車站鐵路信號聯(lián)鎖裝置已無法適應鐵路信號對可靠性與安全性的更高要求。就技術方面而言，鐵路信號系統(tǒng)經歷了機械聯(lián)鎖和電氣聯(lián)鎖等兩個階段，目前鐵路干線上所使用的聯(lián)鎖系統(tǒng)絕大多數以計算機為核心構成了計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。一、鐵路信號計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能要求分析1、根據鐵路干線特點設計聯(lián)鎖系統(tǒng)由于計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的綜合性能遠遠超過繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)，因此車站聯(lián)鎖系統(tǒng)由繼電裝置向計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)轉化已成為一種不可扭轉的趨勢。具體來說計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表現在適時性、安全性、可靠性、可維護性及性價比等若干方面。計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是利用目前已有的工業(yè)控制計算機，研

2、制一套專用的硬件與軟件系統(tǒng)實現信號、進路與道岔間的聯(lián)鎖關系，因此它實質上是一個滿足故障-安全信號原則的聯(lián)鎖邏輯運算系統(tǒng)，計算機在系統(tǒng)中的作用是將操作命令與現場各種輸入的表示信息讀入，再根據計算機內部狀態(tài)等條件進行邏輯運算，判斷后輸出控制信息至執(zhí)行機構，實現多變量數字輸入和多變量數字輸出這樣一個復雜傳遞函數的變換。2、聯(lián)鎖系統(tǒng)的優(yōu)化策略聯(lián)鎖系統(tǒng)必須不失時機地采集到輸入變量的變化情況，及時刷新站場各類表示信息，及時輸出道岔和信號的控制命令，而且對涉及安全（危險側）的控制命令必須以具有故障安全特征的形式輸出。（1）確?？煽啃耘c故障安全性信號聯(lián)鎖系統(tǒng)是一種實時控制系統(tǒng)，它必須是高可靠的，具體來說，對計

3、算機聯(lián)鎖系統(tǒng)而言必須解決二個主要問題。一個是系統(tǒng)內信息傳遞的可靠性與安全性：鑒于工業(yè)計算機自身不具備故障安全特性，因此系統(tǒng)內傳遞的信息也不具備安全性，受各種干擾、輻射以及各類故障的影響，信息畸變在所難免，從而造成邏輯運算錯誤而可能引發(fā)危險側輸出。另一個是系統(tǒng)內信息變換及邏輯運算的安全性：就聯(lián)鎖程序而言，無論設計調試方法多么嚴密也很難排除所有隱含的缺陷，這就要求必須引入避錯及容錯機制使故障形成的危險側運算結果輸出的概率達到規(guī)定的要求。（2）優(yōu)化結構模塊化與標準化，提高經濟型鐵路站場的規(guī)模與作業(yè)需求不盡相同，因而無論是硬件還是軟件都必須具有模塊化結構特征，硬件模塊化、軟件真正實現程序、數據的有效分

4、離。計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)取代繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)的另外一個重要原因是為了降低系統(tǒng)費用成本，一般來說系統(tǒng)費用表現在設計、制作、施工、調試以及建筑費用上，因此計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)必須在以上若干方面充分顯示其優(yōu)勢。三、總體設計方案與關鍵技術在分析了計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能特點以及對故障安全性的特殊要求基礎上，提出了適合于企業(yè)自備鐵路使用的系統(tǒng)體系結構并實際運用于自備鐵路站場。1、系統(tǒng)結構與工作原理從結構來看該系統(tǒng)屬于二級集散式控制系統(tǒng)，突破了原有的集中式信號系統(tǒng)模式，具有模塊化、層次化等特點。這種結構的優(yōu)點在于可根據車站規(guī)模的大小、作業(yè)需求的不同，在不改變聯(lián)鎖軟件的基礎上通過修改站場靜態(tài)數據并增設相應硬件模塊，即可滿足系統(tǒng)

5、的擴容要求，先進的控制體系結構結合工藝設計使得系統(tǒng)調試周期與現場施工、開通周期均大為縮短，具有很好的經濟與實用性。（1）聯(lián)鎖運算層聯(lián)鎖微機是系統(tǒng)的核心部分，承擔著操作輸入的判別、聯(lián)鎖信號的調理及分析、邏輯運算、控制命令生成、故障診斷等任務，其可靠性、安全性對系統(tǒng)的總體故障安全性能有較大影響，聯(lián)鎖系統(tǒng)中設置了兩臺聯(lián)鎖微機，其中一臺為冷備機，可進行人工切換。（2）復核驅動層復核驅動層由PLC組成，其承擔著采集表示信息并將聯(lián)鎖微機下達的操作命令轉化為故障安全的控制信號的任務，作為系統(tǒng)安全性設計的重要環(huán)節(jié)之一，PLC還承擔著對聯(lián)鎖微機形成的操作命令進行復核檢查的屏障作用。2、可靠性及故障安全設計目前，

6、國內外進行高可靠系統(tǒng)的容錯設計多采用三模靜態(tài)冗余方案或二模動態(tài)冗余方案。特點是對硬件故障具有較強的屏蔽與糾錯能力。目前這二類系統(tǒng)的可靠性計算都是在設定表決器或冗余管理機構的可靠度R(t)=1的基礎上進行的。在鐵路信號領域，由于行車安全被認為是超過效率的重要考慮，因此相應對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性與安全性要求很高，針對這種情況，可以有二種方式供我們在設計中進行選擇。其一是強化系統(tǒng)的可靠性設計，這是基于可靠性理論包含了系統(tǒng)故障的屏蔽效應，因而用高可靠性換取系統(tǒng)的低故障率，以此隱含了對安全性的相對提升。但可靠性技術總是受一定的條件所限制，如硬件冗余資源使用、采用高可靠器件等，這完全取決于系統(tǒng)的可靠性要

7、求及財力許可。其次我們可以基于這樣一個思路來考慮問題：如果計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)在保證一定可靠性要求基礎上并結合故障安全技術來得以實現，實質上也就是說犧牲少量的效率來避免昂貴的成本并換取系統(tǒng)的高安全性，同樣也能滿足鐵路信號對聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能要求?；谝陨峡紤]，系統(tǒng)的關鍵技術設計中主要融入了以下思想及技術措施。（1）結構模塊化、標準化,便于系統(tǒng)擴展并提高可維護性聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件結構模塊化設計主要體現在聯(lián)鎖機、PLC及安全信號結合電路的組合等三種主要設備或部件上。系統(tǒng)的標準化設計主要體現在聯(lián)鎖軟件與結合電路上。聯(lián)鎖軟件可以適應不同站場規(guī)模、不同作業(yè)要求；結合電路則可針對室外設備的不同類型具有通用性與兼容性。（

8、2）系統(tǒng)故障診斷與安全導向聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件故障通常表現在聯(lián)鎖主機、PLC與結合電路模塊、工作電源等設備上，軟件故障表現為程序跑飛、技術條件錯誤、通信異常等。這些故障的表現方式及造成的結果不盡相同，有些故障可以及時發(fā)現，有些則難以識別；有些故障僅影響系統(tǒng)工作但不至于危及安全，而另外一些故障則可能造成危險側輸出。因些應當區(qū)別對待并采取相應的處理方式。（3）變換聯(lián)鎖信號的邏輯表達形式在聯(lián)鎖系統(tǒng)中，與安全相關的信息是由具體的硬件設備的狀態(tài)來表達的，這些硬件設備一般存在二個邏輯狀態(tài)（指數字量），其中一個狀態(tài)代表安全側信息，另一個狀態(tài)代表危險側信息。根據故障安全原則，凡是參與傳遞、存貯、處理和產生非安全信息

9、的硬件設備故障時，必須以極大的概率導向安全側狀態(tài)，這就必須使電子電路的輸出具有故障不對稱性，也即在電路故障時輸出安全側的概率占壓倒性優(yōu)勢。顯然常規(guī)的電子電路與邏輯表達方法難以滿足需求，其基本原因是“s-a-0”與“s-a-1”二種固定邏輯型故障是基本對稱的。因此需要變換聯(lián)鎖信號的邏輯表達形式以及相應的電路結構才能實現。四、總結鐵路信號計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)在冶金系統(tǒng)內等國有大中型企業(yè)進行推廣，具有較好的應用前景?？偨Y起來，在聯(lián)鎖系統(tǒng)中已經建立了一整套運用于企業(yè)自備鐵路使用的信號聯(lián)鎖系統(tǒng)技術解決方案并重點解決了以下幾個問題。1、在單模控制體系結構中，通過對鐵路信號的深入分析，較為完整地建立了鐵路信號聯(lián)鎖

10、系統(tǒng)的故障模型并提出了相應的故障診斷與安全導向方案。2、在企業(yè)自備鐵路信號領域內較早采用了二級集散式控制體系結構，即采用聯(lián)鎖、復核二級檢查機制，有效地解決了因CPU與編程語言缺陷、算法與編碼錯誤而有可能帶來的系統(tǒng)錯誤輸出問題。聯(lián)鎖、復核二級用戶程序均有效實現了程序、數據分離的設計思想并建立了一套量化計算聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性與安全性的評價體系。鐵路信號計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的設計定位僅僅只放在了企業(yè)自備鐵路上，如果真正欲使該系統(tǒng)在應用面與技術水平上更進一步，還需在系統(tǒng)可靠性設計上進行重新定位；對部分目前少數仍在使用的觸點型安全型繼電器進行全電子化設計，在后期的研究中將予以實現。參考文獻1試析鐵路信號設備的安全