JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)研究

周長(zhǎng)義

*哈爾濱鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所 高級(jí)工程師,161002 齊齊哈爾

哈爾濱鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所于 20世紀(jì) 80年代初開(kāi)始對(duì)計(jì)軸技術(shù)進(jìn)行研究。2004年以后,為使計(jì)軸設(shè)備滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸?shù)母甙踩枨?同時(shí)適用于國(guó)內(nèi)外各種線路狀況及運(yùn)用場(chǎng)合,開(kāi)發(fā)了采用計(jì)軸設(shè)備完成站內(nèi)和站間軌道區(qū)段占用或空閑檢查的綜合計(jì)軸系統(tǒng)——JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合,靈活方便地構(gòu)造出多種信號(hào)安全系統(tǒng),如區(qū)間檢查系統(tǒng)、站內(nèi)股道及道岔區(qū)段檢查系統(tǒng)及道口安全信號(hào)系統(tǒng)等,同時(shí)針對(duì)特殊環(huán)境,如高溫、高濕、強(qiáng)雷電和多鹽霧等極端應(yīng)用情況進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。

2008年,JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)在越南鐵路通信信號(hào)改造工程中中標(biāo),這是國(guó)產(chǎn)計(jì)軸設(shè)備第一次走出國(guó)門(mén),邁向世界。

1 系統(tǒng)原理及主要功能

JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)采用計(jì)軸方式,完成軌道區(qū)段占用或空閑狀態(tài)檢查。該系統(tǒng)的工作原理是基于車(chē)列駛?cè)牒婉偝鲇?jì)軸點(diǎn)監(jiān)視的區(qū)段時(shí)所記錄軸數(shù)的比較結(jié)果,確定該區(qū)段的占用或空閑狀態(tài),其主要功能如下。

1.與 6502電氣集中結(jié)合,完成站內(nèi)軌道區(qū)段占用或空閑檢查,為電氣集中聯(lián)鎖提供進(jìn)路和接近區(qū)段的占用或空閑信息。

2.與 64D繼電半自動(dòng)閉塞設(shè)備結(jié)合,構(gòu)成計(jì)軸自動(dòng)站間閉塞系統(tǒng),完成區(qū)間占用或空閑檢查,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)辦理閉塞、自動(dòng)檢查區(qū)間、列車(chē)完整到達(dá)后閉塞自動(dòng)復(fù)原等功能。

3.適應(yīng)各種行車(chē)作業(yè),如發(fā)車(chē)、接車(chē)、站內(nèi)調(diào)車(chē)、越站調(diào)車(chē)、區(qū)間中途折返列車(chē)等。

2 技術(shù)特點(diǎn)

1.根據(jù)鐵路信號(hào)站內(nèi)和區(qū)間的劃分原則,將站內(nèi)軌道區(qū)段檢查和區(qū)間檢查的功能分開(kāi),分別由站內(nèi)計(jì)軸運(yùn)算器和區(qū)間計(jì)軸運(yùn)算器獨(dú)立完成。

2.站內(nèi)計(jì)軸運(yùn)算器采用 “1+1”雙套并聯(lián)工作方式,只要一套工作正常,系統(tǒng)就正常工作。

3.每臺(tái)站內(nèi)計(jì)軸運(yùn)算器可檢測(cè) 24個(gè)站內(nèi)計(jì)軸點(diǎn),監(jiān)控 15個(gè)站內(nèi)軌道區(qū)段。

4.室內(nèi)計(jì)軸主機(jī)與室外計(jì)軸點(diǎn)間采用 “點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的傳輸方式,以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)并行處理,提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

5.二取二計(jì)軸運(yùn)算器主控單元,保證系統(tǒng)的安全性。

6.二取二輪軸檢測(cè)器計(jì)數(shù)單元,保證計(jì)軸的準(zhǔn)確性。

7.采用 CAN總線技術(shù),實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn) CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸,以及自動(dòng)總線仲裁,使多計(jì)軸點(diǎn)信息的處理變得十分簡(jiǎn)單。

8.采用硬件冗余的安全型區(qū)段軌道繼電器驅(qū)動(dòng)電路(安全輸出),及條件采集電路(安全輸入)。

9.LED數(shù)碼管及發(fā)光二極管顯示組合,隨時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)及故障信息,為設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試及維護(hù)提供直觀的窗口。

10.配套的計(jì)軸維護(hù)管理系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及管理,準(zhǔn)確定位各類(lèi)故障,提高系統(tǒng)的運(yùn)用質(zhì)量和維護(hù)效率。

11.通過(guò) CAN總線接口或 RS-232接口,可與信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

3 總體構(gòu)成

JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)由設(shè)在軌道區(qū)段端口處的輪軸檢測(cè)器 (計(jì)軸點(diǎn)),設(shè)在信號(hào)機(jī)械室的計(jì)軸主機(jī)、計(jì)軸區(qū)段軌道繼電器組合、區(qū)段復(fù)零按鈕組合,以及傳輸電纜或光纜等組成。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖 1所示。

圖 1 系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖

1.輪軸檢測(cè)器。包括車(chē)輪傳感器、車(chē)輪電子檢測(cè)器、防雷單元和計(jì)軸軌道箱等。輪軸檢測(cè)器構(gòu)成及原理如圖 2所示。

2.計(jì)軸主機(jī)。包括站內(nèi)計(jì)軸運(yùn)算器 A、B,上、下行區(qū)間計(jì)軸運(yùn)算器,通信單元組合,調(diào)制解調(diào)器 (Modem),計(jì)軸主機(jī)電源和計(jì)軸 UPS電源等。

圖 2 輪軸檢測(cè)器構(gòu)成框圖

1臺(tái)計(jì)軸主機(jī)可檢測(cè) 24個(gè)站內(nèi)計(jì)軸點(diǎn)和 2個(gè)區(qū)間計(jì)軸點(diǎn),監(jiān)控 15個(gè)站內(nèi)軌道區(qū)段和 2個(gè)區(qū)間軌道區(qū)段。通過(guò) Modem經(jīng)電纜或光纜,實(shí)現(xiàn)與相鄰計(jì)軸主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。計(jì)軸主機(jī)構(gòu)成見(jiàn)圖 3。

4 安全性設(shè)計(jì)

JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)包括硬件安全性設(shè)計(jì)、軟件安全性設(shè)計(jì)和故障檢測(cè)及故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)等 3方面。

4.1 硬件安全性設(shè)計(jì)

1.總體設(shè)計(jì)遵循閉環(huán)工作原理。計(jì)軸系統(tǒng)的核心控制部分為計(jì)軸運(yùn)算器,其與輪軸檢測(cè)器(計(jì)軸點(diǎn))之間、與輸入/輸出接口之間,以及與相鄰計(jì)軸運(yùn)算器之間,均設(shè)計(jì)成閉環(huán)系統(tǒng),只要閉環(huán)中的任何一部分發(fā)生故障,系統(tǒng)就能立即診斷出來(lái),并采取措施以保證安全。

2.計(jì)軸運(yùn)算器控制單元采用二取二結(jié)構(gòu)。計(jì)軸運(yùn)算器的控制單元由 2個(gè)硬件相同、功能相同的主控單元電路 MCU構(gòu)成,2個(gè)MCU通過(guò)軟件同步信號(hào)以 “與”的方式同步工作,并且進(jìn)行自檢和互檢,如果有一個(gè)發(fā)生故障或狀態(tài)異常,設(shè)備則表示占用且告警。

3.輪軸檢測(cè)器計(jì)數(shù)單元采用二取二結(jié)構(gòu)。輪軸檢測(cè)器的計(jì)數(shù)單元由 2個(gè)硬件相同、功能相同的計(jì)數(shù)單元電路 ACU構(gòu)成,2個(gè)ACU在輪軸脈沖的觸發(fā)下,以 “與”的方式同步工作,并且進(jìn)行自檢和互檢,如果有一個(gè)發(fā)生故障或狀態(tài)異常,設(shè)備則表示占用且告警。

圖 3 計(jì)軸主機(jī)構(gòu)成框圖

4.動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)安全型輸出電路驅(qū)動(dòng)區(qū)段軌道繼電器。用以表示所監(jiān)視區(qū)段占用或空閑狀態(tài)的最終執(zhí)行部件是安全型繼電器,該繼電器的驅(qū)動(dòng)電路是由 AC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)構(gòu)造的,由 2個(gè) MCU以“與”的方式共同控制的故障-安全電路。此外,MCU輸出動(dòng)態(tài)信號(hào)需滿(mǎn)足以下條件:自檢及互檢正常→數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確→區(qū)段沒(méi)有軸數(shù)。

5.動(dòng)態(tài)采集安全型輸入電路的輸入條件。條件采集電路是采用動(dòng)態(tài)脈沖輸入形式的故障-安全電路,電路中任一部件的故障均能導(dǎo)致輸入脈沖的中斷。同時(shí),計(jì)軸運(yùn)算器的 2個(gè)主控單元 MCU各自對(duì)應(yīng)一個(gè)采集電路,以 “與”的方式?jīng)Q定輸入條件是否有效。

4.2 軟件安全性設(shè)計(jì)

由于計(jì)算機(jī)的故障導(dǎo)向是對(duì)稱(chēng)的,屬非安全器件,所以依附于計(jì)算機(jī)硬件的軟件程序的故障導(dǎo)向也是非安全的。JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)作為由計(jì)算機(jī)控制的鐵路信號(hào)安全設(shè)備,其軟件的安全性通過(guò)以下措施得以保證。

1.區(qū)段軸數(shù)比較采用四取四原則。對(duì)于一個(gè)區(qū)段來(lái)說(shuō),計(jì)軸運(yùn)算器每個(gè)主控單元 MCU都有4個(gè)軸數(shù)供比較,即區(qū)段入口處計(jì)軸點(diǎn)的軸 1、軸2和區(qū)段出口處計(jì)軸點(diǎn)的軸 1、軸 2。4個(gè)軸數(shù)必須一致,計(jì)軸運(yùn)算器的主控單元才確定為區(qū)段空閑,否則就表示占用。

2.區(qū)段狀態(tài)輸出控制采用二取二原則。計(jì)軸運(yùn)算器的 2個(gè)主控單元 MCU依據(jù)同步信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、比較和控制等,只有 2個(gè) MCU同步且工作正常,四取四的運(yùn)算結(jié)果完全一致,2個(gè) MCU才能同時(shí)給出 “區(qū)段空閑”的命令,通過(guò)安全與門(mén)電路驅(qū)動(dòng)區(qū)段軌道繼電器吸起。

3.采用冗余方式實(shí)現(xiàn)對(duì)重要信息的校驗(yàn)。對(duì)重要信息,如軸數(shù)、標(biāo)志、狀態(tài)等采用多區(qū)存儲(chǔ),即利用RAM存儲(chǔ)區(qū),將信息以不同的碼型分別存入 2個(gè)區(qū)域。當(dāng)使用這些信息時(shí),采取 “二取二”的方法取出正確信息。若 “二取二”不成功,則表明信息故障已不可恢復(fù),設(shè)備導(dǎo)向安全。

4.多微控制器之間的信息傳輸除采用 CRC校驗(yàn)外,對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a采用特殊的編碼和重復(fù)發(fā)送冗余技術(shù) (ARQ)等措施,以保證信息在傳輸過(guò)程中的安全性。

4.3 故障檢測(cè)及故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)

利用軟件對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)故障后即導(dǎo)向安全。故障檢測(cè)包括 CPU自檢、外圍芯片檢測(cè)、傳感系統(tǒng)檢測(cè)、傳輸通道檢測(cè)、繼電器檢測(cè)和復(fù)零按鈕檢測(cè)等。

5 可靠性設(shè)計(jì)

5.1 硬件可靠性設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)而言,其硬件設(shè)備的可靠性是整個(gè)系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。構(gòu)成硬件設(shè)備的各種芯片、電子元器件、電路板、接插件等的質(zhì)量,電路設(shè)計(jì)的合理性,布線的合理性,工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等均決定了系統(tǒng)的硬件質(zhì)量,任何一個(gè)出了問(wèn)題,都會(huì)使系統(tǒng)可靠性降低,甚至產(chǎn)生不安全因素。JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上采取了以下措施。

1.采用工業(yè)級(jí)微控制器。資料表明,現(xiàn)在工業(yè)級(jí)微控制器的平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá) 106～107h,也就是說(shuō),如果在額定的運(yùn)行環(huán)境下,不計(jì)線路板、接插件等元器件的影響,可以連續(xù)運(yùn)行幾十年不出現(xiàn)任何故障。

2.溫度敏感電路采用軍品級(jí)元器件。室外車(chē)輪電子檢測(cè)器的傳感電路是計(jì)軸系統(tǒng)最關(guān)鍵的電子電路,并要求在 -40℃～80℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期可靠工作。為滿(mǎn)足該要求,傳感電路的關(guān)鍵元器件,如模擬放大器、電感、電容等均采用軍品級(jí)。

3.電子電路采取降額設(shè)計(jì)。對(duì)于電路中使用的功率元器件,包括功率要求、電壓要求、電流要求等均采取降額設(shè)計(jì),其降額系數(shù)小于 0.5,以確保電路低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.硬件的其他抗干擾措施:①集成電路全部采用 CMOS器件,以提高其抗擾度;②采用電磁兼容式機(jī)箱,以解決屏蔽、搭接、接地等問(wèn)題;③采用光電隔離器件,將微控制器同外設(shè)全部隔離開(kāi);④對(duì)于 0.5 m以上長(zhǎng)度的交流信號(hào)線,均采用雙絞線配線。

5.2 軟件可靠性設(shè)計(jì)

利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路信號(hào)控制的設(shè)備,其整體可靠性需要由硬件和軟件 2部分共同保證。在系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)選定之后,硬件本身對(duì)系統(tǒng)可靠性貢獻(xiàn)就被決定了。然而,利用軟件容錯(cuò)技術(shù),還可以將可靠性進(jìn)一步提高。JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)采取以下軟件容錯(cuò)技術(shù)。

1.功能循環(huán)設(shè)置。對(duì)在整個(gè)程序執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)改變的微控制器內(nèi)部控制寄存器設(shè)定,如中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)定、開(kāi)中斷、輸入輸出口功能定義等進(jìn)行功能設(shè)定冗余,即將有關(guān)的設(shè)定指令放在主程序循環(huán)體中,這樣,即使干擾已造成功能設(shè)置的改變,但在主程序的下一循環(huán)執(zhí)行過(guò)程中馬上就能得到糾正。

2.指令冗余。在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令之后插入 2條 N0P指令,可保護(hù)其后的指令不被拆散。或者說(shuō),某指令前如果插入 2條 NOP指令,則這條指令就不會(huì)被前面沖下來(lái)的失控程序拆散,并將被完整執(zhí)行,從而使程序走上正軌。

3.軟件陷阱。所謂軟件陷阱,就是一條引導(dǎo)指令,強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址,在那里有一段專(zhuān)門(mén)對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。軟件陷阱安排在下列 3種地方:①未使用的中斷向量區(qū);②未使用的大片 ROM區(qū);③程序的斷裂點(diǎn)。

4.程序運(yùn)行軟件監(jiān)視。在軟件的主程序和中斷程序中分別建立程序流程軟監(jiān)視器,當(dāng)程序沒(méi)有按照預(yù)定流向運(yùn)行時(shí),程序流程軟監(jiān)視器就會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并引導(dǎo)程序執(zhí)行硬復(fù)位。

5.程序運(yùn)行硬件監(jiān)視。當(dāng)程序彈飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中,而且程序運(yùn)行軟件監(jiān)視器也失效時(shí),系統(tǒng)將完全癱瘓。解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是設(shè)立程序運(yùn)行硬件監(jiān)視器 (Watch dog)。本系統(tǒng)的每個(gè)微控制器均設(shè)有 Watch dog。

5.3 站內(nèi)計(jì)軸運(yùn)算器采用 “1+1”雙套冗余設(shè)計(jì)

上面闡述的計(jì)軸系統(tǒng)可靠性和安全性設(shè)計(jì)是基于單套系統(tǒng)考慮的。然而,在完成站內(nèi)軌道區(qū)段檢查時(shí),一套計(jì)軸運(yùn)算器最多要檢測(cè) 24個(gè)計(jì)軸點(diǎn)15個(gè)軌道區(qū)段,一旦計(jì)軸運(yùn)算器發(fā)生故障,將導(dǎo)致全部軌道區(qū)段呈 “占用”狀態(tài),極大地影響運(yùn)輸效率。因此,JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)的站內(nèi)計(jì)軸運(yùn)算器采用 “1+1”雙套冗余方案,其主要特點(diǎn)如下。

1.2套計(jì)軸運(yùn)算器各自獨(dú)立工作 (并聯(lián)),只要一套工作正常,系統(tǒng)就正常工作。

2.2套計(jì)軸運(yùn)算器以 “或”的方式驅(qū)動(dòng)區(qū)段軌道繼電器 GJ,只要有一套送出 GJ的工作電源,GJ就吸起。只有 2套計(jì)軸運(yùn)算器均未送出 GJ的工作電源時(shí),GJ才落下。

3.當(dāng) 2套計(jì)軸運(yùn)算器中一套正常工作,而另一套在故障修復(fù)后,可通過(guò)讀取計(jì)軸點(diǎn)信息正常后,在線投入正常運(yùn)行。

4.2套計(jì)軸運(yùn)算器各設(shè)有 1個(gè)故障繼電器,通過(guò)讀取故障繼電器的狀態(tài),可獲取計(jì)軸運(yùn)算器故障信息,并及時(shí)通知設(shè)備維修人員維修。

6 結(jié)束語(yǔ)

2006年 6月至今,為全面檢驗(yàn) JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)對(duì)軌道區(qū)段占用或空閑的檢查功能,以及在高溫、高濕、強(qiáng)雷電等環(huán)境條件下的各項(xiàng)性能,在南寧鐵路局扶綏站全站,及扶綏至渠黎站間進(jìn)行了全面試驗(yàn)。系統(tǒng)能正確反映列車(chē)走行時(shí)軌道區(qū)段占用與空閑的實(shí)際情況,工作穩(wěn)定。

2007年至今,JWJ-C計(jì)軸系統(tǒng)分別在北京鐵路局石家莊電務(wù)段管內(nèi),山西省陽(yáng)泉市貴石溝—冠山廟站、五礦及蔭營(yíng)站累計(jì)安裝運(yùn)用了 14個(gè)區(qū)段、28個(gè)計(jì)軸點(diǎn),有效解決了軌道電路分路不良及軌道衡區(qū)段無(wú)法加裝連續(xù)式軌道電路等問(wèn)題,應(yīng)用效果良好。

[1］ 趙陽(yáng),謝玉瓊.JZ1-H型微機(jī)計(jì)軸設(shè)備在單線自動(dòng)閉塞區(qū)段的應(yīng)用[J].鐵道通信信號(hào),2009(4):45-46.

[2］ 張仲偉,穆勇.計(jì)軸自動(dòng)站間閉塞電路方案探討[J].鐵道通信信號(hào),2009(11):15-16.

[3］ 周明才,許錦江.計(jì)軸自動(dòng)站間閉塞與 64D繼電半自動(dòng)閉塞結(jié)合電路的改進(jìn)[J].鐵道通信信號(hào),2009(12):38-39.