分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

柳京京

*中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 高級(jí)工程師，200070 上海

在鐵路信號(hào)系統(tǒng)的控制技術(shù)中，對(duì)信號(hào)機(jī)、軌道電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)等室外現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，基本都采用信號(hào)電纜作為傳輸介質(zhì)，其工程投資占據(jù)整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)工程總投資的20%～40%。信號(hào)電纜雖具有簡(jiǎn)單、直接、易測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，但由于是采用1對(duì)1的傳輸控制模式，在信號(hào)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性方面存在諸多問題。同時(shí)隨著銅價(jià)的不斷攀升，信號(hào)電纜的造價(jià)亦水漲船高，而且由于雷電原因，引起信號(hào)電纜燒毀的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。

本文提出一種全新的鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)方案，充分利用光傳輸通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，采用分布式的現(xiàn)場(chǎng)總線控制結(jié)構(gòu)，直接控制現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)設(shè)備，在節(jié)省信號(hào)電纜的同時(shí)，大大提高了信號(hào)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性，使信號(hào)系統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)述

現(xiàn)場(chǎng)總線按管理模式分為中心管理級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)3層結(jié)構(gòu)。根據(jù)目前鐵路車站聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用情況，只需要考慮車間監(jiān)控級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)2層結(jié)構(gòu)即可，中心管理級(jí)的功能由調(diào)度中心行車指揮CTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

總線的種類和應(yīng)用領(lǐng)域繁多，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類:傳感器總線(sensor bus)屬于位傳輸;設(shè)備總線(device bus)屬于字節(jié)傳輸;現(xiàn)場(chǎng)總線屬于數(shù)據(jù)流傳輸。目前比較流行的總線技術(shù)有:FF現(xiàn)場(chǎng)總線、LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線、CANBus現(xiàn)場(chǎng)總線及Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線等。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的功能和用途綜合考慮，采用Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)完全能夠滿足鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)方案的要求。

2 分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制結(jié)構(gòu)

分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)就是將分散在不同區(qū)域的設(shè)備通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接，控制中心通過現(xiàn)場(chǎng)總線向各個(gè)設(shè)備下達(dá)控制命令，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線采集各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)等。

鐵路信號(hào)系統(tǒng)的控制對(duì)象按地域可分為車站和區(qū)間2大部分，其中車站信號(hào)設(shè)備主要有信號(hào)機(jī)、軌道電路和道岔;區(qū)間信號(hào)設(shè)備主要有信號(hào)機(jī)和軌道電路。所有控制信息均由信號(hào)樓內(nèi)各個(gè)信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出，同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)又及時(shí)采集各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)，因此如何將控制命令和信息采集及時(shí)、準(zhǔn)確地傳遞到各個(gè)信號(hào)設(shè)備是工程應(yīng)用中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

傳統(tǒng)的控制技術(shù)是采用信號(hào)電纜按照點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式控制現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備，因此進(jìn)入信號(hào)樓內(nèi)的信號(hào)電纜數(shù)量和種類均非常多，室內(nèi)電路復(fù)雜。而采用分布式的現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，利用單一或混合型的現(xiàn)場(chǎng)總線方式，就可充分利用光纖通信信息量大、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，將現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備連接至車站信號(hào)樓中心。分布式現(xiàn)場(chǎng)總線在鐵路信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用中有:全光纜結(jié)構(gòu)和光纜+電纜結(jié)構(gòu)2種方案。

2.1 全光纜結(jié)構(gòu)

采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)全光纜完全替代信號(hào)電纜的方式。通過信號(hào)控制箱將光纜信息通道中的控制信號(hào)，通過支線光纜下達(dá)至現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)軌旁信號(hào)設(shè)備。需在軌旁信號(hào)設(shè)備箱盒中增加相應(yīng)的通信裝置，站內(nèi)信號(hào)控制箱可根據(jù)站場(chǎng)規(guī)模、站型結(jié)構(gòu)，合理地增加控制箱的數(shù)量。為避免箱盒之間支線光纜分接等造成的故障問題，控制箱與設(shè)備箱盒之間按點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式(即星形)連接。全光纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制全光纜結(jié)構(gòu)示意圖

該方案存在以下幾個(gè)問題:①信號(hào)設(shè)備箱較為分散，采用星形連接方式，支線光纜多，而且支線光纜細(xì)小，容易損壞;②需給每個(gè)軌旁設(shè)備敷設(shè)信號(hào)電纜，為信號(hào)設(shè)備提供電源通道;③靠光纜連接的驅(qū)采模塊，如放置在信號(hào)設(shè)備箱內(nèi)，對(duì)既有信號(hào)設(shè)備的結(jié)構(gòu)影響較大;④支線光纜的發(fā)散性連接，對(duì)施工工藝、熔接技術(shù)和施工難度都有很大提升，不利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作。

2.2 光纜+電纜結(jié)構(gòu)

分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制光纜+電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。采用光纜結(jié)合電纜的方式，利用光纜替代繁多的干線電纜，并采用支線電纜由軌旁信號(hào)控制箱引出，控制現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備。該方案能夠有效避免全光纜結(jié)構(gòu)存在的問題，同時(shí)可以保留既有信號(hào)設(shè)備的接線方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。但對(duì)信號(hào)控制箱的要求較高，信號(hào)控制箱需具備控制命令的分配，光/電轉(zhuǎn)換等功能。因此具備較強(qiáng)的可實(shí)施性和可操作性。

3 分布式現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制結(jié)構(gòu)根據(jù)車站規(guī)模和形狀，可以采取不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此只要建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，就可以推廣應(yīng)用到所有車站。鐵路信號(hào)設(shè)備沿線路設(shè)置于軌道的兩側(cè)，車站內(nèi)上、下行咽喉區(qū)由于道岔集中，信號(hào)設(shè)備較為集中，而車站控制中心位于車站站場(chǎng)中間位置，現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備在咽喉區(qū)呈樹形分布。根據(jù)鐵路信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的布置特點(diǎn)，分布式控制系統(tǒng)在車站咽喉區(qū)可采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (見圖3)，在區(qū)間采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如區(qū)間和站內(nèi)統(tǒng)籌布置，以及特殊站場(chǎng)布置時(shí)，則需采用環(huán)形加樹型的混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即主干采用環(huán)形、車站咽喉區(qū)分支采用樹型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以減少中繼和光纜的費(fèi)用。混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制光纜+電纜結(jié)構(gòu)示意圖

從上述結(jié)構(gòu)中不難看出，采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制結(jié)構(gòu)，通過光纖通信時(shí)，一般車站的樹形結(jié)構(gòu)干線采用4根主備光纜 (上、下行各2根主備)，即可滿足要求。主備光纜可采用不同的物理徑路敷設(shè)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可用性。混合型結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于區(qū)域聯(lián)鎖系統(tǒng)車站。

圖3 系統(tǒng)樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 系統(tǒng)混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

目前在節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境方面，國家出臺(tái)了諸多的手段和政策，采用全光纖現(xiàn)場(chǎng)總線分布式鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)，能夠大大減少銅的需求，因此對(duì)保護(hù)環(huán)境和減少污染均有重要的意義。各鐵路專業(yè)廠商在提高信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量和可靠性的同時(shí)，應(yīng)積極主動(dòng)的研究和分析新的技術(shù)和發(fā)展方向，促進(jìn)鐵路信號(hào)系統(tǒng)不斷向前發(fā)展。

[1]魏文軍，范多旺.CAN總線在鐵路車站全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J］.甘肅科技，2007(4):23－4.