LonWorks總線技術(shù)在鐵路道岔融雪控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：介紹了鐵路道岔融雪控制系統(tǒng)組成、基本結(jié)構(gòu)和相關(guān)要求，探討了LonWorks總線技術(shù)在其中應(yīng)用的可行性。針對(duì)現(xiàn)行各種總線的對(duì)比，提出LonWorks總線技術(shù)在鐵路道岔融雪控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：融雪系統(tǒng)LONWORKS總線

隨著列車運(yùn)行速度的大幅提高，列車運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)對(duì)道岔相關(guān)設(shè)備的要求越來(lái)越高，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備能否正常工作將直接影響到列車行車安全和運(yùn)營(yíng)效率由于道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備主要位于室外軌旁、露天工作，其工作狀態(tài)受環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的影響比較大，尤其是雨雪天氣，軌道結(jié)冰，道岔設(shè)備不能正常轉(zhuǎn)換。道岔融雪系統(tǒng)是保證道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)正常轉(zhuǎn)換的重要保障設(shè)備之一。它能夠在發(fā)生降雪、降雨或大幅度降溫致使道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)積雪結(jié)冰影響道岔正常轉(zhuǎn)換時(shí)，自動(dòng)或人工啟動(dòng)融雪系統(tǒng)單元。通過(guò)加熱元件融化道岔積雪、防止結(jié)冰，易于保證道岔靈活有效地正常轉(zhuǎn)換，從而大大減輕了鐵路工人人工掃雪的工作量。而融雪控制系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)設(shè)備多、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重、數(shù)據(jù)傳輸速率要求快、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、外界干擾大，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備、操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的現(xiàn)場(chǎng)總線提出了更高的要求。所以，開(kāi)發(fā)配置高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡(jiǎn)便化、節(jié)省配線的現(xiàn)場(chǎng)總線方案尤為重要。

1 鐵路道岔融雪控制系統(tǒng)以及相關(guān)要求

1.1 融雪控制系統(tǒng)的組成

由于道岔融雪控制系統(tǒng)根據(jù)不同的加熱元器件各有不同，這里僅介紹的電加熱式道岔融雪系統(tǒng)，其框架如圖1所示，它具有自動(dòng)控制功能，主要有以下六大部分組成：

（1）遠(yuǎn)程控制中心（2）本地工作站（3）電氣控制柜（4）軌道溫度、環(huán)境溫度及雨雪傳感器（5）隔離變壓器（6）道岔加熱元件。

1.2 性能指標(biāo)

1.2.1 電源要求

采用三相TN-S（五線）供電系統(tǒng)，電源電壓AC380V，波動(dòng)范圍為＋15～－20 % ；頻率50Hz，變化范圍±3Hz。融雪專用供電變壓器容量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣象資料和需要融雪的道岔型號(hào)、數(shù)量設(shè)計(jì)確定。

1.2.2 傳感器性能要求

根據(jù)鐵路道岔融雪控制系統(tǒng)要求，鋼軌(滑床板)溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器和雪傳感器等技術(shù)指標(biāo)參考如下：

a）溫度測(cè)量范圍： －50℃～＋80℃；

b）系統(tǒng)測(cè)量精度： －10℃～＋10℃范圍內(nèi)不大于±0.5℃；其他溫度范圍不大于±1.0℃；

c）信息輸出：發(fā)送電平分檔可調(diào)；

d）信號(hào)傳輸速率：不低于2 400bit/s；

e）信息傳輸距離：不小于1 200m。

1.2.3 控制柜及控制中心要求

車站道岔融雪系統(tǒng)處于工作時(shí)，在車站控制柜和控制中心均應(yīng)能監(jiān)測(cè)到以下實(shí)時(shí)信息：

a）輸入電源電壓、電流、頻率。若工作電流電壓不符合額定數(shù)值，融雪系統(tǒng)不能正常工作，從而不能保證道岔正常的轉(zhuǎn)換，造成列車運(yùn)行的安全隱患。

b）輸入電源斷電、缺相及斷相報(bào)警。若報(bào)警，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

c）各加熱電路的啟動(dòng)與關(guān)閉，工作電壓、電流。隨時(shí)監(jiān)測(cè)各加熱設(shè)備的運(yùn)行狀況。

d）各傳感器的工作狀態(tài)及測(cè)量數(shù)據(jù)顯示；

e）各接觸器、斷路器、漏電保護(hù)器的工作狀態(tài)；

f）各接觸器、斷路器、漏電保護(hù)器、加熱電路（含絕緣）、傳感器等故障報(bào)警；

g）加熱電路對(duì)地絕緣；

h）車站控制柜柜門狀態(tài)及開(kāi)門報(bào)警。以防非工作人員的誤操作。

同時(shí)，控制中心和車站控制柜還應(yīng)具有以上監(jiān)測(cè)信息的記錄管理功能，以便可以根據(jù)記錄，分析系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

綜上，該系統(tǒng)設(shè)備組成如圖2所示。

1.2.4 輸出電路要求

根據(jù)該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用要求：輸出電路8～16路；每路都按三相四線AC 380V/220V輸出；每路輸出額定電壓AC380V ，額定電流AC30A 。

2 LonWorks總線技術(shù)在道岔融雪控制系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

根據(jù)以上對(duì)系統(tǒng)要求的分析，LonWorks總線能為岔道融雪控制系統(tǒng)的測(cè)、控、管提供全局性的解決方案。

2.1 LonWorks總線技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

與一般的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，LonWorks總線技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用LonTalk通訊協(xié)議，遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義的開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)模型，功能覆蓋面廣，支持多介質(zhì)，大網(wǎng)絡(luò)。適用于岔道融雪控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備多，且要監(jiān)測(cè)、控制、管理協(xié)調(diào)工作的特點(diǎn)。

（2）LonWorks的通信協(xié)議被固化在一個(gè)神經(jīng)元芯片（neuron chip）中【1】，神經(jīng)元芯片可以實(shí)現(xiàn)通訊功能和現(xiàn)場(chǎng)控制功能，在一個(gè)神經(jīng)元芯片內(nèi)部包含了三個(gè)8位CPU，其中兩個(gè)用于實(shí)現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡(luò)的通訊控制，一個(gè)用來(lái)實(shí)現(xiàn)本地的控制功能；可直接與與他所監(jiān)視的傳感器和控制設(shè)備連接，高度集成，所需外部器件較少。

（3）采用Predictive P-Persistant CSMA (預(yù)測(cè)時(shí)間槽-載波監(jiān)挺多路訪問(wèn))方式進(jìn)行總線沖突檢測(cè)，保證在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重時(shí)，不會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)癱瘓；

（4）采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，既采用網(wǎng)絡(luò)變量使網(wǎng)絡(luò)通訊的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化成為對(duì)參數(shù)的設(shè)置，大大地提高了通訊的可靠性；

（5）采用短包結(jié)構(gòu)，提高通訊的抗干擾能力，提高了通訊的實(shí)時(shí)性，采用可變長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀，每幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度從0-228個(gè)字節(jié)；

（6）有兩種通訊速度：78KBps,1.25MBps，滿足傳感器對(duì)信號(hào)傳輸速率的要求。

（7）通訊距離130m-2700m，能保證鐵路岔道融雪系統(tǒng)對(duì)信號(hào)傳輸距離的要求。

（8）響應(yīng)時(shí)間短：1.25Mpbs 雙絞線網(wǎng)絡(luò),使用10MHz 時(shí)鐘情況下,對(duì)于1-8個(gè)字節(jié)的非確認(rèn)的顯式報(bào)文,其應(yīng)響時(shí)間<10ms。網(wǎng)絡(luò)的快速響應(yīng)提高了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)水平。

（9）同一個(gè)網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到32000個(gè)，不僅滿足系統(tǒng)的現(xiàn)有監(jiān)測(cè)要求，日后根據(jù)實(shí)際情況還可以拓展。

（10）LonWorks采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，一對(duì)傳輸線，Ｎ臺(tái)儀表，雙向傳輸多個(gè)信號(hào)。這種一對(duì)一結(jié)構(gòu)使得接線簡(jiǎn)單施工周期短，安裝費(fèi)用低，維護(hù)容易。如果增加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表，只需掛接到電纜上，無(wú)需架設(shè)新的電纜，形成了開(kāi)放性的集成模式。

（11）LonWorks技術(shù)的數(shù)字信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng)、精度高，無(wú)需采用抗干擾和提高精度的措施。不但降低了成本，而且LonWorks集成系統(tǒng)的抗干擾能力是其它DCS系統(tǒng)所不及的。

（12）LonWorks技術(shù)有成熟、穩(wěn)定的性能。它自91年在美國(guó)推出后，現(xiàn)已成為世界控制網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)集成符合國(guó)際主流的開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，方便和系統(tǒng)其他設(shè)備的連接。

（13）系統(tǒng)的規(guī)模和功能可由用戶的需求隨時(shí)擴(kuò)大和調(diào)整，不影響其它用戶的正常使用。方便的系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)，用戶只需在控制中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載各用戶的控制器資料或新的控制軟件或參數(shù)即可，這種系統(tǒng)集成從根本上保護(hù)了系統(tǒng)的一期投資。

（14）由于采用開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用戶可以選擇眾多廠家的產(chǎn)品，以提高用戶所提供最高的質(zhì)量和最合理的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。用戶可以選擇不同的制造商提供的性能價(jià)格比最優(yōu)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表，并將不同的品牌的儀表互聯(lián)，即使某臺(tái)儀表出現(xiàn)故障，換上其它品牌的同類儀表也能照常工作，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。

2.2 LonWorks總線技術(shù)的結(jié)構(gòu)

底層為L(zhǎng)onWorks總線，頂層為InterNet網(wǎng)。LonWorks網(wǎng)總線部分設(shè)備組成：

（1）NodeBuilder 系列開(kāi)發(fā)包

NodeBuilder 開(kāi)發(fā)工具包是一個(gè)為Neuron芯片和埃斯朗公司智能收發(fā)器開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的硬件和軟件平臺(tái)。NodeBuilder工具包涵一套完整得、基于windows的設(shè)備開(kāi)發(fā)軟件和能用作樣機(jī)設(shè)計(jì)和測(cè)試的硬件平臺(tái)。NodeBuilder工具包括Neuron C編程語(yǔ)言的編譯器和調(diào)試器。

（2）神經(jīng)元芯片（NeuronChip）:

神經(jīng)元芯片是LonWorks總線技術(shù)的核心控制器件，是組成LonWorks系統(tǒng)的基本單元，它除了具備很強(qiáng)的總線通訊與總線控制能力以外，還可以實(shí)現(xiàn)各種的數(shù)據(jù)處理功能，合理地使用神經(jīng)元芯片的內(nèi)部資源，使用神經(jīng)元芯片的強(qiáng)大的外部擴(kuò)展能力，將會(huì)方便地組成一個(gè)簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定、可靠的分布式控制系統(tǒng)，尤其是對(duì)一個(gè)大型的分布式控制系統(tǒng)，采用LonWorks技術(shù)將顯得更為重要。幾百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元連接在一起，每個(gè)神經(jīng)元都能通過(guò)位數(shù)眾多的路徑向其他的神經(jīng)元發(fā)送信息。每個(gè)神經(jīng)元通常專注于某一種特殊功能，但是任何一個(gè)神經(jīng)元的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

（3）i.LON 100e3 internet服務(wù)器

i.LON 100e3 internet對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的監(jiān)控提供了改進(jìn)的方法。能夠?qū)崿F(xiàn)從一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)、VPN網(wǎng)絡(luò)或者Internet訪問(wèn)設(shè)備，并且用戶可以通過(guò)鑒別機(jī)制僅允許授權(quán)的用戶訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。從而大大保證了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)權(quán)限以及網(wǎng)絡(luò)的安全控制。

對(duì)該系統(tǒng)，既需要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控又需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)管理，可考慮在相鄰接點(diǎn)之間采用LonWorks網(wǎng)，遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)i.Lon路由器，實(shí)現(xiàn)LonWorks網(wǎng)與TCP/IP網(wǎng)的無(wú)縫對(duì)接，通過(guò)InterNet實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.3 LonWorks總線技術(shù)減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期

LonWorks總線技術(shù)的一系列優(yōu)越性保證我們?cè)谑褂迷摷夹g(shù)時(shí)便于開(kāi)發(fā)。特別是其包含OSI協(xié)議的1 ~ 7層協(xié)議，因此，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)時(shí)，只需開(kāi)發(fā)應(yīng)用層便可，從而大大減少了開(kāi)發(fā)周期。

3 結(jié)論

鑒于LonWorks總線技術(shù)的的高效快速、互操作性以及通信可靠等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外已有成功應(yīng)用案例，如日本大田（Daidan）鐵路－鐵軌防結(jié)冰保護(hù)系統(tǒng)，就是采用的LonWorks總線技術(shù)。它不僅防止了鐵軌冬天雪后結(jié)冰而影響鐵路道岔的密貼度，而且快速可靠的保證了鐵路行車運(yùn)行安全。所以，它在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也將得到廣泛應(yīng)用。■

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[5] Echelon公司，DDE Server Users Guide revision 7[M]2003

[6] Echelon公司，Neuron C Programmers Guide revision 7[M]2003

作者簡(jiǎn)介：

彭麗霞， 女，講師 ，1978年生，碩士，目前主要承擔(dān)電氣自動(dòng)化專業(yè)課程的教學(xué)工作。研究方向：電氣自動(dòng)化。