MCIS模塊化區(qū)域計算機聯鎖控制系統(tǒng)的設計與實現

陳 璐，楊雪峰，張正光

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070;2.北京康吉森交通技術有限公司，北京 101318)

計算機聯鎖控制［1］系統(tǒng)是保證行車安全的車站信號關鍵基礎設備，高可靠性和故障-安全特性是系統(tǒng)應具有的最基本和最重要的特征，區(qū)域計算機聯鎖系統(tǒng)是在車站計算機聯鎖基礎上結合了網絡安全傳輸等技術發(fā)展的網絡化、智能化、集成化的信號控制系統(tǒng)，它將整個控制區(qū)域視為一個車站，使用一套聯鎖機完成地理位置不同的多個車站的聯鎖邏輯運算和集中控制，實現車站聯鎖、區(qū)間閉塞和站間聯系的一體化控制系統(tǒng)［2］。本文以二乘二取二制式的MCIS模塊化區(qū)域計算機聯鎖為基礎，從系統(tǒng)的硬件、軟件體系結構兩方面來分析系統(tǒng)的構成和特性。

1 MCIS模塊化計算機聯鎖系統(tǒng)介紹

二乘二取二工作模式［3］由兩系構成，采用雙重結構，兩系為熱備工作模式，每系由兩個CPU構成，互為校核組成容錯與表決邏輯，能夠識別錯誤的輸入和干擾，保證數據輸出的正確性，外層相同的兩系構成互為備用的結構。硬件和軟件設計都嚴格遵循“故障－安全原則”，由此可知二乘二取二結構構成的系統(tǒng)是互為校核和互為備用的組合。

主系統(tǒng)內雙CPU分別運算，將運算結果送給其中的一個比較器進行比較，若比較一致，則輸出;若不一致，則停止輸出，并報警提示，多次比較不一致確定該系故障，系統(tǒng)倒機，備系接替主系繼續(xù)工作，繼續(xù)進行比較輸出［4-5］。模塊化計算機聯鎖系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 模塊化計算機聯鎖系統(tǒng)結構

由于MCIS模塊化計算機聯鎖系統(tǒng)為二乘二制式，因此2套聯鎖機分別接受上位機發(fā)送來的操作命令。同時通過CAN總線接受IO模塊所采集的站場數據狀態(tài)信息，進行聯鎖邏輯運算，產生相應的控制命令。IO模塊通過CAN通信接受聯鎖機的控制命令，但最終根據主要聯鎖機的控制命令控制自己的驅動電路、控制室外信號機和電動轉轍機。

2 MCIS模塊化區(qū)域計算機聯鎖系統(tǒng)介紹

區(qū)域計算機聯鎖系統(tǒng)是以計算機聯鎖基本模塊構成的，用于控制成段多個車站(或區(qū)域內多個車場)信號聯鎖及站間閉塞(場間聯系)的信號系統(tǒng)［6］。區(qū)域聯鎖系統(tǒng)是通過在某一作業(yè)較多的車站由車務人員集中控制周邊一定范圍內所有車站的信號聯鎖設備而構成的，擁有計算機聯鎖設備的稱之為主控站，只采集室外設備并將此信息傳遞給主控站的一站稱之為被控站，主控站和被控站兩站共用1套CPU，兩站通過光纜進行連接，因此在中心站的聯鎖設備就可以控制遠程站的IO設備，達到遠程站無人值守的目的。因此該系統(tǒng)既具有調度集中的宏觀管理、遠程控制的功能，又能滿足現場調車等各種復雜作業(yè)的需要。

2.1 系統(tǒng)硬件結構

MCIS模塊化計算機聯鎖系統(tǒng)可以通過光纜通道對遠程車站進行控制。在本地站(主控站)通過上位機操作實現本地與遠程站(被控站)的集中控制。

2.2 工作原理［7-10］

區(qū)域計算機聯鎖是將聯鎖設備設置在主控站，主控站上位機的操作指令通過本地主控站聯鎖機進行聯鎖邏輯運算后統(tǒng)一將運算結果發(fā)送到本地站和遠程站。本地主控站和遠程被控站CPU總線通過光纖連接，將控制指令傳送到被控站的IO模塊，從而驅動遠程站的現場信號設備。被控站的執(zhí)表機進行驅動實現對遠程端的IO控制。而被控站和主控站都要設置信號、道岔和軌道模塊進行采集本站信息，進而將采集的現場信息傳遞給主控站進行邏輯運算，制定相應的操作命令。被控站的主機籠只需要IOC模塊和CANIOC模塊即可，不需要CPU模塊。主控站和被控站之間通過CAN總線進行通信。其系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 區(qū)域計算機聯鎖系統(tǒng)結構

MCIS模塊化區(qū)域計算機聯鎖控制系統(tǒng)分為3層:維修及接口層、聯鎖運算層、采集驅動層。從安全角度分析，整個系統(tǒng)分為安全區(qū)域和非安全區(qū)域，維修及接口層屬于非安全區(qū)域，邏輯控制層和采集驅動層屬于具備故障-安全特性的安全區(qū)域。維修及接口層通過車站聯鎖局域網與邏輯運算層通信，邏輯運算層與采集驅動層之間通過聯鎖安全通信總線傳輸信息。

2.2.1 維修及接口層

維修及接口層主要包括上位機和維修機，控制中心和聯鎖運算層之間的通信服務器等。

(1)上位機:主要為在值班室內車站值班員顯示室外整個站場的當前狀態(tài)，以及各室外設備(道岔、信號機、軌道電路)的狀態(tài)。該層上位機采用雙機熱備動態(tài)冗余結構，當其中一個故障時，另一個可自動轉換運行，無需人工干預。

(2)維修機:為電務維修人員提供實時的站場顯示，IO模塊狀態(tài)顯示，各種實時車務操作與聯鎖運行記錄，以及記錄顯示與查詢，圖形再現等功能，其網絡接口與交換機相連。

2.2.2 聯鎖運算層

(1)聯鎖Ⅰ系，聯鎖Ⅱ系采用動態(tài)冗余結構，Ⅰ系和Ⅱ系分別采用相同的模塊負責聯鎖運算。

(2)聯鎖機:聯鎖A機模塊，聯鎖B機模塊負責聯鎖運算;通過聯鎖總線與對應的IOC模塊進行通信;通過Internet與維修機模塊通信，其網絡接口接入交換機中。

(3)IOC通信模塊:IOC模塊成對配置，IOCA和IOCB同時工作，IO模塊自己鎖定IOC通信通道，模塊負責與所有IO模塊進行通信。IOC模塊，減輕聯鎖CPUIO負荷，實現IO通信的電氣隔離，提供長距離IO控制(區(qū)域聯鎖)。

2.2.3 采集驅動層

(1)LS模塊:零散模塊用于場聯，站聯，半自動閉塞，自動閉塞等聯系電路。站場間結合可以通過零散模塊采集結合驅動電路聯鎖，對照查條件以及對防護信號機的狀態(tài)，轉換軌的占用狀態(tài)，完成進出段列車作業(yè)。

(2)XH模塊:主要是采集現場的信號機信息，控制調車信號。

(3)DC模塊:采集道岔的表示信息，1個道岔模塊可控制2組道岔。

(4)GD模塊:主要用于采集軌道受電端，分路電壓等信息。

3 系統(tǒng)軟件結構

MCIS模塊化區(qū)域計算機聯鎖控制系統(tǒng)的應用軟件主要包括:上位機軟件、維修機軟件、遠程維護軟件、區(qū)域控制通信軟件、MCCAD軟件、IO數據處理模塊軟件等多類軟件子系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件結構如圖3所示。

計算機聯鎖控制系統(tǒng)數據豐富［11］，軟件各子系統(tǒng)之間存在著復雜的信息傳遞和數據交換的關系，且各個子系統(tǒng)、模塊之間要求必然要有較強的接口能力。從系統(tǒng)的整體需求出發(fā)，分析各軟件系統(tǒng)所實現的功能和其他軟件系統(tǒng)之間的交互關系，確定組成系統(tǒng)的各個硬件、系統(tǒng)的整體控制結構、各硬件的規(guī)模和功能、部件同步、部件交互和部件通信協議等，既考慮完全實現各項功能任務，又考慮軟件的擴展和維護。從整體上軟件體系結構設計的基本思想是模塊化軟件結構。

圖3 區(qū)域計算機聯鎖軟件體系結構

4 軟件運行環(huán)境和設計

MCIS系統(tǒng)作為一種工業(yè)控制系統(tǒng)，采用的是時下鐵路系統(tǒng)中流行的QNX操作系統(tǒng)，QNX是一種實時操作系統(tǒng)，具有多任務，優(yōu)先級占用，快速程序切換等特性。本系統(tǒng)以QNX實現的舉例站場的界面如圖4所示。

圖4 舉例的站場界面

5 結論

MCIS區(qū)域計算機聯鎖控制系統(tǒng)，硬件上對安全部分(邏輯運算層、采集驅動層和通信安全總線)和非安全部分(上位機和車站控制局域網)均采用動態(tài)冗余結構、故障隔離技術和一些安全防護技術，保證了系統(tǒng)硬件的安全可靠;軟件上，各軟件子系統(tǒng)的動態(tài)冗余機制保證了對故障的及時屏蔽和系統(tǒng)的不間斷安全運行，聯鎖邏輯中多種技術的運用確保了聯鎖邏輯的安全實施，保證了系統(tǒng)中軟件部分的安全可靠。目前，該系統(tǒng)開發(fā)完成，已進入實際應用階段。

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