NTY-I型計算機聯鎖系統的設計與實現

（南京鐵道職業技術學院軌道交通綜合實訓中心,210031,南京∥第一作者,碩士）

NTY-I型計算機聯鎖系統的設計與實現

曹峰束元洪冠

（南京鐵道職業技術學院軌道交通綜合實訓中心,210031,南京∥第一作者,碩士）

由于計算機聯鎖的核心技術一直被國外供應商壟斷,為了適應我國高速鐵路和城市軌道交通的發展需要,本單位自行研制了一套以PLC（可編程邏輯控制器）為核心的NTY-I型計算機聯鎖系統。介紹了 NTY-I型計算機聯鎖系統的設計與實現,包括系統組成、硬件結構和軟件結構三部分。在軟件結構部分分別介紹了上位機軟件設計和聯鎖主機軟件的設計。

信號設備;計算機聯鎖系統;可編程邏輯控制器

First-author’saddress Rail Transit Comprehensive Training Center Nanjing Institute of Railway Technology, 210031,Nanjing,China

聯鎖是保證車站內列車和調車作業安全、提高車站通過能力的一種信號設備。隨著信息技術的飛速發展,具備運作速度快、信息量大、安全性高、便于調試和維修等優點的計算機聯鎖已經逐步取代傳統的繼電器聯鎖,成為高速鐵路、客運專線和城市軌道交通車站聯鎖設備的首選。目前計算機聯鎖的核心技術幾乎被國外研究機構和供貨商所掌控,所以迫切需要國內研究機構在消化吸收國外先進聯鎖技術的基礎上研制出具有中國自主知識產權的計算機聯鎖系統。本單位在上述背景下展開研究,自行設計開發了一套NTY-I型計算機聯鎖系統。該系統采用工業控制計算機作為上位機,采用西門子公司的可編程邏輯控制器（PLC）S7-300作為聯鎖主機,實現對車站信號設備的實時控制。

1 系統組成

NTY-I型計算機聯鎖系統采用分層結構模型：第一層為人機會話層,即上位機,采用高可靠性的工業控制計算機;第二層為聯鎖控制層,采用西門子公司的PLC S7-300進行聯鎖邏輯運算,實現對車站信號設備的實時控制;第三層為執行層。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 計算機聯鎖系統結構框圖

（1）人機會話層是車站調度員與計算機聯鎖系統的接口,實現調度員與聯鎖系統之間的人機交互功能。上位機接受操作命令,實時下發給聯鎖主機,并實時接受來自聯鎖主機發出的室外信號設備狀態信息,通過顯示器顯示站場信息以及相關報警提示。

（2）聯鎖控制層由聯鎖主機、驅動板和采集板組成。聯鎖主機接受上位機的操作命令,通過采集信號設備的狀態信息進行聯鎖邏輯運算,產生正確的輸出命令。驅動板通過控制繼電器動作執行聯鎖主機下發的命令。采集板實時采集室外信號設備的狀態發送給聯鎖主機。

（3）執行層由安全繼電器接口電路和室外信號設備組成,實現聯鎖系統對室外信號設備操作控制。安全繼電器接口電路根據聯鎖主機下達的命令驅動室外信號設備,如控制信號機的顯示、道岔的轉動等,并實時地反應信號設備的狀態。

2 系統硬件平臺

NTY-I型計算機聯鎖系統硬件,主要包括作為上位機的工業控制計算機和作為聯鎖主機的可編程邏輯器件兩部分。

（1）本系統上位機采用研華IPC-610L型工控機。CPU主頻2.8 G,內存1 G,其微處理器支持533/800 MHz系列系統總線,集成 LAN、IDE、I/O接口功能以及看門狗計時器等若干先進功能。上位機通過工業以太網與聯鎖主機進行數據交換。

（2）聯鎖主機為雙機熱備冗余結構,主、備系均采用西門子公司的PLCS7-300（見圖2）。每系配備了2個電源模塊,1個 CPU 模塊,7個輸入模塊（32×7點）和7個輸出模塊（32×7點）。對于站型不是特別復雜的車站來說,這樣的配置已經足夠。

圖2 PLC S7-300硬件結構配置圖

3 軟件結構描述

聯鎖軟件主要由上位機軟件和PLC軟件兩部分構成。上位機軟件包括人機接口模塊、通信模塊和信息提示模塊;PLC軟件包括聯鎖運算模塊、通信模塊和聯鎖驅采模塊等軟件。整個聯鎖軟件的總體結構如圖3所示。各個模塊之間相對獨立,只有數據交換,沒有程序上的聯系,使得系統結構清晰,設計和編程符合通用性和模塊性原則。

圖3 聯鎖軟件系統的總體結構圖

3.1 上位機軟件

上位機軟件設計采用面向對象編程的方法,編程語言為 C#,開發工具是基于.NETFramework框架的 Microsoft Visual Studio 2010,底層數據庫選用微軟的Access。從結構層次上來分,上位機軟件可以分為三層（見圖4）：第一層為數據庫層,主要負責參數配置和保存歷史數據,供用戶查看;第二層為應用層,負責人機交互,響應用戶的操作命令,并實時處理來自通信層的數據;第三層為通信層,負責將應用層的操作命令發送給聯鎖主機,并接受來自聯鎖主機的數據,反饋給應用層。

圖4 上位機軟件的分層結構圖

3.1.1 數據庫層

數據庫層具備處理信息能力強和存儲容量大的優點,有利于聯鎖系統維護和自動化管理,用于記錄從聯鎖主機發送的實時站場信息和已執行的操作命令信息。在數據庫中創建兩個表,分別按時間順利存儲。數據庫層同時支持數據回放,還原歷史設備狀態和操作命令,便于查找故障和分析問題。

3.1.2 應用層

應用層主要實現人機交互功能,采用C#編程語言對人機界面進行總體設計,根據需求創建了信號機、道岔、軌道區段等用戶自定義控件。定義了操作命令由3個字節組成：第一個字節為命令類型;第二個字節為進路/設備編號;第三個字節為操作命令。軟件設計中加入了自檢模塊,對于非法操作,會在屏幕上給出錯誤操作提示。上位機會周期性地接受來自聯鎖主機的數據,以便實時顯示現場信號設備狀態。軟件設計周期為100 ms。對于設備故障,屏幕會報警提示,以便維護人員及時處理。用戶界面如圖5所示。

圖5 用戶界面圖

3.1.3 通信層

通信層實現了上位機和聯鎖主機的數據交換。為確保通信的實時性和高可靠性,其軟件采用基于工業 以 太 網 的 UDP/IP 機 制 進 行 通 信,利 用send UdpClient.Send（）函數發送 操 作 命 令,利用receiveUdp Client.Receive（）函數接受信號設備狀態信息。上位機不間斷循環接受數據,每次接受的數據會與前一次進行比較。如果相同,則不處理。通信過程中設置定時器,若上位機超過5 s接受信息為空,則認為通信故障,并在屏幕給出報警提示。

3.2 PLC軟件

聯鎖主機軟件是計算機聯鎖系統的核心,它的主要功能是實現了信號機、進路和道岔的相互制約關系。軟件的設計需以鐵道部《計算機聯鎖技術條件》為依據,并能完成6502電氣集中的所有聯鎖關系。PLC軟件設計采用西門子公司S7-300的模塊化編程語言STEP7作為開發工具,編程采用梯形圖法。由于聯鎖系統對安全要求極其苛刻,為了保證軟件結構清晰、邏輯正確,PLC聯鎖軟件設計開發應遵循功能需求分析、設計、編碼、測試的步驟（如圖6所示）。

3.2.1 模塊化設計

圖6 PLC軟件開發流程圖

為了便于開發調試和功能增減,PLC軟件采用模塊化結構。每一個模塊對應著一個運算功能。PLC軟件包含以下功能模塊：命令接受處理模塊、設備狀態處理模塊,選路檢查模塊,照查模塊,選路執行模塊,開放/關閉信號模塊,取消進路模塊,道岔單獨操作模塊,人工解鎖模塊,故障解鎖模塊和區段解鎖模塊等。在上位機沒有下達操作命令時,軟件循環執行系統內部調度程序,當發出命令,命令接受處理模塊接受命令并分析,轉向相應的軟件模塊進行運算。另外,系統每隔500 ms發出一次中斷請求,CPU 相應中斷轉入相應的中斷服務程序,執行計時和輸出脈沖,以完成轉換道岔和開放信號等功能。

3.2.2 安全性設計

為確保系統的安全型,PLC軟件采用冗余結構：PLC配置兩套功能相同但結構不同的程序,同時執行相同的命令,一旦系統發生故障,命令不會被執行,確保了系統的安全性。

設備狀態信息是聯鎖邏輯運算的重要參數。為確保設備狀態正確無誤,采用冗余編碼,對于每一個設備狀態均采用兩位二進制碼表示。例如01表示軌道區段空閑,10表示有車占用,00和11均為非法碼。這樣,當存儲單元發生故障時,能有效地確保故障導向安全。

PLC軟件采用冗余結構和信息冗余編碼的工作方式,充分體現了鐵路信號“故障-安全”的設計原則,系統的安全性得到充分保障。

4 結語

NTY-I型計算機聯鎖系統在硬件上對安全關鍵部分和安全相關部分均采用了冗余結構,在軟件上采用容錯機制,具有較高的安全性、可靠性、可用性和可維護性。目前,該系統已經開發完成。

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Design and Implementation of NTY-I Computer Interlocking System

Cao Feng,Shu Yuan,Hong Guan

The core technology of computer interlocking system has been monopolized by foreign suppliers.To meet the requirements of high-speed railway and urban rail transit development in China,a PLCbased NTY-I computer interlocking system is developed.The design and implementation of NTY-I computer interlocking system is introduced in general,including system composition,hardware structure and software structure,then the design of upper machine and interlock host software is introduced specially from the aspect of software structure.

signal facility;computer interlocking system; programmable logic controller（PLC）

2013-08-22）

U 284.3