PLC在鐵路機務折返段微機聯鎖系統中的應用

李國瑞，張 重

（蘭州交通大學 電子與信息工程學院，蘭州 730070）

PLC在鐵路機務折返段微機聯鎖系統中的應用

李國瑞，張 重

（蘭州交通大學 電子與信息工程學院，蘭州 730070）

介紹在鐵路機務折返段微機聯鎖系統中使用可編程控制器PLC技術，實現道岔集中聯鎖控制功能，并從系統的總體結構、冗余方式，軟件的總體結構、PLC聯鎖軟件的分類和調用，程序嵌套思想等方面進行了分析。證明它是一種適合機務段使用的性價比高的微機聯鎖系統。

PLC；聯鎖系統 ；程序嵌套思想

目前，仍有不少鐵路機務折返段的信號系統還未采用微機聯鎖控制技術，機車出入庫、庫內調車仍采用手扳道岔，給手信號行車的傳統方式，這不僅作業效率很低，安全性也很差。針對這些問題，鐵路機務部門也采取了一些解決措施，如一些機務段采用了6502電氣集中控制系統，以滿足安全方面的要求，但該系統設備結構較復雜、占地面積大、維修難度大，尤其是無法與數字設備接口，無法滿足機務段信息處理的要求[1]。還有一些機務段采用了干線上普遍使用的計算機聯鎖系統，而該系統成本較高，對于機務段內的使用性價比不高。

可編程控制器（PLC，Programmable controller）是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子系統。它采用可編程的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、定時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。PLC可編程控制器已經在鋼鐵、石化、機械制造、電力、汽車等行業廣泛應用，其可靠性高，非常適合邏輯控制系統。它具有以下特點：可靠性高，抗干擾能力強；靈活性強，控制系統具有良好的柔性；編程簡單，使用方便；控制系統易于實現，開發工作量少，周期短；維修方便；體積小，能耗低；功能強，性價比高[2]。目前一般的工業控制計算機具有編程語言豐富、運算速度快、圖形、通信管理功能強等優點，但I/O 接口功能較弱。而PLC正好彌補了這一不足。綜上所述,把PLC應用于機務折返段微機聯鎖系統中是切實可行的。

1 基于PLC的微機聯鎖系統

1.1 系統總體結構

系統設計借鑒了6502電氣集中控制系統和計算機聯鎖系統的成功經驗，同時也充分考慮了機務折返段的特點。其總的設計原則是：在保證系統可靠性和故障-安全的前提下，盡量簡化系統的結構，減小設備體積，使之符合機務折返段的作業方式。整個微機聯鎖系統為上下位機的結構形式。上位機采用工業控制計算機，它主要作為控制臺使用，顯示實時站場畫面，信號員在其上進行選排進路等相關作業操作。下位機采用PLC作為聯鎖機，它是整個系統的核心部分，通過PLC的內部軟件實現全部聯鎖邏輯運算，從而控制室外道岔轉換、信號機開放與關閉。整個系統的總體結構原理如圖1所示，主要由室內和室外兩部分構成，其中采集的室外部分有：軌道繼電器的吸起或落下、道岔的定位或反位表示、信號機燈絲的完整或斷絲。 經室內轉有故障-安全特性的動態采集電路送至下位機PLC。經過下位機PLC預處理后，被具有冗余通道的信號線串行送往上位機。上位機一方面送往顯示器顯示當前站場情況，一方面作為聯鎖運算的依據。

圖1 系統總體結構原理圖

1.2 冗余結構

為了實現聯鎖系統的可靠性指標，系統采用冗余結構配置。從硬件上來說，上位機采用雙機熱備，下位機采用三取二冗余結構。通信采用冗余信道實現自動切換，保證通信不中斷。在軟件上，PLC采用軟冗余結構，軟冗余是一種綜合考慮高可靠性和低成本的折中方案。當系統發生一定故障時，系統能夠自動主備切換，備站接替主站繼續運行。PLC軟冗余系統要實現軟冗余功能，需要調用程序中冗余軟件包的功能模塊，主要包括：初始化冗余系統運行參數的FC100模塊；故障診斷、主備切換的FC102模塊；發送/接收數據的FB103模塊；調用FB103進行數據同步、分析系統狀態的FB101模塊[3]。典型的PLC軟冗余系統組成方案如圖2所示。

圖2 典型的PLC軟冗余系統組成

2 基于PLC的微機聯鎖系統軟件部分

2.1 軟件的總體結構

按軟件的層次結構，可分為3個層次，即人機會話層、聯鎖運算層和執行層，其結構如圖3所示。人機會話層完成人機界面信息的處理；聯鎖運算層完成聯鎖邏輯運算；執行層完成表示信息的輸入和控制命令的輸出[4]。對應于上下位機，人機會話層由上位機軟件實現，聯鎖運算層和執行層由下位機軟件實現。

圖3 聯鎖系統軟件的總體結構

2.2 PLC軟件模塊的分類及調用

本文以某公司SIMATIC S7-400 系列的PLC舉例。S7-400 系列的組態和編程是利用STEP7標準軟件包進行的。STEP7軟件包可以運行在Window 95/98/2000/NT下，STEP7標準軟件包功能和組成如圖4所示。

圖4 STEP7標準軟件包的組成

為了實現程序的模塊化、標準化，將聯鎖程序分為進路選擇、道岔轉換、道岔鎖閉、道岔光帶控制線圈、進路光帶控制、信號機控制、終端解鎖等模塊。每個模塊賦予一個FC塊，調用程序結構如下：

其中OB1是最重要的組織塊，OB100運行結束后，操作系統調用OB1。當OB1運行結束后，操作系統再次調用OB1，OB1如此不斷循環。這一過程也稱為掃描循環。調用OB1的時間間隔稱為掃描周期。掃描周期的長短，主要由執行OB1中程序所需的時間決定。

2.3 PLC聯鎖程序的編程思想

聯鎖程序是整個聯鎖系統的核心。鐵路機務折返段PLC微機聯鎖系統是在6502電氣集中的基礎上用PLC進行聯鎖控制取代6502電氣集中的繼電器式邏輯控制電路，用軟件實現6502電氣集中的全部技術要求。同時克服了6502電氣集中的缺點和不足之處。聯鎖軟件以“故障-安全”為原則，采用PLC專用語言梯形圖語言編寫，它與繼電器的接點圖非常類似，易于掌握，便于維護。電路設計簡單，如果站場有變化，也易于修改。

編程中利用了數據庫思想和程序嵌套思想。在PLC編程中充分應用數據庫（Database）是使用計算機管理數據的一門最新技術，使用數據庫對數據進行管理是計算機應用中一個重要而廣闊的領域[5]，如圖5所示。

圖5 數據庫思想在PLC中的應用

計算機編程中用到的數據庫是指存儲在計算機內的，有結構的數據集合。合法用戶可以方便調用數據庫中的相應數據。數據管理是對各種形式的數據進行采集、儲存、加工和傳播的一系列活動的總和，數據處理是借助計算機科學地保存和管理大量復雜的數據，以便利用。而在PLC編程中應用數據庫思想能夠把數據分類規范存儲，充分利用存儲空間，便于程序中調用數據。

將程序嵌套思想應用到PLC編程過程中可以讓程序的邏輯更加清晰，并且縮短了原程序長度，便于模塊化編程且方便調試。

綜上所述程序嵌套思想的優點，將PLC聯鎖控制程序中的各部分的功能塊設計成子程序，在主程序中進行調用就可以使聯鎖控制程序更加簡化。并且方便今后對各功能塊程序進行修改完善和故障的快速查找解決。在PLC聯鎖控制程序設計中，將聯鎖的各個功能模塊設計成子程序在主程序（MainRoutine）中進行調用，執行完后再返回主程序繼續執行，這樣程序的條理很清晰，且可以簡化聯鎖大型程序的編寫，如圖6所示。

圖6 程序嵌套思想的應用實例

3 結束語

該系統充分考慮了機務折返段的作業特點及對設備成本的要求。使用可靠性高的PLC作為聯鎖系統的核心控制部分，采用故障-安全措施，使得該系統運行穩定、安全可靠、功能齊全、操作方便、維護簡單，并在鐵路機務折返段微機聯鎖控制中能充分保證行車安全、提高運輸生產效率，所以它是一種適合機務折返段使用的性價比高的微機聯鎖系統。

[1]何鴻云，蔣 勇.機務段股道管理自動化系統的開發[J].機車電傳動，2005（5）：63-66.

[2]陳建明.電氣控制與PLC應用[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3]馬伯淵,呂京梅，等.PLC軟冗余系統性能分析[J].電力自動化設備，2009，29（2）：98-100.

[4] 喻 鋼，徐中偉. 基于排隊模型的聯鎖邏輯仿真模型研究[J]. 系統仿真學報，2008，20（8）：2003-2006.

[5]杜 杰，李秋明，等.計算機編程思想在PLC程序設計中的應用[J].儀器儀表學報，2006，27（6）：603-605.

責任編輯 陳 蓉

Application of PLC in Microcomputer Interlocking System of locomotive depot

LI Guorui, ZHANG Zhong
( School of Electronics and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China )

In this paper, the programmable controller techniques were mentioned, which were used in signal control system of railway locomotive depot to implement interlocking function. The system structure, redundancy mode, software structure, classif i cation and transfer of PLC interlocking software, program idea were analyzed. The System was proved to be a high performance-price ratio system for locomotive depot.

PLC; Interlocking System; program nestif i cation idea

U284∶TP39

A

1005-8451（2014）02-0036-03

2013-09-05

李國瑞，在讀碩士研究生；張 重，在讀碩士研究生。