道岔融雪控制系統典型問題分析與優化設計

曹 達,張雪松,李紅俠

(1.中國鐵道科學研究院研究生部,北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所,北京 100081； 3.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

北方地區冬季寒冷，經常降雪且降雪量較大，道岔附近的積雪會影響道岔密貼效果，從而對行車安全造成影響，需要由自動化除雪設備或人工清除積雪。自動化除雪的方式有很多種，如電加熱、熱水循環加熱、鹽水融雪、風力除雪、燃氣加熱、電磁渦流加熱等[1-3]，綜合考慮到鋼軌對熱量和鹽分的承受能力及對軌道電路等電氣化設備的影響，一些方式的融雪技術在我國并未得到發展和實際應用。

目前國內應用比較成熟的是電加熱道岔融雪技術。該技術的基本原理是：將絕緣加熱條安裝在軌腰部位，以通電加熱的方式使鋼軌保持在一定的溫度范圍內，從而融化積雪。道岔融雪設備的核心控制邏輯中不包含復雜的算法，且屬于弱電控制強電設備，終端軟件完成的主要任務是對融雪設備進行控制和顯示各加熱條、接觸器、傳感器等的狀態，因此，國內很多型號的道岔融雪設備都采用了工業組態技術編制終端軟件，設計控制系統結構和邏輯[4-5]。但是，隨著道岔融雪設備的大規模推廣及應用，控制系統存在的一些典型問題逐漸暴露出來。這些問題的出現，影響了道岔融雪設備的生產效率和工作效率。

因此，本文對這些典型問題進行了分析，并針對這些問題提出新的解決方案，設計實現了一套新型道岔融雪控制系統。

1 現有系統典型問題分析

通過對國內已經成熟應用的幾種型號道岔融雪系統的調研，發現了一些普遍存在的典型問題，下面對這些問題進行簡要說明，并對問題成因進行分析與總結。

1.1 用戶操作體驗

問題描述：通過調研發現，既有道岔融雪系統的操作終端多數僅能在界面提供單個控制柜的運行參數，無法直觀顯示控制柜及加熱條的位置與實時狀態；對單個控制柜及加熱條進行控制操作時步驟也較為繁瑣。

成因分析：道岔融雪系統終端軟件多采用了工業組態軟件作為基礎框架進行開發，由于框架本身的限制，軟件中不能夠自由選擇設備的圖標、展現方式，框架自帶圖標與控件美觀性欠佳，復雜界面開發成本較高[6]；在軟件研發時僅僅實現了融雪控制終端的基本控制功能，在人機交互體驗方面還不夠完善。

1.2 生產效率與兼容性

問題描述：既有道岔融雪系統的車站控制終端和遠程控制中心需要針對每個站進行重新設計與編譯，生產周期較長；軟件僅能支持某一種型號的控制柜，在站場后期改造時新舊型號控制柜不能同時工作；軟件對運行設備與環境要求苛刻。

成因分析：基于組態軟件的道岔融雪終端，由于其圖形界面是由框架本身提供的控件拼湊而成，因此，針對不同的站場，不同數量的控制柜和加熱條，每一個站場的車站終端都需要重新在編程環境中進行設計與編譯，路局遠程控制中心也需要進行修改，生產效率較低；組態軟件本身對通信協議及下行設備型號有限制，例如由MCGS組態軟件編制的融雪控制終端，無法兼容采用單片機作為控制器的控制柜。而且，MCGS組態軟件廠家在多年前就停止了其整個平臺的更新與維護。組態軟件需要在單獨的運行容器中運行，基于C++編寫的終端對操作系統和CPU類型的限制更加嚴格，造成了軟件的兼容性欠佳。

1.3 系統性能

問題描述：既有道岔融雪系統控制終端的容量有限，控制柜和加熱條數量增多時運行流暢度、穩定性、延遲等均表現欠佳。

成因分析：當站場較大控制柜數量較多時，加熱電路各配屬設備及傳感器等組件數量和數據量成倍增長，組態運行環境同時為控件渲染和數據分析、記錄提供支持，已經出現了性能瓶頸，而運行環境本身還要受制于Windows平臺的運行狀況；組態軟件采用了Modbus協議，協議規定了單幀最大長度[7]，在站場設備增多，尤其是用于車站終端與遠程中心間的數據交互時，由于需要傳輸多個站場的整場數據，采用Modbus協議必須進行拆包處理，多個設備的通信需要進行排隊和輪詢，通信延遲較大。

1.4 控制可靠性與安全性

問題描述：既有道岔融雪系統控制終端運行不穩定，可能會出現死機；控制柜內的控制器故障率高，經常出現通信中斷；單個控制柜故障可能造成多個控制柜故障；車站終端與控制柜通信中斷后控制柜不停止加熱；車站終端和遠程中心間缺乏完善的控制權限管理。

成因分析：基于組態軟件的道岔融雪控制終端，由于運行容器本身的不穩定性，造成了終端可靠性下降，基于C++的道岔融雪控制終端，由于內存泄露問題也會造成終端可靠性下降[8-9]；控制柜內采用了組態觸屏+PLC的方式，多級控制降低了可靠性[10-11]，通信通過專用的通信盒將信號電纜信號轉換為網線信號，工作不穩定；控制柜間通信采用串聯結構，某一控制柜通信中斷時將造成后續所有控制柜通信中斷；控制柜缺少判斷機制，在通信中斷時仍舊按之前的控制狀態運行；軟件框架本身存在限制，實現權限管理功能難度較大。

1.5 小結

綜合目前系統存在的典型問題及成因分析，我們可以發現，在融雪控制終端方面，多數問題都是由軟件框架本身引發的，無論是基于組態還是C++，框架本身的缺陷加上軟件代碼質量的不足，都會降低軟件的生產效率和使用效果。另外，系統的控制結構、控制方式等方面也存在問題，也會降低系統的可靠性與安全性。

2 道岔融雪控制系統優化設計方案

對于軟件開發而言，當軟件缺陷的成因主要來自于框架本身時，比較好的解決方案是更換框架，從根本上解決問題。針對上文所述的問題與分析，綜合考慮系統的各方面需求，在實現道岔融雪系統原有的基本控制功能的基礎上，對道岔融雪系統進行了優化，設計實現了一套全新的道岔融雪控制系統。

2.1 系統整體介紹

設計實現道岔融雪控制系統，應首先滿足《客運專線鐵路信號產品暫行技術條件-電加熱道岔融雪系統設備》中對控制系統功能和性能的要求，可概括為：實現對控制柜的自動控制、手動控制；完成對控制柜的參數設定；實時顯示控制柜的各種采集信息并進行數據記錄；具備車站控制終端和遠程控制中心兩級控制，且上級故障對下級設備不造成影響；具備安全認證功能[12-13]。

在此基礎上，考慮到實際應用中的功能需求和工程化設計等方面，在控制柜、車站控制終端、遠程控制中心3個層級分別進行了設計與優化。其中，控制柜負責采集各加熱電路和傳感器參數，并驅動隔離變壓器；車站控制終端設置在各車站，負責采集顯示各控制柜數據，直接向控制柜下達控制指令，向遠程控制中心轉發本站各控制柜數據；遠程控制中心設置在路局指揮中心，負責顯示各站數據，必要時可向各站的各個控制柜下達控制指令。

2.2 人機交互設計

道岔融雪系統控制終端需要經常有值班人員進行操作，在保證融雪效果的前提下，控制終端的用戶操作體驗成為了評判系統質量的重要因素。新型道岔融雪控制終端采用Windows桌面軟件的典型布局，頂部為菜單欄和功能按鈕，顯示直觀易于上手。借鑒鐵路計算機聯鎖等操作終端，新型道岔融雪控制終端加入了站場圖形化顯示功能，如圖1所示。

圖1 軟件界面

將控制柜和各加熱條按照實際安裝位置顯示在本站站場圖上，并通過設備的顏色、閃爍、文字等的不同狀態，可直觀顯示整個站場內所有融雪設備的工作情況。站場圖形界面具備縮放和拖動功能，便于站場較大時查看。在設備上直接點擊右鍵可進行控制柜控制模式轉換、加熱條單開單關等關鍵操作，并增加了全場操作按鈕可以一鍵控制全場所有控制柜。

此外，軟件還添加了語音報警、日志記錄和數據導出功能。當站場內某一設備出現故障時，終端軟件播報故障報警提示值班人員進行查看；日志記錄功能作為數據記錄功能的冗余，對用戶的關鍵操作和軟件運行的關鍵步驟如通信狀態等進行記錄；用戶可在界面輸入過濾條件查看記錄的數據，并可選擇導出至Excel中便于數據分析。

2.3 生產效率與兼容性

為提高生產效率，新型道岔融雪終端采用了軟件代碼統一，通過修改配置和數據文件適應不同站場的方案[14]。在站場圖形方面，引入項目組自行研發的CAD軟件，將融雪系統的控制柜、加熱條及站場的股道、庫線、道岔等作為標準設備嵌入CAD軟件中，并具備了常規CAD軟件具備的復制、粘貼、對齊等等各種操作。每開通一個新站時，只需用CAD軟件繪制該站的站場圖并導入至融雪控制軟件目錄，融雪終端啟動時首先加載CAD圖形文件并以此為基礎對各設備按照配置文件進行屬性賦值。軟件運行共需要4個主要的配置文件：軟件全局配置文件、單個站場設備配置文件、用戶管理配置文件和協議格式配置文件。軟件全局配置文件主要包含軟件運行的主要配置；單個站場配置文件主要包含某一站場的底層設備詳細信息，如控制柜個數、IP或串口號、各加熱電路的參數等；用戶管理配置文件包含本站用戶的用戶名、密碼、權限等信息；協議格式配置文件主要包含終端與底層設備通信的協議格式。由于不需要調整軟件代碼，不需要重新編譯，軟件的生產周期縮短至1 d，與傳統的軟件控件拼接相比，效率明顯提高。

除了提高生產效率，在軟件兼容性方面也進行了優化。為解決運行平臺問題，新型道岔融雪控制軟件采用C#語言開發，基于.Net Framework 4.0框架，可直接運行在Windows XP至Windows 10的所有版本Windows系統中。車站終端和遠程中心共用一套代碼，通過修改配置文件即可完成車站和中心功能的切換。作為車站終端運行時，通過修改配置文件，可支持通過串口和網絡(TCP/IP)方式與控制柜設備進行通信，支持自定義通信協議格式。因此，只要經過簡單的修改，軟件可兼容目前國內的各種型號的控制柜。軟件支持同時管理多個站場，如某一車站具有上下行兩個咽喉，上行咽喉較早投入使用，并配備了采用Modbus協議和網絡(TCP/IP)通信方式的控制柜，下行咽喉則配備了采用自定義協議和串口通信方式的控制柜，此時可將車站劃分為兩個站場，雖然兩個站場的控制柜類型不同，甚至可能是不同廠家的設備，仍可在軟件中統一控制，上下行咽喉采用不同的配置分別管理，在軟件中只需要點擊切換站場即可顯示和控制不同站場的圖形和設備。

圖2 控制系統結構

采用兼容性設計后的終端軟件，可直接運行在工作站、工控機、筆記本電腦或Windows平板電腦上，達到了一套軟件多處使用的效果，如圖2所示，遠程控制中心、車站控制終端與調試終端所用軟件相同，僅僅進行配置上的簡單切換即可實現不同的終端類型。調試終端直接連接道旁控制柜可模擬車站終端，測試控制柜功能；在車站調度室接入控制柜通信總線可模擬車站終端，測試控制柜功能及各控制柜通信狀態；在車站調度室直接連接車站終端可模擬遠程控制中心，測試車站終端數據轉發與命令執行功能；在路局指揮中心接入車站終端通信線可模擬遠程控制中心，測試車站終端功能及通信狀態。

2.4 系統性能

對于道岔融雪系統，其性能的評價指標主要為控制系統容量和控制響應時間。

傳統組態軟件受制于封閉的開發運行平臺，無法進行性能調優；基于C++編寫的車站終端，由于指針等語言特性的存在，性能調優難度較大且容易出現內存泄露等情況。新版道岔融雪終端基于C#編寫，在充分利用C#面向對象、異步、事件與委托、多線程、垃圾回收等語言特性[15]，對程序性能進行了優化，軟件直接運行在Windows環境中，加上Oracle數據庫的配合，經測試新型終端軟件在單站場控制柜數量達到30個時仍舊保持了良好的運行狀態。如果控制柜全部采用新型控制柜(每個柜子最大可接入24路加熱電路)，系統容量可以滿足各種站場的規模。

另一方面，新型道岔融雪系統的遠程中心與車站終端采用了自定義變長協議和TCP/IP通信方式，車站終端和控制柜間采用了自定義定長協議，采用此種設計后，每個獨立設備的全部數據都可通過一包數據進行發送，減少了輪詢次數，從而縮短了輪詢的總周期。下行設備可選類型范圍變得更廣，而不僅僅局限于組態軟件規定的幾種設備類型。協議格式全部從配置文件讀取，這樣也便于以后協議的拓展和修改。

2.5 控制可靠性與安全性

道岔融雪系統安裝在道岔附近的鋼軌上，與鐵路行車息息相關，因此設計其控制系統時，必須考慮其可靠性與安全性。

根據系統可靠性理論，可靠性是指系統無故障工作的能力。系統的高可靠性，是指系統在某一部分不能夠正常工作時，整個系統仍能完成正常功能。對于道岔融雪系統，其正常功能是將活動軌與基本軌間的積雪融化，保證道岔的密貼效果。為了保證道岔融雪系統的正常功能，主要進行了以下優化設計：軟件方面，由于采用了.Net框架托管的方式，相比于原有的組態或者C++，其故障率更低；硬件方面，除了保持原有的工業控制計算機和工業級的UPS、接觸器、漏電保護器等，還為加熱電路配備了雙路電源，為控制柜內設備提供了兩塊加熱板，保證硬件的正常工作；控制結構方面，控制柜間的通信連接采用了CAN環網而不是之前的串聯結構，在某一控制柜通信故障時，不會影響其他控制柜的通信；控制柜應急控制采用純硬件電路設計，在車站終端不能夠正常工作時，車站應急按鈕按下，向控制柜輸出應急控制信號直接驅動繼電器接通加熱電路進行加熱；為防止啟動瞬間電路負載過高，在自動控制模式下由軟件加入延遲，應急模式下由延時繼電器加入延遲；柜內控制單元采用了單片機，單片機外部封裝全鋁外殼并灌膠，提高了單片機對惡劣環境的防護能力，柜內控制只有單片機一級，相比之前型號的MCGS觸屏+PLC柜內2級控制，在顯著降低成本的同時提高了控制可靠性和響應速度；在控制柜內設有手動-脫控-自動切換按鈕，保證在車站軟件及應急均控制故障時，現場仍可打開控制柜直接用按鈕進行啟動和停止加熱操作。

根據系統安全性理論，安全性是指系統在出現故障時不發生事故的能力。當系統的某一部分或某些部分出現故障時，系統仍舊能夠保證人員和財產安全，這是系統安全性設計所要達到的目標，即故障-安全設計理念。為提高道岔融雪系統的安全性，主要進行了以下優化設計：軟件方面，加強軟件運行環境的安全防護，車站終端與控制柜間的通信采用串口方式，與遠程控制中心間通過鐵路專網連接，與外部互聯網實現完全的物理隔離，對危險端口進行封閉處理，并安裝病毒防護軟件，軟件的各種關鍵操作都設有密碼防護；硬件方面除保持原有的絕緣和防漏電措施外，還在控制柜內加轉了防雷設備，同時對加熱條進行重新設計，保證其持續加熱時鋼軌溫度不超過60 ℃；控制結構與邏輯方面變動較大，采用控制電路與加熱電路物理隔離的方式，由單片機驅動接觸器對加熱電路的通斷進行控制，控制回路不受加熱電路電壓波動的影響；車站終端與單片機間采用指令-應答的方式，車站終端定時向單片機發出運行指令，單片機接收到指令后按指令參數工作，當單片機10 min內沒有收到車站終端的指令時，判斷為通信故障并將所有接觸器切斷，防止在手動加熱狀態下通信終端造成的持續加熱；遠程控制中心與車站終端間采用權限交接機制，只有當車站全部控制柜處于自動加熱狀態時，遠程中心才能獲取該站控制權限，通信中斷后車站終端默認獲取控制權限，且車站終端設有強制獲取權限按鈕，防止由遠程控制中心設置為手動加熱后通信中斷造成的持續加熱[16]；每一路加熱電路單獨設置正常工作的電壓和電流值，超出正常范圍即觸發界面和語音報警，在一定時間內未得到人工處理時，軟件自動將該路接觸器斷開。

3 結語

通過深入調研，發現并分析了現有道岔融雪系統存在的典型問題，并針對這些問題在不同方面提出了優化設計方案。在原有型號的基礎上，對整個控制結構進行了重新設計，研發完成了TYDR-B型道岔融雪系統，該系統已于2017年初順利通過CRCC的高低溫、電磁兼容、防雷等各項實驗，驗證了設計的可行性，并取得了CRCC認證。目前該系統在南昌西站、上饒站、北京和天津地鐵車輛段等多個站場得到了實踐的檢驗，應用效果良好。

道岔融雪系統優化設計中的很多思想都可以應用在同類設備的設計當中，為鐵路設備控制系統設計提供了很好的項目經驗和參考。

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