全電子計算機聯鎖系統架構與關鍵技術研究

■ 薄云覽 楊濤

0 引言

計算機聯鎖系統是保障行車安全的重要技術裝備。為了不斷提高軌道交通系統的運營效率，改善勞動條件，必須保證計算機聯鎖系統的良好運行。隨著功率電子學、傳感器與自動檢測技術、通信技術和自動控制技術的發展，全電子模塊應運而生。全電子模塊可代替既有計算機聯鎖系統中的繼電器執行電路對室外信號設備進行控制，具有節省設備空間、簡化施工配線、規模擴展靈活、易于故障處理等優點，較好地克服了繼電器執行電路結構復雜、配線易發生混線和混電問題、排除故障難度大等不足[1-4]。全電子模塊與既有計算機聯鎖系統的主控邏輯部分結合構成的計算機聯鎖系統即為全電子計算機聯鎖系統。我國鐵路“十一五”技術裝備政策已提出要發展全電子計算機聯鎖系統。同時，從國外計算機聯鎖發展趨勢看，全電子計算機聯鎖目前是各廠家的主流裝備，因此繼電執行電路的全電子化是計算機聯鎖發展的必由之路[5]。

1 全電子計算機聯鎖系統架構

全電子計算機聯鎖系統由3部分組成，分別為人機界面層、邏輯層和執行層，其架構見圖1。全電子模塊直接控制信號設備；智能電源屏采用N+1并聯均流冗余電路結構，按照不同容量和不同要求分回路為人機界面層、邏輯層和執行層的設備供電；外部通信接口實現計算機聯鎖與其他設備（如區域控制器ZC、自動列車監控系統ATS等）之間的通信。

人機界面層由控顯機和監測機組成。控顯機的主要功能是用于站場圖形實時顯示和車站值班員進行操作；監測機的主要功能是用于系統運行狀態以及現場操作、信號設備動作的記憶、查詢、再現、打印等，為電務維護人員提供良好的操作界面。

邏輯層由安全計算機平臺主控單元組成，主要功能是完成聯鎖軟件的邏輯運算，通過標準通信總線向全電子模塊的通信單元下發信號設備控制命令，同時實時采集全電子模塊和信號設備當前的狀態數據信息。

執行層由全電子模塊組成。在跨座式單軌交通系統中，主要運用到的模塊包括信號機模塊、安全輸入模塊、安全輸出模塊、單軌道岔控制器和其他接口模塊（如通信轉換接口模塊等）。對跨座式單軌道岔的控制雖然屬于計算機聯鎖的功能，但考慮到單軌道岔控制器一般作為獨立的控制系統存在，該系統可通過繼電組合接口或通信接口（如圖1所示的外部通信接口）與計算機聯鎖主控單元通信，在此不對單軌道岔控制器進行討論。

圖1 全電子計算機聯鎖系統架構

2 全電子計算機聯鎖系統網絡設計

基于具備冗余切換功能全電子模塊的全電子計算機聯鎖系統控制、監測網絡結構見圖2。在既有計算機聯鎖系統中，擴展輸入、輸出模塊自身不具備冗余功能，對其進行冗余切換控制需要在主控計算機中完成。圖2所示控制方式的區別在于：Ⅰ系全電子模塊和Ⅱ系全電子模塊通過系間差分冗余通信通道，具備自主切換功能，即全電子模塊的切換過程無需主控計算機的參與。由于全電子模塊直接對信號設備進行控制和數據采集，因此全電子模塊除了需要具有基本的“2取2（2 out of 2）”功能外，也需要具有“故障-安全”的處理功能，而不是僅通過主控計算機進行處理。即全電子模塊是一種具有“智能化”的模塊，具備安全處理功能和模擬量監測功能。基于全電子模塊的“2乘2取2”架構，在保證安全性的同時，提升了整個計算機聯鎖系統的可靠性。

在圖2所示的網絡結構中，通信控制器是控制網和監測網的核心部件。主控計算機A系和B系的控制網（以太網）通過交換機構成冗余的控制網-A網和控制網-B網。在不降低系統冗余性的基礎上，通信控制器A和通信控制器B分別與控制網-A網和控制網-B網相連。全電子模塊的控制總線采用CAN總線，通信控制器也簡化了全電子模塊內部控制網絡的設計，即Ⅰ系全電子模塊的控制總線為CAN-A總線，Ⅱ系全電子模塊的控制總線為CAN-B總線。

若將全電子模塊放置于室外軌旁信號設備處，則可由通信控制器實現主控單元對軌旁信號設備的分布式控制；若幾個信號設備放置較集中，可由通信控制器的CAN總線將全電子模塊相連，實現區域的集中化控制。

3 全電子模塊功能

3.1 信號機模塊

信號機模塊可配置用于完成跨座式單軌信號系統中三顯示信號機、兩顯示信號機和阻擋信號機的控制、狀態采集和信號監測。信號機模塊的功能遵循行業標準TB/T 3027—2015《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》[6]的要求，其主要功能如下：

（1）信號機模塊具有指示功能，可指示模塊電源工作情況、控制單元運行狀態、通信狀態等。

（2）信號機模塊監測每個信號燈位的點燈電流。

圖2 基于具備冗余切換功能全電子模塊的全電子計算機聯鎖系統控制、監測網絡結構

（3）信號機模塊能防止信號機出現亂顯示或信號升級故障。

（4）信號機模塊在允許燈位滅燈時，自動改點禁止信號；在規定時間內，信號機模塊與聯鎖計算機通信中斷或信號機模塊掉電時，自動改點禁止信號。

（5）信號機模塊電路和各燈位出現故障后，能及時提供完善的報警信息。

符合上述功能的信號機模塊主工作流程見圖3。

信號機模塊由2部分組成，分別為邏輯部分和驅動部分，其結構設計見圖4。邏輯部分由2取2主控制單元組成，完成信號機應用、通信交互、控制輸出及采集等功能，該部分為安全相關功能模塊；驅動部分由電源切換開關電路和功率驅動電路組成，實現對交流信號機點燈驅動功率的輸出。

電源切換開關電路由2個3開1閉繼電器及繼電器相關的驅動和接點采集電路組成，該電路為安全相關模塊。繼電器的2個常開接點分別接入AC 220 V的火、零線，繼電器的1個常開和1個常閉接點作為CPU的檢測接點，通過兩CPU互斥地控制2個繼電器，以達到對任意繼電器的狀態及繼電器驅動故障的識別。安全控制電路由兩CPU分別給出動態控制信號通過安全與門電路實現，確保任意CPU的嚴重故障處理均能切斷AC 220 V電源；接點采集由動態發碼采集實現，確保對任意接點閉合狀態的安全采集。

功率驅動電路由2部分組成，分別為采集電路、雙控/自檢電路。

采集電路由隔離電流采集和光耦繼電器組成的自檢電路組成，該部分為安全相關模塊。光耦繼電器自檢電路通過1個安全CPU芯片控制自檢負載的通斷，環路負載的變化導致電流變化，兩CPU通過采集到的變化電流值判斷隔離電流采集是否正常。其中兩CPU通過電流采集值判斷當前燈的狀態（點亮、閃爍、報警、滅燈）。

圖3 信號機模塊的主工作流程

雙控/自檢電路由固態繼電器開關、安全繼電器組合及安全采集電路組成，該部分為安全相關模塊。固態繼電器開關由串聯在正極線上的1個固態繼電器組成，該繼電器通過1個安全CPU芯片以電平的形式進行控制。安全繼電器組合由1個2開2閉的安全繼電器組成，其中的1個常開接點串聯在正極線上，另1個常開接點串聯在負線上，1個常閉接點并與正、負輸出線上，該繼電器由另外1個安全CPU芯片以電平的形式進行控制，該繼電器的另1個常閉接點作為檢測接點。安全采集電路實現對安全繼電器常閉接點的狀態檢測。通過兩CPU控制2個異構的開關，實現對1個燈位的雙控。固態繼電器輸出和固態繼電器自檢電路共同組成檢測電路，實現對2個固態繼電器和電流隔離采集的檢測。

電磁兼容防護電路解決出線的EMC問題，該部分為功能相關。

3.2 安全輸入模塊

考慮到電子模塊直接和實際設備連接，因此將全電子安全輸入模塊的電壓輸入范圍由既有的0～24 V（最高可承受36 V）調整為0～48 V（最高可承受60 V），并將采集電纜上的電流大小調整為15～20 mA（室外機械設備的接點采集要求較大的采集電流）。

3.3 安全輸出模塊

考慮到電子模塊直接和實際設備連接（如聯鎖應用中有驅動幾公里外安全型繼電器的需求），因此將全電子安全輸出模塊的電壓輸出由既有的最大100 mA@DC 24 V，調整為DC 24、30、36、42、48 V 5檔輸出電平，對應的帶載能力分別不小于100．0、80．0、66．7、57．1、50．0 mA。電壓調整可采用正激隔離變換技術，由FPGA通過改變功率驅動電路的占空比來調整輸出電壓，從而實現多電壓等級的輸出。

圖4 信號機模塊結構設計

4 全電子模塊關鍵技術

全電子模塊在設計和工程實施中需要考慮安全性、兼容性等問題。

4.1 電源切換技術

電源切換電路的結構見圖5，該電路由2個安全與門電路、2個3開1閉繼電器（繼電器符合EN 50205標準）和2個繼電器互斥節點采集電路組成。將繼電器的2個常開節點作為輸出節點，分別接入AC 220 V輸入的火線和零線；繼電器另外1個常開節點和1個常閉節點作為檢測節點。電子模塊正常工作時（以此時繼電器A處于工作狀態為例），繼電器A的輸出節點閉合，繼電器B的輸出節點斷開；電源切換電路自檢時，繼電器A和繼電器B的輸出節點同時閉合；節點狀態檢測正常后，斷開繼電器A的輸出節點，由繼電器B維持AC 220 V的輸出。

4.2 信號機驅動控制技術

信號機驅動控制電路結構見圖6。驅動控制電路的主要功能包含點燈電流采集、電流自檢、燈位驅動雙控/自檢。通過電流采集，CPU可以判斷當前燈位的狀態（點亮、閃爍、報警、滅燈）。由于電流采集功能與安全相關，因此必須進行周期性自檢以保證安全性。光耦繼電器自檢電路通過1個安全CPU芯片控制自檢負載的通斷，環路負載的變化導致電流變化，兩CPU通過采集到的電流變化值判斷隔離電流采集是否正常。

雙控/自檢電路由光耦繼電器開關、安全繼電器組合及安全采集電路組成，該部分為安全相關模塊。光耦繼電器開關由串聯在正極線上的1個光耦繼電器組成，該繼電器通過1個安全CPU芯片以電平的形式進行控制。安全繼電器組合由1個2開2閉的安全繼電器組成，其中的1個常開節點串聯在正極線上，該繼電器由另外1個安全CPU芯片以電平的形式進行控制；該繼電器的1個常閉節點作為檢查電路完成對光耦繼電器開關危險側故障的檢測。安全采集電路實現對安全繼電器常閉節點的狀態檢測。通過兩CPU控制2個異構的開關，實現對1個燈位的雙控。

4.3 信號機隔離檢測技術

信號機模塊的信號隔離檢測單元對信號機的輸出進行回讀檢測，以此作為程序進行故障-安全處理的依據。信號隔離檢測單元的工作原理見圖7。交流電流采樣器將點燈電流隔離轉換成同頻同相的交流電流信號。低通濾波電流采用Sallen-Key二階低通濾波電路，轉折頻率設置為100 Hz。交流電流信號經過低通濾波電路后輸入到電壓比較器，設定電壓比較器的比較基準值，可將交流電流信號轉換成可供采集的回讀檢測結果。交流電流采樣器的隔離電壓可達到3 kV，因此其在完成信號變換的同時，起到了隔離點燈強電和模塊內邏輯電壓的作用，使得信號機模塊的工作更安全，也有效抑制了強電干擾。

圖5 電源切換電路結構

圖6 信號機驅動控制電路結構

圖7 信號隔離檢測單元工作原理

4.4 防雷模塊

與既有繼電器控制電路不同，全電子模塊的輸出無隔離地直接驅動信號設備，因此對全電子模塊抵抗電磁干擾和防止雷電故障的能力提出了更高要求。1路驅動控制信號防雷電路的原理見圖8，防雷電路由氧化鋅壓敏電阻和金屬陶瓷氣體放電管組成。防雷電路可離線檢測，不影響全電子模塊對信號設備的控制。防雷電路基本參數為：最大持續工作電壓275 V；限制電壓≤700 V；標稱放電電流≥10 kA。

4.5 信號機模塊的可配置性和兼容性

對不同類型的信號機而言，繼電器點燈電路形式也不盡相同，增加了施工配線的工作量和復雜性。信號機模塊可設置為通用可配置，對不同類型的信號機，只需改變標準歐式接插件的配線即可，容易將1個信號機模塊配置為控制1架或若干架信號機（信號機類型可不相同）。信號機模塊控制1架三顯示信號機的工作原理見圖9，三顯示信號機配置在信號機模塊的1—3燈位。信號機模塊能很好地處理燈位的共回線問題，與既有施工設計方案完全兼容，無需增加電纜布線成本。

5 結束語

圖8 防雷電路原理

圖9 三顯示信號機工作原理

以通信技術和自動控制技術為基礎，綜合運用功率電子技術和檢測技術發展起來的全電子模塊，可直接對信號設備進行控制，替代傳統的繼電器執行電路。以全電子模塊為基礎的全電子計算機聯鎖技術研究與應用是未來計算機聯鎖系統的重要發展方向之一。全電子計算機聯鎖系統在安全性、可靠性、新技術的合理應用等方面有待進一步深入研究。