自主化全電子信號機控制單元的設計與研究?

馮浩楠 關惲琿付 偉 潘 明?

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081；2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所，北京 100081)

隨著計算機工控技術尤其是智能化嵌入技術、現場總線和網絡技術的發展，許多國外鐵路信號公司，如ABB、西門子、阿爾斯通、龐巴迪、安薩爾多和泰雷茲等都已研發出各自的全電子計算機聯鎖系統，并取得了不同程度的實際應用業績[1－3]。全電子聯鎖系統具有減少繼電器數量、降低安裝和維護強度、適配更改方便等優勢，成為軌道交通發展趨勢[4－5]。全電子聯鎖系統需與現場信號設備緊密結合，具有接口電路直接與受控的信號設備電氣特性相關的特點，國外系統通過簡單的適應性開發無法很好地集成到國內軌道交通控制系統中應用。為了更好地與我國軌道交通現場設備結合，國內科研單位也在自行研制其全電子計算機聯鎖系統，蘭州交通大學研制的計算機聯鎖全電子執行單元，采用與既有計算機聯鎖系統通信接口方式構成的全電子計算機聯鎖系統，在我國鐵路上有部分應用[6－7]。

信號機是軌道交通中普遍使用的信號設備，全電子驅動模塊須具有高的安全可靠性[8－9]。目前全電子信號控制單元采用同構模式的二取二結構，驅動外部信號機點燈電路[10－11]，此種控制模式存在共模故障。為此，本文設計和實現一種異構冗余控制結構的全電子信號機控制單元，提高設備的可靠性和可用性。集成全電子信號機控制單元的自主化的全電子計算機聯鎖系統經過嚴格測試和試驗后，已經在國內若干場段投入使用，取得良好的效果。

1 全電子信號機控制單元設計

計算機聯鎖系統的全電子化，是將目前計算機聯鎖系統執行層中的軌旁設備接口安全型繼電器及相關繼電電路進行替代，用各類智能化的電子執行單元取代數字量采集驅動執行層電路和安全型繼電器接口層電路，直接對道岔轉轍機、信號機等軌旁設備進行控制[12]。

全電子信號機控制單元結構上由具有熱備結構的A 系和B 系信號板、信號后接板、電源后接板、通用母板構成。在通用母板上通過調線設置單元地址，并設置相應的單元ID，完成與計算機聯鎖系統上層通信，接收點燈命令后進行信號機點燈控制，同時回讀電流進行安全自檢，如果檢測到危險側故障后，立即切斷信號單元的電源，徹底切斷對外輸出。全電子信號機控制單元架構圖如圖1 所示。

圖1 全電子信號控制單元架構圖

2 系統硬件設計

2.1 系統架構

全電子信號控制單元中的A 系和B 系信號板用專用的二取二安全結構。正常運行時，兩系互為熱備；當任何一系出現故障時，不會影響系統的正常運行。每個信號板驅動8 個信號機燈位，并具備燈絲采集的功能，包括主CPU 模塊(CPUA)，從CPU模塊(CPUB)，監控CPU 模塊(CPUC)，信號機接口模塊，電源模塊和復位模塊六個部分。主CPU 模塊和從CPU 模塊完成對系統的信息交互比較和輸出控制，構成二取二架構確保整個系統安全；二者的內部狀態發送給監控CPU 模塊記錄，這些狀態用于故障維修和診斷；信號板的六部分連接硬件結構框圖如圖2 所示。

圖2 全電子信號機控制單元硬件結構

2.2 CPU 模塊

主CPU、從CPU 和監控CPU 均采用dsPIC 系列16 位DSP 芯片作為運算控制單元。以主CPU 為例進行說明。設計RC 濾波電路向ADC 參考電源正端A＿REF ＋；ADC 參考電源負端為3.3VAGND。控制單元的下載端口包括:3.3 V、3.3VGND、RST、APGED、A-PGEC 五線。外置16 MHz 無源晶振結合電容以及電阻實現時鐘信號的產生。8 路AD 完成燈絲電流的采集。設計兩路UART 串口，分別完成與從CPU 和監控CPU 的通信。串口信號電壓3.3 V，通信波特率為115 200 bit/s。CPUA 和CPUB 進行交互信息包括:工作狀態、點燈命令、燈絲狀態等比較信息。通過CAN 接口電路實現對外通信。CPU 硬件電路原理圖如圖3 所示。

圖3 全電子信號機控制單元CPU 硬件原理圖

2.3 信號機接口模塊

信號機接口部分包括8 路信號燈的點燈控制，8路功能結構完全相同。如圖4 所示。XJZ220、XJF220 為母板引入的220 V 電源正極和負極，通過32 芯端子引入到信號模塊中。F0 為過流防護保險，J1～J8 為禁止信號繼電器的節點，1Q－8Q、1H－8H 為信號單元輸出8 路雙斷的點燈控制信號。

圖4 全電子信號機控制單元信號機接口單元框圖

在信號機接口模塊中，為了避免同質器件產生的共因故障，功率驅動的“取2”器件使用了不同質器件，每個點燈通路由一個電子開關和一個繼電器共同控制。

和傳統的繼電器一樣，電子開關在輸入和輸出之間隔離，此外具有更快的開關速度、更長的使用壽命和更高的可靠性。在安全應用時，需要進行安全設計。當輸出有高瞬態電壓或浪涌電流時，可能導致電子開關損壞，因此在輸出端接入限壓的電壓控制器件。當控制接近最小負載電流時，并聯一個虛擬負載電阻減小輸出端漏電流在負載上產生的較高殘壓。同時，考慮電子開關的散熱效應，設計安裝時與其他電子器件留出適當間隔。

采用強制引導(機械連接)觸點的繼電器，須使用特殊設計和結構措施確保常開觸點不能采取與常閉觸點相同的狀態。EN50205 規定了帶有強制導向觸點的繼電器的標準要求。如果在繼電器通電時常用觸點無法打開，則剩余的常開觸點不能閉合，開放部件之間的間隙應保持≥0.5 mm。在斷電時繼電器常開觸點無法打開的情況下，其余的常閉觸點不能閉合，開放部件之間的間隙應保持≥0.5 mm。

電子開關和繼電器這兩個功率器件形成互補結構，繼電器可以防止電子器件擊穿造成誤輸出，電子開關可以避免繼電器拉弧從而延長繼電器的使用壽命。主從CPU 發出動態正碼和反碼驅動信號控制功率器件，只有兩個器件同時開通才能點亮所控燈位，確保CPU 故障時能切斷對外輸出。

輸出器件通過自檢1～8 實現實時狀態自檢:每個點燈電路的電子開關和繼電器都有狀態監測電路，能夠實時發現每個輸出器件的狀態異常。

2.4 電源供電模塊

全電子信號機控制單元的電源包括24 V 電源、5 V 電源、3.3 V 電源三種。24 V 電源向繼電器接點回讀電路、事故繼電器電路供電。固態繼電器采用5 V 供電。主CPU 和從CPU、監控CPU、事故繼電器、狀態繼電器、切換繼電器接點回讀、固態繼電器回讀、接口電路、CAN 收發器及接口電路采用3.3 V供電。CAN 總線及接口電路除3.3 V 電源外也采用5 V 供電。

電源模塊硬件采用 DC/DC 電源，采用PKF2111A 實現24 V 到5 V 的變換。采用SC1655 LDO 模塊DCDC03 實現5 V 到3.3 V 的電壓變換。

2.5 復位模塊

復位模塊實現上電復位、欠壓復位和手動復位。采用ADM706TAR 實現3.3 V 電壓的上電復位以及外部復位功能。上電后電壓大于3.08 V，輸出復位信號低電平持續200 ms。按下復位按鈕后，輸出復位信號。

2.6 信號機燈絲電流采集模塊

信號機的電流通過電流互感器進行采集，該采集方法的優點是可以對線電壓進行隔離，實現無損測量，并能夠很好地降噪。同時設置一個0.2 kΩ 的采樣電阻，并設置一個二極管進行超壓防護。信號機燈絲采集電流的量程為0～0.5 A；精度±2%，采樣速率為0.5 s。

3 系統軟件設計

全電子信號機控制單元的應用軟件運行在二取二平臺CPUA 和CPUB 中，應用軟件提供接口與對象控制器的通信，并完成信號模塊邏輯處理和輸出功能。

從功能需求和軟件設計的角度，全電子信號機控制單元軟件劃分為5 個模塊:初始化模塊、通信控制模塊、應用程序模塊、狀態機模塊、驅動模塊，每個模塊設計的安全等級均為SIL4。模塊劃分如圖5 所示。各個模塊功能如表1 所示。

圖5 全電子信號機控制單元軟件模塊劃分圖

表1 全電子信號控制單元軟件模塊功能

應用程序模塊又分為主函數程序、事件觸發處理、動作執行處理程序。

(1)主函數程序

完成軟件主程序的周期調度，調用與各模塊之間的接口函數，完成數據接收、邏輯處理和數據的發送，開關量的采集以及信號點燈的輸出驅動。

(2)事件觸發處理

根據每個周期邏輯處理的結果觸發相關的事件，驅動狀態機的狀態轉換。

(3)動作執行處理

執行每個狀態機狀態內的動作函數，包括事故繼電器驅動、命令輸出、狀態、燈位繼電器控制等。

全電子信號機控制單元的主函數程序采用大循環結構，周期進行地址校驗，繼電器狀態采集，通信的收發處理，狀態機事件觸發等功能。軟件運行流程如圖6 所示。

圖6 全電子信號控制單元主函數流程圖

4 可靠性分析

根據圖1 全電子信號機控制單元結構圖，表2中列舉各個組成部分的可靠性參數[13－14]。

表2 全電子信號機控制單元部件可靠性

MIL－HDBK－217 標準是美國國防部可靠性分析中心提出的行業標準，用于計算產品的平均無故障工作時間(Mean Time Between Failure，MTBF)。FN2 模型在計算可靠性的過程中考慮因素包含:產品設計特性、環境及工作載荷影響、產品失效定義、和隨機因素影響，基于失效物理可靠性模型全面預計系統可靠性。全電子信號機控制單元可靠性模型為表2 中的模塊構成混聯結構，計算模型參數考慮環境為室內工作，系統工作占空比為100%，工作時溫度為40 ℃，計算得到全電子信號機控制單元的故障率為:λ＝0.09 891 4×10－6/h，平均故障間隔時間(MTBF)為10 109 800 h，滿足SIL4 設計要求。

5 全電子信號機控制單元測試和應用

5.1 硬件測試

為了驗證全電子信號機控制單元硬件是否滿足功能需求和性能需求，搭建測試環境如圖7 所示。24 V 電源接入電源后接板供電。PC 機通過CAN盒向全電子信號機控制單元發送模擬點燈命令，觀察信號單元測試工裝相應的燈是否點亮，并可用示波器探頭接入工裝對電流進行觀測。硬件測試項目包括工作電源電壓、時鐘電路、復位電路、CAN 通信、UART 電路和點燈電路、事故電路、狀態電路、切換電路的功能和性能等17 項內容。

圖7 全電子信號控制單元硬件測試環境

5.2 軟件測試

軟件測試分為靜態測試和動態測試兩部分。在靜態測試中，首先按照測試對象及特性配置測試工具，并完成編碼規則的檢查、靜態分析和軟件質量度量，確保各測試項符合測試要求后再進行編碼風格的檢查。編碼風格的檢查以人工測試為主；編碼規則的檢查、靜態結構分析和軟件質量度量以工具測試為主，并由人工完成各測試項的檢查。

在動態測試中，首先以人工輸入數據、機器自動執行的方式運行各個被測試函數的測試案例，以電子文檔的形式記錄測試執行情況，其中包括各個執行案例的輸入條件、預期結果和實際執行結果；然后結合被測軟件的語句覆蓋、分支覆蓋和MC/DC 覆蓋的覆蓋率統計結果，分析各個測試案例的執行情況，最終確定軟件的實現是否符合設計要求。

對5 個軟件模塊進行的靜態測試函數總數為59，代碼行總數為2 400，發現問題為0 個；動態測試用例總數為168 個，案例總數為216 個，發現問題為0 個。

5.3 集成測試

將全電子信號機控制單元集成至TYJL－IIIE 全電子計算機聯鎖系統中，進行系統集成測試。自主化的全電子計算機聯鎖系統包括電源柜、聯鎖柜和執行柜三個機柜，如圖8 所示。系統投入運行前，進行的集成測試包括室內和室外兩種，最大程度減少工程配置錯誤，確保系統正常開通，集成測試內容如表3 所示。

圖8 自主化全電子計算機聯鎖系統

表3 全電子計算機聯鎖系統集成測試

6 結語

全電子信號控制單元支持對鐵路和城市軌道交通中各種類型信號機的控制，集成的自主化TYJLIIIE 全電子計算機聯鎖系統已在國內十余個場段投入使用，運行情況良好。優良穩定的表現將促使其在更多軌道交通工程領域中推廣應用。