全電子模塊化計算機聯鎖系統

蒙 浩

0 引言

計算機聯鎖系統是軌道交通的重要控制系統，早期基于傳統繼電器接口的計算機聯鎖系統存在配線復雜、占地空間大、安全性低、維護難度大等缺點[1]。為解決這些問題，基于新的電子技術研發的全電子聯鎖系統應運而生[2]。全電子聯鎖系統在傳統計算機聯鎖系統的基礎上，采用智能電子化的模塊取代原有的采集驅動單元和大量繼電器。由于避免了繼電電路結構復雜，接線、焊點數量多導致抗干擾能力弱等問題，全電子聯鎖系統具有較高的穩定性和安全性，已經逐步成為軌道交通的主流控制系統。

1 傳統計算機聯鎖系統與全電子聯鎖系統

1.1 傳統計算機聯鎖系統

圖1所示為計算機聯鎖系統，左圖為傳統計算機聯鎖系統，其主要部分包括人機對話、聯鎖運算、采驅模塊、接口和現場設備。人機對話層的任務是進行人機交互，并通過聯鎖系統判斷故障。聯鎖運算層主要進行狀態信息和操作指令接收、控制指令輸出和聯鎖邏輯運算。采驅模塊利用采集電路實時獲取組合架繼電器的狀態，驅動電路則負責驅動組合架繼電器工作。通過接口配線，接口層實現采集電路及驅動電路與相應繼電器連接。

圖1 傳統計算機聯鎖與全電子聯鎖系統

計算機聯鎖系統的技術核心是計算機控制，傳統的計算機聯鎖系統需要使用繼電器，計算機控制聯鎖電路時，繼電器和聯鎖電路的連接、繼電器內部的電路連接需要通過人工配線完成，存在較多接口和焊點，因此在工作中容易出現各種故障。同時，由于電路走線較為復雜，給維修帶來了極大的難度。

1.2 全電子聯鎖系統

經過多年的發展，計算機聯鎖系統的軟件、硬件已經非常成熟穩定，在軌道交通信號控制系統中已大量應用。為了避免早期通信技術、控制技術、電子技術的缺點，隨著技術的發展，國外車站計算機聯鎖系統已開始逐步取消了繼電器的接口控制方式，直接采用電子執行單元。通過圖1左圖和右圖的對比可知，全電子聯鎖系統采用智能電子化的模塊取代傳統計算機聯鎖系統的繼電器等采驅模塊中的電器元件，從而避免了使用大量繼電器和驅動采集單元結合電路，實現聯鎖設備直接對室外信號設備的控制、采集、監控。與傳統繼電器接口的計算機聯鎖系統相比，全電子聯鎖系統不僅配線簡單、占地空間小，還具有便于維護的特點。

為保證軌道交通運輸的安全與穩定，全電子聯鎖系統采用標準化設計，使用體積小、功能強的模塊化電子單元，便于組網及遠程管理和診斷，節省在線更換和系統維護的時間。

2 全電子聯鎖系統的構成與功能

2.1 全電子聯鎖系統的構成

全電子聯鎖系統采用模塊化的電子元件，通過工業控制技術的應用，全面取消繼電器的使用，控制軌道電路、信號機的電路由相應的功能模塊取代。功能模塊可實現熱插拔，具有較為完善的自診斷功能，出現故障時，能夠及時顯示故障。該系統使用插接電纜連接機柜和分線柜，大幅降低了施工現場接線口的數量。全電子系統在維修過程中，針對發生故障的模塊，若是硬件導致的故障，則可直接更換模塊，方便維修。

軟件構成方面，聯鎖軟件可以采用模塊化編程方式，將某個功能封裝成一個函數，根據需要將程序的功能模塊進行組裝，模塊之間通過變量值的傳遞實現信息通信。技術員可以根據現場的需要對聯鎖軟件進行調試或重新組裝功能模塊，解決程序運行過程中存在的各種問題。同時用戶可以利用輔助設計系統，輸入必要的參數后自動生成聯鎖程序，同時產生相應的數據，大幅降低了人為失誤。

2.2 全電子聯鎖系統的主要功能

全電子聯鎖系統的主要功能是保障列車行駛過程中信號機、道岔和軌道電路之間聯鎖的正確與穩定。主要功能包括：（1）設備正常時，正確完成列車進路的聯鎖功能；設備異常時，實現進路和總閉鎖的引導。（2）辦理調車進路時，可以一次性辦理多條基本進路，也可以分段辦理。（3）進行敵對關系、空閑區段檢查時，確保岔道位置正確、不允許敵對進路同時開放信號。（4）信號關閉功能，包括正常和特殊的關閉，能夠防止人工或自動進行信號重復開放。（5）進路解鎖功能，不僅具備進路的中途返回、人工和自動解鎖功能，還具備取消進路解鎖功能。（6）單獨操作道岔功能。

全電子聯鎖系統具有靈活多樣的系統組態，包括人機會話層、聯鎖機和IO執行模塊。各層之間使用通信網絡進行信息交互，可以實現二乘二取二等聯鎖系統。該系統可以在不增加設備的情況下，監測室內和室外的設備工作狀態及參數。系統具備較大的存儲空間，能夠記錄并存儲較長時間的監控信息（包括系統運行的數據、列車的作業辦理、道岔和軌道電路等設備的狀態等），可以根據存儲的信息進行回放，有助于發生故障時的原因查找與分析。同時系統采用軟件雙編碼或回讀等手段，能夠自動診斷故障原因及定位發生故障的模塊。系統根據信號設備的具體狀態和操作情況，通過網絡建立遠程聯系，技術人員能夠遠程調用記錄的信息，獲得監測報告和系統故障分析報告等資料，實現遠程系統維護與診斷。全電子聯鎖系統可以與調度系統進行通信，實現整個站場之間的信息連通與共享，達到多系統聯動的目的。全電子聯鎖系統的輸入和輸出的IO模塊包括兩套電路，即采取二取二的模式，確保聯鎖系統發生局部故障時最大限度地保證設備安全運行，使故障最大限度地被弱化。

2.3 全電子聯鎖電子執行單元

以DS6-60e全電子聯鎖系統為例，其支持的執行模塊包括信號機、道岔、通用輸入/輸出和軌道電路4種模塊，如表1所示。

表1 DS6-60e系統的執行模塊

2.4 全電子聯鎖信號機模塊

信號機模塊分為交流信號機模塊（ASU）和直流信號機模塊（DSU）。信號機模塊成對安裝于信號機機籠內，機籠推薦采用6U標準機籠。

機籠及模塊規格推薦：每個機籠內最多可控制4對信號機模塊，每對模塊都有Ⅰ系和Ⅱ系，工作時區分為主備系；每對模塊最多可控制4架信號機和8個燈位，同一信號機燈位原則上不允許跨模塊配置，模塊信號機燈位順序須按實際情況從上到下排列。以ASU機籠為例，信號機模塊機籠結構如圖2所示。

圖2 信號機模塊正視網圖

機籠背面安裝了2塊配置板，分為Ⅰ系和Ⅱ系，還安裝有交流/直流信號機端子板及電源端子板。信號機模塊機籠支持交流110 V和交流220 V供電，兩種電源通用電源端子板上的驅動電接口（每個機籠配置兩系驅動電源），分別為Ⅰ系的4個信號機模塊板卡和Ⅱ系4個信號機模塊板卡供電。機籠背面如圖3所示。

圖3 信號機模塊背視網圖

2.5 全電子聯鎖道岔模塊

道岔模塊分為交流道岔模塊（APU）和直流道岔模塊（DPU），道岔模塊成對安裝于道岔機籠內，機籠為19英寸6U標準機籠。道岔模塊機籠結構與信號機模塊機籠結構完全一致。

機籠及模塊規格推薦：每個機籠內最多可安裝4對轉轍機模塊，每對模塊同信號機模塊也為雙系，工作時區分為主備系；每對模塊可以控制2架交流轉轍機或2組單機雙動直流轉轍機，單機雙動或雙機單動道岔原則上不允許跨模塊配置。

2.6 全電子聯鎖通用輸入輸出模塊

通用輸入輸出機籠內安裝通用輸出模塊GOU和通用輸入模塊GIU，實現安全繼電器直接控制和狀態采集。通用輸入、輸出模塊成對安裝于通用輸入輸出機籠內，機籠推薦為19英寸6U標準機籠。

機籠及模塊規格推薦：機籠內最大可以安裝4對通用輸入或輸出模塊，每對模塊具備Ⅰ系和Ⅱ系，工作時區分為主備系，機籠中可以單獨安裝其中1種或同時安裝2種模塊；每對輸出模塊可以驅動24路安全繼電器，每對輸入模塊可以采集24路信息。

2.7 全電子聯鎖軌道電路模塊

軌道電路模塊機籠內最大可以安裝2對軌道電路接收模塊，每對模塊互為Ⅰ系和Ⅱ系，工作時雙系并行工作，每對模塊可以接收12路信號。

2.8 聯鎖邏輯部

全電子聯鎖60e系統的聯鎖邏輯部與60系統在板卡配置上有所區別，由2塊以太網通信板代替了傳統60系統的3塊ARCNET通信接口板及本地IO遠程通信接口板。聯鎖邏輯部由雙系組成，工作方式為并行主從系統，根據開機順序，首先投入運行的為主系，后投入的為從系。在運行中，從系與主系保持同步，如果其中一系發生故障，按故障程度不同降級為待機或退出運行，另一系自動升為主系，維持系統控制功能。

60e系統邏輯部的單系最小系統如圖4所示，由5塊板卡組成，分別為邏輯部電源板、邏輯部主板、雙機通信接口板、以太網通信接口板1（負責與全電子執行模塊的通信）、以太網通信板2（負責與控顯機、監測機的通信）。60e應用于CBTC2.0系統后，正線一級設備集中站一般還需增加3塊以太網板，分別負責與ZC/站間CI通信、與LEU通信、與VOBC通信。邏輯部結構如圖4所示。

圖4 DS6-60e邏輯部配置（CBTC2.0系統）

聯鎖邏輯部由Ⅰ系邏輯部機籠、Ⅱ系邏輯部機籠組成。機籠推薦使用標準6U機箱，機柜推薦使用19英寸機柜。機箱采用總線式結構，各模板通過底板總線連接通信，完成信息的采集。

3 全電子聯鎖機柜

3.1 一級設備集中站

一級設備集中站的DS6-60e計算機聯鎖系統硬件設備標準配置為3個及以上19英寸標準機柜，分別為綜合柜、主機柜、模塊柜。以上走線為例，機柜正面布局如圖5所示。

圖5 DS6-60e聯鎖系統機柜正面布置示意圖（上走線）

機柜內模塊配置：

（1）綜合柜：控制顯示A/B機、維護終端顯示器、接口電源和邏輯電源。

（2）主機柜：邏輯部Ⅰ系和Ⅱ系、電子模塊機籠、交換機。

（3）模塊柜：電子模塊機籠、邏輯電源、交換機。

3.2 二級設備集中站

二級設備集中站的作用是為了如需擴展一級設備集中站聯鎖設備的控制范圍，可在二級設備集中站設置相應聯鎖設備。

與傳統聯鎖不同，一級設備集中站與二級設備集中站IO采用遠程通信單元交換控制命令，一級設備集中站具有一定的邏輯運算能力。全電子聯鎖二級設備集中站的聯鎖設備不具有邏輯運算能力，僅需執行一級設備集中站邏輯部下發的命令。

3.3 模塊柜的電源配置

小型車站（無模塊柜）電源推薦配置：邏輯電源（20 A）、接口電源（10 A）。中型車站（1個模塊柜）電源配置：邏輯電源（40 A）、接口電源（10 A）。大型車站電源配置：邏輯電源（40 A）、接口電源（10 A）。各型車站電源模塊均設置于綜合柜。

4 全電子聯鎖系統的優缺點分析

全電子聯鎖系統具有以下優點：（1）自動化程度高，聯鎖設備自動執行相應的指令，從傳統聯鎖系統的人工控制轉向了自動化控制；系統能夠自動監測故障并定位故障位置，維修人員可以直接更換相應的功能模塊實現快速維修。（2）靈活方便、故障率低，聯鎖區采用模塊化設計，可以根據站場布置靈活改變參數，每個功能模塊體積小且結構簡單，功能模塊能夠自行診斷故障，從而不影響其他模塊的運行，保證整個系統的安全和穩定。（3）節省投資和工期，全電子聯鎖系統建立的基礎是網絡傳輸平臺，具有遠程操作能力，能夠輕松實現區域聯鎖；進行了功能模塊化設計，施工過程中減少了的焊接等操作，縮短了工期。

與傳統的計算機聯鎖系統相比，全電子聯鎖系統具有顯著優點，但存在以下缺點：質量控制不足，由于制造工藝存在不足，整體封裝的功能化模塊降低了透明度，需要保證模塊具有較高的生產質量；執行穩定性不夠，系統的執行未設置冗余，為提高穩定性，可以考慮使用實時在線的+1系統。

4.1 與傳統聯鎖設備數量相比較

以某線正線車站為例，進行傳統聯鎖與全電子聯鎖空間利用對比。該正線車站設備數量：信號機35架、轉轍機25臺、軌道區段54個。

（1）機柜數量：全電子聯鎖相比于傳統聯鎖機柜數量減少9個，節省近60%。

（2）房間面積：全電子聯鎖相比于傳統聯鎖房屋面積節省近30%。

4.2 零散設備控制

目前，城市軌道交通中使用全電子聯鎖設備后，對于計軸設備控制與采集、與站臺門接口、緊急關閉按鈕、扣車按鈕、站臺開關門按鈕、人員防護開關等零散設備電路，仍需使用繼電器接口電路進行室內外控制及信息采集。但重力型繼電器體積大、質量重、安裝空間要求大，不適應全電子聯鎖設備小型化、集成化要求。因此，根據全電子聯鎖通用輸入輸出模塊安全應用條件、繼電器安全原理旨在將控制零散電路的繼電器小型化，選取小型化歐標安全繼電器替代原重力型繼電器。

5 結語

全電子計算機聯鎖系統通過采用功能化模塊，避免了傳統聯鎖系統大量使用繼電器的弊端，具有自動化程度高、占地小、靈活方便、易于維護等優點。相關設備制造應提高制造工藝和執行穩定性，使全電子計算機聯鎖系統更加完善，從而提升工作穩定性和效率。