MCIS模塊化區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 璐，楊雪峰，張正光

(1.蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070;2.北京康吉森交通技術(shù)有限公司，北京 101318)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制［1］系統(tǒng)是保證行車安全的車站信號關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備，高可靠性和故障-安全特性是系統(tǒng)應(yīng)具有的最基本和最重要的特征，區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是在車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖基礎(chǔ)上結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)安全傳輸?shù)燃夹g(shù)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化的信號控制系統(tǒng)，它將整個(gè)控制區(qū)域視為一個(gè)車站，使用一套聯(lián)鎖機(jī)完成地理位置不同的多個(gè)車站的聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算和集中控制，實(shí)現(xiàn)車站聯(lián)鎖、區(qū)間閉塞和站間聯(lián)系的一體化控制系統(tǒng)［2］。本文以二乘二取二制式的MCIS模塊化區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)的硬件、軟件體系結(jié)構(gòu)兩方面來分析系統(tǒng)的構(gòu)成和特性。

1 MCIS模塊化計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)介紹

二乘二取二工作模式［3］由兩系構(gòu)成，采用雙重結(jié)構(gòu)，兩系為熱備工作模式，每系由兩個(gè)CPU構(gòu)成，互為校核組成容錯(cuò)與表決邏輯，能夠識別錯(cuò)誤的輸入和干擾，保證數(shù)據(jù)輸出的正確性，外層相同的兩系構(gòu)成互為備用的結(jié)構(gòu)。硬件和軟件設(shè)計(jì)都嚴(yán)格遵循“故障－安全原則”，由此可知二乘二取二結(jié)構(gòu)構(gòu)成的系統(tǒng)是互為校核和互為備用的組合。

主系統(tǒng)內(nèi)雙CPU分別運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果送給其中的一個(gè)比較器進(jìn)行比較，若比較一致，則輸出;若不一致，則停止輸出，并報(bào)警提示，多次比較不一致確定該系故障，系統(tǒng)倒機(jī)，備系接替主系繼續(xù)工作，繼續(xù)進(jìn)行比較輸出［4-5］。模塊化計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模塊化計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于MCIS模塊化計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為二乘二制式，因此2套聯(lián)鎖機(jī)分別接受上位機(jī)發(fā)送來的操作命令。同時(shí)通過CAN總線接受IO模塊所采集的站場數(shù)據(jù)狀態(tài)信息，進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)的控制命令。IO模塊通過CAN通信接受聯(lián)鎖機(jī)的控制命令，但最終根據(jù)主要聯(lián)鎖機(jī)的控制命令控制自己的驅(qū)動電路、控制室外信號機(jī)和電動轉(zhuǎn)轍機(jī)。

2 MCIS模塊化區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)介紹

區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖基本模塊構(gòu)成的，用于控制成段多個(gè)車站(或區(qū)域內(nèi)多個(gè)車場)信號聯(lián)鎖及站間閉塞(場間聯(lián)系)的信號系統(tǒng)［6］。區(qū)域聯(lián)鎖系統(tǒng)是通過在某一作業(yè)較多的車站由車務(wù)人員集中控制周邊一定范圍內(nèi)所有車站的信號聯(lián)鎖設(shè)備而構(gòu)成的，擁有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備的稱之為主控站，只采集室外設(shè)備并將此信息傳遞給主控站的一站稱之為被控站，主控站和被控站兩站共用1套CPU，兩站通過光纜進(jìn)行連接，因此在中心站的聯(lián)鎖設(shè)備就可以控制遠(yuǎn)程站的IO設(shè)備，達(dá)到遠(yuǎn)程站無人值守的目的。因此該系統(tǒng)既具有調(diào)度集中的宏觀管理、遠(yuǎn)程控制的功能，又能滿足現(xiàn)場調(diào)車等各種復(fù)雜作業(yè)的需要。

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

MCIS模塊化計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)可以通過光纜通道對遠(yuǎn)程車站進(jìn)行控制。在本地站(主控站)通過上位機(jī)操作實(shí)現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程站(被控站)的集中控制。

2.2 工作原理［7-10］

區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖是將聯(lián)鎖設(shè)備設(shè)置在主控站，主控站上位機(jī)的操作指令通過本地主控站聯(lián)鎖機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算后統(tǒng)一將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送到本地站和遠(yuǎn)程站。本地主控站和遠(yuǎn)程被控站CPU總線通過光纖連接，將控制指令傳送到被控站的IO模塊，從而驅(qū)動遠(yuǎn)程站的現(xiàn)場信號設(shè)備。被控站的執(zhí)表機(jī)進(jìn)行驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程端的IO控制。而被控站和主控站都要設(shè)置信號、道岔和軌道模塊進(jìn)行采集本站信息，進(jìn)而將采集的現(xiàn)場信息傳遞給主控站進(jìn)行邏輯運(yùn)算，制定相應(yīng)的操作命令。被控站的主機(jī)籠只需要IOC模塊和CANIOC模塊即可，不需要CPU模塊。主控站和被控站之間通過CAN總線進(jìn)行通信。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MCIS模塊化區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)分為3層:維修及接口層、聯(lián)鎖運(yùn)算層、采集驅(qū)動層。從安全角度分析，整個(gè)系統(tǒng)分為安全區(qū)域和非安全區(qū)域，維修及接口層屬于非安全區(qū)域，邏輯控制層和采集驅(qū)動層屬于具備故障-安全特性的安全區(qū)域。維修及接口層通過車站聯(lián)鎖局域網(wǎng)與邏輯運(yùn)算層通信，邏輯運(yùn)算層與采集驅(qū)動層之間通過聯(lián)鎖安全通信總線傳輸信息。

2.2.1 維修及接口層

維修及接口層主要包括上位機(jī)和維修機(jī)，控制中心和聯(lián)鎖運(yùn)算層之間的通信服務(wù)器等。

(1)上位機(jī):主要為在值班室內(nèi)車站值班員顯示室外整個(gè)站場的當(dāng)前狀態(tài)，以及各室外設(shè)備(道岔、信號機(jī)、軌道電路)的狀態(tài)。該層上位機(jī)采用雙機(jī)熱備動態(tài)冗余結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中一個(gè)故障時(shí)，另一個(gè)可自動轉(zhuǎn)換運(yùn)行，無需人工干預(yù)。

(2)維修機(jī):為電務(wù)維修人員提供實(shí)時(shí)的站場顯示，IO模塊狀態(tài)顯示，各種實(shí)時(shí)車務(wù)操作與聯(lián)鎖運(yùn)行記錄，以及記錄顯示與查詢，圖形再現(xiàn)等功能，其網(wǎng)絡(luò)接口與交換機(jī)相連。

2.2.2 聯(lián)鎖運(yùn)算層

(1)聯(lián)鎖Ⅰ系，聯(lián)鎖Ⅱ系采用動態(tài)冗余結(jié)構(gòu)，Ⅰ系和Ⅱ系分別采用相同的模塊負(fù)責(zé)聯(lián)鎖運(yùn)算。

(2)聯(lián)鎖機(jī):聯(lián)鎖A機(jī)模塊，聯(lián)鎖B機(jī)模塊負(fù)責(zé)聯(lián)鎖運(yùn)算;通過聯(lián)鎖總線與對應(yīng)的IOC模塊進(jìn)行通信;通過Internet與維修機(jī)模塊通信，其網(wǎng)絡(luò)接口接入交換機(jī)中。

(3)IOC通信模塊:IOC模塊成對配置，IOCA和IOCB同時(shí)工作，IO模塊自己鎖定IOC通信通道，模塊負(fù)責(zé)與所有IO模塊進(jìn)行通信。IOC模塊，減輕聯(lián)鎖CPUIO負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)IO通信的電氣隔離，提供長距離IO控制(區(qū)域聯(lián)鎖)。

2.2.3 采集驅(qū)動層

(1)LS模塊:零散模塊用于場聯(lián)，站聯(lián)，半自動閉塞，自動閉塞等聯(lián)系電路。站場間結(jié)合可以通過零散模塊采集結(jié)合驅(qū)動電路聯(lián)鎖，對照查條件以及對防護(hù)信號機(jī)的狀態(tài)，轉(zhuǎn)換軌的占用狀態(tài)，完成進(jìn)出段列車作業(yè)。

(2)XH模塊:主要是采集現(xiàn)場的信號機(jī)信息，控制調(diào)車信號。

(3)DC模塊:采集道岔的表示信息，1個(gè)道岔模塊可控制2組道岔。

(4)GD模塊:主要用于采集軌道受電端，分路電壓等信息。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

MCIS模塊化區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件主要包括:上位機(jī)軟件、維修機(jī)軟件、遠(yuǎn)程維護(hù)軟件、區(qū)域控制通信軟件、MCCAD軟件、IO數(shù)據(jù)處理模塊軟件等多類軟件子系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)豐富［11］，軟件各子系統(tǒng)之間存在著復(fù)雜的信息傳遞和數(shù)據(jù)交換的關(guān)系，且各個(gè)子系統(tǒng)、模塊之間要求必然要有較強(qiáng)的接口能力。從系統(tǒng)的整體需求出發(fā)，分析各軟件系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能和其他軟件系統(tǒng)之間的交互關(guān)系，確定組成系統(tǒng)的各個(gè)硬件、系統(tǒng)的整體控制結(jié)構(gòu)、各硬件的規(guī)模和功能、部件同步、部件交互和部件通信協(xié)議等，既考慮完全實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能任務(wù)，又考慮軟件的擴(kuò)展和維護(hù)。從整體上軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思想是模塊化軟件結(jié)構(gòu)。

圖3 區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件體系結(jié)構(gòu)

4 軟件運(yùn)行環(huán)境和設(shè)計(jì)

MCIS系統(tǒng)作為一種工業(yè)控制系統(tǒng)，采用的是時(shí)下鐵路系統(tǒng)中流行的QNX操作系統(tǒng)，QNX是一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有多任務(wù)，優(yōu)先級占用，快速程序切換等特性。本系統(tǒng)以QNX實(shí)現(xiàn)的舉例站場的界面如圖4所示。

圖4 舉例的站場界面

5 結(jié)論

MCIS區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，硬件上對安全部分(邏輯運(yùn)算層、采集驅(qū)動層和通信安全總線)和非安全部分(上位機(jī)和車站控制局域網(wǎng))均采用動態(tài)冗余結(jié)構(gòu)、故障隔離技術(shù)和一些安全防護(hù)技術(shù)，保證了系統(tǒng)硬件的安全可靠;軟件上，各軟件子系統(tǒng)的動態(tài)冗余機(jī)制保證了對故障的及時(shí)屏蔽和系統(tǒng)的不間斷安全運(yùn)行，聯(lián)鎖邏輯中多種技術(shù)的運(yùn)用確保了聯(lián)鎖邏輯的安全實(shí)施，保證了系統(tǒng)中軟件部分的安全可靠。目前，該系統(tǒng)開發(fā)完成，已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

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