基于故障檢測(cè)的城市軌道交通仿真平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄔芝權(quán), 翟 旭, 靳 桅

(西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 計(jì)算機(jī)與通信工程系, 四川 峨眉山 614202)

基于故障檢測(cè)的城市軌道交通仿真平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄔芝權(quán), 翟 旭, 靳 桅

(西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 計(jì)算機(jī)與通信工程系, 四川 峨眉山 614202)

設(shè)計(jì)了能監(jiān)測(cè)信號(hào)設(shè)備狀態(tài)的沙盤(pán)控制系統(tǒng),通過(guò)設(shè)置故障來(lái)構(gòu)建城市軌道交通運(yùn)營(yíng)非正常工況實(shí)驗(yàn)環(huán)境。采用Visio、Altium Designer、keil uvision4工具,設(shè)計(jì)了信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電路、道岔驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)電路,并為聯(lián)鎖主機(jī)提供通信接口。聯(lián)鎖主機(jī)既可以控制沙盤(pán)上的信號(hào)設(shè)備,也可以檢測(cè)信號(hào)設(shè)備狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的檢測(cè)。系統(tǒng)建成后,通過(guò)故障點(diǎn)設(shè)置,可以訓(xùn)練學(xué)生故障處理、應(yīng)急處理和預(yù)案實(shí)施能力,為高校、鐵路局培訓(xùn)單位和研究部門(mén)的教學(xué)、培訓(xùn)和科研提供服務(wù)。

城市軌道交通； 仿真平臺(tái)； 故障模擬； 控制系統(tǒng)

西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)的城市軌道交通控制實(shí)驗(yàn)室是教育部改善基本辦學(xué)條件的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的仿真環(huán)境,主要建設(shè)了5個(gè)訓(xùn)練平臺(tái),即:(1)基于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)模擬沙盤(pán)構(gòu)建的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)仿真平臺(tái)；(2)列車(chē)運(yùn)行控制和網(wǎng)絡(luò)行車(chē)技術(shù)設(shè)備操控平臺(tái)；(3)基于車(chē)站信號(hào)控制及ISCS底層軟硬件技術(shù)的控制、運(yùn)營(yíng)及行車(chē)組織仿真管控訓(xùn)練平臺(tái)；(4)基于調(diào)度指揮中心列車(chē)信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)構(gòu)建的軌道交通ATS監(jiān)控信號(hào)聯(lián)鎖及網(wǎng)絡(luò)行車(chē)組織仿真管控訓(xùn)練平臺(tái)；(5)多控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)和綜合調(diào)度指揮訓(xùn)練平臺(tái)[1-3]。

城市軌道交通運(yùn)營(yíng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路是構(gòu)建城市軌道交通中列車(chē)追蹤、列車(chē)折返等過(guò)程仿真,通過(guò)模擬城市軌道交通運(yùn)營(yíng)中的非正常工況和典型案例,訓(xùn)練學(xué)員對(duì)突發(fā)事件、應(yīng)急預(yù)案的分析和處理能力。目前應(yīng)用在沙盤(pán)上的控制系統(tǒng)一般僅能對(duì)沙盤(pán)上的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單控制,沒(méi)有檢測(cè)回饋功能,控制系統(tǒng)不知道控制是否到位,在沙盤(pán)上設(shè)置的各類(lèi)故障也不能回送至聯(lián)鎖主機(jī),無(wú)法模擬城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的非正常工況。

要在沙盤(pán)上對(duì)信號(hào)設(shè)備設(shè)置故障,前提條件是控制系統(tǒng)能讀回信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)。本控制系統(tǒng)的特點(diǎn)在于它周期性采集沙盤(pán)信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)信息,并將狀態(tài)信息即時(shí)回送給聯(lián)鎖主機(jī),可以通過(guò)設(shè)置故障來(lái)仿真城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的非正常工況。

1 控制系統(tǒng)及其接口

在沙盤(pán)上使用的信號(hào)設(shè)備主要是信號(hào)燈、轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔、發(fā)車(chē)表示器和緊急停車(chē)按鍵。沙盤(pán)信號(hào)設(shè)備主要集中在車(chē)站部分,線(xiàn)路上較少,以開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)為主,但數(shù)據(jù)量不大?？刂葡到y(tǒng)接口的設(shè)計(jì)要考慮信息速度，數(shù)據(jù)格式，抗干擾性，沙盤(pán)布線(xiàn)的便捷性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性等因素。RS-485接口采用差分信號(hào),其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性強(qiáng)、組網(wǎng)容易、接口芯片價(jià)格便宜、傳輸距離長(zhǎng),通信速度能滿(mǎn)足控制和檢測(cè)的需要,非常適合作為控制系統(tǒng)與聯(lián)鎖主機(jī)的通信接口。

在圖1所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,多個(gè)控制系統(tǒng)通過(guò)RS-485總線(xiàn)連接到聯(lián)鎖主機(jī),由聯(lián)鎖主機(jī)檢查信號(hào)設(shè)備的邏輯關(guān)系,接入城市軌道交通控制中心進(jìn)行統(tǒng)一管理?？刂葡到y(tǒng)包括信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)、道岔驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)、接口和協(xié)議3部分,發(fā)車(chē)表示器和緊急停車(chē)按鍵的可以采用信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)電路來(lái)完成[4-6]。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通信接口采用具有瞬變電壓抑制功能的差分收發(fā)器SN75LBC184,不需要外接芯片保護(hù)電路。在RS-485網(wǎng)絡(luò)終端使用120 Ω的終端電阻,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的RS-485接口始終處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài),當(dāng)向聯(lián)鎖主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)切換為發(fā)送模式?？刂葡到y(tǒng)MCU選用STC12C5A60S2,RS-485接口連接至MCU的UART接口。MCU要對(duì)RS-485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)操作,只需要對(duì)UART操作即可。

RS-485為半雙工通信模式,數(shù)據(jù)以串行方式傳輸,一幀數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)包含同步字符、地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)(見(jiàn)圖2)。為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)流動(dòng)的方向,從聯(lián)鎖主機(jī)至沙盤(pán)流向的數(shù)據(jù)幀的同步字符使用0xAB,返回的數(shù)據(jù)幀使用的同步字符為0xCD。地址為控制系統(tǒng)中固化的一個(gè)唯一地址,存儲(chǔ)在STC單片機(jī)的EEROM區(qū)域中。命令字包含讀寫(xiě)地址、讀寫(xiě)道岔狀態(tài)、讀寫(xiě)信號(hào)燈狀態(tài)、寫(xiě)發(fā)車(chē)表示器、讀緊急停車(chē)按鍵狀態(tài)等。數(shù)據(jù)幀的第3字節(jié)決定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,最后一個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)字。

圖2 通信接口及協(xié)議

2 信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)及故障檢測(cè)

沙盤(pán)上的信號(hào)燈數(shù)量多,采用不同顏色的發(fā)光二極管,驅(qū)動(dòng)電路一般串接一個(gè)電阻即可。對(duì)信號(hào)燈檢測(cè)主要是要檢測(cè)信號(hào)燈的正常、短路、斷路和接地等幾種狀態(tài)。不同LED的點(diǎn)亮電壓不同,紅、黃色為1.8～2.5 V,綠色為2.7～3.3 V。當(dāng)信號(hào)燈兩端壓降在LED點(diǎn)亮電壓范圍內(nèi),LED信號(hào)燈會(huì)正常點(diǎn)亮。如果信號(hào)燈不正常,則需要判斷信號(hào)燈是處于短路、斷路還是接地的故障狀態(tài)[7-9]。

使CMOS門(mén)電路翻轉(zhuǎn)的輸入電平閾值總為電源電壓的1/2,并隨電源波動(dòng)。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了檢測(cè)輔助電路(見(jiàn)圖3(a)),將信號(hào)燈電壓的判斷轉(zhuǎn)換為邏輯值的判斷。由于沙盤(pán)上信號(hào)燈很多,每32個(gè)燈位設(shè)計(jì)一張信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)卡,板卡采用SPI總線(xiàn)級(jí)聯(lián)(見(jiàn)圖3(b))。控制數(shù)據(jù)由串入-并出移位寄存器74HC595送出,檢測(cè)數(shù)據(jù)由并入-串出移位寄存器74HC165回送,移位寄存器采用CMOS工藝,每2位管理一個(gè)信號(hào)燈。

圖3 信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)電路

在圖3(b)中,當(dāng)要控制序號(hào)信號(hào)燈L0時(shí),控制數(shù)據(jù)需送至74HC595的Q0端,Q0端輸出高低電平使信號(hào)燈L0熄滅或點(diǎn)亮。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)燈L0時(shí),在Q0端和Q1端分別輸入00B、01B、10B和11B等4種邏輯值,然后讀回D0、D1端的輸出的邏輯值,4種D0、D1端邏輯值由低位至高位組合為一個(gè)字節(jié),構(gòu)成設(shè)備狀態(tài)值。如圖3(c)所示,信號(hào)燈在每個(gè)故障狀態(tài)對(duì)應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)值不一樣,通過(guò)設(shè)備狀態(tài)值,就可以判斷信號(hào)燈的故障狀態(tài)。其余燈位的信號(hào)燈的控制方法類(lèi)似,序號(hào)為x的信號(hào)燈由Q2x、Q2x+1、D2x、D2x+1管理。

3 道岔驅(qū)動(dòng)及故障檢測(cè)

轉(zhuǎn)轍機(jī)使用推拉式電磁鐵,電磁鐵的磁性對(duì)道岔有鎖緊功能。一張道岔驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)卡可以管理4個(gè)道岔,板卡間采用SPI總線(xiàn),道岔驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)由74HC595的并行端口輸出,采集數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)送至74HC165并行端口。圖4為一組道岔的控制和檢測(cè)電路,道岔驅(qū)動(dòng)的信號(hào)為74HC595的Q0腳,通過(guò)組合邏輯電路控制,可使L293D驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)線(xiàn)圈電流正向、反向或無(wú)電流,使道岔搬動(dòng)到定位或反位位置[10-12]。

道岔的檢測(cè)采用非接觸式光電開(kāi)關(guān),正反位各裝一個(gè)。道岔搬動(dòng)時(shí),帶動(dòng)道岔連接機(jī)構(gòu),當(dāng)?shù)啦砺?lián)結(jié)機(jī)構(gòu)可靠到達(dá)定位(反位)檢測(cè)裝置一側(cè)時(shí),檢測(cè)器就會(huì)輸出定(反)位脈沖信號(hào)。定位(反)位檢測(cè)電路首先采用反相器40106和電阻、電容構(gòu)成TTL反相RC振蕩器,輸出方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管。設(shè)置不同的定(反)位檢測(cè)電路電阻值,可以產(chǎn)生不同頻率的脈沖,通過(guò)頻率來(lái)區(qū)別定位和反位脈沖的輸入。紅外接收二極管接收到信號(hào)后,將信號(hào)調(diào)理輸出至MCU進(jìn)行識(shí)別,識(shí)別后的道岔狀態(tài)通過(guò)74HC165的D0端回送至主控制卡。

圖4 道岔驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)電路

采用直流電源驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)線(xiàn)圈。由于線(xiàn)圈阻抗小,為避免燒毀線(xiàn)圈或驅(qū)動(dòng)芯片L293D,轉(zhuǎn)轍機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間通電。保護(hù)MCU是通過(guò)比對(duì)控制數(shù)據(jù)和檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別道岔是否到位,通過(guò)切斷對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)線(xiàn)圈供電達(dá)到保護(hù)目的,同時(shí)將檢測(cè)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)通過(guò)74HC165的D1端回送至主控制卡。

4 控制系統(tǒng)故障設(shè)置及測(cè)試

一個(gè)沙盤(pán)可能有多條線(xiàn)路,一條線(xiàn)路可以有多個(gè)控制系統(tǒng),聯(lián)鎖主機(jī)采用RS-485連接各個(gè)控制系統(tǒng)。每個(gè)控制系統(tǒng)由主控制卡、信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)卡、道岔驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)卡組成,均安裝在一個(gè)控制箱內(nèi),可以控制一個(gè)車(chē)站或相鄰的幾個(gè)車(chē)站。采用SPI總線(xiàn)級(jí)聯(lián),主控制卡負(fù)責(zé)通信和輸出控制信號(hào)、讀回檢測(cè)數(shù)據(jù)；信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)卡負(fù)責(zé)管理信號(hào)機(jī)、發(fā)車(chē)表示器和緊急停車(chē)按鍵；道岔驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)卡負(fù)責(zé)管理道岔。

控制系統(tǒng)可設(shè)置的故障點(diǎn)比較多,有信號(hào)燈故障、道岔故障、通信故障、發(fā)車(chē)表示器故障等。由于信號(hào)設(shè)備比較多,所反映出的故障現(xiàn)象也很多,可以設(shè)置不同難易程度的典型故障案例來(lái)達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生的目的。此外,要對(duì)不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生設(shè)置不同訓(xùn)練內(nèi)容,例如針對(duì)信號(hào)控制專(zhuān)業(yè)學(xué)生設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)故障識(shí)別、故障排除的訓(xùn)練內(nèi)容；針對(duì)運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)學(xué)生設(shè)置對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急處理和指揮的內(nèi)容。

通過(guò)控制和檢測(cè)沙盤(pán)上的信號(hào)設(shè)備,可真實(shí)地反映城市軌道交通運(yùn)營(yíng)軟件各個(gè)環(huán)節(jié)的功能,可以培養(yǎng)學(xué)生快速掌握軌道交通運(yùn)營(yíng)各個(gè)環(huán)節(jié)的管理技能,也可以驗(yàn)證聯(lián)鎖部分的邏輯關(guān)系。圖5是城市軌道交通某線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)軟件和沙盤(pán)上機(jī)車(chē)同步運(yùn)行的運(yùn)行圖,該控制系統(tǒng)可供多組學(xué)生在同一線(xiàn)路學(xué)習(xí)和實(shí)踐[13]。

圖5 城市軌道交通運(yùn)營(yíng)仿真

5 結(jié)論

城市軌道交通仿真實(shí)驗(yàn)室能仿真城市軌道交通運(yùn)營(yíng)中難以發(fā)生的各類(lèi)非正常工況,對(duì)各專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練。對(duì)于信號(hào)專(zhuān)業(yè)學(xué)生,可以訓(xùn)練學(xué)生聯(lián)鎖邏輯關(guān)系、各層級(jí)系統(tǒng)信號(hào)控制、通信、設(shè)備故障識(shí)別和處理等相關(guān)內(nèi)容；對(duì)運(yùn)營(yíng)管理專(zhuān)業(yè),可進(jìn)行運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)與應(yīng)急指揮中心、控制中心、車(chē)站、列車(chē)、車(chē)輛段等崗位基于各種正常和非正常情況下的縱向、橫向聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練。本控制系統(tǒng)自主研發(fā)、先易后難、逐步完善,更側(cè)重于實(shí)訓(xùn),是鐵路運(yùn)輸、鐵路信號(hào)等專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要組成部分。

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Design of control system of urban rail simulation platform based on fault detection

Wu Zhiquan, Zhai Xu, Jin Wei

(Department of computer & Communication Engineering,South west Jiaotong University (Emei campus),Emei 614202,China)

The sand table control system to monitor the state of the signal equipment is designed. The experimental environment of urban rail transit operation abnormal-working is built by setting some faults. The project adopts some tools such as Visio,Altium Designer and keil uvision4 to design the signal driver and detection circuit,turnout drive circuit and detection circuit,and provides the communication interface for the interlocking host. The interlocking host not only controls the signal equipment on the sand table,but also detects the status of the signal equipment,and achieves the detection of the faults. After the system is built,the students’ abilities such as fault treatment,emergency handling and pre-project implementation are trained by setting the fault points; therefore,it can provide services for teaching,training and scientific research for colleges and universities,railway bureau training units and research departments.

urban rail; simulation platform; fault simulation; control system

2014- 11- 20

教育部春暉計(jì)劃科研合作項(xiàng)目(22014044)

鄔芝權(quán)(1976—),男,四川隆昌,工學(xué)碩士,實(shí)驗(yàn)師,系副主任,主要研究方向?yàn)榍度胧娇刂?

E-mail：jsjxwzq@126.com

TN79+1: G424.1

A

1002-4956(2015)6- 0106- 04