基于 PLC 的鐵路機務(wù)段道岔集中控制系統(tǒng)方案設(shè)計

田愛軍，李凡甲

（江蘇省徐州技師學(xué)院，江蘇徐州 221151）

0 引言

目前，在鐵路運輸中，計算機聯(lián)鎖已逐步替代 6502聯(lián)鎖成為主流[1-2]。但是，在鐵路機務(wù)段內(nèi)，由于列車行車速度相對較慢，對信號系統(tǒng)要求相對較低，且受投資和成本限制，很多地方仍采用人工手動扳動道岔的方式，導(dǎo)致效率低下且存在安全隱患。隨著鐵路客運量的日益增加，需要機務(wù)段進(jìn)行整備作業(yè)的列車數(shù)量也隨之增加。根據(jù)《鐵路機務(wù)設(shè)備設(shè)計規(guī)范》4.0.13 規(guī)定：每天整備機車數(shù)量多于 80 臺次的機務(wù)段，宜設(shè)道岔集中控制系統(tǒng)[3]。因此，在有限投資約束的前提下，研究低成本機務(wù)段道岔自動控制系統(tǒng)的意義凸顯。本文設(shè)計了基于PLC 的低成本機務(wù)段道岔集中控制系統(tǒng)，能夠滿足機務(wù)段的自動化作業(yè)需求，大大提高作業(yè)效率。

圖 1 道岔集中控制系統(tǒng)原理框圖

1 道岔集中控制系統(tǒng)基本原理

如圖 1 所示，道岔集中控制系統(tǒng)主要采用 PLC、工控機、安全性繼電器驅(qū)動電路等技術(shù)實現(xiàn)進(jìn)路、信號和道岔的聯(lián)鎖關(guān)系。實現(xiàn)的功能包括：進(jìn)路的選排、取消、鎖閉和解鎖，信號的開放、保持、關(guān)閉。其中，PLC 為系統(tǒng)的控制核心，接收如下輸入信號：

（1）操作員通過安裝在工控機上的上位機軟件進(jìn)行的一些鼠標(biāo)、鍵盤的輸入信號；

（2）室外軌道電路或者計軸器監(jiān)測、采集到的列車占用或出清信號；

（3）室內(nèi)繼電器輸出的各種反饋信號；

（4）從鐵路運輸管理信息系統(tǒng)采集到的車次信號。

上述信號輸入到 PLC 后，PLC 根據(jù)聯(lián)鎖邏輯進(jìn)行運算，然后輸出如下信號：

（1）輸出至室內(nèi)繼電器，從而控制室外信號機的顯示和道岔的轉(zhuǎn)換；

（2）輸出至上位機，從而在上位機中顯示室內(nèi)、室外各種信號設(shè)備的狀態(tài)以及跟蹤車次號，方便操作員監(jiān)看和處理。

2 道岔集中控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)對于安全性、穩(wěn)定性的要求，上位機和PLC 均采用雙機熱備的方案。如圖2 所示，道岔集中控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為 4 層。

圖 2 道岔集中控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 人機會話層

人機會話層包含主上位機和副上位機，主要作用是向系統(tǒng)輸出控制命令，以及接收設(shè)備狀態(tài)信息并顯示。當(dāng)主、副上位機均發(fā)生故障退服時，則啟用備用操作面板進(jìn)行應(yīng)急操作，包括道岔的單獨轉(zhuǎn)換和鎖閉，此時沒有聯(lián)鎖的約束，所以應(yīng)特別注意安全。

2.2 聯(lián)鎖運算層

聯(lián)鎖運算層為系統(tǒng)的核心，包括主、副 PLC。本層任務(wù)是對其輸入信號進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運算后，輸出至室內(nèi)、室外設(shè)備。

2.3 執(zhí)行表示層

執(zhí)行表示層包括繼電接口柜和分線柜。其中，分線柜通過線纜連接室內(nèi)、室外設(shè)備，同時方便進(jìn)行設(shè)備檢修。繼電接口柜包括軌道柜和組合柜。軌道柜用于接收室外軌道電路是否被占用的信息，然后通過二元二位繼電器給出表示，并傳輸給 PLC。組合柜包括信號組合和道岔組合，分別用于控制信號和道岔。

2.4 室外設(shè)備層

室外設(shè)備即為“三大件”，包括信號機、軌道電路和轉(zhuǎn)轍機。其中，信號機的作用是受 PLC 輸出的控制，允許或者禁止信號的顯示，進(jìn)行調(diào)車作業(yè)。軌道電路的作用是給出軌道被占用或者出清的表示。轉(zhuǎn)轍機的作用是根據(jù)命令進(jìn)行道岔的轉(zhuǎn)換并給出表示。

3 道岔集中控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件總體框架

根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計了系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)，包括上位機軟件和 PLC 聯(lián)鎖軟件 2 個部分。其中，上位機軟件屬于 HMI，采用西門子的上位機監(jiān)控軟件——WinCC 編程實現(xiàn)，設(shè)計要求 HMI 界面友好、易于操作，信息顯示完整、全面，設(shè)備狀態(tài)顯示更新及時。具體實現(xiàn)功能如下：

（1）接受并響應(yīng)操作員的輸入操作，將其轉(zhuǎn)換為命令并發(fā)送至 PLC 進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運算；

（2）通過文字、按鈕、圖像、顏色等手段實時顯示站場、設(shè)備狀態(tài)；

（3）對操作員的輸入以及 PLC 聯(lián)鎖軟件的返回信息加以文字或者語音提示；

（4）記錄系統(tǒng)的所有操作、報警記錄；

（5）實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的接口。

PLC 聯(lián)鎖軟件用于實現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯的運算，以鐵路總公司《計算機聯(lián)鎖技術(shù)條件》為設(shè)計原則，屬于安全相關(guān)軟件[4]。因此，軟件的安全性和可靠性要求很高，是整個軟件設(shè)計中的重點，也是難點所在。軟件的總體框架如圖 3 所示。

圖 3 道岔集中控制系統(tǒng)軟件的總體框架

3.2 PLC 聯(lián)鎖軟件的設(shè)計

為了將 PLC 聯(lián)鎖軟件程序的各個部分有序地組織起來，使程序可讀性強、便于調(diào)整和修改，采用了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法。軟件將能實現(xiàn)特定功能的程序編制為通用指令塊，以便被調(diào)用。在調(diào)用時，只需要修改相關(guān)參數(shù)即可。整個軟件被分為以下多個模塊：始端和終端按鈕處理模塊、選排進(jìn)路和進(jìn)路鎖閉模塊、道岔轉(zhuǎn)換控制模塊、信號關(guān)閉和開放保持模塊、軌道電路光帶控制模塊、分段解鎖進(jìn)路模塊、中途返回解鎖模塊等。模塊以標(biāo)準(zhǔn)化站場為藍(lán)本進(jìn)行設(shè)計，具體到實際站場，會有地形、作業(yè)需求等方面的差別，可根據(jù)實際情況進(jìn)行模塊的增、刪。軟件通過 STEP7 開發(fā)而成，采用梯形圖設(shè)計，其流程如圖 4 所示。下面選取部分主要模塊介紹其程序編制設(shè)計。

圖 4 PLC 聯(lián)鎖軟件設(shè)計流程

3.2.1 進(jìn)路選排模塊

（1）功能設(shè)計。該模塊包括 4 個階段：①根據(jù)操作員發(fā)出排列進(jìn)路時選定的始端按鈕和終端按鈕，依照進(jìn)路表，選出相應(yīng)的進(jìn)路；②確定所選進(jìn)路的可用性；③征用所選進(jìn)路中的信號設(shè)備；④如果進(jìn)路可用，但有部分道岔不在進(jìn)路所規(guī)定的正確位置，則驅(qū)動轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)動道岔到規(guī)定位置。

（2）選排條件。根據(jù)功能設(shè)計所述 4 個階段得出選排條件如下：

第一階段：無聯(lián)鎖條件。

第二階段：要求信號機未被征用；信號機內(nèi)進(jìn)路區(qū)段和相鄰的超限區(qū)段均空閑（排列調(diào)車進(jìn)路時，最后一個無岔區(qū)段不要求空閑）、區(qū)段未被征用或鎖閉；道岔未被征用、鎖閉或者封鎖、單鎖在相反位置。

第三階段：要求信號機敵對信號未開放，其他要求同第二階段。

第四階段：要求道岔所在區(qū)段空閑，如道岔未在規(guī)定時間內(nèi)轉(zhuǎn)換完畢并給出轉(zhuǎn)換到位的表示，則認(rèn)為道岔故障，給出故障的表示。

3.2.2 鎖閉進(jìn)路模塊

（1）功能設(shè)計。排列進(jìn)路成功后，對進(jìn)路涉及的區(qū)段和道岔進(jìn)行鎖閉，再將其征用標(biāo)志清除。

（2）鎖閉條件。敵對信號關(guān)閉，區(qū)段未鎖閉，超限區(qū)段未被占用；道岔未鎖閉、未封鎖且在正確的位置。

3.2.3 信號開放保持模塊

（1）功能設(shè)計。對于已經(jīng)開放的信號機，該模塊會一直檢查其保持開放的條件。有 2 種情況會導(dǎo)致信號機關(guān)閉：①正常情況，指列車駛?cè)耄瑓^(qū)段被占用；②非正常情況，包括信號燈泡燈絲斷絲、軌道電路紅光帶、道岔位置異常、道岔無表示等。

（2）開放保持條件。①正常情況：列車占用了進(jìn)路的接近區(qū)段；列車越過了信號機；操作員執(zhí)行了總?cè)∠?、總?cè)斯そ怄i的操作；②非正常情況：區(qū)段被非正常占用或者解鎖；道岔不在規(guī)定位置或者非正常解鎖。

3.2.4 進(jìn)路正常解鎖模塊

為提高作業(yè)效率，進(jìn)路包含的軌道區(qū)段在列車或者車列通過后，按順序依次解鎖，即采用分段解鎖方案。

（1）功能設(shè)計。在滿足聯(lián)鎖軟件要求的條件后，進(jìn)路鎖閉的設(shè)備會自動依次解鎖，為后續(xù)進(jìn)路的排列做好準(zhǔn)備。

（2）解鎖條件。要求信號機關(guān)閉，區(qū)段滿足三點檢查方式，道岔所在區(qū)段解鎖。其中，三點檢查方式是指接近區(qū)段已解除鎖定，當(dāng)前區(qū)段出清，離去區(qū)段被占用。

3.2.5 進(jìn)路中途返回解鎖模塊

當(dāng)車列進(jìn)行轉(zhuǎn)線作業(yè)時，車列未全部通過牽出進(jìn)路就返回，導(dǎo)致進(jìn)路無法正常解鎖，所以需要中途返回解鎖功能模塊。該功能分 2 種情況：①車列根據(jù)折返信號機的顯示進(jìn)行折返，此時的解鎖條件為車列已折返并出清了需解鎖區(qū)段；②車列較長，需要為其辦理由多條基本遷出進(jìn)路組成的復(fù)合遷出進(jìn)路。

（1）功能設(shè)計。在滿足聯(lián)鎖軟件要求的條件后，進(jìn)行進(jìn)路的正常解鎖。

（2）解鎖條件。第一種情況要求牽出進(jìn)路中要有折返信號機，且該信號機之前曾經(jīng)有開放記錄；需解鎖區(qū)段已經(jīng)出清了所有車列。第二種情況要求進(jìn)路空閑且接近區(qū)段被占用；牽出進(jìn)路之前曾經(jīng)有被占用的記錄。

4 結(jié)論

PLC 在推動工業(yè)自動化的進(jìn)程中，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，起到了重大作用。其設(shè)備簡單，維護(hù)方便，性能穩(wěn)定，綜合性價比高[5]。對于行車速度要求不高的機務(wù)段而言，基于 PLC 設(shè)計的道岔集中控制系統(tǒng)性能完全滿足要求，且該設(shè)計能夠提高機務(wù)段的自動化控制水平，終結(jié)人工手動扳動道岔的低效率作業(yè)方式，值得大范圍推廣應(yīng)用。

[1]高繼祥. 鐵路信號運營基礎(chǔ)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1998.

[2]趙志熙. 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1999.

[3]殷勤. 股道自動化管理系統(tǒng)設(shè)計接口問題探討[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008（5）：109-110.

[4]李達(dá). 機車出入段安全系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 湖北武漢：武漢理工大學(xué)，2003.

[5]方亞非. 鐵路車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 鐵路通信信號工程技術(shù)，2007，4（4）：7-10.