TCC制式檢測平臺數(shù)字驅(qū)動采集接口可視化設(shè)計與實現(xiàn)

陳增熙，徐中偉，梅 萌，

（1.同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.上海軌道交通技術(shù)研究中心，上海 201103）

列車控制系統(tǒng)以其高性能、高安全性的特點逐漸成為我國鐵路信號系統(tǒng)的首選解決方案，是確保行車安全的重要裝備。列車控制系統(tǒng)主要包括地面設(shè)備和車載設(shè)備，地面設(shè)備提供線路信息、目標(biāo)距離和進(jìn)路狀態(tài)，車載設(shè)備生成目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式曲線。列控中心（TCC）作為列車控制系統(tǒng)地面設(shè)備的核心，其安全性攸關(guān)整個鐵路系統(tǒng)的運行，應(yīng)具備高安全、高可靠、高性能的特點，在投入運行之前必須經(jīng)過嚴(yán)格的基于標(biāo)準(zhǔn)站的制式檢測[1-3]。目前國內(nèi)外TCC信號工程設(shè)計安全性主要通過現(xiàn)場測試進(jìn)行驗證，耗費了大量的人力、物力，還難以對鐵路規(guī)范要求的測試案例進(jìn)行完整測試[4-5]。計算機仿真技術(shù)為這一問題提供了實驗室仿真測試解決方案，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種仿真測試解決方案，節(jié)省了工程周期與測試成本，但是實時監(jiān)測測試過程問題一直都困擾著工程人員[6]。

本文根據(jù)CTCS-3級TCC制式檢測平臺中驅(qū)動采集接口可視化與站場圖可視化的功能需求，提出了一種基于西門子S7-300PLC與WinCC平臺的可視化解決方案，解決了TCC安全測試中設(shè)備狀態(tài)實時可視化的問題，保證了測試人員在測試過程中能夠?qū)CC運行狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測[7-8]。

1 TCC制式檢測平臺結(jié)構(gòu)

通過研究真實列車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與外部接口，提出一種TCC制式檢測平臺，利用軟硬件結(jié)合方式仿真模擬TCC的各個外接設(shè)備，搭建一個與實際車站功能一致的實驗室測試環(huán)境。

1.1 TCC外接設(shè)備構(gòu)成

根據(jù)中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）印發(fā)的《高鐵列控中心接口暫行技術(shù)規(guī)范》，按功能可將TCC外接設(shè)備劃分為7個部分： ZPW-2000系列軌道電路、計算機聯(lián)鎖（CBI）、地面電子單元（LEU/BDU）、調(diào)度集中（CTC）、臨時限速服務(wù)器（TSRS）、相鄰TCC以及信號集中監(jiān)測（CSM），各個子系統(tǒng)功能如下。

（1） ZPW-2000系列軌道電路：對于站內(nèi)軌道電路，TCC根據(jù)本進(jìn)路及前方進(jìn)路狀態(tài)，按照軌道電路信息編碼規(guī)則，生成對應(yīng)各個軌道區(qū)段的信息碼，區(qū)段恢復(fù)后發(fā)送檢測碼。對于無岔站根據(jù)進(jìn)路狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)的信息碼。對于區(qū)間軌道電路，列控中心根據(jù)前方閉塞分區(qū)占用狀態(tài)及前方車站接車進(jìn)路開通情況，按照軌道電路信息編碼邏輯，生成信息碼控制條件。

（2） 計算機聯(lián)鎖（CBI）：負(fù)責(zé)向TCC發(fā)送接發(fā)車進(jìn)路、通過進(jìn)路及信號機開放等信息；接收TCC發(fā)送的輸出進(jìn)站信號機點黃燈、接近區(qū)段軌道電路發(fā)黃碼控制條件。

（3） 地面電子單元（LEU/BDU）：負(fù)責(zé)接收TCC發(fā)送的報文，根據(jù)接收的報文信息來判斷被測車站TCC是否進(jìn)行正確處理。

（4） 調(diào)度集中（CTC）：負(fù)責(zé)對某一區(qū)段內(nèi)的信號設(shè)備進(jìn)行集中控制，對列車運行進(jìn)行直接指揮、管理。

（5） 臨時限速服務(wù)器（TSRS）：負(fù)責(zé)向TCC下達(dá)臨時限速調(diào)度命令，將不同限速起點里程、速度、長度、執(zhí)行時間等相關(guān)信息向TCC發(fā)送，接收TCC的執(zhí)行處理回執(zhí)，并將臨時限速設(shè)置情況在站場顯示終端上明確顯示。

（6） 相鄰TCC：負(fù)責(zé)與本站TCC交互數(shù)據(jù)，以獲取分界處相鄰軌道電路的編碼信息和進(jìn)出站信號機的狀態(tài)信息，控制本轄區(qū)區(qū)間信號機的點燈控制邏輯。

（7） 信號集中監(jiān)測（CSM）：負(fù)責(zé)接收TCC發(fā)送給實際車站微機監(jiān)測系統(tǒng)的各類監(jiān)測信息，與各模擬系統(tǒng)和TCC的交互信息比較，判定其發(fā)送信息是否正確。

1.2 TCC制式檢測平臺結(jié)構(gòu)

客運專線CTCS-3級TCC制式檢測平臺是一個基于標(biāo)準(zhǔn)站的TCC測試系統(tǒng)，主要由可編程邏輯控制器（PLC）服務(wù)器、測試平臺輔引擎以及測試平臺主引擎組成。其中，ZPW-2000系列軌道電路的通信盤通過CAN總線與被測TCC成對冗余連接。CBI、鄰站TCC、TSRS與被測TCC之間采用RJ45以太網(wǎng)接口按冗余配置連接。LEU/BDU、CTC通過RS422串口與被測TCC雙系交叉連接。驅(qū)動采集接口通過數(shù)字線纜與TCC驅(qū)采板直接相連。

TCC制式檢測平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，每種設(shè)備均同時接入A網(wǎng)與B網(wǎng)，形成安全冗余結(jié)構(gòu)。平臺由4個車站共同組成了一條包含規(guī)范要求元素的鐵路測試線，其中，同濟站為真實的被測TCC，學(xué)院站、中繼站、滬西站由平臺進(jìn)行仿真。

圖1 TCC制式檢測平臺結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)字驅(qū)動采集接口仿真

2.1 驅(qū)動采集繼電器要求與硬件選型

TCC制式檢測平臺數(shù)字采集模塊的采集繼電器對TCC驅(qū)動繼電器電平狀態(tài)進(jìn)行采集，采集到的繼電器信息會傳遞給梯形圖程序，進(jìn)行具體邏輯運算，運算結(jié)果將通過TCC制式檢測平臺數(shù)字驅(qū)動模塊的驅(qū)動繼電器輸出。TCC制式檢測平臺采集繼電器主要包括區(qū)間改方繼電器、區(qū)間通過信號機點燈繼電器、站內(nèi)發(fā)碼方向繼電器、列控代驅(qū)繼電器。TCC制式檢測平臺通過邏輯運算后輸出的驅(qū)動繼電器主要包括區(qū)間方向繼電器、區(qū)間通過信號機點燈繼電器、區(qū)間方向切換繼電器、站內(nèi)發(fā)碼方向繼電器、列控代采繼電器。除此之外，區(qū)間軌道繼電器與站內(nèi)軌道繼電器無需采集與邏輯運算，直接由TCC制式檢測平臺驅(qū)動繼電器輸出。由于TCC安全測試時間長、任務(wù)量大，繼電器跳變頻繁，要求測試平臺的驅(qū)動采集繼電器能長時間可靠運行，要選用高可靠的繼電器作為驅(qū)動采集接口，仿真實際設(shè)備。TCC制式檢測平臺驅(qū)動采集關(guān)系表如表1所示。

S7-300PLC是專為工業(yè)自動化生產(chǎn)設(shè)計的一種數(shù)字運算電子設(shè)備，其設(shè)計目的是取代傳統(tǒng)的繼電器。通過其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，是現(xiàn)代工業(yè)自動化的核心部分。WinCC視窗控制中心是過程監(jiān)視系統(tǒng)，集生產(chǎn)自動化和過程自動化于一體，實現(xiàn)相互之間的整合，其能夠控制PLC實時采集數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運行是否正常，優(yōu)異的圖形化界面可顯示監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)。

表1 TCC制式檢測平臺驅(qū)動采集關(guān)系表

2.2 接口仿真設(shè)計方案

TCC制式檢測平臺采用S7-300PLC仿真數(shù)字驅(qū)動采集接口，采用WinCC實現(xiàn)驅(qū)動采集接口狀態(tài)可視化功能，被測TCC與S7-300PLC之間使用鐵路信號專用線纜相連接，所有的通信連接遵循雙網(wǎng)雙系原則。TCC制式檢測平臺驅(qū)動繼電器和采集繼電器之間的邏輯關(guān)系代碼使用LAD編程。WinCC與PLC間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，通過內(nèi)部變量實現(xiàn)WinCC界面基本圖形元素與PLC硬件地址一一映射，實現(xiàn)對TCC制式檢測平臺數(shù)字驅(qū)動采集接口狀態(tài)實時監(jiān)控與可視化。TCC制式檢測平臺與被測TCC連接示意圖如圖2所示。

圖2 TCC制式檢測平臺與被測TCC連接示意圖

2.3 驅(qū)動采集邏輯處理

TCC制式檢測平臺的采集繼電器先采集被測TCC的驅(qū)動繼電器狀態(tài)，然后進(jìn)行邏輯運算，將運算結(jié)果通過驅(qū)動繼電器輸出。運算邏輯使用LAD編程實現(xiàn)，梯形圖程序通過以太網(wǎng)通信方式燒錄到PLC的SD卡中。以區(qū)間方向繼電器為例，運算邏輯梯形圖代碼具體實現(xiàn)如圖3、圖4所示。

區(qū)間方向繼電器前節(jié)點中I1與I2為TCC制式檢測平臺采集繼電器，M1、M2、M3、M4為TCC制式檢測平臺內(nèi)部設(shè)置的中間變量，可以在WinCC里面配合事件觸發(fā)與c腳本進(jìn)行故障注入，仿真出測試案例要求的故障場景。Q1與Q2為TCC制式檢測平臺區(qū)間方向驅(qū)動繼電器。區(qū)間方向繼電器前后節(jié)點的真值表如表2和表3所示。

圖3 區(qū)間方向繼電器前節(jié)點

圖4 區(qū)間方向繼電器后節(jié)點

表2 區(qū)間方向繼電器前節(jié)點真值表

表3 區(qū)間方向繼電器后節(jié)點真值表

3 數(shù)字驅(qū)動采集接口可視化設(shè)計

3.1 端口配置模型

TCC制式檢測平臺是能夠接入不同廠家不同型號TCC的通用仿真測試平臺，要求能夠根據(jù)測試車站數(shù)據(jù)對數(shù)字驅(qū)動采集端口進(jìn)行任意配置，端口配置模型的設(shè)計至關(guān)重要。配制方法如下：（1）配置TCC制式檢測平臺的驅(qū)動采集端口數(shù)量，要能夠滿足測試車站數(shù)據(jù)的要求；（2）根據(jù)具體車站數(shù)據(jù)提供的繼電器類型與該類型繼電器數(shù)量進(jìn)行配置，確定每一個數(shù)字端口具體的邏輯功能，并留有預(yù)留端口方便進(jìn)行擴展。在未配置數(shù)據(jù)之前，TCC制式檢測平臺的所有數(shù)字端口只根據(jù)硬件模塊分為驅(qū)動模塊與采集模塊，具體配置后才會確定其類型；（3）確定每一個端口對應(yīng)的接插件標(biāo)號與PLC硬件地址。接插件的設(shè)計是為了保證平臺接口通用性以及測試廠家通信線纜制作。TCC制式檢測平臺以接插件為基本單位，每個接插件配置32個數(shù)字端口點位，驅(qū)動采集模塊各配置12個接插件，接插件對于任意廠家的TCC都是通用的。以同濟站為例，同濟站的數(shù)字端口配置數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 同濟站數(shù)字端口配置數(shù)據(jù)

其中，繼電器類型與端口數(shù)量為同濟站所要求配置的設(shè)備類型及占用的數(shù)字端口數(shù)量，繼電器類型有驅(qū)動與采集之分。對應(yīng)的接插件標(biāo)號與PLC硬件地址是指PLC尋址映射信息，對應(yīng)PLC驅(qū)采模塊的具體點位。由表可知，在滿足車站數(shù)據(jù)配置要求的同時，TCC制式檢測平臺還留有一定數(shù)量的預(yù)留端口作為擴展口，端口配置模型實現(xiàn)了PLC硬件地址與定義的內(nèi)部變量一一映射功能，即PLC硬件地址對應(yīng)唯一的內(nèi)部變量，滿足任意車站數(shù)據(jù)配置要求。

3.2 基本圖形元素模型

可視化界面主要分為兩類，數(shù)字驅(qū)動采集接口點位狀態(tài)界面與站場圖界面?？梢暬缑嬗苫緢D形元素組成：（1）針對不同設(shè)備類型繪制基本圖形元素，組成圖形庫，要能夠表示車站數(shù)據(jù)要求的所有設(shè)備；（2）根據(jù)車站數(shù)據(jù)對基本圖形元素進(jìn)行排列組合，繪制出數(shù)字驅(qū)動采集接口點位圖與站場圖。TCC線路設(shè)備主要有信號機、發(fā)碼方向、軌道區(qū)段、接發(fā)車方向等。數(shù)字驅(qū)動采集接口點位圖與站場圖里面的每一個基本圖形元素都有自身唯一的ID，c腳本里面可以進(jìn)行識別?；緢D形元素模型實現(xiàn)了基本圖形元素ID與定義的內(nèi)部變量一一映射功能，即每一個基本圖形元素ID都對應(yīng)唯一的內(nèi)部變量。圖形元素基本圖例如圖5所示。

圖5 圖形元素基本圖例

3.3 信息映射模型

可視化工作最核心的部分就是實現(xiàn)PLC硬件地址、內(nèi)部變量、基本圖形元素ID一一映射，然后設(shè)置可視化界面輪詢更新時間。端口配置模型實現(xiàn)了每一個PLC硬件地址對應(yīng)唯一的內(nèi)部變量，內(nèi)部變量可以在WinCC的變量管理器里面定義?；緢D形元素模型實現(xiàn)了每一個基本圖形元素ID對應(yīng)唯一的內(nèi)部變量。通過WinCC的內(nèi)部變量，實現(xiàn)PLC硬件地址與基本圖形元素ID的一一對應(yīng)?？梢暬菍︱?qū)動采集硬件端口狀態(tài)信息的直觀表現(xiàn)，展現(xiàn)了真實車站設(shè)備實時狀態(tài)，方便了操作人員對車站設(shè)備的監(jiān)測與控制?？梢暬绦蜻\行流程圖如圖6所示。

圖6 可視化程序運行流程圖

4 CTCS-3級TCC制式檢測平臺實例

以根據(jù)規(guī)范制定的同濟站車站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在實驗室環(huán)境下搭建仿真測試環(huán)境。經(jīng)過實驗檢驗，本文所提出的可視化方案可以滿足TCC制式檢測中數(shù)字驅(qū)動采集接口點位狀態(tài)與站場圖實時可視化的問題。本設(shè)計已經(jīng)為國鐵集團計算機聯(lián)鎖檢測站所應(yīng)用，開發(fā)了客運專線CTCS-3級TCC制式檢測平臺，該平臺已經(jīng)成功完成5個廠家、6個型號TCC的制式檢測。同濟站數(shù)字驅(qū)動采集接口點位狀態(tài)可視化界面如圖7、圖8所示，同濟站站場圖可視化界面如圖9所示。

圖7 同濟站數(shù)字驅(qū)動接口點位狀態(tài)可視化界面

圖8 同濟站數(shù)字采集接口點位狀態(tài)可視化界面

圖9 同濟站站場圖可視化界面

5 結(jié)束語

本文對TCC制式檢測平臺中設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測可視化問題進(jìn)行分析，提出了一種數(shù)字驅(qū)動采集接口點位狀態(tài)與站場圖實時可視化方案。根據(jù)平臺需求，提出基于S7-300PLC與WinCC平臺進(jìn)行驅(qū)動采集接口仿真設(shè)計，對PLC硬件地址、內(nèi)部變量、基本圖形元素ID進(jìn)行映射，實現(xiàn)對驅(qū)動采集信息采集、傳輸及可視化?？梢暬桨笍浹a了原測試平臺擴展性差、測試?yán)щy、無法實時監(jiān)測等不足，降低了開發(fā)成本，提高了實際測試精確度，具有很好的應(yīng)用價值，下一步可推廣應(yīng)用到TCC制式檢測平臺其他仿真模塊，以提高整個測試平臺測試效率。