冶金钢铁企业的产供销及内部原材料、产品的流转大都是由铁路运输来完成, 是企业的生命线, 铁路运输的安全快捷直接影响着企业的正常生产, 以至于影响企业效益。三钢的生产经营也不例外, 三钢集团公司铁路运输是三钢产供销的桥梁和纽带, 现有铁路线路总长36.925公里, 道岔117组, 南与三明火车站相连, 北与三明东站衔接, 分南编组站、料区、焦区、铁区、钢区、轧区、库区八个区域, 拥有11台内燃机车, 铁路车辆149辆等。
随着企业生产的发展, 我司的铁路运输设备设施还比较落后, 铁路运输点多面广, 原始作业方式效率低下, 很难从设备口保障行车安全, 已成为制约运输效率提高的瓶颈。为了能够提高运输效率, 保障运输作业安全, 减少作业中间环节和人员, 首先在铁路北站区域内使用铁路行车信号计算机联锁系统, 实现北站全站的铁路信号自动化。
1 方案设计
北站区域由北站主站场、轧区和高线区域组成。北站主站场内有道岔35组, 信号机69架, 轨道区段61个;高线区域有道岔2组, 信号机5架, 轨道区段6个;轧区区域内有道岔6组, 信号机14架, 区段13个。所有道岔均采用人工扳道方式。区域内共设置扳道房7个 (北站主站场5个, 轧区1个, 高线1个) , 扳道人员28名以最原始方式进行行车作业。
信号计算机联锁系统采用了浙江万全信号设备有限公司生产的W Q-T Y L S铁路信号计算机联锁系统, 针对工矿企业专用铁路设计, 以网络为基础适合于一站多场铁路。以北站主站区为主站, 轧区、高线区为从站, 采用远程控制模式将两个区域内的所有信号设备纳入北站主站控制。整个项目按三期进行, 第一期北站主站区, 第二期高线区域、第三期轧区区域;三期工程完成后北站形成一个大型完整统一的车站, 区域之间联锁关系按照同一站的站内模式处理, 信号操作集中在一个屏幕上。
1.1 网络结构设计
(见图1)
1.2 系统组成及功能
W Q-T Y L S铁路信号计算机联锁系统分为人机接口层、联锁处理层、驱动层、执行层和电源层。人机接口层由操作计算机、显示器、键盘鼠标等构成, 实现站场状态监视、进路办理等操作功能。联锁处理层是信号微机联锁的核心层, 负责联锁运算与核心控制;联锁处理层采用工控机+P L C结构。驱动层采用安全型继电器实现接口驱动放大与电气隔离。执行层由转辙机、信号机等组成。电源层由电源屏和UPS组成 (见图2) 。
1.2.1 人机接口层
采用工业计算机、工业交换机、显示器、键盘鼠标等硬件设备与操作软件实现。人机接口层实现站场设备状态实时监控、进路办理、道岔操作等功能, 它人与系统的接口。人机接口层本层内部与联锁处理层之间采用TCP/IP网络通讯, 可以根据现场具体情况设置本地、远程一个或多个操作终端。
1.2.2 联锁处理层
联锁处理层是信号计算机联锁的核心处理层, 采用工业控制计算机和PLC实现。联锁处理层负责对用户操作命令进行处理、站场设备状态采集、联锁运算、道岔控制、信号控制、进路控制、热备切换等。联锁处理层采用modbus总线结构, 可以非常容易实现本地站点、远程站点的增加和删除, 应用十分灵活。
1.2.3 驱动层
驱动层设备主要采用符合国家铁道部标准的安全型继电器实现, 起到电气放大与室外内外设备电气隔离。驱动层电路中涉及行车安全电路自身具有一定的逻辑处理功能, 从而进一步提高系统安全性。
1.2.4 电源层
电源层由铁路专用电源屏和UPS构成, 系统提供各种信号电源和计算机电源。电源屏采用两路AC380V三相电源供电。
1.2.5 执行层
执行层工作在室外, 主要由信号机、转辙机、轨道电路构成。信号机实现行车信号的开发和关闭, 转辙机负责行车线路的转换, 轨道电路检测列车运行位置。执行层通过信号电缆实现与驱动层连接。
信号机是向司机和行车人员表达行车命令和安全行车条件的设备, 目前站内行车广泛采用色灯信号机。在我国铁道部行车信号标准中采用5种颜色色灯信号作为行车信号, 这5种色灯分别是兰灯、红灯、黄灯、绿灯、白灯, 其中兰灯和红灯是禁止行车信号, 其它3种是允许行车信号。
转辙机是驱动铁路线路改变方向从而使车辆从一条线路转到另一条线路的设备。转辙机由电机、齿轮减速驱动机构、位置表示机构等构成。转辙机具有定位操作和反位操作两个动作与定位表示、反位表示、四开三个位置信息。当转辙机定操到位时位置状态为定表, 反操到位时为反表, 没有到位时为四开。
在铁路中将线路划分为一段段线路——轨道区段, 在轨道区段的两端装设绝缘节, 使相邻两区段之间绝缘。在区段的一端将交流电经过变压器降压后接到区段的两根钢轨, 在另外一端通过变压器升压后送至室内继电器;当钢轨上没有车辆时室内继电器吸起, 当钢轨上有车时钢轨短路室内轨道继电器落下。利用钢轨、变压器、继电器检测钢轨上是否有车辆存在的电路叫轨道电路, 目前我国在车站内铁路上大量采用480标准轨道电路。
1.3 软件组成
WQ-TYLS铁路信号计算机联锁软件分为上位机软件、下位机 (PLC) 软件和操作机软件。上位机、操作机软件采用Delphi6.0编制, 下位机 (PLC) 软件采用Concept2.6编制。
1.3.1 上位机软件框图 (见图3)
信号计算机联锁系统上位机软件开发引入现代软件工程技术, 采用标准通用的模块化开发技术开发。软件根据其功能和数据结构定义成不同的模块, 各模块完成各自相对独立, 模块之间通过数据进行通信。程序结构清晰, 数据流向简单, 软件更加稳定可靠;并且可以根据具体需要对软件进行裁剪定制, 充分满足用户的各种特殊需要。
1.3.2 上位机软件流程 (见图4)
信号计算机联锁系统上位机软件主要负责处理用户操作命令并根据操作命令进入相应的处理模块。信号计算机联锁命令主要可以分为进路类命令、道岔类命令和故障处理类命令。上位机软件主处理流程采用命令驱动结构, 对命令进行分类处理。
1.3.3 PLC选型及配置
北站主站采用Modicon Qutum 43412A C P U, 它是一款高性能C P U板, 具有两个modbus通讯口和一个modbus+通讯口, 非常适合于要求较高的应用系统。输入板采用140 DDI35300模板, 该板具有32位DC24V的光电隔离输入接口。输出采用140DDO35300模板, 该板具有32位DC24V的隔离输出端口, 输出端口可以直接驱动继电器。主站CPU、IO板采用冗余配置, 两套完整的PLC系统构成热备系统。从站高线区域采用M o m u n t170ADI3500作为输入, 170ADO3500作为输出。由于高线区域控制道岔数量相对较少采用单套PLC, 不作冗余配置。高线区域不设置CPU模块, IO模板通过modbus+总线连接到北站CPU。在北站CPU中通过Perr Cop技术将高线区域IO模块映射到本地, 将远程IO当着本地IO使用。
轧区道岔相对较多, 采用两套完整Momunt实现冗余热备。轧区采用96030CPU, 输出采用170ADO35300, 输入模板采用170ADI3500, IO模块与CPU之间采用IOBus通讯。轧区CPU通过modbusTCP与北站联锁处理层上位机通讯。
上位机通过RS-232直接和主站两套PLC相连, 构成主上位机—主PLC、主上位机—备PLC、备上位机—主PLC、备上位机—备P L C的直连与交叉冗余网络。轧区两套PLC通过以太网联接, 在逻辑上仍然构直连和交叉的冗余结构。系统在工作时两套上位机、主站两套PLC、轧区两套PLC同时处于运行状态, 设备中的任何一台出现故障系统自动无扰切换, 做到了2乘2冗余热备。高线区域通过modubs+直接和主站CPU连接, 当主站C P U出现死机时需人工切换。
1.3.4 PLC软件组成
信号计算机联锁系统PLC软件由信号状态采集模块、道岔状态采集模块、轨道状态采集模块、站间联系采集模块、通讯模块、道岔动作模块、信号开放模块、信号关闭模块、站间联系控制模块、主备机切换模块、联锁运算模块等构成;其中联锁运算模块是PLC软件的核心模块, 他负责对联锁进路进行跟踪和控制。
1.3.5 PLC抗干扰软件编程
由于信号计算机联锁系统是一个安全型要求非常高的控制系统, 因此在软件编制尤其是涉及输入输出控制程序必须能够对脉冲干扰、电平干扰等进行过滤, 保证只有符合要求的信号才能进入系统。在本系统中采用了动态电平技术, 即所有输入全部采用方波信号, 单个脉冲信号认为是无效信号、长期高电平信号已认为是无效信号。输入信号处理采用软件滤波检测技术, 输出采用硬件滤波检测技术。输入检测软件采用FBD (功能块) 方式开发然后封装为DFB模块在主程序中调用 (图6) 。
在以上程序中采用了2个TON输入延时模块、1个OR_BOOL或模块和1个CTU计数器模块。输入信号和输入信号取反后延时500ms输出, 并将输入信号取或, 信号取或后作为计数器的重置信号, 计数器的CU端子采用现场输入信号, PV设置为3。当输入5Hz的方波信号时, 输入信号进行和输入信号取反500ms延时后取或的值永远为“0”计数器不重置, 计数脉冲大于3个时, out输出1。通过以上的程序可以看出只有连续接收到3个脉冲, 并且脉冲之间的间隔<500ms程序输出“1”, 在其它情况下输出都为“0”采用动态输入软件技术提高了系统的抗干扰能力。
2 系统优点
信号计算机联锁系统以计算机为核心并借鉴继电联锁的经典接口电路实现铁路车站信号联锁控制, 具有安全可靠高、高集成度、扩展性强、易施工、易维护、易联网等优点。
2.1 高安全与可靠性
信号计算机联锁系统的核心是安全。为了达到这一目标, 信号计算机联锁系统在设计时采用了“故障-安全”技术, 即系统在出现任何预知和非预知故障情况下自动倒向安全侧, 不产生危险信号及危险输出。信号计算机联锁系统采用动态电平信号技术, 完全杜绝了脉冲干扰、长“0”电平干扰、长“1”电平干扰提高了系统安全性。在可靠性方面系统采用4套计算机设备, 其中两套上位机, 两套下位机, 上下位机之间任意构成一套当前控制主机, 当一套处于主控状态时另外一套处于并行热备状态。在器件的选型上信号计算机联锁系统都采用工业级甚至军用级器件以提高系统整体可靠性。
2.2 高度集成与扩展性
系统采用模块化设计理念, 硬件和软件根据其功能和应用设计成不同的模块, 各个模块之间通过数据交换信息。通过专用的开发平台并结合实际铁路车站以搭积木模式便可进行系统设计。以网络为基础, 在系统投入运行后用户还可以根据生产要求变化在网络上对现有系统进行扩展, 可以实现本地控制模式、远程控制模式、多终端模式等;可增加、减少远程控制站点, 改变站场线路等;灵活性强, 适应度高这是继电联锁系统很难实现的。
2.3 故障率低、易维护
系统硬件采用模块设计, 模块直接控制室外的信号机、转辙机、轨道电路。控制模块 (道岔模块、信号模块、轨道模块) 具有外线短路保护功能, 取消了易老化的熔断器改用空气开关, 有效解决了占信号故障比例较高的难题。系统大部分功能采用软件实现, 软件是无机械磨损产品, 一经调试成功, 无需维修。各控制柜之间采用总线连接, 大量减少了柜间连线, 大幅度减少了故障点。系统中各种模块都增加了故障指示和运行状态指示灯各种故障一目了然, 在加上先进的设计理念和优化的系统结构, 系统室内设备几乎无故障, 维护非常简单。
2.4 施工便利
系统采取硬件、软件模块化设计。机柜之间只有电源线和通讯线, 机柜内部配线在工厂已经完成, 现场施工简单快捷。
3 系统应用效果
三钢北站信号计算机联锁系统从第一期实施到第三期完工, 实现了北站信号联锁自动化改造, 目前系统运行稳定可靠。实施后撤销了所有的扳道房, 整个站场设置4名 (每班1名) 操作人员便可以实现全站的近路办理操作, 减少了大量人员和中间环节, 提高了劳动生产效率, 从原有28名减到4名, 每年减员24名, 人均工资每年按4.3万元计算每年可节约成本113万元。采用信号计算机联锁系统化后杜绝了因扳错道而造成的行车事故, 确保了行车安全。在进行信号计算机联锁改造前北站区域的运量为296万吨, 目前北站区域的运量为450万吨, 在人员减少的情况下运量增加了, 极大提高了生产效率和运输能力, 降低运输成本, 保障了运输行车安全, 为三钢的高速发展和物流运输提供了有力保障。
摘要：本文介绍了铁路信号计算机联锁系统在三钢的应用, 信号计算机联锁系统组成及系统优点, 实现了铁路运输的安全快捷并取得了良好的经济效益。
关键词：铁路信号计算机联锁,系统组成,软件,应用