JWJ-C计轴系统研究

2010-07-30周长义

铁道通信信号 2010年5期

周长义

*哈尔滨铁路局科学技术研究所高级工程师,161002 齐齐哈尔

哈尔滨铁路局科学技术研究所于 20世纪 80年代初开始对计轴技术进行研究。2004年以后,为使计轴设备满足铁路运输的更高安全需求,同时适用于国内外各种线路状况及运用场合,开发了采用计轴设备完成站内和站间轨道区段占用或空闲检查的综合计轴系统——JWJ-C计轴系统。该系统可根据不同的应用场合,灵活方便地构造出多种信号安全系统,如区间检查系统、站内股道及道岔区段检查系统及道口安全信号系统等,同时针对特殊环境,如高温、高湿、强雷电和多盐雾等极端应用情况进行了特殊设计。

2008年,JWJ-C计轴系统在越南铁路通信信号改造工程中中标,这是国产计轴设备第一次走出国门,迈向世界。

1 系统原理及主要功能

JWJ-C计轴系统采用计轴方式,完成轨道区段占用或空闲状态检查。该系统的工作原理是基于车列驶入和驶出计轴点监视的区段时所记录轴数的比较结果,确定该区段的占用或空闲状态,其主要功能如下。

1.与 6502电气集中结合,完成站内轨道区段占用或空闲检查,为电气集中联锁提供进路和接近区段的占用或空闲信息。

2.与 64D继电半自动闭塞设备结合,构成计轴自动站间闭塞系统,完成区间占用或空闲检查,实现自动办理闭塞、自动检查区间、列车完整到达后闭塞自动复原等功能。

3.适应各种行车作业,如发车、接车、站内调车、越站调车、区间中途折返列车等。

2 技术特点

1.根据铁路信号站内和区间的划分原则,将站内轨道区段检查和区间检查的功能分开,分别由站内计轴运算器和区间计轴运算器独立完成。

2.站内计轴运算器采用 “1+1”双套并联工作方式,只要一套工作正常,系统就正常工作。

3.每台站内计轴运算器可检测 24个站内计轴点,监控 15个站内轨道区段。

4.室内计轴主机与室外计轴点间采用 “点对点”的传输方式,以实现多点并行处理,提高系统的实时性。

5.二取二计轴运算器主控单元,保证系统的安全性。

6.二取二轮轴检测器计数单元,保证计轴的准确性。

7.采用 CAN总线技术,实现多节点 CPU之间的数据传输,以及自动总线仲裁,使多计轴点信息的处理变得十分简单。

8.采用硬件冗余的安全型区段轨道继电器驱动电路(安全输出),及条件采集电路(安全输入)。

9.LED数码管及发光二极管显示组合,随时显示系统的工作状态及故障信息,为设备的现场安装调试及维护提供直观的窗口。

10.配套的计轴维护管理系统,可实现对运行状况的实时监测及管理,准确定位各类故障,提高系统的运用质量和维护效率。

11.通过 CAN总线接口或 RS-232接口,可与信号微机监测系统联网。

3 总体构成

JWJ-C计轴系统由设在轨道区段端口处的轮轴检测器 (计轴点),设在信号机械室的计轴主机、计轴区段轨道继电器组合、区段复零按钮组合,以及传输电缆或光缆等组成。系统总体构成如图 1所示。

图 1 系统总体构成框图

1.轮轴检测器。包括车轮传感器、车轮电子检测器、防雷单元和计轴轨道箱等。轮轴检测器构成及原理如图 2所示。

2.计轴主机。包括站内计轴运算器 A、B,上、下行区间计轴运算器,通信单元组合,调制解调器 (Modem),计轴主机电源和计轴 UPS电源等。

图 2 轮轴检测器构成框图

1台计轴主机可检测 24个站内计轴点和 2个区间计轴点,监控 15个站内轨道区段和 2个区间轨道区段。通过 Modem经电缆或光缆,实现与相邻计轴主机的数据传输。计轴主机构成见图 3。

4 安全性设计

JWJ-C计轴系统的安全性设计包括硬件安全性设计、软件安全性设计和故障检测及故障导向安全设计等 3方面。

4.1 硬件安全性设计

1.总体设计遵循闭环工作原理。计轴系统的核心控制部分为计轴运算器,其与轮轴检测器(计轴点)之间、与输入/输出接口之间,以及与相邻计轴运算器之间,均设计成闭环系统,只要闭环中的任何一部分发生故障,系统就能立即诊断出来,并采取措施以保证安全。

2.计轴运算器控制单元采用二取二结构。计轴运算器的控制单元由 2个硬件相同、功能相同的主控单元电路 MCU构成,2个MCU通过软件同步信号以 “与”的方式同步工作,并且进行自检和互检,如果有一个发生故障或状态异常,设备则表示占用且告警。

3.轮轴检测器计数单元采用二取二结构。轮轴检测器的计数单元由 2个硬件相同、功能相同的计数单元电路 ACU构成,2个ACU在轮轴脉冲的触发下,以 “与”的方式同步工作,并且进行自检和互检,如果有一个发生故障或状态异常,设备则表示占用且告警。

图 3 计轴主机构成框图

4.动态驱动安全型输出电路驱动区段轨道继电器。用以表示所监视区段占用或空闲状态的最终执行部件是安全型继电器,该继电器的驱动电路是由 AC/DC转换技术构造的,由 2个 MCU以“与”的方式共同控制的故障-安全电路。此外,MCU输出动态信号需满足以下条件:自检及互检正常→数据校验正确→区段没有轴数。

5.动态采集安全型输入电路的输入条件。条件采集电路是采用动态脉冲输入形式的故障-安全电路,电路中任一部件的故障均能导致输入脉冲的中断。同时,计轴运算器的 2个主控单元 MCU各自对应一个采集电路,以 “与”的方式决定输入条件是否有效。

4.2 软件安全性设计

由于计算机的故障导向是对称的,属非安全器件,所以依附于计算机硬件的软件程序的故障导向也是非安全的。JWJ-C计轴系统作为由计算机控制的铁路信号安全设备,其软件的安全性通过以下措施得以保证。

1.区段轴数比较采用四取四原则。对于一个区段来说,计轴运算器每个主控单元 MCU都有4个轴数供比较,即区段入口处计轴点的轴 1、轴2和区段出口处计轴点的轴 1、轴 2。4个轴数必须一致,计轴运算器的主控单元才确定为区段空闲,否则就表示占用。

2.区段状态输出控制采用二取二原则。计轴运算器的 2个主控单元 MCU依据同步信号进行运算、比较和控制等,只有 2个 MCU同步且工作正常,四取四的运算结果完全一致,2个 MCU才能同时给出 “区段空闲”的命令,通过安全与门电路驱动区段轨道继电器吸起。

3.采用冗余方式实现对重要信息的校验。对重要信息,如轴数、标志、状态等采用多区存储,即利用RAM存储区,将信息以不同的码型分别存入 2个区域。当使用这些信息时,采取 “二取二”的方法取出正确信息。若 “二取二”不成功,则表明信息故障已不可恢复,设备导向安全。

4.多微控制器之间的信息传输除采用 CRC校验外,对传输的信息码采用特殊的编码和重复发送冗余技术 (ARQ)等措施,以保证信息在传输过程中的安全性。

4.3 故障检测及故障导向安全设计

利用软件对硬件设备进行状态检测,发现故障后即导向安全。故障检测包括 CPU自检、外围芯片检测、传感系统检测、传输通道检测、继电器检测和复零按钮检测等。

5 可靠性设计

5.1 硬件可靠性设计

对于一个计算机控制系统而言,其硬件设备的可靠性是整个系统可靠性的基础。构成硬件设备的各种芯片、电子元器件、电路板、接插件等的质量,电路设计的合理性,布线的合理性,工艺结构设计等均决定了系统的硬件质量,任何一个出了问题,都会使系统可靠性降低,甚至产生不安全因素。JWJ-C计轴系统在硬件设计上采取了以下措施。

1.采用工业级微控制器。资料表明,现在工业级微控制器的平均无故障时间可达 106～107h,也就是说,如果在额定的运行环境下,不计线路板、接插件等元器件的影响,可以连续运行几十年不出现任何故障。

2.温度敏感电路采用军品级元器件。室外车轮电子检测器的传感电路是计轴系统最关键的电子电路,并要求在 -40℃～80℃的环境温度范围内长期可靠工作。为满足该要求,传感电路的关键元器件,如模拟放大器、电感、电容等均采用军品级。

3.电子电路采取降额设计。对于电路中使用的功率元器件,包括功率要求、电压要求、电流要求等均采取降额设计,其降额系数小于 0.5,以确保电路低负荷运转。

4.硬件的其他抗干扰措施:①集成电路全部采用 CMOS器件,以提高其抗扰度;②采用电磁兼容式机箱,以解决屏蔽、搭接、接地等问题;③采用光电隔离器件,将微控制器同外设全部隔离开;④对于 0.5 m以上长度的交流信号线,均采用双绞线配线。

5.2 软件可靠性设计

利用计算机实现对铁路信号控制的设备,其整体可靠性需要由硬件和软件 2部分共同保证。在系统的硬件结构选定之后,硬件本身对系统可靠性贡献就被决定了。然而,利用软件容错技术,还可以将可靠性进一步提高。JWJ-C计轴系统采取以下软件容错技术。

1.功能循环设置。对在整个程序执行过程中不会改变的微控制器内部控制寄存器设定,如中断优先级设定、开中断、输入输出口功能定义等进行功能设定冗余,即将有关的设定指令放在主程序循环体中,这样,即使干扰已造成功能设置的改变,但在主程序的下一循环执行过程中马上就能得到纠正。

2.指令冗余。在双字节指令和三字节指令之后插入 2条 N0P指令,可保护其后的指令不被拆散。或者说,某指令前如果插入 2条 NOP指令,则这条指令就不会被前面冲下来的失控程序拆散,并将被完整执行,从而使程序走上正轨。

3.软件陷阱。所谓软件陷阱,就是一条引导指令,强行将捕获的程序引向一个指定的地址,在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。软件陷阱安排在下列 3种地方:①未使用的中断向量区;②未使用的大片 ROM区;③程序的断裂点。

4.程序运行软件监视。在软件的主程序和中断程序中分别建立程序流程软监视器,当程序没有按照预定流向运行时,程序流程软监视器就会及时发现并引导程序执行硬复位。

5.程序运行硬件监视。当程序弹飞到一个临时构成的死循环中,而且程序运行软件监视器也失效时,系统将完全瘫痪。解决这个问题的方法就是设立程序运行硬件监视器 (Watch dog)。本系统的每个微控制器均设有 Watch dog。

5.3 站内计轴运算器采用 “1+1”双套冗余设计

上面阐述的计轴系统可靠性和安全性设计是基于单套系统考虑的。然而,在完成站内轨道区段检查时,一套计轴运算器最多要检测 24个计轴点15个轨道区段,一旦计轴运算器发生故障,将导致全部轨道区段呈 “占用”状态,极大地影响运输效率。因此,JWJ-C计轴系统的站内计轴运算器采用 “1+1”双套冗余方案,其主要特点如下。

1.2套计轴运算器各自独立工作 (并联),只要一套工作正常,系统就正常工作。

2.2套计轴运算器以 “或”的方式驱动区段轨道继电器 GJ,只要有一套送出 GJ的工作电源,GJ就吸起。只有 2套计轴运算器均未送出 GJ的工作电源时,GJ才落下。

3.当 2套计轴运算器中一套正常工作,而另一套在故障修复后,可通过读取计轴点信息正常后,在线投入正常运行。

4.2套计轴运算器各设有 1个故障继电器,通过读取故障继电器的状态,可获取计轴运算器故障信息,并及时通知设备维修人员维修。