分布式现场总线控制在铁路信号系统中的应用

2011-07-30柳京京

铁道通信信号 2011年10期

柳京京

*中铁上海设计院集团有限公司高级工程师，200070 上海

在铁路信号系统的控制技术中，对信号机、轨道电路、转辙机等室外现场设备的控制，基本都采用信号电缆作为传输介质，其工程投资占据整个信号系统工程总投资的20%～40%。信号电缆虽具有简单、直接、易测等优点，但由于是采用1对1的传输控制模式，在信号系统的可扩展性、灵活性方面存在诸多问题。同时随着铜价的不断攀升，信号电缆的造价亦水涨船高，而且由于雷电原因，引起信号电缆烧毁的现象也时有发生。

本文提出一种全新的铁路信号控制系统方案，充分利用光传输通信技术的优势，采用分布式的现场总线控制结构，直接控制现场的信号设备，在节省信号电缆的同时，大大提高了信号系统的可扩展性和灵活性，使信号系统控制技术进入网络时代。

1 现场总线技术简述

现场总线按管理模式分为中心管理级、车间监控级和现场设备级3层结构。根据目前铁路车站联锁系统的应用情况，只需要考虑车间监控级和现场设备级2层结构即可，中心管理级的功能由调度中心行车指挥CTC系统实现。

总线的种类和应用领域繁多，按其传输数据的大小可分为3类:传感器总线(sensor bus)属于位传输;设备总线(device bus)属于字节传输;现场总线属于数据流传输。目前比较流行的总线技术有:FF现场总线、LonWorks现场总线、CANBus现场总线及Profibus现场总线等。通过对现场总线的功能和用途综合考虑，采用Profibus DP现场总线技术完全能够满足铁路信号控制系统方案的要求。

2 分布式现场总线控制结构

分布式现场总线控制技术就是将分散在不同区域的设备通过现场总线连接，控制中心通过现场总线向各个设备下达控制命令，并通过现场总线采集各个设备的工作状态等。

铁路信号系统的控制对象按地域可分为车站和区间2大部分，其中车站信号设备主要有信号机、轨道电路和道岔;区间信号设备主要有信号机和轨道电路。所有控制信息均由信号楼内各个信号系统发出，同时信号系统又及时采集各个设备的工作状态，因此如何将控制命令和信息采集及时、准确地传递到各个信号设备是工程应用中的重点和难点。

传统的控制技术是采用信号电缆按照点对点的方式控制现场信号设备，因此进入信号楼内的信号电缆数量和种类均非常多，室内电路复杂。而采用分布式的现场总线控制技术，利用单一或混合型的现场总线方式，就可充分利用光纤通信信息量大、抗电磁干扰能力强等特点，将现场各个设备连接至车站信号楼中心。分布式现场总线在铁路信号系统应用中有:全光缆结构和光缆+电缆结构2种方案。

2.1 全光缆结构

采用点对点全光缆完全替代信号电缆的方式。通过信号控制箱将光缆信息通道中的控制信号，通过支线光缆下达至现场各个轨旁信号设备。需在轨旁信号设备箱盒中增加相应的通信装置，站内信号控制箱可根据站场规模、站型结构，合理地增加控制箱的数量。为避免箱盒之间支线光缆分接等造成的故障问题，控制箱与设备箱盒之间按点对点方式(即星形)连接。全光缆结构示意图如图1所示。

图1 分布式现场总线控制全光缆结构示意图

该方案存在以下几个问题:①信号设备箱较为分散，采用星形连接方式，支线光缆多，而且支线光缆细小，容易损坏;②需给每个轨旁设备敷设信号电缆，为信号设备提供电源通道;③靠光缆连接的驱采模块，如放置在信号设备箱内，对既有信号设备的结构影响较大;④支线光缆的发散性连接，对施工工艺、熔接技术和施工难度都有很大提升，不利于现场实际操作。

2.2 光缆+电缆结构

分布式现场总线控制光缆+电缆结构示意图如图2所示。采用光缆结合电缆的方式，利用光缆替代繁多的干线电缆，并采用支线电缆由轨旁信号控制箱引出，控制现场信号设备。该方案能够有效避免全光缆结构存在的问题，同时可以保留既有信号设备的接线方式和内部结构不发生变化。但对信号控制箱的要求较高，信号控制箱需具备控制命令的分配，光/电转换等功能。因此具备较强的可实施性和可操作性。

3 分布式现场总线网络拓扑结构分析

分布式现场总线控制结构根据车站规模和形状，可以采取不同的网络拓扑结构。因此只要建立网络拓扑结构的设计原则，就可以推广应用到所有车站。铁路信号设备沿线路设置于轨道的两侧，车站内上、下行咽喉区由于道岔集中，信号设备较为集中，而车站控制中心位于车站站场中间位置，现场的控制设备在咽喉区呈树形分布。根据铁路信号现场设备的布置特点，分布式控制系统在车站咽喉区可采用树型网络拓扑结构 (见图3)，在区间采用环形网络拓扑结构。如区间和站内统筹布置，以及特殊站场布置时，则需采用环形加树型的混合型网络拓扑结构，即主干采用环形、车站咽喉区分支采用树型的网络结构，以减少中继和光缆的费用。混合型网络结构如图4所示。