NTY-I型计算机联锁系统的设计与实现

（南京铁道职业技术学院轨道交通综合实训中心,210031,南京∥第一作者,硕士）

NTY-I型计算机联锁系统的设计与实现

曹峰束元洪冠

（南京铁道职业技术学院轨道交通综合实训中心,210031,南京∥第一作者,硕士）

由于计算机联锁的核心技术一直被国外供应商垄断,为了适应我国高速铁路和城市轨道交通的发展需要,本单位自行研制了一套以PLC（可编程逻辑控制器）为核心的NTY-I型计算机联锁系统。介绍了 NTY-I型计算机联锁系统的设计与实现,包括系统组成、硬件结构和软件结构三部分。在软件结构部分分别介绍了上位机软件设计和联锁主机软件的设计。

信号设备;计算机联锁系统;可编程逻辑控制器

First-author’saddress Rail Transit Comprehensive Training Center Nanjing Institute of Railway Technology, 210031,Nanjing,China

联锁是保证车站内列车和调车作业安全、提高车站通过能力的一种信号设备。随着信息技术的飞速发展,具备运作速度快、信息量大、安全性高、便于调试和维修等优点的计算机联锁已经逐步取代传统的继电器联锁,成为高速铁路、客运专线和城市轨道交通车站联锁设备的首选。目前计算机联锁的核心技术几乎被国外研究机构和供货商所掌控,所以迫切需要国内研究机构在消化吸收国外先进联锁技术的基础上研制出具有中国自主知识产权的计算机联锁系统。本单位在上述背景下展开研究,自行设计开发了一套NTY-I型计算机联锁系统。该系统采用工业控制计算机作为上位机,采用西门子公司的可编程逻辑控制器（PLC）S7-300作为联锁主机,实现对车站信号设备的实时控制。

1 系统组成

NTY-I型计算机联锁系统采用分层结构模型：第一层为人机会话层,即上位机,采用高可靠性的工业控制计算机;第二层为联锁控制层,采用西门子公司的PLC S7-300进行联锁逻辑运算,实现对车站信号设备的实时控制;第三层为执行层。系统结构框图如图1所示。

图1 计算机联锁系统结构框图

（1）人机会话层是车站调度员与计算机联锁系统的接口,实现调度员与联锁系统之间的人机交互功能。上位机接受操作命令,实时下发给联锁主机,并实时接受来自联锁主机发出的室外信号设备状态信息,通过显示器显示站场信息以及相关报警提示。

（2）联锁控制层由联锁主机、驱动板和采集板组成。联锁主机接受上位机的操作命令,通过采集信号设备的状态信息进行联锁逻辑运算,产生正确的输出命令。驱动板通过控制继电器动作执行联锁主机下发的命令。采集板实时采集室外信号设备的状态发送给联锁主机。

（3）执行层由安全继电器接口电路和室外信号设备组成,实现联锁系统对室外信号设备操作控制。安全继电器接口电路根据联锁主机下达的命令驱动室外信号设备,如控制信号机的显示、道岔的转动等,并实时地反应信号设备的状态。

2 系统硬件平台

NTY-I型计算机联锁系统硬件,主要包括作为上位机的工业控制计算机和作为联锁主机的可编程逻辑器件两部分。

（1）本系统上位机采用研华IPC-610L型工控机。CPU主频2.8 G,内存1 G,其微处理器支持533/800 MHz系列系统总线,集成 LAN、IDE、I/O接口功能以及看门狗计时器等若干先进功能。上位机通过工业以太网与联锁主机进行数据交换。

（2）联锁主机为双机热备冗余结构,主、备系均采用西门子公司的PLCS7-300（见图2）。每系配备了2个电源模块,1个 CPU 模块,7个输入模块（32×7点）和7个输出模块（32×7点）。对于站型不是特别复杂的车站来说,这样的配置已经足够。

图2 PLC S7-300硬件结构配置图

3 软件结构描述

联锁软件主要由上位机软件和PLC软件两部分构成。上位机软件包括人机接口模块、通信模块和信息提示模块;PLC软件包括联锁运算模块、通信模块和联锁驱采模块等软件。整个联锁软件的总体结构如图3所示。各个模块之间相对独立,只有数据交换,没有程序上的联系,使得系统结构清晰,设计和编程符合通用性和模块性原则。

图3 联锁软件系统的总体结构图

3.1 上位机软件

上位机软件设计采用面向对象编程的方法,编程语言为 C#,开发工具是基于.NETFramework框架的 Microsoft Visual Studio 2010,底层数据库选用微软的Access。从结构层次上来分,上位机软件可以分为三层（见图4）：第一层为数据库层,主要负责参数配置和保存历史数据,供用户查看;第二层为应用层,负责人机交互,响应用户的操作命令,并实时处理来自通信层的数据;第三层为通信层,负责将应用层的操作命令发送给联锁主机,并接受来自联锁主机的数据,反馈给应用层。

图4 上位机软件的分层结构图

3.1.1 数据库层

数据库层具备处理信息能力强和存储容量大的优点,有利于联锁系统维护和自动化管理,用于记录从联锁主机发送的实时站场信息和已执行的操作命令信息。在数据库中创建两个表,分别按时间顺利存储。数据库层同时支持数据回放,还原历史设备状态和操作命令,便于查找故障和分析问题。

3.1.2 应用层

应用层主要实现人机交互功能,采用C#编程语言对人机界面进行总体设计,根据需求创建了信号机、道岔、轨道区段等用户自定义控件。定义了操作命令由3个字节组成：第一个字节为命令类型;第二个字节为进路/设备编号;第三个字节为操作命令。软件设计中加入了自检模块,对于非法操作,会在屏幕上给出错误操作提示。上位机会周期性地接受来自联锁主机的数据,以便实时显示现场信号设备状态。软件设计周期为100 ms。对于设备故障,屏幕会报警提示,以便维护人员及时处理。用户界面如图5所示。

图5 用户界面图

3.1.3 通信层

通信层实现了上位机和联锁主机的数据交换。为确保通信的实时性和高可靠性,其软件采用基于工业 以 太 网 的 UDP/IP 机 制 进 行 通 信,利 用send UdpClient.Send（）函数发送 操 作 命 令,利用receiveUdp Client.Receive（）函数接受信号设备状态信息。上位机不间断循环接受数据,每次接受的数据会与前一次进行比较。如果相同,则不处理。通信过程中设置定时器,若上位机超过5 s接受信息为空,则认为通信故障,并在屏幕给出报警提示。

3.2 PLC软件

联锁主机软件是计算机联锁系统的核心,它的主要功能是实现了信号机、进路和道岔的相互制约关系。软件的设计需以铁道部《计算机联锁技术条件》为依据,并能完成6502电气集中的所有联锁关系。PLC软件设计采用西门子公司S7-300的模块化编程语言STEP7作为开发工具,编程采用梯形图法。由于联锁系统对安全要求极其苛刻,为了保证软件结构清晰、逻辑正确,PLC联锁软件设计开发应遵循功能需求分析、设计、编码、测试的步骤（如图6所示）。

3.2.1 模块化设计

图6 PLC软件开发流程图

为了便于开发调试和功能增减,PLC软件采用模块化结构。每一个模块对应着一个运算功能。PLC软件包含以下功能模块：命令接受处理模块、设备状态处理模块,选路检查模块,照查模块,选路执行模块,开放/关闭信号模块,取消进路模块,道岔单独操作模块,人工解锁模块,故障解锁模块和区段解锁模块等。在上位机没有下达操作命令时,软件循环执行系统内部调度程序,当发出命令,命令接受处理模块接受命令并分析,转向相应的软件模块进行运算。另外,系统每隔500 ms发出一次中断请求,CPU 相应中断转入相应的中断服务程序,执行计时和输出脉冲,以完成转换道岔和开放信号等功能。

3.2.2 安全性设计

为确保系统的安全型,PLC软件采用冗余结构：PLC配置两套功能相同但结构不同的程序,同时执行相同的命令,一旦系统发生故障,命令不会被执行,确保了系统的安全性。

设备状态信息是联锁逻辑运算的重要参数。为确保设备状态正确无误,采用冗余编码,对于每一个设备状态均采用两位二进制码表示。例如01表示轨道区段空闲,10表示有车占用,00和11均为非法码。这样,当存储单元发生故障时,能有效地确保故障导向安全。

PLC软件采用冗余结构和信息冗余编码的工作方式,充分体现了铁路信号“故障-安全”的设计原则,系统的安全性得到充分保障。

4 结语

NTY-I型计算机联锁系统在硬件上对安全关键部分和安全相关部分均采用了冗余结构,在软件上采用容错机制,具有较高的安全性、可靠性、可用性和可维护性。目前,该系统已经开发完成。

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Design and Implementation of NTY-I Computer Interlocking System

Cao Feng,Shu Yuan,Hong Guan

The core technology of computer interlocking system has been monopolized by foreign suppliers.To meet the requirements of high-speed railway and urban rail transit development in China,a PLCbased NTY-I computer interlocking system is developed.The design and implementation of NTY-I computer interlocking system is introduced in general,including system composition,hardware structure and software structure,then the design of upper machine and interlock host software is introduced specially from the aspect of software structure.

signal facility;computer interlocking system; programmable logic controller（PLC）

2013-08-22）

U 284.3