安全PLC在NTY-Ⅰ型计算机联锁系统的应用

孔筱筱 邓丽敏 张 菊

(南京铁道职业技术学院， 南京 210031)

安全PLC在NTY-Ⅰ型计算机联锁系统的应用

孔筱筱 邓丽敏 张 菊

(南京铁道职业技术学院， 南京 210031)

计算机联锁系统是控制列车在站内运行安全、提高运营效率的重要信号设备，凭借其信息化、智能化、维修量小等优点，已经逐步取代传统的继电联锁和电气集中联锁。计算机联锁的核心功能是采用可编程控制器来实现信号机、道岔、进路之间的联锁关系，可编程控制器的性能直接影响到整个联锁系统的性能。本单位基于实际教学需要，自行开发设计了一套NTY-Ⅰ型计算机联锁系统，采用特殊设计的安全PLC来保证系统的安全性和可靠性。介绍了NTY-Ⅰ型计算机联锁系统的结构和特点，系统硬件配置和软件设计。经过实践证明，该系统性能稳定，教学效果良好。

安全PLC； 硬件结构； 软件结构； 计算机联锁系统

安全PLC的特殊设计满足铁路信号系统“故障--安全”的重要原则，使得铁路信号计算机联锁系统的性能有了一个根本的变革。目前，南京铁道职业技术学院正在建设高速铁路信号实训室，为了满足教学需要，本单位自行开发设计了NTY-Ⅰ型计算机联锁系统，本文介绍了安全PLC的工作原理和特点以及基于安全PLC的NTY-Ⅰ型计算机联锁的系统构成。

1 安全PLC

1.1 安全PLC介绍

一套安全控制系统由安全输入信号、安全控制模块和被控输出元件三部分组成。安全PLC作为安全控制模块，需要对安全输入信号进行分析、处理，并最终控制输出元件。一台安全PLC满足严格的可靠性和安全性国际标准，能够实现以下重要目标：

(1)采用冗余的工作方式，即使元件失效不可避免，系统也不会失效。

(2)失效被控制在可以预测的范围之内，即使失效，系统也会执行安全功能。

安全PLC内部至少有两个CPU，两个CPU的作用是：每个CPU分别运行一次用户程序，然后比较各自的运行结果，结果若一致，就输出这个结果，若不一致，则切换到安全状态，实现系统停机。安全PLC内部工作原理如图1所示。

图1 安全PLC内部工作原理

安全PLC配备有内部检测脉冲，用来完成对内部故障的检测。 安全PLC的扫描时间能达到每千条指令1ms以下，这种快速的中央处理能力不仅能够满足紧急停车的要求，而且能够在较短的时间内完成对整套系统安全功能的自我检测。

1.2 安全PLC联锁系统的特点

安全PLC联锁系统具有以下主要特点：

(1)实时性：该系统具有对现场信号的输入和输出的实时控制能力，安全PLC需要直接从现场采集各种信号，并对这些信号进行处理，然后把结果输出到显示器或执行机构上。

(2)高可靠性：该系统直接控制输出结果，一旦计算机系统发生故障，如果没有相应的冗余措施，就会造成重大损失。因此，该系统必须采用安全PLC来保证高可靠性。

(3)高安全性：安全PLC通过以下措施来实现安全性目标，采用多样性控制、采用冗余性控制、程序CRC校验、频繁可靠的自检、安全认证功能块等。

(4)可维护性：系统的故障直接控制输出结果，因此系统设计时必须考虑维护性，可维护性的另一层意思是系统的部分改变可以适应现场的变化，即故障导向安全。

2 系统介绍

2.1 系统层次结构

NTY-Ⅰ型计算机联锁系统采用三层网络结构：最上层为人机会话层，即上位工控机。中间层为联锁测控层，主要包括电源、CPU模块、输入模块、输出模块、通讯模块和扩展模块。最下层为执行层，主要包括信号机、转辙机、轨道电路这些室外设备。系统层次结构如图2所示。

图2 安全PLC联锁系统层次结构

对于人机会话层来说，由于它处理的信息不直接涉及行车安全，所以提高可靠性即可。一般采用双机备用，动态冗余。动态切换开关可以是自动控制的，也可以是手动控制的。

对于联锁层来说，由于其处理的信息都是涉及到行车安全的信息，所以采用安全PLC来完成联锁逻辑运算功能，提高联锁系统的可靠性和安全性。

对室外执行层来说，输入输出适配电路需采用专门的故障-安全接口电路，保证输入信息和输出信息的安全，不至于因接口电路故障而错误地产生危险的信息输出。

2.2 系统硬件配置

NTY-Ⅰ型计算机联锁系统硬件配置，主要包括上位工控机和联锁层的安全PLC两部分。

(1)本系统上位机选用研华IPC-610L型工控机，1 G内存， CPU主频2.8 G，21寸液晶显示器，可以清晰的显示各种文字和图形信息。其微处理器支持533/800 MHz系统总线，集成IDE、LAN、I/O接口及看门狗等若干先进功能。外接打印机，用以打印报表。为保证报表数据的完整记录，工控机由一台不间断电源UPS供电。

(2) 本系统联锁主机采用双机热备冗余方式，主、备系均采用某公司的模块化中小型安全PLC系统S7-300，其模块化、易于实现分布、易于用户掌握等特点使得它成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的最佳选择。S7-300系列带有丰富方便功能的I/O扩展模块和多种性能递增的CPU，使用户在实际应用中可以根据需求选择合适的模块，并且在任务规模扩大或者愈加复杂的时候，可以随时使用附加模块对PLC系统进行扩展。此外，S7-300系列PLC还具有结构紧凑、模块点数密度高、性能优越、性价比高、装卸方便等优点。S7-300系列所具备的强抗冲击性、抗震动性和高电磁兼容性，使得其具有较高的工业环境适应性。

通过对NTY-Ⅰ型计算机联锁系统的控制对象进行分析统计，每系PLC配置了如下模块：电源模块；中央处理器CPU模块；接口模块；7个数字量输入模块(可提供256路开关量输入通道)；7个数字量输出模块(可提供256路开关量输出通道)。S7-300系列PLC系统配置和结构如图3所示。

图3 PLC系统配置和结构

2.3 系统软件设计

NTY-Ⅰ型计算机联锁系统软件设计，主要包括上位工控机的监控部分和联锁PLC的控制程序部分。

(1)上位工控机的软件开发工具是基于NETFramework框架的Microsoft Visual Studio 2010，采用面向对象编程方法的C#语言，底层数据库采用微软的Access。Microsoft Visual Studio 2010提供图形显示、信息生成以及生产数据记录和存档等多种功能，能有效完成各种领域自动化生产中的画面显示和过程控制任务。它快速的图形更新特性、强大的接口驱动软件以及可靠的数据存储功能保证了其高度的适用性。

上位机软件可分为三层，如图4所示。最上层为数据库层，主要功能是配置参数以及保存历史数据，供用户查看；中间层为应用层，主要功能是响应用户的操作命令，实现人机交互，并对来自通讯层的数据进行实时处理；最下层为通信层，主要功能是把应用层的操作命令发送给联锁主机，并把联锁主机的数据反馈给应用层。

图4 上位机软件层次结构

(2)PLC联锁软件开发工具采用某公司S7-300的模块化编程语言STEP7，编程采用梯形图法。联锁软件的作用是实现进路、信号机和道岔的相互制约关系，是计算机联锁系统的核心，对安全性和可靠性要求极其严格。联锁软件采用模块化、结构化和标准化的设计方法，各个模块之间相互独立，只交换数据，没有程序上的联系，使用调度程序安排各模块的执行。这样系统结构清晰，编程、设计均可以实现标准化。

PLC联锁软件模块组成如图5所示，可分为三个层次，即人机会话层、联锁逻辑运算层和执行层。每个层次又根据功能需要划分为几个功能模块，人机会话层主要由人机接口模块、通信模块、信息处理模块组成；逻辑联锁运算层主要由基本联锁模块、自诊断模块、特殊联锁模块、与其他系统接口模块组成；执行层由控制命令输出模块和现场设备状态采集模块组成。

图5 PLC联锁软件模块组成

3 结束语

安全PLC的特殊设计使得它能够满足计算机联锁系统实时性、高可靠性、高安全性、可维护性等特点。目前基于安全PLC的NTY-Ⅰ型计算机联锁系统已经投入使用，系统安全可靠、性能稳定、方便操作，教学效果良好，为南京铁道职业技术学院高速铁路信号实训室的建设奠定了良好的基础。

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(编辑：朱雨辰 苏玲梅)

Application of Safety PLC to NTY-ⅠComputer Interlocking System

KONG Xiaoxiao DENG Limin ZHANG Ju

(Nanjing Institute of Railway Technology,Nanjing 210031,China)

Computer interlocking system is the important signal appliance, which controls safety operation of train in station and improves operational efficiency. It has replaced traditional relay interlocking and electrical interlocking relying on informatization, intelligence, small amount of maintenance, etc. The main function of computer interlocking is to control the interlocking relationship between signal, railway switch and route with programmable logic controller, and the performance of the interlocking system is directly affected by the programmable logic controller. A NTY-ⅠComputer Interlocking System based on teaching needs is developed, which adopted the specially designed safety PLC to ensure its safety and reliability. The paper describes the structure and characteristics, hardware configuration and software design of the NTY-Ⅰcomputer interlocking system. Practice has proved that the system had stable performance and good teaching effect.

safety PLC；hardware structure；software structure；computer interlocking system

2016-08-15

孔筱筱(1986-)，女，助教。 基金项目：南京铁路职业技术学院青年科研基金项目(YQ1404)

1674—8247(2016)06—0015—04

U284.3

A