道岔融雪控制系统典型问题分析与优化设计

2018-01-26张雪松李红侠

铁道标准设计 2018年3期

曹达,张雪松,李红侠

(1.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081； 2.中国铁道科学研究院电子计算技术研究所,北京 100081； 3.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

北方地区冬季寒冷，经常降雪且降雪量较大，道岔附近的积雪会影响道岔密贴效果，从而对行车安全造成影响，需要由自动化除雪设备或人工清除积雪。自动化除雪的方式有很多种，如电加热、热水循环加热、盐水融雪、风力除雪、燃气加热、电磁涡流加热等[1-3]，综合考虑到钢轨对热量和盐分的承受能力及对轨道电路等电气化设备的影响，一些方式的融雪技术在我国并未得到发展和实际应用。

目前国内应用比较成熟的是电加热道岔融雪技术。该技术的基本原理是：将绝缘加热条安装在轨腰部位，以通电加热的方式使钢轨保持在一定的温度范围内，从而融化积雪。道岔融雪设备的核心控制逻辑中不包含复杂的算法，且属于弱电控制强电设备，终端软件完成的主要任务是对融雪设备进行控制和显示各加热条、接触器、传感器等的状态，因此，国内很多型号的道岔融雪设备都采用了工业组态技术编制终端软件，设计控制系统结构和逻辑[4-5]。但是，随着道岔融雪设备的大规模推广及应用，控制系统存在的一些典型问题逐渐暴露出来。这些问题的出现，影响了道岔融雪设备的生产效率和工作效率。

因此，本文对这些典型问题进行了分析，并针对这些问题提出新的解决方案，设计实现了一套新型道岔融雪控制系统。

1 现有系统典型问题分析

通过对国内已经成熟应用的几种型号道岔融雪系统的调研，发现了一些普遍存在的典型问题，下面对这些问题进行简要说明，并对问题成因进行分析与总结。

1.1 用户操作体验

问题描述：通过调研发现，既有道岔融雪系统的操作终端多数仅能在界面提供单个控制柜的运行参数，无法直观显示控制柜及加热条的位置与实时状态；对单个控制柜及加热条进行控制操作时步骤也较为繁琐。

成因分析：道岔融雪系统终端软件多采用了工业组态软件作为基础框架进行开发，由于框架本身的限制，软件中不能够自由选择设备的图标、展现方式，框架自带图标与控件美观性欠佳，复杂界面开发成本较高[6]；在软件研发时仅仅实现了融雪控制终端的基本控制功能，在人机交互体验方面还不够完善。

1.2 生产效率与兼容性

问题描述：既有道岔融雪系统的车站控制终端和远程控制中心需要针对每个站进行重新设计与编译，生产周期较长；软件仅能支持某一种型号的控制柜，在站场后期改造时新旧型号控制柜不能同时工作；软件对运行设备与环境要求苛刻。

成因分析：基于组态软件的道岔融雪终端，由于其图形界面是由框架本身提供的控件拼凑而成，因此，针对不同的站场，不同数量的控制柜和加热条，每一个站场的车站终端都需要重新在编程环境中进行设计与编译，路局远程控制中心也需要进行修改，生产效率较低；组态软件本身对通信协议及下行设备型号有限制，例如由MCGS组态软件编制的融雪控制终端，无法兼容采用单片机作为控制器的控制柜。而且，MCGS组态软件厂家在多年前就停止了其整个平台的更新与维护。组态软件需要在单独的运行容器中运行，基于C++编写的终端对操作系统和CPU类型的限制更加严格，造成了软件的兼容性欠佳。

1.3 系统性能

问题描述：既有道岔融雪系统控制终端的容量有限，控制柜和加热条数量增多时运行流畅度、稳定性、延迟等均表现欠佳。

成因分析：当站场较大控制柜数量较多时，加热电路各配属设备及传感器等组件数量和数据量成倍增长，组态运行环境同时为控件渲染和数据分析、记录提供支持，已经出现了性能瓶颈，而运行环境本身还要受制于Windows平台的运行状况；组态软件采用了Modbus协议，协议规定了单帧最大长度[7]，在站场设备增多，尤其是用于车站终端与远程中心间的数据交互时，由于需要传输多个站场的整场数据，采用Modbus协议必须进行拆包处理，多个设备的通信需要进行排队和轮询，通信延迟较大。

1.4 控制可靠性与安全性

问题描述：既有道岔融雪系统控制终端运行不稳定，可能会出现死机；控制柜内的控制器故障率高，经常出现通信中断；单个控制柜故障可能造成多个控制柜故障；车站终端与控制柜通信中断后控制柜不停止加热；车站终端和远程中心间缺乏完善的控制权限管理。

成因分析：基于组态软件的道岔融雪控制终端，由于运行容器本身的不稳定性，造成了终端可靠性下降，基于C++的道岔融雪控制终端，由于内存泄露问题也会造成终端可靠性下降[8-9]；控制柜内采用了组态触屏+PLC的方式，多级控制降低了可靠性[10-11]，通信通过专用的通信盒将信号电缆信号转换为网线信号，工作不稳定；控制柜间通信采用串联结构，某一控制柜通信中断时将造成后续所有控制柜通信中断；控制柜缺少判断机制，在通信中断时仍旧按之前的控制状态运行；软件框架本身存在限制，实现权限管理功能难度较大。

1.5 小结

综合目前系统存在的典型问题及成因分析，我们可以发现，在融雪控制终端方面，多数问题都是由软件框架本身引发的，无论是基于组态还是C++，框架本身的缺陷加上软件代码质量的不足，都会降低软件的生产效率和使用效果。另外，系统的控制结构、控制方式等方面也存在问题，也会降低系统的可靠性与安全性。

2 道岔融雪控制系统优化设计方案

对于软件开发而言，当软件缺陷的成因主要来自于框架本身时，比较好的解决方案是更换框架，从根本上解决问题。针对上文所述的问题与分析，综合考虑系统的各方面需求，在实现道岔融雪系统原有的基本控制功能的基础上，对道岔融雪系统进行了优化，设计实现了一套全新的道岔融雪控制系统。

2.1 系统整体介绍

设计实现道岔融雪控制系统，应首先满足《客运专线铁路信号产品暂行技术条件-电加热道岔融雪系统设备》中对控制系统功能和性能的要求，可概括为：实现对控制柜的自动控制、手动控制；完成对控制柜的参数设定；实时显示控制柜的各种采集信息并进行数据记录；具备车站控制终端和远程控制中心两级控制，且上级故障对下级设备不造成影响；具备安全认证功能[12-13]。

在此基础上，考虑到实际应用中的功能需求和工程化设计等方面，在控制柜、车站控制终端、远程控制中心3个层级分别进行了设计与优化。其中，控制柜负责采集各加热电路和传感器参数，并驱动隔离变压器；车站控制终端设置在各车站，负责采集显示各控制柜数据，直接向控制柜下达控制指令，向远程控制中心转发本站各控制柜数据；远程控制中心设置在路局指挥中心，负责显示各站数据，必要时可向各站的各个控制柜下达控制指令。

2.2 人机交互设计

道岔融雪系统控制终端需要经常有值班人员进行操作，在保证融雪效果的前提下，控制终端的用户操作体验成为了评判系统质量的重要因素。新型道岔融雪控制终端采用Windows桌面软件的典型布局，顶部为菜单栏和功能按钮，显示直观易于上手。借鉴铁路计算机联锁等操作终端，新型道岔融雪控制终端加入了站场图形化显示功能，如图1所示。

图1 软件界面

将控制柜和各加热条按照实际安装位置显示在本站站场图上，并通过设备的颜色、闪烁、文字等的不同状态，可直观显示整个站场内所有融雪设备的工作情况。站场图形界面具备缩放和拖动功能，便于站场较大时查看。在设备上直接点击右键可进行控制柜控制模式转换、加热条单开单关等关键操作，并增加了全场操作按钮可以一键控制全场所有控制柜。

此外，软件还添加了语音报警、日志记录和数据导出功能。当站场内某一设备出现故障时，终端软件播报故障报警提示值班人员进行查看；日志记录功能作为数据记录功能的冗余，对用户的关键操作和软件运行的关键步骤如通信状态等进行记录；用户可在界面输入过滤条件查看记录的数据，并可选择导出至Excel中便于数据分析。

2.3 生产效率与兼容性

为提高生产效率，新型道岔融雪终端采用了软件代码统一，通过修改配置和数据文件适应不同站场的方案[14]。在站场图形方面，引入项目组自行研发的CAD软件，将融雪系统的控制柜、加热条及站场的股道、库线、道岔等作为标准设备嵌入CAD软件中，并具备了常规CAD软件具备的复制、粘贴、对齐等等各种操作。每开通一个新站时，只需用CAD软件绘制该站的站场图并导入至融雪控制软件目录，融雪终端启动时首先加载CAD图形文件并以此为基础对各设备按照配置文件进行属性赋值。软件运行共需要4个主要的配置文件：软件全局配置文件、单个站场设备配置文件、用户管理配置文件和协议格式配置文件。软件全局配置文件主要包含软件运行的主要配置；单个站场配置文件主要包含某一站场的底层设备详细信息，如控制柜个数、IP或串口号、各加热电路的参数等；用户管理配置文件包含本站用户的用户名、密码、权限等信息；协议格式配置文件主要包含终端与底层设备通信的协议格式。由于不需要调整软件代码，不需要重新编译，软件的生产周期缩短至1 d，与传统的软件控件拼接相比，效率明显提高。

除了提高生产效率，在软件兼容性方面也进行了优化。为解决运行平台问题，新型道岔融雪控制软件采用C#语言开发，基于.Net Framework 4.0框架，可直接运行在Windows XP至Windows 10的所有版本Windows系统中。车站终端和远程中心共用一套代码，通过修改配置文件即可完成车站和中心功能的切换。作为车站终端运行时，通过修改配置文件，可支持通过串口和网络(TCP/IP)方式与控制柜设备进行通信，支持自定义通信协议格式。因此，只要经过简单的修改，软件可兼容目前国内的各种型号的控制柜。软件支持同时管理多个站场，如某一车站具有上下行两个咽喉，上行咽喉较早投入使用，并配备了采用Modbus协议和网络(TCP/IP)通信方式的控制柜，下行咽喉则配备了采用自定义协议和串口通信方式的控制柜，此时可将车站划分为两个站场，虽然两个站场的控制柜类型不同，甚至可能是不同厂家的设备，仍可在软件中统一控制，上下行咽喉采用不同的配置分别管理，在软件中只需要点击切换站场即可显示和控制不同站场的图形和设备。

图2 控制系统结构

采用兼容性设计后的终端软件，可直接运行在工作站、工控机、笔记本电脑或Windows平板电脑上，达到了一套软件多处使用的效果，如图2所示，远程控制中心、车站控制终端与调试终端所用软件相同，仅仅进行配置上的简单切换即可实现不同的终端类型。调试终端直接连接道旁控制柜可模拟车站终端，测试控制柜功能；在车站调度室接入控制柜通信总线可模拟车站终端，测试控制柜功能及各控制柜通信状态；在车站调度室直接连接车站终端可模拟远程控制中心，测试车站终端数据转发与命令执行功能；在路局指挥中心接入车站终端通信线可模拟远程控制中心，测试车站终端功能及通信状态。

2.4 系统性能

对于道岔融雪系统，其性能的评价指标主要为控制系统容量和控制响应时间。

传统组态软件受制于封闭的开发运行平台，无法进行性能调优；基于C++编写的车站终端，由于指针等语言特性的存在，性能调优难度较大且容易出现内存泄露等情况。新版道岔融雪终端基于C#编写，在充分利用C#面向对象、异步、事件与委托、多线程、垃圾回收等语言特性[15]，对程序性能进行了优化，软件直接运行在Windows环境中，加上Oracle数据库的配合，经测试新型终端软件在单站场控制柜数量达到30个时仍旧保持了良好的运行状态。如果控制柜全部采用新型控制柜(每个柜子最大可接入24路加热电路)，系统容量可以满足各种站场的规模。

另一方面，新型道岔融雪系统的远程中心与车站终端采用了自定义变长协议和TCP/IP通信方式，车站终端和控制柜间采用了自定义定长协议，采用此种设计后，每个独立设备的全部数据都可通过一包数据进行发送，减少了轮询次数，从而缩短了轮询的总周期。下行设备可选类型范围变得更广，而不仅仅局限于组态软件规定的几种设备类型。协议格式全部从配置文件读取，这样也便于以后协议的拓展和修改。

2.5 控制可靠性与安全性

道岔融雪系统安装在道岔附近的钢轨上，与铁路行车息息相关，因此设计其控制系统时，必须考虑其可靠性与安全性。

根据系统可靠性理论，可靠性是指系统无故障工作的能力。系统的高可靠性，是指系统在某一部分不能够正常工作时，整个系统仍能完成正常功能。对于道岔融雪系统，其正常功能是将活动轨与基本轨间的积雪融化，保证道岔的密贴效果。为了保证道岔融雪系统的正常功能，主要进行了以下优化设计：软件方面，由于采用了.Net框架托管的方式，相比于原有的组态或者C++，其故障率更低；硬件方面，除了保持原有的工业控制计算机和工业级的UPS、接触器、漏电保护器等，还为加热电路配备了双路电源，为控制柜内设备提供了两块加热板，保证硬件的正常工作；控制结构方面，控制柜间的通信连接采用了CAN环网而不是之前的串联结构，在某一控制柜通信故障时，不会影响其他控制柜的通信；控制柜应急控制采用纯硬件电路设计，在车站终端不能够正常工作时，车站应急按钮按下，向控制柜输出应急控制信号直接驱动继电器接通加热电路进行加热；为防止启动瞬间电路负载过高，在自动控制模式下由软件加入延迟，应急模式下由延时继电器加入延迟；柜内控制单元采用了单片机，单片机外部封装全铝外壳并灌胶，提高了单片机对恶劣环境的防护能力，柜内控制只有单片机一级，相比之前型号的MCGS触屏+PLC柜内2级控制，在显著降低成本的同时提高了控制可靠性和响应速度；在控制柜内设有手动-脱控-自动切换按钮，保证在车站软件及应急均控制故障时，现场仍可打开控制柜直接用按钮进行启动和停止加热操作。

根据系统安全性理论，安全性是指系统在出现故障时不发生事故的能力。当系统的某一部分或某些部分出现故障时，系统仍旧能够保证人员和财产安全，这是系统安全性设计所要达到的目标，即故障-安全设计理念。为提高道岔融雪系统的安全性，主要进行了以下优化设计：软件方面，加强软件运行环境的安全防护，车站终端与控制柜间的通信采用串口方式，与远程控制中心间通过铁路专网连接，与外部互联网实现完全的物理隔离，对危险端口进行封闭处理，并安装病毒防护软件，软件的各种关键操作都设有密码防护；硬件方面除保持原有的绝缘和防漏电措施外，还在控制柜内加转了防雷设备，同时对加热条进行重新设计，保证其持续加热时钢轨温度不超过60 ℃；控制结构与逻辑方面变动较大，采用控制电路与加热电路物理隔离的方式，由单片机驱动接触器对加热电路的通断进行控制，控制回路不受加热电路电压波动的影响；车站终端与单片机间采用指令-应答的方式，车站终端定时向单片机发出运行指令，单片机接收到指令后按指令参数工作，当单片机10 min内没有收到车站终端的指令时，判断为通信故障并将所有接触器切断，防止在手动加热状态下通信终端造成的持续加热；远程控制中心与车站终端间采用权限交接机制，只有当车站全部控制柜处于自动加热状态时，远程中心才能获取该站控制权限，通信中断后车站终端默认获取控制权限，且车站终端设有强制获取权限按钮，防止由远程控制中心设置为手动加热后通信中断造成的持续加热[16]；每一路加热电路单独设置正常工作的电压和电流值，超出正常范围即触发界面和语音报警，在一定时间内未得到人工处理时，软件自动将该路接触器断开。

3 结语

通过深入调研，发现并分析了现有道岔融雪系统存在的典型问题，并针对这些问题在不同方面提出了优化设计方案。在原有型号的基础上，对整个控制结构进行了重新设计，研发完成了TYDR-B型道岔融雪系统，该系统已于2017年初顺利通过CRCC的高低温、电磁兼容、防雷等各项实验，验证了设计的可行性，并取得了CRCC认证。目前该系统在南昌西站、上饶站、北京和天津地铁车辆段等多个站场得到了实践的检验，应用效果良好。

道岔融雪系统优化设计中的很多思想都可以应用在同类设备的设计当中，为铁路设备控制系统设计提供了很好的项目经验和参考。

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