JWJ-C計軸系統研究

周長義

*哈爾濱鐵路局科學技術研究所 高級工程師,161002 齊齊哈爾

哈爾濱鐵路局科學技術研究所于 20世紀 80年代初開始對計軸技術進行研究。2004年以后,為使計軸設備滿足鐵路運輸的更高安全需求,同時適用于國內外各種線路狀況及運用場合,開發了采用計軸設備完成站內和站間軌道區段占用或空閑檢查的綜合計軸系統——JWJ-C計軸系統。該系統可根據不同的應用場合,靈活方便地構造出多種信號安全系統,如區間檢查系統、站內股道及道岔區段檢查系統及道口安全信號系統等,同時針對特殊環境,如高溫、高濕、強雷電和多鹽霧等極端應用情況進行了特殊設計。

2008年,JWJ-C計軸系統在越南鐵路通信信號改造工程中中標,這是國產計軸設備第一次走出國門,邁向世界。

1 系統原理及主要功能

JWJ-C計軸系統采用計軸方式,完成軌道區段占用或空閑狀態檢查。該系統的工作原理是基于車列駛入和駛出計軸點監視的區段時所記錄軸數的比較結果,確定該區段的占用或空閑狀態,其主要功能如下。

1.與 6502電氣集中結合,完成站內軌道區段占用或空閑檢查,為電氣集中聯鎖提供進路和接近區段的占用或空閑信息。

2.與 64D繼電半自動閉塞設備結合,構成計軸自動站間閉塞系統,完成區間占用或空閑檢查,實現自動辦理閉塞、自動檢查區間、列車完整到達后閉塞自動復原等功能。

3.適應各種行車作業,如發車、接車、站內調車、越站調車、區間中途折返列車等。

2 技術特點

1.根據鐵路信號站內和區間的劃分原則,將站內軌道區段檢查和區間檢查的功能分開,分別由站內計軸運算器和區間計軸運算器獨立完成。

2.站內計軸運算器采用 “1+1”雙套并聯工作方式,只要一套工作正常,系統就正常工作。

3.每臺站內計軸運算器可檢測 24個站內計軸點,監控 15個站內軌道區段。

4.室內計軸主機與室外計軸點間采用 “點對點”的傳輸方式,以實現多點并行處理,提高系統的實時性。

5.二取二計軸運算器主控單元,保證系統的安全性。

6.二取二輪軸檢測器計數單元,保證計軸的準確性。

7.采用 CAN總線技術,實現多節點 CPU之間的數據傳輸,以及自動總線仲裁,使多計軸點信息的處理變得十分簡單。

8.采用硬件冗余的安全型區段軌道繼電器驅動電路(安全輸出),及條件采集電路(安全輸入)。

9.LED數碼管及發光二極管顯示組合,隨時顯示系統的工作狀態及故障信息,為設備的現場安裝調試及維護提供直觀的窗口。

10.配套的計軸維護管理系統,可實現對運行狀況的實時監測及管理,準確定位各類故障,提高系統的運用質量和維護效率。

11.通過 CAN總線接口或 RS-232接口,可與信號微機監測系統聯網。

3 總體構成

JWJ-C計軸系統由設在軌道區段端口處的輪軸檢測器 (計軸點),設在信號機械室的計軸主機、計軸區段軌道繼電器組合、區段復零按鈕組合,以及傳輸電纜或光纜等組成。系統總體構成如圖 1所示。

圖 1 系統總體構成框圖

1.輪軸檢測器。包括車輪傳感器、車輪電子檢測器、防雷單元和計軸軌道箱等。輪軸檢測器構成及原理如圖 2所示。

2.計軸主機。包括站內計軸運算器 A、B,上、下行區間計軸運算器,通信單元組合,調制解調器 (Modem),計軸主機電源和計軸 UPS電源等。

圖 2 輪軸檢測器構成框圖

1臺計軸主機可檢測 24個站內計軸點和 2個區間計軸點,監控 15個站內軌道區段和 2個區間軌道區段。通過 Modem經電纜或光纜,實現與相鄰計軸主機的數據傳輸。計軸主機構成見圖 3。

4 安全性設計

JWJ-C計軸系統的安全性設計包括硬件安全性設計、軟件安全性設計和故障檢測及故障導向安全設計等 3方面。

4.1 硬件安全性設計

1.總體設計遵循閉環工作原理。計軸系統的核心控制部分為計軸運算器,其與輪軸檢測器(計軸點)之間、與輸入/輸出接口之間,以及與相鄰計軸運算器之間,均設計成閉環系統,只要閉環中的任何一部分發生故障,系統就能立即診斷出來,并采取措施以保證安全。

2.計軸運算器控制單元采用二取二結構。計軸運算器的控制單元由 2個硬件相同、功能相同的主控單元電路 MCU構成,2個MCU通過軟件同步信號以 “與”的方式同步工作,并且進行自檢和互檢,如果有一個發生故障或狀態異常,設備則表示占用且告警。

3.輪軸檢測器計數單元采用二取二結構。輪軸檢測器的計數單元由 2個硬件相同、功能相同的計數單元電路 ACU構成,2個ACU在輪軸脈沖的觸發下,以 “與”的方式同步工作,并且進行自檢和互檢,如果有一個發生故障或狀態異常,設備則表示占用且告警。

圖 3 計軸主機構成框圖

4.動態驅動安全型輸出電路驅動區段軌道繼電器。用以表示所監視區段占用或空閑狀態的最終執行部件是安全型繼電器,該繼電器的驅動電路是由 AC/DC轉換技術構造的,由 2個 MCU以“與”的方式共同控制的故障-安全電路。此外,MCU輸出動態信號需滿足以下條件:自檢及互檢正常→數據校驗正確→區段沒有軸數。

5.動態采集安全型輸入電路的輸入條件。條件采集電路是采用動態脈沖輸入形式的故障-安全電路,電路中任一部件的故障均能導致輸入脈沖的中斷。同時,計軸運算器的 2個主控單元 MCU各自對應一個采集電路,以 “與”的方式決定輸入條件是否有效。

4.2 軟件安全性設計

由于計算機的故障導向是對稱的,屬非安全器件,所以依附于計算機硬件的軟件程序的故障導向也是非安全的。JWJ-C計軸系統作為由計算機控制的鐵路信號安全設備,其軟件的安全性通過以下措施得以保證。

1.區段軸數比較采用四取四原則。對于一個區段來說,計軸運算器每個主控單元 MCU都有4個軸數供比較,即區段入口處計軸點的軸 1、軸2和區段出口處計軸點的軸 1、軸 2。4個軸數必須一致,計軸運算器的主控單元才確定為區段空閑,否則就表示占用。

2.區段狀態輸出控制采用二取二原則。計軸運算器的 2個主控單元 MCU依據同步信號進行運算、比較和控制等,只有 2個 MCU同步且工作正常,四取四的運算結果完全一致,2個 MCU才能同時給出 “區段空閑”的命令,通過安全與門電路驅動區段軌道繼電器吸起。

3.采用冗余方式實現對重要信息的校驗。對重要信息,如軸數、標志、狀態等采用多區存儲,即利用RAM存儲區,將信息以不同的碼型分別存入 2個區域。當使用這些信息時,采取 “二取二”的方法取出正確信息。若 “二取二”不成功,則表明信息故障已不可恢復,設備導向安全。

4.多微控制器之間的信息傳輸除采用 CRC校驗外,對傳輸的信息碼采用特殊的編碼和重復發送冗余技術 (ARQ)等措施,以保證信息在傳輸過程中的安全性。

4.3 故障檢測及故障導向安全設計

利用軟件對硬件設備進行狀態檢測,發現故障后即導向安全。故障檢測包括 CPU自檢、外圍芯片檢測、傳感系統檢測、傳輸通道檢測、繼電器檢測和復零按鈕檢測等。

5 可靠性設計

5.1 硬件可靠性設計

對于一個計算機控制系統而言,其硬件設備的可靠性是整個系統可靠性的基礎。構成硬件設備的各種芯片、電子元器件、電路板、接插件等的質量,電路設計的合理性,布線的合理性,工藝結構設計等均決定了系統的硬件質量,任何一個出了問題,都會使系統可靠性降低,甚至產生不安全因素。JWJ-C計軸系統在硬件設計上采取了以下措施。

1.采用工業級微控制器。資料表明,現在工業級微控制器的平均無故障時間可達 106～107h,也就是說,如果在額定的運行環境下,不計線路板、接插件等元器件的影響,可以連續運行幾十年不出現任何故障。

2.溫度敏感電路采用軍品級元器件。室外車輪電子檢測器的傳感電路是計軸系統最關鍵的電子電路,并要求在 -40℃～80℃的環境溫度范圍內長期可靠工作。為滿足該要求,傳感電路的關鍵元器件,如模擬放大器、電感、電容等均采用軍品級。

3.電子電路采取降額設計。對于電路中使用的功率元器件,包括功率要求、電壓要求、電流要求等均采取降額設計,其降額系數小于 0.5,以確保電路低負荷運轉。

4.硬件的其他抗干擾措施:①集成電路全部采用 CMOS器件,以提高其抗擾度;②采用電磁兼容式機箱,以解決屏蔽、搭接、接地等問題;③采用光電隔離器件,將微控制器同外設全部隔離開;④對于 0.5 m以上長度的交流信號線,均采用雙絞線配線。

5.2 軟件可靠性設計

利用計算機實現對鐵路信號控制的設備,其整體可靠性需要由硬件和軟件 2部分共同保證。在系統的硬件結構選定之后,硬件本身對系統可靠性貢獻就被決定了。然而,利用軟件容錯技術,還可以將可靠性進一步提高。JWJ-C計軸系統采取以下軟件容錯技術。

1.功能循環設置。對在整個程序執行過程中不會改變的微控制器內部控制寄存器設定,如中斷優先級設定、開中斷、輸入輸出口功能定義等進行功能設定冗余,即將有關的設定指令放在主程序循環體中,這樣,即使干擾已造成功能設置的改變,但在主程序的下一循環執行過程中馬上就能得到糾正。

2.指令冗余。在雙字節指令和三字節指令之后插入 2條 N0P指令,可保護其后的指令不被拆散。或者說,某指令前如果插入 2條 NOP指令,則這條指令就不會被前面沖下來的失控程序拆散,并將被完整執行,從而使程序走上正軌。

3.軟件陷阱。所謂軟件陷阱,就是一條引導指令,強行將捕獲的程序引向一個指定的地址,在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。軟件陷阱安排在下列 3種地方:①未使用的中斷向量區;②未使用的大片 ROM區;③程序的斷裂點。

4.程序運行軟件監視。在軟件的主程序和中斷程序中分別建立程序流程軟監視器,當程序沒有按照預定流向運行時,程序流程軟監視器就會及時發現并引導程序執行硬復位。

5.程序運行硬件監視。當程序彈飛到一個臨時構成的死循環中,而且程序運行軟件監視器也失效時,系統將完全癱瘓。解決這個問題的方法就是設立程序運行硬件監視器 (Watch dog)。本系統的每個微控制器均設有 Watch dog。

5.3 站內計軸運算器采用 “1+1”雙套冗余設計

上面闡述的計軸系統可靠性和安全性設計是基于單套系統考慮的。然而,在完成站內軌道區段檢查時,一套計軸運算器最多要檢測 24個計軸點15個軌道區段,一旦計軸運算器發生故障,將導致全部軌道區段呈 “占用”狀態,極大地影響運輸效率。因此,JWJ-C計軸系統的站內計軸運算器采用 “1+1”雙套冗余方案,其主要特點如下。

1.2套計軸運算器各自獨立工作 (并聯),只要一套工作正常,系統就正常工作。

2.2套計軸運算器以 “或”的方式驅動區段軌道繼電器 GJ,只要有一套送出 GJ的工作電源,GJ就吸起。只有 2套計軸運算器均未送出 GJ的工作電源時,GJ才落下。

3.當 2套計軸運算器中一套正常工作,而另一套在故障修復后,可通過讀取計軸點信息正常后,在線投入正常運行。

4.2套計軸運算器各設有 1個故障繼電器,通過讀取故障繼電器的狀態,可獲取計軸運算器故障信息,并及時通知設備維修人員維修。

6 結束語

2006年 6月至今,為全面檢驗 JWJ-C計軸系統對軌道區段占用或空閑的檢查功能,以及在高溫、高濕、強雷電等環境條件下的各項性能,在南寧鐵路局扶綏站全站,及扶綏至渠黎站間進行了全面試驗。系統能正確反映列車走行時軌道區段占用與空閑的實際情況,工作穩定。

2007年至今,JWJ-C計軸系統分別在北京鐵路局石家莊電務段管內,山西省陽泉市貴石溝—冠山廟站、五礦及蔭營站累計安裝運用了 14個區段、28個計軸點,有效解決了軌道電路分路不良及軌道衡區段無法加裝連續式軌道電路等問題,應用效果良好。

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[2］ 張仲偉,穆勇.計軸自動站間閉塞電路方案探討[J].鐵道通信信號,2009(11):15-16.

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