基于故障檢測的城市軌道交通仿真平臺控制系統設計

鄔芝權, 翟 旭, 靳 桅

(西南交通大學峨眉校區 計算機與通信工程系, 四川 峨眉山 614202)

基于故障檢測的城市軌道交通仿真平臺控制系統設計

鄔芝權, 翟 旭, 靳 桅

(西南交通大學峨眉校區 計算機與通信工程系, 四川 峨眉山 614202)

設計了能監測信號設備狀態的沙盤控制系統,通過設置故障來構建城市軌道交通運營非正常工況實驗環境。采用Visio、Altium Designer、keil uvision4工具,設計了信號機驅動和檢測電路、道岔驅動電路和檢測電路,并為聯鎖主機提供通信接口。聯鎖主機既可以控制沙盤上的信號設備,也可以檢測信號設備狀態,從而實現對故障的檢測。系統建成后,通過故障點設置,可以訓練學生故障處理、應急處理和預案實施能力,為高校、鐵路局培訓單位和研究部門的教學、培訓和科研提供服務。

城市軌道交通； 仿真平臺； 故障模擬； 控制系統

西南交通大學峨眉校區的城市軌道交通控制實驗室是教育部改善基本辦學條件的一個實驗室建設項目。該實驗室構建了城市軌道交通運營的仿真環境,主要建設了5個訓練平臺,即:(1)基于城市軌道交通運營模擬沙盤構建的城市軌道交通運營仿真平臺；(2)列車運行控制和網絡行車技術設備操控平臺；(3)基于車站信號控制及ISCS底層軟硬件技術的控制、運營及行車組織仿真管控訓練平臺；(4)基于調度指揮中心列車信號監控系統、DCS系統構建的軌道交通ATS監控信號聯鎖及網絡行車組織仿真管控訓練平臺；(5)多控制系統協調聯動和綜合調度指揮訓練平臺[1-3]。

城市軌道交通運營仿真平臺的設計思路是構建城市軌道交通中列車追蹤、列車折返等過程仿真,通過模擬城市軌道交通運營中的非正常工況和典型案例,訓練學員對突發事件、應急預案的分析和處理能力。目前應用在沙盤上的控制系統一般僅能對沙盤上的信號設備進行簡單控制,沒有檢測回饋功能,控制系統不知道控制是否到位,在沙盤上設置的各類故障也不能回送至聯鎖主機,無法模擬城市軌道交通運營的非正常工況。

要在沙盤上對信號設備設置故障,前提條件是控制系統能讀回信號設備的狀態。本控制系統的特點在于它周期性采集沙盤信號設備的狀態信息,并將狀態信息即時回送給聯鎖主機,可以通過設置故障來仿真城市軌道交通運營的非正常工況。

1 控制系統及其接口

在沙盤上使用的信號設備主要是信號燈、轉轍機道岔、發車表示器和緊急停車按鍵。沙盤信號設備主要集中在車站部分,線路上較少,以開關量數據為主,但數據量不大?？刂葡到y接口的設計要考慮信息速度，數據格式，抗干擾性，沙盤布線的便捷性、實時性和可擴展性等因素。RS-485接口采用差分信號,其優點是抗干擾性強、組網容易、接口芯片價格便宜、傳輸距離長,通信速度能滿足控制和檢測的需要,非常適合作為控制系統與聯鎖主機的通信接口。

在圖1所示的控制系統結構中,多個控制系統通過RS-485總線連接到聯鎖主機,由聯鎖主機檢查信號設備的邏輯關系,接入城市軌道交通控制中心進行統一管理?？刂葡到y包括信號機驅動和檢測、道岔驅動和檢測、接口和協議3部分,發車表示器和緊急停車按鍵的可以采用信號燈驅動及檢測電路來完成[4-6]。

圖1 控制系統結構

通信接口采用具有瞬變電壓抑制功能的差分收發器SN75LBC184,不需要外接芯片保護電路。在RS-485網絡終端使用120 Ω的終端電阻,每個節點的RS-485接口始終處于接收數據狀態,當向聯鎖主機發送數據時切換為發送模式?？刂葡到yMCU選用STC12C5A60S2,RS-485接口連接至MCU的UART接口。MCU要對RS-485網絡進行數據收發操作,只需要對UART操作即可。

RS-485為半雙工通信模式,數據以串行方式傳輸,一幀數據的結構包含同步字符、地址、數據長度、數據和校驗(見圖2)。為了區分數據流動的方向,從聯鎖主機至沙盤流向的數據幀的同步字符使用0xAB,返回的數據幀使用的同步字符為0xCD。地址為控制系統中固化的一個唯一地址,存儲在STC單片機的EEROM區域中。命令字包含讀寫地址、讀寫道岔狀態、讀寫信號燈狀態、寫發車表示器、讀緊急停車按鍵狀態等。數據幀的第3字節決定數據長度,最后一個字節為校驗字。

圖2 通信接口及協議

2 信號燈驅動及故障檢測

沙盤上的信號燈數量多,采用不同顏色的發光二極管,驅動電路一般串接一個電阻即可。對信號燈檢測主要是要檢測信號燈的正常、短路、斷路和接地等幾種狀態。不同LED的點亮電壓不同,紅、黃色為1.8～2.5 V,綠色為2.7～3.3 V。當信號燈兩端壓降在LED點亮電壓范圍內,LED信號燈會正常點亮。如果信號燈不正常,則需要判斷信號燈是處于短路、斷路還是接地的故障狀態[7-9]。

使CMOS門電路翻轉的輸入電平閾值總為電源電壓的1/2,并隨電源波動。根據這個特點,設計了檢測輔助電路(見圖3(a)),將信號燈電壓的判斷轉換為邏輯值的判斷。由于沙盤上信號燈很多,每32個燈位設計一張信號燈驅動及檢測卡,板卡采用SPI總線級聯(見圖3(b))。控制數據由串入-并出移位寄存器74HC595送出,檢測數據由并入-串出移位寄存器74HC165回送,移位寄存器采用CMOS工藝,每2位管理一個信號燈。

圖3 信號燈驅動及檢測電路

在圖3(b)中,當要控制序號信號燈L0時,控制數據需送至74HC595的Q0端,Q0端輸出高低電平使信號燈L0熄滅或點亮。當檢測信號燈L0時,在Q0端和Q1端分別輸入00B、01B、10B和11B等4種邏輯值,然后讀回D0、D1端的輸出的邏輯值,4種D0、D1端邏輯值由低位至高位組合為一個字節,構成設備狀態值。如圖3(c)所示,信號燈在每個故障狀態對應的設備狀態值不一樣,通過設備狀態值,就可以判斷信號燈的故障狀態。其余燈位的信號燈的控制方法類似,序號為x的信號燈由Q2x、Q2x+1、D2x、D2x+1管理。

3 道岔驅動及故障檢測

轉轍機使用推拉式電磁鐵,電磁鐵的磁性對道岔有鎖緊功能。一張道岔驅動和檢測卡可以管理4個道岔,板卡間采用SPI總線,道岔驅動數據由74HC595的并行端口輸出,采集數據和故障數據送至74HC165并行端口。圖4為一組道岔的控制和檢測電路,道岔驅動的信號為74HC595的Q0腳,通過組合邏輯電路控制,可使L293D驅動轉轍機線圈電流正向、反向或無電流,使道岔搬動到定位或反位位置[10-12]。

道岔的檢測采用非接觸式光電開關,正反位各裝一個。道岔搬動時,帶動道岔連接機構,當道岔聯結機構可靠到達定位(反位)檢測裝置一側時,檢測器就會輸出定(反)位脈沖信號。定位(反)位檢測電路首先采用反相器40106和電阻、電容構成TTL反相RC振蕩器,輸出方波信號驅動紅外發光二極管。設置不同的定(反)位檢測電路電阻值,可以產生不同頻率的脈沖,通過頻率來區別定位和反位脈沖的輸入。紅外接收二極管接收到信號后,將信號調理輸出至MCU進行識別,識別后的道岔狀態通過74HC165的D0端回送至主控制卡。

圖4 道岔驅動及檢測電路

采用直流電源驅動轉轍機線圈。由于線圈阻抗小,為避免燒毀線圈或驅動芯片L293D,轉轍機不能長時間通電。保護MCU是通過比對控制數據和檢測到的數據來識別道岔是否到位,通過切斷對轉轍機線圈供電達到保護目的,同時將檢測數據和故障數據通過74HC165的D1端回送至主控制卡。

4 控制系統故障設置及測試

一個沙盤可能有多條線路,一條線路可以有多個控制系統,聯鎖主機采用RS-485連接各個控制系統。每個控制系統由主控制卡、信號燈驅動及檢測卡、道岔驅動及檢測卡組成,均安裝在一個控制箱內,可以控制一個車站或相鄰的幾個車站。采用SPI總線級聯,主控制卡負責通信和輸出控制信號、讀回檢測數據；信號燈驅動及檢測卡負責管理信號機、發車表示器和緊急停車按鍵；道岔驅動及檢測卡負責管理道岔。

控制系統可設置的故障點比較多,有信號燈故障、道岔故障、通信故障、發車表示器故障等。由于信號設備比較多,所反映出的故障現象也很多,可以設置不同難易程度的典型故障案例來達到訓練學生的目的。此外,要對不同專業的學生設置不同訓練內容,例如針對信號控制專業學生設置現場故障識別、故障排除的訓練內容；針對運輸專業學生設置對突發事件的應急處理和指揮的內容。

通過控制和檢測沙盤上的信號設備,可真實地反映城市軌道交通運營軟件各個環節的功能,可以培養學生快速掌握軌道交通運營各個環節的管理技能,也可以驗證聯鎖部分的邏輯關系。圖5是城市軌道交通某線路的運營軟件和沙盤上機車同步運行的運行圖,該控制系統可供多組學生在同一線路學習和實踐[13]。

圖5 城市軌道交通運營仿真

5 結論

城市軌道交通仿真實驗室能仿真城市軌道交通運營中難以發生的各類非正常工況,對各專業學生進行針對性訓練。對于信號專業學生,可以訓練學生聯鎖邏輯關系、各層級系統信號控制、通信、設備故障識別和處理等相關內容；對運營管理專業,可進行運營協調與應急指揮中心、控制中心、車站、列車、車輛段等崗位基于各種正常和非正常情況下的縱向、橫向聯動訓練。本控制系統自主研發、先易后難、逐步完善,更側重于實訓,是鐵路運輸、鐵路信號等專業實驗室建設的重要組成部分。

References)

[1] 翟旭.城市軌道交通實驗室模擬機車控制系統設計[D].成都:電子科技大學,2013.

[2] 鄔芝權.鐵路信號仿真實驗室的硬件系統設計及其信號機程序測試[D].成都:西南交通大學,2011.

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[4] 許曉偉.城市軌道交通列車運營仿真系統研究[D].上海:上海工程技術大學,2013.

[5] 邢紅霞.城市軌道交通列車自動控制系統實驗室建設方案[J].城市軌道交通研究,2011(9):76-78.

[6] 翟國銳.軌道交通實驗控制系統的研究[D].北京:北京交通大學,2008.

[7] 蓋建男.CTC聯鎖仿真系統的設計與實現[D].北京:北京交通大學,2013.

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[10] 葉華平,翁瑤,胡彥.基于沙盤的軌道交通車站設備監控仿真培訓系統[J].城市軌道交通研究,2011(10):64-66,74.

[11] 楊昭軍.車站信號車務仿真培訓硬件系統的設計與實現[D].北京:北京交通大學,2008.

[12] 李紹斌,蔣大明.鐵路運輸沙盤綜合演練聯鎖系統的設計和實現[J].中國鐵路,2005(6):39-40.

[13] 謝飛,楊揚.基于沙盤的城軌控制實驗室集中站聯鎖仿真系統[J].鐵路計算機應用,2014(9):51-55.

Design of control system of urban rail simulation platform based on fault detection

Wu Zhiquan, Zhai Xu, Jin Wei

(Department of computer & Communication Engineering,South west Jiaotong University (Emei campus),Emei 614202,China)

The sand table control system to monitor the state of the signal equipment is designed. The experimental environment of urban rail transit operation abnormal-working is built by setting some faults. The project adopts some tools such as Visio,Altium Designer and keil uvision4 to design the signal driver and detection circuit,turnout drive circuit and detection circuit,and provides the communication interface for the interlocking host. The interlocking host not only controls the signal equipment on the sand table,but also detects the status of the signal equipment,and achieves the detection of the faults. After the system is built,the students’ abilities such as fault treatment,emergency handling and pre-project implementation are trained by setting the fault points; therefore,it can provide services for teaching,training and scientific research for colleges and universities,railway bureau training units and research departments.

urban rail; simulation platform; fault simulation; control system

2014- 11- 20

教育部春暉計劃科研合作項目(22014044)

鄔芝權(1976—),男,四川隆昌,工學碩士,實驗師,系副主任,主要研究方向為嵌入式控制.

E-mail：jsjxwzq@126.com

TN79+1: G424.1

A

1002-4956(2015)6- 0106- 04