安全PLC在NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用

孔筱筱 鄧麗敏 張 菊

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 南京 210031)

安全PLC在NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的應(yīng)用

孔筱筱 鄧麗敏 張 菊

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 南京 210031)

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是控制列車在站內(nèi)運行安全、提高運營效率的重要信號設(shè)備，憑借其信息化、智能化、維修量小等優(yōu)點，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的繼電聯(lián)鎖和電氣集中聯(lián)鎖。計算機聯(lián)鎖的核心功能是采用可編程控制器來實現(xiàn)信號機、道岔、進路之間的聯(lián)鎖關(guān)系，可編程控制器的性能直接影響到整個聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能。本單位基于實際教學(xué)需要，自行開發(fā)設(shè)計了一套NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用特殊設(shè)計的安全PLC來保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。介紹了NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點，系統(tǒng)硬件配置和軟件設(shè)計。經(jīng)過實踐證明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，教學(xué)效果良好。

安全PLC； 硬件結(jié)構(gòu)； 軟件結(jié)構(gòu)； 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)

安全PLC的特殊設(shè)計滿足鐵路信號系統(tǒng)“故障--安全”的重要原則，使得鐵路信號計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能有了一個根本的變革。目前，南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院正在建設(shè)高速鐵路信號實訓(xùn)室，為了滿足教學(xué)需要，本單位自行開發(fā)設(shè)計了NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，本文介紹了安全PLC的工作原理和特點以及基于安全PLC的NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖的系統(tǒng)構(gòu)成。

1 安全PLC

1.1 安全PLC介紹

一套安全控制系統(tǒng)由安全輸入信號、安全控制模塊和被控輸出元件三部分組成。安全PLC作為安全控制模塊，需要對安全輸入信號進行分析、處理，并最終控制輸出元件。一臺安全PLC滿足嚴(yán)格的可靠性和安全性國際標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)以下重要目標(biāo)：

(1)采用冗余的工作方式，即使元件失效不可避免，系統(tǒng)也不會失效。

(2)失效被控制在可以預(yù)測的范圍之內(nèi)，即使失效，系統(tǒng)也會執(zhí)行安全功能。

安全PLC內(nèi)部至少有兩個CPU，兩個CPU的作用是：每個CPU分別運行一次用戶程序，然后比較各自的運行結(jié)果，結(jié)果若一致，就輸出這個結(jié)果，若不一致，則切換到安全狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)停機。安全PLC內(nèi)部工作原理如圖1所示。

圖1 安全PLC內(nèi)部工作原理

安全PLC配備有內(nèi)部檢測脈沖，用來完成對內(nèi)部故障的檢測。 安全PLC的掃描時間能達(dá)到每千條指令1ms以下，這種快速的中央處理能力不僅能夠滿足緊急停車的要求，而且能夠在較短的時間內(nèi)完成對整套系統(tǒng)安全功能的自我檢測。

1.2 安全PLC聯(lián)鎖系統(tǒng)的特點

安全PLC聯(lián)鎖系統(tǒng)具有以下主要特點：

(1)實時性：該系統(tǒng)具有對現(xiàn)場信號的輸入和輸出的實時控制能力，安全PLC需要直接從現(xiàn)場采集各種信號，并對這些信號進行處理，然后把結(jié)果輸出到顯示器或執(zhí)行機構(gòu)上。

(2)高可靠性：該系統(tǒng)直接控制輸出結(jié)果，一旦計算機系統(tǒng)發(fā)生故障，如果沒有相應(yīng)的冗余措施，就會造成重大損失。因此，該系統(tǒng)必須采用安全PLC來保證高可靠性。

(3)高安全性：安全PLC通過以下措施來實現(xiàn)安全性目標(biāo)，采用多樣性控制、采用冗余性控制、程序CRC校驗、頻繁可靠的自檢、安全認(rèn)證功能塊等。

(4)可維護性：系統(tǒng)的故障直接控制輸出結(jié)果，因此系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮維護性，可維護性的另一層意思是系統(tǒng)的部分改變可以適應(yīng)現(xiàn)場的變化，即故障導(dǎo)向安全。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：最上層為人機會話層，即上位工控機。中間層為聯(lián)鎖測控層，主要包括電源、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、通訊模塊和擴展模塊。最下層為執(zhí)行層，主要包括信號機、轉(zhuǎn)轍機、軌道電路這些室外設(shè)備。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 安全PLC聯(lián)鎖系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

對于人機會話層來說，由于它處理的信息不直接涉及行車安全，所以提高可靠性即可。一般采用雙機備用，動態(tài)冗余。動態(tài)切換開關(guān)可以是自動控制的，也可以是手動控制的。

對于聯(lián)鎖層來說，由于其處理的信息都是涉及到行車安全的信息，所以采用安全PLC來完成聯(lián)鎖邏輯運算功能，提高聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性和安全性。

對室外執(zhí)行層來說，輸入輸出適配電路需采用專門的故障-安全接口電路，保證輸入信息和輸出信息的安全，不至于因接口電路故障而錯誤地產(chǎn)生危險的信息輸出。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)硬件配置，主要包括上位工控機和聯(lián)鎖層的安全PLC兩部分。

(1)本系統(tǒng)上位機選用研華IPC-610L型工控機，1 G內(nèi)存， CPU主頻2.8 G，21寸液晶顯示器，可以清晰的顯示各種文字和圖形信息。其微處理器支持533/800 MHz系統(tǒng)總線，集成IDE、LAN、I/O接口及看門狗等若干先進功能。外接打印機，用以打印報表。為保證報表數(shù)據(jù)的完整記錄，工控機由一臺不間斷電源UPS供電。

(2) 本系統(tǒng)聯(lián)鎖主機采用雙機熱備冗余方式，主、備系均采用某公司的模塊化中小型安全PLC系統(tǒng)S7-300，其模塊化、易于實現(xiàn)分布、易于用戶掌握等特點使得它成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的最佳選擇。S7-300系列帶有豐富方便功能的I/O擴展模塊和多種性能遞增的CPU，使用戶在實際應(yīng)用中可以根據(jù)需求選擇合適的模塊，并且在任務(wù)規(guī)模擴大或者愈加復(fù)雜的時候，可以隨時使用附加模塊對PLC系統(tǒng)進行擴展。此外，S7-300系列PLC還具有結(jié)構(gòu)緊湊、模塊點數(shù)密度高、性能優(yōu)越、性價比高、裝卸方便等優(yōu)點。S7-300系列所具備的強抗沖擊性、抗震動性和高電磁兼容性，使得其具有較高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。

通過對NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制對象進行分析統(tǒng)計，每系PLC配置了如下模塊：電源模塊；中央處理器CPU模塊；接口模塊；7個數(shù)字量輸入模塊(可提供256路開關(guān)量輸入通道)；7個數(shù)字量輸出模塊(可提供256路開關(guān)量輸出通道)。S7-300系列PLC系統(tǒng)配置和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PLC系統(tǒng)配置和結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件設(shè)計，主要包括上位工控機的監(jiān)控部分和聯(lián)鎖PLC的控制程序部分。

(1)上位工控機的軟件開發(fā)工具是基于NETFramework框架的Microsoft Visual Studio 2010，采用面向?qū)ο缶幊谭椒ǖ腃#語言，底層數(shù)據(jù)庫采用微軟的Access。Microsoft Visual Studio 2010提供圖形顯示、信息生成以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄和存檔等多種功能，能有效完成各種領(lǐng)域自動化生產(chǎn)中的畫面顯示和過程控制任務(wù)。它快速的圖形更新特性、強大的接口驅(qū)動軟件以及可靠的數(shù)據(jù)存儲功能保證了其高度的適用性。

上位機軟件可分為三層，如圖4所示。最上層為數(shù)據(jù)庫層，主要功能是配置參數(shù)以及保存歷史數(shù)據(jù)，供用戶查看；中間層為應(yīng)用層，主要功能是響應(yīng)用戶的操作命令，實現(xiàn)人機交互，并對來自通訊層的數(shù)據(jù)進行實時處理；最下層為通信層，主要功能是把應(yīng)用層的操作命令發(fā)送給聯(lián)鎖主機，并把聯(lián)鎖主機的數(shù)據(jù)反饋給應(yīng)用層。

圖4 上位機軟件層次結(jié)構(gòu)

(2)PLC聯(lián)鎖軟件開發(fā)工具采用某公司S7-300的模塊化編程語言STEP7，編程采用梯形圖法。聯(lián)鎖軟件的作用是實現(xiàn)進路、信號機和道岔的相互制約關(guān)系，是計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心，對安全性和可靠性要求極其嚴(yán)格。聯(lián)鎖軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計方法，各個模塊之間相互獨立，只交換數(shù)據(jù)，沒有程序上的聯(lián)系，使用調(diào)度程序安排各模塊的執(zhí)行。這樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，編程、設(shè)計均可以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

PLC聯(lián)鎖軟件模塊組成如圖5所示，可分為三個層次，即人機會話層、聯(lián)鎖邏輯運算層和執(zhí)行層。每個層次又根據(jù)功能需要劃分為幾個功能模塊，人機會話層主要由人機接口模塊、通信模塊、信息處理模塊組成；邏輯聯(lián)鎖運算層主要由基本聯(lián)鎖模塊、自診斷模塊、特殊聯(lián)鎖模塊、與其他系統(tǒng)接口模塊組成；執(zhí)行層由控制命令輸出模塊和現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)采集模塊組成。

圖5 PLC聯(lián)鎖軟件模塊組成

3 結(jié)束語

安全PLC的特殊設(shè)計使得它能夠滿足計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)實時性、高可靠性、高安全性、可維護性等特點。目前基于安全PLC的NTY-Ⅰ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，系統(tǒng)安全可靠、性能穩(wěn)定、方便操作，教學(xué)效果良好，為南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院高速鐵路信號實訓(xùn)室的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] 中國鐵路總公司.鐵路技術(shù)管理規(guī)程[M].北京：中國鐵道出版社,2014. China Railway. Management Rules of The Railway Technology[M]. Beijing:China Railway Publishing House,2014.

[2] 王德吉.西門子PLC控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014. WANG Deji. Control Technology of Siemence PLC[M].Beijing:China Machine Press,2014.

[3] 林瑜筠,呂永昌.計算機聯(lián)鎖[M].北京:中國鐵道出版社,2013. LIN Yujun,LV Yongchang. Computer Interlocking[M].Beijing:China Railway Publishing House,2013.

[4] 穆中華,李麗蘭.客運專線計算機聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)的開發(fā)[J].城市軌道交通研究,2012，15(1):75-79. MU Zhonghua,LI Lilan.Development of Compute Interlocking Simulation System on the Passenger Dedicated Line[J].Urban Mass Transit, 2012,15(1):75-79.

[5] 李小凡,肖蒙.計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)安全評估研究[J].計算機測量與控制,2014,22(2):460-463. LI Xiaofan,XIAO Meng.Study on Safety Assessment of Computer Interlocking System[J].Computer Measurement & Control,2014,22(2):460-463.

[6] 文武臣,王曉明.計算機聯(lián)鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及進路搜索算法[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)),2008,22(6):51-53. WEN Wucheng,WANG Xiaoming. Analysis of Data Structure and Route Search in Computer Interlocking System[J].Journal of Chongqing Institute of Technology (Natural Science), 2008,22(6):51-53.

[7] Michael T. Goodrich, Roberto Tamassia,Nikos Triandopoulos. Efficient Authenticated Data Structures for Graph Connectivity and Geometric Search Problems[J]. Springer Science Business Media,2011,60(3):505-552.

[8] 曹峰.計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)安全評估分析與研究[J].高速鐵路技術(shù),2015,6(4):1-3. CAO Feng.Analysis and Research on Safety Assessment of Computer Interlocking System[J].High Speed Railway Technology,2015,6(4):1-3.

[9] 馬學(xué)霞,王文波.鐵路車站計算機聯(lián)鎖軟件研究與設(shè)計[J].高速鐵路技術(shù),2015,6(6):45-48. MA Xuexia,WANG wenbo. Research and Design of Computer Interlocking Software for Railway Station[J]. High Speed Railway Technology,2015,6(6):45-48.

(編輯：朱雨辰 蘇玲梅)

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。 基金項目：南京鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年科研基金項目(YQ1404)

1674—8247(2016)06—0015—04

U284.3

A