基于 PLC 的鐵路機務段道岔集中控制系統方案設計

田愛軍，李凡甲

（江蘇省徐州技師學院，江蘇徐州 221151）

0 引言

目前，在鐵路運輸中，計算機聯鎖已逐步替代 6502聯鎖成為主流[1-2]。但是，在鐵路機務段內，由于列車行車速度相對較慢，對信號系統要求相對較低，且受投資和成本限制，很多地方仍采用人工手動扳動道岔的方式，導致效率低下且存在安全隱患。隨著鐵路客運量的日益增加，需要機務段進行整備作業的列車數量也隨之增加。根據《鐵路機務設備設計規范》4.0.13 規定：每天整備機車數量多于 80 臺次的機務段，宜設道岔集中控制系統[3]。因此，在有限投資約束的前提下，研究低成本機務段道岔自動控制系統的意義凸顯。本文設計了基于PLC 的低成本機務段道岔集中控制系統，能夠滿足機務段的自動化作業需求，大大提高作業效率。

圖 1 道岔集中控制系統原理框圖

1 道岔集中控制系統基本原理

如圖 1 所示，道岔集中控制系統主要采用 PLC、工控機、安全性繼電器驅動電路等技術實現進路、信號和道岔的聯鎖關系。實現的功能包括：進路的選排、取消、鎖閉和解鎖，信號的開放、保持、關閉。其中，PLC 為系統的控制核心，接收如下輸入信號：

（1）操作員通過安裝在工控機上的上位機軟件進行的一些鼠標、鍵盤的輸入信號；

（2）室外軌道電路或者計軸器監測、采集到的列車占用或出清信號；

（3）室內繼電器輸出的各種反饋信號；

（4）從鐵路運輸管理信息系統采集到的車次信號。

上述信號輸入到 PLC 后，PLC 根據聯鎖邏輯進行運算，然后輸出如下信號：

（1）輸出至室內繼電器，從而控制室外信號機的顯示和道岔的轉換；

（2）輸出至上位機，從而在上位機中顯示室內、室外各種信號設備的狀態以及跟蹤車次號，方便操作員監看和處理。

2 道岔集中控制系統硬件結構

根據系統對于安全性、穩定性的要求，上位機和PLC 均采用雙機熱備的方案。如圖2 所示，道岔集中控制系統硬件結構分為 4 層。

圖 2 道岔集中控制系統硬件結構

2.1 人機會話層

人機會話層包含主上位機和副上位機，主要作用是向系統輸出控制命令，以及接收設備狀態信息并顯示。當主、副上位機均發生故障退服時，則啟用備用操作面板進行應急操作，包括道岔的單獨轉換和鎖閉，此時沒有聯鎖的約束，所以應特別注意安全。

2.2 聯鎖運算層

聯鎖運算層為系統的核心，包括主、副 PLC。本層任務是對其輸入信號進行聯鎖邏輯運算后，輸出至室內、室外設備。

2.3 執行表示層

執行表示層包括繼電接口柜和分線柜。其中，分線柜通過線纜連接室內、室外設備，同時方便進行設備檢修。繼電接口柜包括軌道柜和組合柜。軌道柜用于接收室外軌道電路是否被占用的信息，然后通過二元二位繼電器給出表示，并傳輸給 PLC。組合柜包括信號組合和道岔組合，分別用于控制信號和道岔。

2.4 室外設備層

室外設備即為“三大件”，包括信號機、軌道電路和轉轍機。其中，信號機的作用是受 PLC 輸出的控制，允許或者禁止信號的顯示，進行調車作業。軌道電路的作用是給出軌道被占用或者出清的表示。轉轍機的作用是根據命令進行道岔的轉換并給出表示。

3 道岔集中控制系統軟件設計

3.1 系統軟件總體框架

根據系統硬件結構，設計了系統軟件的總體結構，包括上位機軟件和 PLC 聯鎖軟件 2 個部分。其中，上位機軟件屬于 HMI，采用西門子的上位機監控軟件——WinCC 編程實現，設計要求 HMI 界面友好、易于操作，信息顯示完整、全面，設備狀態顯示更新及時。具體實現功能如下：

（1）接受并響應操作員的輸入操作，將其轉換為命令并發送至 PLC 進行聯鎖邏輯運算；

（2）通過文字、按鈕、圖像、顏色等手段實時顯示站場、設備狀態；

（3）對操作員的輸入以及 PLC 聯鎖軟件的返回信息加以文字或者語音提示；

（4）記錄系統的所有操作、報警記錄；

（5）實現與其他系統的接口。

PLC 聯鎖軟件用于實現聯鎖邏輯的運算，以鐵路總公司《計算機聯鎖技術條件》為設計原則，屬于安全相關軟件[4]。因此，軟件的安全性和可靠性要求很高，是整個軟件設計中的重點，也是難點所在。軟件的總體框架如圖 3 所示。

圖 3 道岔集中控制系統軟件的總體框架

3.2 PLC 聯鎖軟件的設計

為了將 PLC 聯鎖軟件程序的各個部分有序地組織起來，使程序可讀性強、便于調整和修改，采用了結構化的程序設計方法。軟件將能實現特定功能的程序編制為通用指令塊，以便被調用。在調用時，只需要修改相關參數即可。整個軟件被分為以下多個模塊：始端和終端按鈕處理模塊、選排進路和進路鎖閉模塊、道岔轉換控制模塊、信號關閉和開放保持模塊、軌道電路光帶控制模塊、分段解鎖進路模塊、中途返回解鎖模塊等。模塊以標準化站場為藍本進行設計，具體到實際站場，會有地形、作業需求等方面的差別，可根據實際情況進行模塊的增、刪。軟件通過 STEP7 開發而成，采用梯形圖設計，其流程如圖 4 所示。下面選取部分主要模塊介紹其程序編制設計。

圖 4 PLC 聯鎖軟件設計流程

3.2.1 進路選排模塊

（1）功能設計。該模塊包括 4 個階段：①根據操作員發出排列進路時選定的始端按鈕和終端按鈕，依照進路表，選出相應的進路；②確定所選進路的可用性；③征用所選進路中的信號設備；④如果進路可用，但有部分道岔不在進路所規定的正確位置，則驅動轉轍機轉動道岔到規定位置。

（2）選排條件。根據功能設計所述 4 個階段得出選排條件如下：

第一階段：無聯鎖條件。

第二階段：要求信號機未被征用；信號機內進路區段和相鄰的超限區段均空閑（排列調車進路時，最后一個無岔區段不要求空閑）、區段未被征用或鎖閉；道岔未被征用、鎖閉或者封鎖、單鎖在相反位置。

第三階段：要求信號機敵對信號未開放，其他要求同第二階段。

第四階段：要求道岔所在區段空閑，如道岔未在規定時間內轉換完畢并給出轉換到位的表示，則認為道岔故障，給出故障的表示。

3.2.2 鎖閉進路模塊

（1）功能設計。排列進路成功后，對進路涉及的區段和道岔進行鎖閉，再將其征用標志清除。

（2）鎖閉條件。敵對信號關閉，區段未鎖閉，超限區段未被占用；道岔未鎖閉、未封鎖且在正確的位置。

3.2.3 信號開放保持模塊

（1）功能設計。對于已經開放的信號機，該模塊會一直檢查其保持開放的條件。有 2 種情況會導致信號機關閉：①正常情況，指列車駛入，區段被占用；②非正常情況，包括信號燈泡燈絲斷絲、軌道電路紅光帶、道岔位置異常、道岔無表示等。

（2）開放保持條件。①正常情況：列車占用了進路的接近區段；列車越過了信號機；操作員執行了總取消、總人工解鎖的操作；②非正常情況：區段被非正常占用或者解鎖；道岔不在規定位置或者非正常解鎖。

3.2.4 進路正常解鎖模塊

為提高作業效率，進路包含的軌道區段在列車或者車列通過后，按順序依次解鎖，即采用分段解鎖方案。

（1）功能設計。在滿足聯鎖軟件要求的條件后，進路鎖閉的設備會自動依次解鎖，為后續進路的排列做好準備。

（2）解鎖條件。要求信號機關閉，區段滿足三點檢查方式，道岔所在區段解鎖。其中，三點檢查方式是指接近區段已解除鎖定，當前區段出清，離去區段被占用。

3.2.5 進路中途返回解鎖模塊

當車列進行轉線作業時，車列未全部通過牽出進路就返回，導致進路無法正常解鎖，所以需要中途返回解鎖功能模塊。該功能分 2 種情況：①車列根據折返信號機的顯示進行折返，此時的解鎖條件為車列已折返并出清了需解鎖區段；②車列較長，需要為其辦理由多條基本遷出進路組成的復合遷出進路。

（1）功能設計。在滿足聯鎖軟件要求的條件后，進行進路的正常解鎖。

（2）解鎖條件。第一種情況要求牽出進路中要有折返信號機，且該信號機之前曾經有開放記錄；需解鎖區段已經出清了所有車列。第二種情況要求進路空閑且接近區段被占用；牽出進路之前曾經有被占用的記錄。

4 結論

PLC 在推動工業自動化的進程中，已廣泛應用于各行各業，起到了重大作用。其設備簡單，維護方便，性能穩定，綜合性價比高[5]。對于行車速度要求不高的機務段而言，基于 PLC 設計的道岔集中控制系統性能完全滿足要求，且該設計能夠提高機務段的自動化控制水平，終結人工手動扳動道岔的低效率作業方式，值得大范圍推廣應用。

[1]高繼祥. 鐵路信號運營基礎[M]. 北京：中國鐵道出版社，1998.

[2]趙志熙. 計算機聯鎖系統技術[M]. 北京：中國鐵道出版社，1999.

[3]殷勤. 股道自動化管理系統設計接口問題探討[J]. 鐵道標準設計，2008（5）：109-110.

[4]李達. 機車出入段安全系統的研究與實現[D]. 湖北武漢：武漢理工大學，2003.

[5]方亞非. 鐵路車站計算機聯鎖系統的現狀和發展趨勢[J]. 鐵路通信信號工程技術，2007，4（4）：7-10.