鄔芝權(quán), 翟 旭, 靳 桅

(西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 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(tǒng)設(shè)計

鄔芝權(quán), 翟 旭, 靳 桅

(西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 計算機與通信工程系, 四川 峨眉山 614202)

設(shè)計了能監(jiān)測信號設(shè)備狀態(tài)的沙盤控制系統(tǒng),通過設(shè)置故障來構(gòu)建城市軌道交通運營非正常工況實驗環(huán)境。采用Visio、Altium Designer、keil uvision4工具,設(shè)計了信號機驅(qū)動和檢測電路、道岔驅(qū)動電路和檢測電路,并為聯(lián)鎖主機提供通信接口。聯(lián)鎖主機既可以控制沙盤上的信號設(shè)備,也可以檢測信號設(shè)備狀態(tài),從而實現(xiàn)對故障的檢測。系統(tǒng)建成后,通過故障點設(shè)置,可以訓(xùn)練學(xué)生故障處理、應(yīng)急處理和預(yù)案實施能力,為高校、鐵路局培訓(xùn)單位和研究部門的教學(xué)、培訓(xùn)和科研提供服務(wù)。

城市軌道交通； 仿真平臺； 故障模擬； 控制系統(tǒng)

西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)的城市軌道交通控制實驗室是教育部改善基本辦學(xué)條件的一個實驗室建設(shè)項目。該實驗室構(gòu)建了城市軌道交通運營的仿真環(huán)境,主要建設(shè)了5個訓(xùn)練平臺,即:(1)基于城市軌道交通運營模擬沙盤構(gòu)建的城市軌道交通運營仿真平臺；(2)列車運行控制和網(wǎng)絡(luò)行車技術(shù)設(shè)備操控平臺；(3)基于車站信號控制及ISCS底層軟硬件技術(shù)的控制、運營及行車組織仿真管控訓(xùn)練平臺；(4)基于調(diào)度指揮中心列車信號監(jiān)控系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)構(gòu)建的軌道交通ATS監(jiān)控信號聯(lián)鎖及網(wǎng)絡(luò)行車組織仿真管控訓(xùn)練平臺；(5)多控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)聯(lián)動和綜合調(diào)度指揮訓(xùn)練平臺[1-3]。

城市軌道交通運營仿真平臺的設(shè)計思路是構(gòu)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(xùn)練學(xué)員對突發(fā)事件、應(yīng)急預(yù)案的分析和處理能力。目前應(yīng)用在沙盤上的控制系統(tǒng)一般僅能對沙盤上的信號設(shè)備進行簡單控制,沒有檢測回饋功能,控制系統(tǒng)不知道控制是否到位,在沙盤上設(shè)置的各類故障也不能回送至聯(lián)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(shè)備設(shè)置故障,前提條件是控制系統(tǒng)能讀回信號設(shè)備的狀態(tài)。本控制系統(tǒng)的特點在于它周期性采集沙盤信號設(shè)備的狀態(tài)信息,并將狀態(tài)信息即時回送給聯(lián)鎖主機,可以通過設(shè)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(tǒng)及其接口

在沙盤上使用的信號設(shè)備主要是信號燈、轉(zhuǎn)轍機道岔、發(fā)車表示器和緊急停車按鍵。沙盤信號設(shè)備主要集中在車站部分,線路上較少,以開關(guān)量數(shù)據(jù)為主,但數(shù)據(jù)量不大。控制系統(tǒng)接口的設(shè)計要考慮信息速度，數(shù)據(jù)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(yōu)點是抗干擾性強、組網(wǎng)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(tǒng)與聯(lián)鎖主機的通信接口。

在圖1所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,多個控制系統(tǒng)通過RS-485總線連接到聯(lián)鎖主機,由聯(lián)鎖主機檢查信號設(shè)備的邏輯關(guān)系,接入城市軌道交通控制中心進行統(tǒng)一管理。控制系統(tǒng)包括信號機驅(qū)動和檢測、道岔驅(qū)動和檢測、接口和協(xié)議3部分,發(fā)車表示器和緊急停車按鍵的可以采用信號燈驅(qū)動及檢測電路來完成[4-6]。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通信接口采用具有瞬變電壓抑制功能的差分收發(fā)器SN75LBC184,不需要外接芯片保護電路。在RS-485網(wǎng)絡(luò)終端使用120 Ω的終端電阻,每個節(jié)點的RS-485接口始終處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài),當向聯(lián)鎖主機發(fā)送數(shù)據(jù)時切換為發(fā)送模式?？刂葡到y(tǒng)MCU選用STC12C5A60S2,RS-485接口連接至MCU的UART接口。MCU要對RS-485網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)收發(fā)操作,只需要對UART操作即可。

RS-485為半雙工通信模式,數(shù)據(jù)以串行方式傳輸,一幀數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)包含同步字符、地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)和校驗(見圖2)。為了區(qū)分數(shù)據(jù)流動的方向,從聯(lián)鎖主機至沙盤流向的數(shù)據(jù)幀的同步字符使用0xAB,返回的數(shù)據(jù)幀使用的同步字符為0xCD。地址為控制系統(tǒng)中固化的一個唯一地址,存儲在STC單片機的EEROM區(qū)域中。命令字包含讀寫地址、讀寫道岔狀態(tài)、讀寫信號燈狀態(tài)、寫發(fā)車表示器、讀緊急停車按鍵狀態(tài)等。數(shù)據(jù)幀的第3字節(jié)決定數(shù)據(jù)長度,最后一個字節(jié)為校驗字。

圖2 通信接口及協(xié)議

2 信號燈驅(qū)動及故障檢測

沙盤上的信號燈數(shù)量多,采用不同顏色的發(fā)光二極管,驅(qū)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(tài)。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(nèi),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(tài)[7-9]。

使CMOS門電路翻轉(zhuǎn)的輸入電平閾值總為電源電壓的1/2,并隨電源波動。根據(jù)這個特點,設(shè)計了檢測輔助電路(見圖3(a)),將信號燈電壓的判斷轉(zhuǎn)換為邏輯值的判斷。由于沙盤上信號燈很多,每32個燈位設(shè)計一張信號燈驅(qū)動及檢測卡,板卡采用SPI總線級聯(lián)(見圖3(b))?？刂茢?shù)據(jù)由串入-并出移位寄存器74HC595送出,檢測數(shù)據(jù)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(qū)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(shù)據(jù)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(jié),構(gòu)成設(shè)備狀態(tài)值。如圖3(c)所示,信號燈在每個故障狀態(tài)對應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)值不一樣,通過設(shè)備狀態(tài)值,就可以判斷信號燈的故障狀態(tài)。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(qū)動及故障檢測

轉(zhuǎn)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(qū)動和檢測卡可以管理4個道岔,板卡間采用SPI總線,道岔驅(qū)動數(shù)據(jù)由74HC595的并行端口輸出,采集數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)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(qū)動的信號為74HC595的Q0腳,通過組合邏輯電路控制,可使L293D驅(qū)動轉(zhuǎn)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(guān),正反位各裝一個。道岔搬動時,帶動道岔連接機構(gòu),當?shù)啦砺?lián)結(jié)機構(gòu)可靠到達定位(反位)檢測裝置一側(cè)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(gòu)成TTL反相RC振蕩器,輸出方波信號驅(qū)動紅外發(fā)光二極管。設(shè)置不同的定(反)位檢測電路電阻值,可以產(chǎn)生不同頻率的脈沖,通過頻率來區(qū)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(diào)理輸出至MCU進行識別,識別后的道岔狀態(tài)通過74HC165的D0端回送至主控制卡。

圖4 道岔驅(qū)動及檢測電路

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

4 控制系統(tǒng)故障設(shè)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(tǒng),聯(lián)鎖主機采用RS-485連接各個控制系統(tǒng)。每個控制系統(tǒng)由主控制卡、信號燈驅(qū)動及檢測卡、道岔驅(qū)動及檢測卡組成,均安裝在一個控制箱內(nèi),可以控制一個車站或相鄰的幾個車站。采用SPI總線級聯(lián),主控制卡負責(zé)通信和輸出控制信號、讀回檢測數(shù)據(jù)；信號燈驅(qū)動及檢測卡負責(zé)管理信號機、發(fā)車表示器和緊急停車按鍵；道岔驅(qū)動及檢測卡負責(zé)管理道岔。

控制系統(tǒng)可設(shè)置的故障點比較多,有信號燈故障、道岔故障、通信故障、發(fā)車表示器故障等。由于信號設(shè)備比較多,所反映出的故障現(xiàn)象也很多,可以設(shè)置不同難易程度的典型故障案例來達到訓(xùn)練學(xué)生的目的。此外,要對不同專業(yè)的學(xué)生設(shè)置不同訓(xùn)練內(nèi)容,例如針對信號控制專業(yè)學(xué)生設(shè)置現(xiàn)場故障識別、故障排除的訓(xùn)練內(nèi)容；針對運輸專業(yè)學(xué)生設(shè)置對突發(fā)事件的應(yīng)急處理和指揮的內(nèi)容。

通過控制和檢測沙盤上的信號設(shè)備,可真實地反映城市軌道交通運營軟件各個環(huán)節(jié)的功能,可以培養(yǎng)學(xué)生快速掌握軌道交通運營各個環(huán)節(jié)的管理技能,也可以驗證聯(lián)鎖部分的邏輯關(guān)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(tǒng)可供多組學(xué)生在同一線路學(xué)習(xí)和實踐[13]。

圖5 城市軌道交通運營仿真

5 結(jié)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(fā)生的各類非正常工況,對各專業(yè)學(xué)生進行針對性訓(xùn)練。對于信號專業(yè)學(xué)生,可以訓(xùn)練學(xué)生聯(lián)鎖邏輯關(guān)系、各層級系統(tǒng)信號控制、通信、設(shè)備故障識別和處理等相關(guān)內(nèi)容；對運營管理專業(yè),可進行運營協(xié)調(diào)與應(yīng)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(lián)動訓(xùn)練。本控制系統(tǒng)自主研發(fā)、先易后難、逐步完善,更側(cè)重于實訓(xùn),是鐵路運輸、鐵路信號等專業(yè)實驗室建設(shè)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(tǒng)設(shè)計[D].成都:電子科技大學(xué),2013.

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

[3] 王順利,孫景冬,王淑偉.鐵路運輸管控一體實驗平臺設(shè)計與研究[J].實驗技術(shù)與管理,2013,20(8):97-100.

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

[5] 邢紅霞.城市軌道交通列車自動控制系統(tǒng)實驗室建設(shè)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(tǒng)的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.

[7] 蓋建男.CTC聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京交通大學(xué),2013.

[8] 葉敬賢.軌道交通聯(lián)鎖實驗系統(tǒng)的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2009.

[9] 李一龍.計算機聯(lián)鎖技術(shù)培訓(xùn)模式的研究[J].中國鐵路,2008(5):53-56.

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

[11] 楊昭軍.車站信號車務(wù)仿真培訓(xùn)硬件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京交通大學(xué),2008.

[12] 李紹斌,蔣大明.鐵路運輸沙盤綜合演練聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[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(lián)鎖仿真系統(tǒng)[J].鐵路計算機應(yīng)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(quán)(1976—),男,四川隆昌,工學(xué)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