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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是控制列車(chē)在站內(nèi)運(yùn)行安全、提高運(yùn)營(yíng)效率的重要信號(hào)設(shè)備，憑借其信息化、智能化、維修量小等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的核心功能是采用可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)、道岔、進(jìn)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(gè)聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能。本單位基于實(shí)際教學(xué)需要，自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套NTY-Ⅰ型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用特殊設(shè)計(jì)的安全PLC來(lái)保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。介紹了NTY-Ⅰ型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，系統(tǒng)硬件配置和軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)實(shí)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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

安全PLC的特殊設(shè)計(jì)滿(mǎn)足鐵路信號(hào)系統(tǒng)“故障--安全”的重要原則，使得鐵路信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能有了一個(gè)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(hào)實(shí)訓(xùn)室，為了滿(mǎn)足教學(xué)需要，本單位自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了NTY-Ⅰ型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，本文介紹了安全PLC的工作原理和特點(diǎn)以及基于安全PLC的NTY-Ⅰ型計(jì)算機(jī)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(hào)、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(duì)安全輸入信號(hào)進(jìn)行分析、處理，并最終控制輸出元件。一臺(tái)安全PLC滿(mǎn)足嚴(yán)格的可靠性和安全性國(guó)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(huì)失效。

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

安全PLC內(nèi)部至少有兩個(gè)CPU，兩個(gè)CPU的作用是：每個(gè)CPU分別運(yùn)行一次用戶(hù)程序，然后比較各自的運(yùn)行結(jié)果，結(jié)果若一致，就輸出這個(gè)結(jié)果，若不一致，則切換到安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)停機(jī)。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(cè)脈沖，用來(lái)完成對(duì)內(nèi)部故障的檢測(cè)。 安全PLC的掃描時(shí)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(mǎn)足緊急停車(chē)的要求，而且能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)整套系統(tǒng)安全功能的自我檢測(cè)。

1.2 安全PLC聯(lián)鎖系統(tǒng)的特點(diǎn)

安全PLC聯(lián)鎖系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：

(1)實(shí)時(shí)性：該系統(tǒng)具有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入和輸出的實(shí)時(shí)控制能力，安全PLC需要直接從現(xiàn)場(chǎng)采集各種信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，然后把結(jié)果輸出到顯示器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。

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

(3)高安全性：安全PLC通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)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(yàn)、頻繁可靠的自檢、安全認(rèn)證功能塊等。

(4)可維護(hù)性：系統(tǒng)的故障直接控制輸出結(jié)果，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮維護(hù)性，可維護(hù)性的另一層意思是系統(tǒng)的部分改變可以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：最上層為人機(jī)會(huì)話(huà)層，即上位工控機(jī)。中間層為聯(lián)鎖測(cè)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(kuò)展模塊。最下層為執(zhí)行層，主要包括信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、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(duì)于人機(jī)會(huì)話(huà)層來(lái)說(shuō)，由于它處理的信息不直接涉及行車(chē)安全，所以提高可靠性即可。一般采用雙機(jī)備用，動(dòng)態(tài)冗余。動(dòng)態(tài)切換開(kāi)關(guān)可以是自動(dòng)控制的，也可以是手動(dòng)控制的。

對(duì)于聯(lián)鎖層來(lái)說(shuō)，由于其處理的信息都是涉及到行車(chē)安全的信息，所以采用安全PLC來(lái)完成聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算功能，提高聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性和安全性。

對(duì)室外執(zhí)行層來(lái)說(shuō)，輸入輸出適配電路需采用專(zhuān)門(mén)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(cuò)誤地產(chǎn)生危險(xiǎn)的信息輸出。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

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

(1)本系統(tǒng)上位機(jī)選用研華IPC-610L型工控機(jī)，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(xiàn)，集成IDE、LAN、I/O接口及看門(mén)狗等若干先進(jìn)功能。外接打印機(jī)，用以打印報(bào)表。為保證報(bào)表數(shù)據(jù)的完整記錄，工控機(jī)由一臺(tái)不間斷電源UPS供電。

(2) 本系統(tǒng)聯(lián)鎖主機(jī)采用雙機(jī)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(shí)現(xiàn)分布、易于用戶(hù)掌握等特點(diǎn)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(kuò)展模塊和多種性能遞增的CPU，使用戶(hù)在實(shí)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(kuò)大或者愈加復(fù)雜的時(shí)候，可以隨時(shí)使用附加模塊對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。此外，S7-300系列PLC還具有結(jié)構(gòu)緊湊、模塊點(diǎn)數(shù)密度高、性能優(yōu)越、性?xún)r(jià)比高、裝卸方便等優(yōu)點(diǎn)。S7-300系列所具備的強(qiáng)抗沖擊性、抗震動(dòng)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(guò)對(duì)NTY-Ⅰ型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制對(duì)象進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，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(gè)數(shù)字量輸入模塊(可提供256路開(kāi)關(guān)量輸入通道)；7個(gè)數(shù)字量輸出模塊(可提供256路開(kāi)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(jì)

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

(1)上位工控機(jī)的軟件開(kāi)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(yǔ)言，底層數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)化生產(chǎn)中的畫(huà)面顯示和過(guò)程控制任務(wù)。它快速的圖形更新特性、強(qiáng)大的接口驅(qū)動(dòng)軟件以及可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能保證了其高度的適用性。

上位機(jī)軟件可分為三層，如圖4所示。最上層為數(shù)據(jù)庫(kù)層，主要功能是配置參數(shù)以及保存歷史數(shù)據(jù)，供用戶(hù)查看；中間層為應(yīng)用層，主要功能是響應(yīng)用戶(hù)的操作命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并對(duì)來(lái)自通訊層的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)，并把聯(lián)鎖主機(jī)的數(shù)據(jù)反饋給應(yīng)用層。

圖4 上位機(jī)軟件層次結(jié)構(gòu)

(2)PLC聯(lián)鎖軟件開(kāi)發(fā)工具采用某公司S7-300的模塊化編程語(yǔ)言STEP7，編程采用梯形圖法。聯(lián)鎖軟件的作用是實(shí)現(xiàn)進(jìn)路、信號(hào)機(jī)和道岔的相互制約關(guān)系，是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心，對(duì)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(jì)方法，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，只交換數(shù)據(jù)，沒(méi)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(jì)均可以實(shí)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(gè)層次，即人機(jī)會(huì)話(huà)層、聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算層和執(zhí)行層。每個(gè)層次又根據(jù)功能需要?jiǎng)澐譃閹讉€(gè)功能模塊，人機(jī)會(huì)話(huà)層主要由人機(jī)接口模塊、通信模塊、信息處理模塊組成；邏輯聯(lián)鎖運(yùn)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(chǎng)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(yǔ)

安全PLC的特殊設(shè)計(jì)使得它能夠滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、高可靠性、高安全性、可維護(hù)性等特點(diǎn)。目前基于安全PLC的NTY-Ⅰ型計(jì)算機(jī)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(hào)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] 中國(guó)鐵路總公司.鐵路技術(shù)管理規(guī)程[M].北京：中國(guó)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(mén)子PLC控制技術(shù)[M].北京:機(jī)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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖[M].北京:中國(guó)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(yùn)專(zhuān)線(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)的開(kāi)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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)安全評(píng)估研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及進(jìn)路搜索算法[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)安全評(píng)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(chē)站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件研究與設(shè)計(jì)[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(xiàng)目：南京鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目(YQ1404)

1674—8247(2016)06—0015—04

U284.3

A