李國瑞，張 重

（蘭州交通大學 電子與信息工程學院，蘭州 730070）

PLC在鐵路機務折返段微機聯(lián)鎖系統(tǒng)中的應用

李國瑞，張 重

（蘭州交通大學 電子與信息工程學院，蘭州 730070）

介紹在鐵路機務折返段微機聯(lián)鎖系統(tǒng)中使用可編程控制器PLC技術(shù)，實現(xiàn)道岔集中聯(lián)鎖控制功能，并從系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、冗余方式，軟件的總體結(jié)構(gòu)、PLC聯(lián)鎖軟件的分類和調(diào)用，程序嵌套思想等方面進行了分析。證明它是一種適合機務段使用的性價比高的微機聯(lián)鎖系統(tǒng)。

PLC；聯(lián)鎖系統(tǒng) ；程序嵌套思想

目前，仍有不少鐵路機務折返段的信號系統(tǒng)還未采用微機聯(lián)鎖控制技術(shù)，機車出入庫、庫內(nèi)調(diào)車仍采用手扳道岔，給手信號行車的傳統(tǒng)方式，這不僅作業(yè)效率很低，安全性也很差。針對這些問題，鐵路機務部門也采取了一些解決措施，如一些機務段采用了6502電氣集中控制系統(tǒng)，以滿足安全方面的要求，但該系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)較復雜、占地面積大、維修難度大，尤其是無法與數(shù)字設(shè)備接口，無法滿足機務段信息處理的要求[1]。還有一些機務段采用了干線上普遍使用的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，而該系統(tǒng)成本較高，對于機務段內(nèi)的使用性價比不高。

可編程控制器（PLC，Programmable controller）是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。它采用可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。PLC可編程控制器已經(jīng)在鋼鐵、石化、機械制造、電力、汽車等行業(yè)廣泛應用，其可靠性高，非常適合邏輯控制系統(tǒng)。它具有以下特點：可靠性高，抗干擾能力強；靈活性強，控制系統(tǒng)具有良好的柔性；編程簡單，使用方便；控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)，開發(fā)工作量少，周期短；維修方便；體積小，能耗低；功能強，性價比高[2]。目前一般的工業(yè)控制計算機具有編程語言豐富、運算速度快、圖形、通信管理功能強等優(yōu)點，但I/O 接口功能較弱。而PLC正好彌補了這一不足。綜上所述,把PLC應用于機務折返段微機聯(lián)鎖系統(tǒng)中是切實可行的。

1 基于PLC的微機聯(lián)鎖系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計借鑒了6502電氣集中控制系統(tǒng)和計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，同時也充分考慮了機務折返段的特點。其總的設(shè)計原則是：在保證系統(tǒng)可靠性和故障-安全的前提下，盡量簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小設(shè)備體積，使之符合機務折返段的作業(yè)方式。整個微機聯(lián)鎖系統(tǒng)為上下位機的結(jié)構(gòu)形式。上位機采用工業(yè)控制計算機，它主要作為控制臺使用，顯示實時站場畫面，信號員在其上進行選排進路等相關(guān)作業(yè)操作。下位機采用PLC作為聯(lián)鎖機，它是整個系統(tǒng)的核心部分，通過PLC的內(nèi)部軟件實現(xiàn)全部聯(lián)鎖邏輯運算，從而控制室外道岔轉(zhuǎn)換、信號機開放與關(guān)閉。整個系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由室內(nèi)和室外兩部分構(gòu)成，其中采集的室外部分有：軌道繼電器的吸起或落下、道岔的定位或反位表示、信號機燈絲的完整或斷絲。 經(jīng)室內(nèi)轉(zhuǎn)有故障-安全特性的動態(tài)采集電路送至下位機PLC。經(jīng)過下位機PLC預處理后，被具有冗余通道的信號線串行送往上位機。上位機一方面送往顯示器顯示當前站場情況，一方面作為聯(lián)鎖運算的依據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 冗余結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性指標，系統(tǒng)采用冗余結(jié)構(gòu)配置。從硬件上來說，上位機采用雙機熱備，下位機采用三取二冗余結(jié)構(gòu)。通信采用冗余信道實現(xiàn)自動切換，保證通信不中斷。在軟件上，PLC采用軟冗余結(jié)構(gòu)，軟冗余是一種綜合考慮高可靠性和低成本的折中方案。當系統(tǒng)發(fā)生一定故障時，系統(tǒng)能夠自動主備切換，備站接替主站繼續(xù)運行。PLC軟冗余系統(tǒng)要實現(xiàn)軟冗余功能，需要調(diào)用程序中冗余軟件包的功能模塊，主要包括：初始化冗余系統(tǒng)運行參數(shù)的FC100模塊；故障診斷、主備切換的FC102模塊；發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的FB103模塊；調(diào)用FB103進行數(shù)據(jù)同步、分析系統(tǒng)狀態(tài)的FB101模塊[3]。典型的PLC軟冗余系統(tǒng)組成方案如圖2所示。

圖2 典型的PLC軟冗余系統(tǒng)組成

2 基于PLC的微機聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件部分

2.1 軟件的總體結(jié)構(gòu)

按軟件的層次結(jié)構(gòu)，可分為3個層次，即人機會話層、聯(lián)鎖運算層和執(zhí)行層，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。人機會話層完成人機界面信息的處理；聯(lián)鎖運算層完成聯(lián)鎖邏輯運算；執(zhí)行層完成表示信息的輸入和控制命令的輸出[4]。對應于上下位機，人機會話層由上位機軟件實現(xiàn)，聯(lián)鎖運算層和執(zhí)行層由下位機軟件實現(xiàn)。

圖3 聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)

2.2 PLC軟件模塊的分類及調(diào)用

本文以某公司SIMATIC S7-400 系列的PLC舉例。S7-400 系列的組態(tài)和編程是利用STEP7標準軟件包進行的。STEP7軟件包可以運行在Window 95/98/2000/NT下，STEP7標準軟件包功能和組成如圖4所示。

圖4 STEP7標準軟件包的組成

為了實現(xiàn)程序的模塊化、標準化，將聯(lián)鎖程序分為進路選擇、道岔轉(zhuǎn)換、道岔鎖閉、道岔光帶控制線圈、進路光帶控制、信號機控制、終端解鎖等模塊。每個模塊賦予一個FC塊，調(diào)用程序結(jié)構(gòu)如下：

其中OB1是最重要的組織塊，OB100運行結(jié)束后，操作系統(tǒng)調(diào)用OB1。當OB1運行結(jié)束后，操作系統(tǒng)再次調(diào)用OB1，OB1如此不斷循環(huán)。這一過程也稱為掃描循環(huán)。調(diào)用OB1的時間間隔稱為掃描周期。掃描周期的長短，主要由執(zhí)行OB1中程序所需的時間決定。

2.3 PLC聯(lián)鎖程序的編程思想

聯(lián)鎖程序是整個聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心。鐵路機務折返段PLC微機聯(lián)鎖系統(tǒng)是在6502電氣集中的基礎(chǔ)上用PLC進行聯(lián)鎖控制取代6502電氣集中的繼電器式邏輯控制電路，用軟件實現(xiàn)6502電氣集中的全部技術(shù)要求。同時克服了6502電氣集中的缺點和不足之處。聯(lián)鎖軟件以“故障-安全”為原則，采用PLC專用語言梯形圖語言編寫，它與繼電器的接點圖非常類似，易于掌握，便于維護。電路設(shè)計簡單，如果站場有變化，也易于修改。

編程中利用了數(shù)據(jù)庫思想和程序嵌套思想。在PLC編程中充分應用數(shù)據(jù)庫（Database）是使用計算機管理數(shù)據(jù)的一門最新技術(shù)，使用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行管理是計算機應用中一個重要而廣闊的領(lǐng)域[5]，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫思想在PLC中的應用

計算機編程中用到的數(shù)據(jù)庫是指存儲在計算機內(nèi)的，有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集合。合法用戶可以方便調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的相應數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理是對各種形式的數(shù)據(jù)進行采集、儲存、加工和傳播的一系列活動的總和，數(shù)據(jù)處理是借助計算機科學地保存和管理大量復雜的數(shù)據(jù)，以便利用。而在PLC編程中應用數(shù)據(jù)庫思想能夠把數(shù)據(jù)分類規(guī)范存儲，充分利用存儲空間，便于程序中調(diào)用數(shù)據(jù)。

將程序嵌套思想應用到PLC編程過程中可以讓程序的邏輯更加清晰，并且縮短了原程序長度，便于模塊化編程且方便調(diào)試。

綜上所述程序嵌套思想的優(yōu)點，將PLC聯(lián)鎖控制程序中的各部分的功能塊設(shè)計成子程序，在主程序中進行調(diào)用就可以使聯(lián)鎖控制程序更加簡化。并且方便今后對各功能塊程序進行修改完善和故障的快速查找解決。在PLC聯(lián)鎖控制程序設(shè)計中，將聯(lián)鎖的各個功能模塊設(shè)計成子程序在主程序（MainRoutine）中進行調(diào)用，執(zhí)行完后再返回主程序繼續(xù)執(zhí)行，這樣程序的條理很清晰，且可以簡化聯(lián)鎖大型程序的編寫，如圖6所示。

圖6 程序嵌套思想的應用實例

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)充分考慮了機務折返段的作業(yè)特點及對設(shè)備成本的要求。使用可靠性高的PLC作為聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心控制部分，采用故障-安全措施，使得該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全可靠、功能齊全、操作方便、維護簡單，并在鐵路機務折返段微機聯(lián)鎖控制中能充分保證行車安全、提高運輸生產(chǎn)效率，所以它是一種適合機務折返段使用的性價比高的微機聯(lián)鎖系統(tǒng)。

[1]何鴻云，蔣 勇.機務段股道管理自動化系統(tǒng)的開發(fā)[J].機車電傳動，2005（5）：63-66.

[2]陳建明.電氣控制與PLC應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]馬伯淵,呂京梅，等.PLC軟冗余系統(tǒng)性能分析[J].電力自動化設(shè)備，2009，29（2）：98-100.

[4] 喻 鋼，徐中偉. 基于排隊模型的聯(lián)鎖邏輯仿真模型研究[J]. 系統(tǒng)仿真學報，2008，20（8）：2003-2006.

[5]杜 杰，李秋明，等.計算機編程思想在PLC程序設(shè)計中的應用[J].儀器儀表學報，2006，27（6）：603-605.

責任編輯 陳 蓉

Application of PLC in Microcomputer Interlocking System of locomotive depot

LI Guorui, ZHANG Zhong
( School of Electronics and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China )

In this paper, the programmable controller techniques were mentioned, which were used in signal control system of railway locomotive depot to implement interlocking function. The system structure, redundancy mode, software structure, classif i cation and transfer of PLC interlocking software, program idea were analyzed. The System was proved to be a high performance-price ratio system for locomotive depot.

PLC; Interlocking System; program nestif i cation idea

U284∶TP39

A

1005-8451（2014）02-0036-03

2013-09-05

李國瑞，在讀碩士研究生；張 重，在讀碩士研究生。