■ 薄云覽 楊濤

0 引言

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是保障行車安全的重要技術(shù)裝備。為了不斷提高軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率，改善勞動(dòng)條件，必須保證計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的良好運(yùn)行。隨著功率電子學(xué)、傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，全電子模塊應(yīng)運(yùn)而生。全電子模塊可代替既有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的繼電器執(zhí)行電路對(duì)室外信號(hào)設(shè)備進(jìn)行控制，具有節(jié)省設(shè)備空間、簡(jiǎn)化施工配線、規(guī)模擴(kuò)展靈活、易于故障處理等優(yōu)點(diǎn)，較好地克服了繼電器執(zhí)行電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、配線易發(fā)生混線和混電問(wèn)題、排除故障難度大等不足[1-4]。全電子模塊與既有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的主控邏輯部分結(jié)合構(gòu)成的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)即為全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。我國(guó)鐵路“十一五”技術(shù)裝備政策已提出要發(fā)展全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。同時(shí)，從國(guó)外計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖發(fā)展趨勢(shì)看，全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖目前是各廠家的主流裝備，因此繼電執(zhí)行電路的全電子化是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖發(fā)展的必由之路[5]。

1 全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)

全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)由3部分組成，分別為人機(jī)界面層、邏輯層和執(zhí)行層，其架構(gòu)見(jiàn)圖1。全電子模塊直接控制信號(hào)設(shè)備；智能電源屏采用N+1并聯(lián)均流冗余電路結(jié)構(gòu)，按照不同容量和不同要求分回路為人機(jī)界面層、邏輯層和執(zhí)行層的設(shè)備供電；外部通信接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與其他設(shè)備（如區(qū)域控制器ZC、自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng)ATS等）之間的通信。

人機(jī)界面層由控顯機(jī)和監(jiān)測(cè)機(jī)組成。控顯機(jī)的主要功能是用于站場(chǎng)圖形實(shí)時(shí)顯示和車站值班員進(jìn)行操作；監(jiān)測(cè)機(jī)的主要功能是用于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及現(xiàn)場(chǎng)操作、信號(hào)設(shè)備動(dòng)作的記憶、查詢、再現(xiàn)、打印等，為電務(wù)維護(hù)人員提供良好的操作界面。

邏輯層由安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)主控單元組成，主要功能是完成聯(lián)鎖軟件的邏輯運(yùn)算，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信總線向全電子模塊的通信單元下發(fā)信號(hào)設(shè)備控制命令，同時(shí)實(shí)時(shí)采集全電子模塊和信號(hào)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。

執(zhí)行層由全電子模塊組成。在跨座式單軌交通系統(tǒng)中，主要運(yùn)用到的模塊包括信號(hào)機(jī)模塊、安全輸入模塊、安全輸出模塊、單軌道岔控制器和其他接口模塊（如通信轉(zhuǎn)換接口模塊等）。對(duì)跨座式單軌道岔的控制雖然屬于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的功能，但考慮到單軌道岔控制器一般作為獨(dú)立的控制系統(tǒng)存在，該系統(tǒng)可通過(guò)繼電組合接口或通信接口（如圖1所示的外部通信接口）與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖主控單元通信，在此不對(duì)單軌道岔控制器進(jìn)行討論。

圖1 全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)

2 全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

基于具備冗余切換功能全電子模塊的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)控制、監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。在既有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，擴(kuò)展輸入、輸出模塊自身不具備冗余功能，對(duì)其進(jìn)行冗余切換控制需要在主控計(jì)算機(jī)中完成。圖2所示控制方式的區(qū)別在于：Ⅰ系全電子模塊和Ⅱ系全電子模塊通過(guò)系間差分冗余通信通道，具備自主切換功能，即全電子模塊的切換過(guò)程無(wú)需主控計(jì)算機(jī)的參與。由于全電子模塊直接對(duì)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集，因此全電子模塊除了需要具有基本的“2取2（2 out of 2）”功能外，也需要具有“故障-安全”的處理功能，而不是僅通過(guò)主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。即全電子模塊是一種具有“智能化”的模塊，具備安全處理功能和模擬量監(jiān)測(cè)功能?；谌娮幽K的“2乘2取2”架構(gòu)，在保證安全性的同時(shí)，提升了整個(gè)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。

在圖2所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，通信控制器是控制網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)的核心部件。主控計(jì)算機(jī)A系和B系的控制網(wǎng)（以太網(wǎng)）通過(guò)交換機(jī)構(gòu)成冗余的控制網(wǎng)-A網(wǎng)和控制網(wǎng)-B網(wǎng)。在不降低系統(tǒng)冗余性的基礎(chǔ)上，通信控制器A和通信控制器B分別與控制網(wǎng)-A網(wǎng)和控制網(wǎng)-B網(wǎng)相連。全電子模塊的控制總線采用CAN總線，通信控制器也簡(jiǎn)化了全電子模塊內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，即Ⅰ系全電子模塊的控制總線為CAN-A總線，Ⅱ系全電子模塊的控制總線為CAN-B總線。

若將全電子模塊放置于室外軌旁信號(hào)設(shè)備處，則可由通信控制器實(shí)現(xiàn)主控單元對(duì)軌旁信號(hào)設(shè)備的分布式控制；若幾個(gè)信號(hào)設(shè)備放置較集中，可由通信控制器的CAN總線將全電子模塊相連，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的集中化控制。

3 全電子模塊功能

3.1 信號(hào)機(jī)模塊

信號(hào)機(jī)模塊可配置用于完成跨座式單軌信號(hào)系統(tǒng)中三顯示信號(hào)機(jī)、兩顯示信號(hào)機(jī)和阻擋信號(hào)機(jī)的控制、狀態(tài)采集和信號(hào)監(jiān)測(cè)。信號(hào)機(jī)模塊的功能遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3027—2015《鐵路車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件》[6]的要求，其主要功能如下：

（1）信號(hào)機(jī)模塊具有指示功能，可指示模塊電源工作情況、控制單元運(yùn)行狀態(tài)、通信狀態(tài)等。

（2）信號(hào)機(jī)模塊監(jiān)測(cè)每個(gè)信號(hào)燈位的點(diǎn)燈電流。

圖2 基于具備冗余切換功能全電子模塊的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)控制、監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（3）信號(hào)機(jī)模塊能防止信號(hào)機(jī)出現(xiàn)亂顯示或信號(hào)升級(jí)故障。

（4）信號(hào)機(jī)模塊在允許燈位滅燈時(shí)，自動(dòng)改點(diǎn)禁止信號(hào)；在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，信號(hào)機(jī)模塊與聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)通信中斷或信號(hào)機(jī)模塊掉電時(shí)，自動(dòng)改點(diǎn)禁止信號(hào)。

（5）信號(hào)機(jī)模塊電路和各燈位出現(xiàn)故障后，能及時(shí)提供完善的報(bào)警信息。

符合上述功能的信號(hào)機(jī)模塊主工作流程見(jiàn)圖3。

信號(hào)機(jī)模塊由2部分組成，分別為邏輯部分和驅(qū)動(dòng)部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。邏輯部分由2取2主控制單元組成，完成信號(hào)機(jī)應(yīng)用、通信交互、控制輸出及采集等功能，該部分為安全相關(guān)功能模塊；驅(qū)動(dòng)部分由電源切換開(kāi)關(guān)電路和功率驅(qū)動(dòng)電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈驅(qū)動(dòng)功率的輸出。

電源切換開(kāi)關(guān)電路由2個(gè)3開(kāi)1閉繼電器及繼電器相關(guān)的驅(qū)動(dòng)和接點(diǎn)采集電路組成，該電路為安全相關(guān)模塊。繼電器的2個(gè)常開(kāi)接點(diǎn)分別接入AC 220 V的火、零線，繼電器的1個(gè)常開(kāi)和1個(gè)常閉接點(diǎn)作為CPU的檢測(cè)接點(diǎn)，通過(guò)兩CPU互斥地控制2個(gè)繼電器，以達(dá)到對(duì)任意繼電器的狀態(tài)及繼電器驅(qū)動(dòng)故障的識(shí)別。安全控制電路由兩CPU分別給出動(dòng)態(tài)控制信號(hào)通過(guò)安全與門電路實(shí)現(xiàn)，確保任意CPU的嚴(yán)重故障處理均能切斷AC 220 V電源；接點(diǎn)采集由動(dòng)態(tài)發(fā)碼采集實(shí)現(xiàn)，確保對(duì)任意接點(diǎn)閉合狀態(tài)的安全采集。

功率驅(qū)動(dòng)電路由2部分組成，分別為采集電路、雙控/自檢電路。

采集電路由隔離電流采集和光耦繼電器組成的自檢電路組成，該部分為安全相關(guān)模塊。光耦繼電器自檢電路通過(guò)1個(gè)安全CPU芯片控制自檢負(fù)載的通斷，環(huán)路負(fù)載的變化導(dǎo)致電流變化，兩CPU通過(guò)采集到的變化電流值判斷隔離電流采集是否正常。其中兩CPU通過(guò)電流采集值判斷當(dāng)前燈的狀態(tài)（點(diǎn)亮、閃爍、報(bào)警、滅燈）。

圖3 信號(hào)機(jī)模塊的主工作流程

雙控/自檢電路由固態(tài)繼電器開(kāi)關(guān)、安全繼電器組合及安全采集電路組成，該部分為安全相關(guān)模塊。固態(tài)繼電器開(kāi)關(guān)由串聯(lián)在正極線上的1個(gè)固態(tài)繼電器組成，該繼電器通過(guò)1個(gè)安全CPU芯片以電平的形式進(jìn)行控制。安全繼電器組合由1個(gè)2開(kāi)2閉的安全繼電器組成，其中的1個(gè)常開(kāi)接點(diǎn)串聯(lián)在正極線上，另1個(gè)常開(kāi)接點(diǎn)串聯(lián)在負(fù)線上，1個(gè)常閉接點(diǎn)并與正、負(fù)輸出線上，該繼電器由另外1個(gè)安全CPU芯片以電平的形式進(jìn)行控制，該繼電器的另1個(gè)常閉接點(diǎn)作為檢測(cè)接點(diǎn)。安全采集電路實(shí)現(xiàn)對(duì)安全繼電器常閉接點(diǎn)的狀態(tài)檢測(cè)。通過(guò)兩CPU控制2個(gè)異構(gòu)的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)1個(gè)燈位的雙控。固態(tài)繼電器輸出和固態(tài)繼電器自檢電路共同組成檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)固態(tài)繼電器和電流隔離采集的檢測(cè)。

電磁兼容防護(hù)電路解決出線的EMC問(wèn)題，該部分為功能相關(guān)。

3.2 安全輸入模塊

考慮到電子模塊直接和實(shí)際設(shè)備連接，因此將全電子安全輸入模塊的電壓輸入范圍由既有的0～24 V（最高可承受36 V）調(diào)整為0～48 V（最高可承受60 V），并將采集電纜上的電流大小調(diào)整為15～20 mA（室外機(jī)械設(shè)備的接點(diǎn)采集要求較大的采集電流）。

3.3 安全輸出模塊

考慮到電子模塊直接和實(shí)際設(shè)備連接（如聯(lián)鎖應(yīng)用中有驅(qū)動(dòng)幾公里外安全型繼電器的需求），因此將全電子安全輸出模塊的電壓輸出由既有的最大100 mA@DC 24 V，調(diào)整為DC 24、30、36、42、48 V 5檔輸出電平，對(duì)應(yīng)的帶載能力分別不小于100．0、80．0、66．7、57．1、50．0 mA。電壓調(diào)整可采用正激隔離變換技術(shù)，由FPGA通過(guò)改變功率驅(qū)動(dòng)電路的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)多電壓等級(jí)的輸出。

圖4 信號(hào)機(jī)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 全電子模塊關(guān)鍵技術(shù)

全電子模塊在設(shè)計(jì)和工程實(shí)施中需要考慮安全性、兼容性等問(wèn)題。

4.1 電源切換技術(shù)

電源切換電路的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，該電路由2個(gè)安全與門電路、2個(gè)3開(kāi)1閉繼電器（繼電器符合EN 50205標(biāo)準(zhǔn)）和2個(gè)繼電器互斥節(jié)點(diǎn)采集電路組成。將繼電器的2個(gè)常開(kāi)節(jié)點(diǎn)作為輸出節(jié)點(diǎn)，分別接入AC 220 V輸入的火線和零線；繼電器另外1個(gè)常開(kāi)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)常閉節(jié)點(diǎn)作為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。電子模塊正常工作時(shí)（以此時(shí)繼電器A處于工作狀態(tài)為例），繼電器A的輸出節(jié)點(diǎn)閉合，繼電器B的輸出節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)；電源切換電路自檢時(shí)，繼電器A和繼電器B的輸出節(jié)點(diǎn)同時(shí)閉合；節(jié)點(diǎn)狀態(tài)檢測(cè)正常后，斷開(kāi)繼電器A的輸出節(jié)點(diǎn)，由繼電器B維持AC 220 V的輸出。

4.2 信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。驅(qū)動(dòng)控制電路的主要功能包含點(diǎn)燈電流采集、電流自檢、燈位驅(qū)動(dòng)雙控/自檢。通過(guò)電流采集，CPU可以判斷當(dāng)前燈位的狀態(tài)（點(diǎn)亮、閃爍、報(bào)警、滅燈）。由于電流采集功能與安全相關(guān)，因此必須進(jìn)行周期性自檢以保證安全性。光耦繼電器自檢電路通過(guò)1個(gè)安全CPU芯片控制自檢負(fù)載的通斷，環(huán)路負(fù)載的變化導(dǎo)致電流變化，兩CPU通過(guò)采集到的電流變化值判斷隔離電流采集是否正常。

雙控/自檢電路由光耦繼電器開(kāi)關(guān)、安全繼電器組合及安全采集電路組成，該部分為安全相關(guān)模塊。光耦繼電器開(kāi)關(guān)由串聯(lián)在正極線上的1個(gè)光耦繼電器組成，該繼電器通過(guò)1個(gè)安全CPU芯片以電平的形式進(jìn)行控制。安全繼電器組合由1個(gè)2開(kāi)2閉的安全繼電器組成，其中的1個(gè)常開(kāi)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)在正極線上，該繼電器由另外1個(gè)安全CPU芯片以電平的形式進(jìn)行控制；該繼電器的1個(gè)常閉節(jié)點(diǎn)作為檢查電路完成對(duì)光耦繼電器開(kāi)關(guān)危險(xiǎn)側(cè)故障的檢測(cè)。安全采集電路實(shí)現(xiàn)對(duì)安全繼電器常閉節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)檢測(cè)。通過(guò)兩CPU控制2個(gè)異構(gòu)的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)1個(gè)燈位的雙控。

4.3 信號(hào)機(jī)隔離檢測(cè)技術(shù)

信號(hào)機(jī)模塊的信號(hào)隔離檢測(cè)單元對(duì)信號(hào)機(jī)的輸出進(jìn)行回讀檢測(cè)，以此作為程序進(jìn)行故障-安全處理的依據(jù)。信號(hào)隔離檢測(cè)單元的工作原理見(jiàn)圖7。交流電流采樣器將點(diǎn)燈電流隔離轉(zhuǎn)換成同頻同相的交流電流信號(hào)。低通濾波電流采用Sallen-Key二階低通濾波電路，轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置為100 Hz。交流電流信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波電路后輸入到電壓比較器，設(shè)定電壓比較器的比較基準(zhǔn)值，可將交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供采集的回讀檢測(cè)結(jié)果。交流電流采樣器的隔離電壓可達(dá)到3 kV，因此其在完成信號(hào)變換的同時(shí)，起到了隔離點(diǎn)燈強(qiáng)電和模塊內(nèi)邏輯電壓的作用，使得信號(hào)機(jī)模塊的工作更安全，也有效抑制了強(qiáng)電干擾。

圖5 電源切換電路結(jié)構(gòu)

圖6 信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)

圖7 信號(hào)隔離檢測(cè)單元工作原理

4.4 防雷模塊

與既有繼電器控制電路不同，全電子模塊的輸出無(wú)隔離地直接驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)備，因此對(duì)全電子模塊抵抗電磁干擾和防止雷電故障的能力提出了更高要求。1路驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)防雷電路的原理見(jiàn)圖8，防雷電路由氧化鋅壓敏電阻和金屬陶瓷氣體放電管組成。防雷電路可離線檢測(cè)，不影響全電子模塊對(duì)信號(hào)設(shè)備的控制。防雷電路基本參數(shù)為：最大持續(xù)工作電壓275 V；限制電壓≤700 V；標(biāo)稱放電電流≥10 kA。

4.5 信號(hào)機(jī)模塊的可配置性和兼容性

對(duì)不同類型的信號(hào)機(jī)而言，繼電器點(diǎn)燈電路形式也不盡相同，增加了施工配線的工作量和復(fù)雜性。信號(hào)機(jī)模塊可設(shè)置為通用可配置，對(duì)不同類型的信號(hào)機(jī)，只需改變標(biāo)準(zhǔn)歐式接插件的配線即可，容易將1個(gè)信號(hào)機(jī)模塊配置為控制1架或若干架信號(hào)機(jī)（信號(hào)機(jī)類型可不相同）。信號(hào)機(jī)模塊控制1架三顯示信號(hào)機(jī)的工作原理見(jiàn)圖9，三顯示信號(hào)機(jī)配置在信號(hào)機(jī)模塊的1—3燈位。信號(hào)機(jī)模塊能很好地處理燈位的共回線問(wèn)題，與既有施工設(shè)計(jì)方案完全兼容，無(wú)需增加電纜布線成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖8 防雷電路原理

圖9 三顯示信號(hào)機(jī)工作原理

以通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用功率電子技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的全電子模塊，可直接對(duì)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行控制，替代傳統(tǒng)的繼電器執(zhí)行電路。以全電子模塊為基礎(chǔ)的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)研究與應(yīng)用是未來(lái)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在安全性、可靠性、新技術(shù)的合理應(yīng)用等方面有待進(jìn)一步深入研究。