岳麗麗，王耀東

（蘭州交通大學，蘭州 730070）

鐵路信號控制系統(tǒng)經(jīng)歷了由機械聯(lián)鎖，到電氣集中聯(lián)鎖，再到如今的計算機聯(lián)鎖的發(fā)展過程。當前主流的聯(lián)鎖產(chǎn)品為計算機聯(lián)鎖，即以現(xiàn)代計算機技術為核心的車站聯(lián)鎖實時控制系統(tǒng)。然而，由于種種原因，當前絕大多數(shù)計算機聯(lián)鎖產(chǎn)品用計算機實現(xiàn)了操作控制和核心聯(lián)鎖運算功能，而用于驅動和采集的接口部分仍然是采用了傳統(tǒng)電氣集中的繼電器電路，即信號接口電路中保留了YXJ、ZXJ、TXJ、LXJ、DXJ、LUXJ、ZCJ、DJ等，道岔接口電路中保留了DCJ、FCJ、DBJ、FBJ、YCJ等，軌道電路接口電路中保留了DGJ等。而繼電器電路又有其自身的缺點，主要表現(xiàn)在兩個方面：

（1）繼電電路可靠性差。繼電器的工作方式是通電的吸合方式，在接點接通和斷開的瞬間，產(chǎn)生火花和電弧容易使接電氧化；同時由于繼電器動作的機械磨損，會影響系統(tǒng)的可靠性，增加維護和檢修成本。

（2） 繼電電路造價高。聯(lián)鎖控制所用到的繼電器，不同型號的價格不同，但價格多在幾百甚至上千元。同時，繼電器接口電路會用到較多的電線電纜，工程造價較高。

因此，正如計算機聯(lián)鎖取代電氣集中聯(lián)鎖是車站信號控制的必然趨勢一樣，電子接口取代繼電接口將是計算機聯(lián)鎖發(fā)展的必然趨勢。本文以此為背景，主要研究計算機聯(lián)鎖接口的道岔控制模塊，對模塊的結構、軟硬件等進行設計。

1 聯(lián)鎖系統(tǒng)總體架構

1.1 道岔控制方案器件選型

近些年，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，一些相關科研單位和企業(yè)正在積極研發(fā)全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)并取得了一些科研成果，而且部分科研成果已經(jīng)初步產(chǎn)業(yè)化。這些計算機聯(lián)鎖的電子接口，大多是基于單片機或可編程邏輯控制器（PLC），而本文介紹的聯(lián)鎖道岔控制模塊將用Arduino開發(fā)板實現(xiàn)。

Arduino是一款便捷靈活的開源電子開發(fā)平臺，包含了一塊單板的微控制器和一整套開發(fā)軟件。其硬件包含一個以Atmel AVR 單片機為核心的開發(fā)板，是配備了電源、接口、下載電路等外圍器件的最小系統(tǒng)板。軟件包括一個基于Eclipse的類似C語言、Java語言的開發(fā)環(huán)境和在開發(fā)板上運行的燒錄程序。Arduino系統(tǒng)區(qū)別于一般單片機系統(tǒng)的特點在于對硬件底層的控制代碼細節(jié)進行了封裝，用戶只需要使用Arduino的外圍接口就可以實現(xiàn)控制功能。

Arduino開發(fā)板的型號較多，如Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino Mega系列等，以Arduino Uno板為例，其處理器核心是ATmega328芯片，有14個數(shù)字I/O口，6個模擬I/O口，一個復位開關，支持ICSP下載，支持USB接口，如圖1所示。

圖1 Arduino Uno開發(fā)板結構圖

Arduino Uno板總體參數(shù)，如表1所示。

表1 Arduino Uno總體參數(shù)

1.2 聯(lián)鎖道岔控制方案總體架構

計算機聯(lián)鎖采用分布式結構，包含人機會話層、聯(lián)鎖層和執(zhí)行層3個層次。

（1）人機會話層的主要功能是人機交互，一方面接收車站值班員的進路辦理、解鎖、設備操縱等各種操作，形成操作命令，另一方面是接收來自聯(lián)鎖機的室外設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過上位機的軟件形成圖形、圖像和聲音語音信息。

（2）聯(lián)鎖層是整個計算機聯(lián)鎖的核心，主要負責進行各種復雜的聯(lián)鎖運算，運算的結果將生成兩路數(shù)據(jù)，一路為表示信息，通過串口傳遞到上位機，另一路設備控制信息則傳遞給執(zhí)行層。

（3）執(zhí)行層負責對聯(lián)鎖層下達的操作命令的執(zhí)行和向聯(lián)鎖層采集室外設備的狀態(tài)信息。執(zhí)行層包含信號控制、道岔控制和軌道占用檢查3個子系統(tǒng)。本文專指道岔控制子系統(tǒng)。

所謂道岔控制電子模塊，就是取消了傳統(tǒng)接口的DCJ、FCJ、DBJ、FBJ、YCJ繼電器電路，用電子電路或單片機來實現(xiàn)室內外接口的數(shù)據(jù)采集和驅動控制。在控制器選型上，本方案選擇的是Arduino系列開發(fā)板中較為典型的Uno板。Arduino控制器在配置上采用雙機比較的冗余結構，其處理器通過總線與聯(lián)鎖機進行通信，向聯(lián)鎖機發(fā)送室外設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時執(zhí)行聯(lián)鎖機對室外設備操作的控制命令。道岔控制的開關采用固態(tài)繼電器（SSR，Solid State Relays）。方案總體架構，如圖2所示。

圖2 聯(lián)鎖道岔控制方案總體架構圖

1.3 道岔控制單元安全機制

本文將從系統(tǒng)結構方面研究聯(lián)鎖道岔控制模塊的安全性問題，而對于底層硬件、數(shù)據(jù)存儲與傳輸及軟件方面的安全性問題不做討論。由下位機向執(zhí)行層傳遞的道岔控制命令為涉安信息，必須要對其進行安全性處理，以滿足故障—安全原則。道岔控制電子模塊總體設計為雙機冗余結構，采用2取2比較及診斷的安全機制，如圖2所示。聯(lián)鎖道岔控制模塊設2個處理器，分別接收來自聯(lián)鎖I系和聯(lián)鎖II系的道岔控制變量，該命令通過處理器運算輸出進行2取2表決，若比較結果為一致，則輸出道岔控制命令，若比較結果不一致，則可以斷定至少有一路運算發(fā)生了故障，立即以中斷的方式強制兩個處理器運行故障檢測模塊來定位故障。

這種安全機制的常態(tài)（即雙機均無故障的情況下）是2取2結構，系統(tǒng)運行速度快，在2取2輸出失敗后，才調用診斷模塊來檢測定位故障。因此，在滿足故障—安全原則的前提下，該機制同時具有運行速度快、能定位故障的優(yōu)點。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

2.1.1 道岔控制電路設計

道岔控制模塊用于控制各種型號的道岔，以四線制ZD-6型電動轉轍機為例。四線制轉轍機室內外連接導線有4根，其含義如下：

X1：定位操縱控制線和定位表示線；

X2：反位操縱控制線和反位表示線；

X3：定位表示、反位表示電路公用回線；

X4：定位操縱、反位操縱電路公用回線。

相應地，每組道岔有2個驅動量，分別是定位操縱DC和反位操縱FC，DC為1表示輸出道岔定位轉換的控制信號，F(xiàn)C為1表示輸出道岔反位轉換的控制信號。

道岔控制電路采用SSR作為道岔控制電路的控制開關。SSR是一種無觸點通斷電子開關，為四端有源器件。其中，兩個端口為輸出控制端，另外兩個端口為輸出控制端，在輸入端加上較小直流或脈沖信號，輸出端就能從關斷狀態(tài)轉變成導通狀態(tài)，從而控制較大負載。中間采用光電耦合器件，實現(xiàn)了輸入與輸出之間完全的電氣隔離。這種電子開關具有無打火、無抖動和回跳、電磁干擾小、開關速度快（＜200μs）、壽命長等優(yōu)點。

本設計控制器選用的是比較流行的Arduino Uno板。在工程應用中，根據(jù)實際站場驅動采集量的大小，可選用不同型號的Arduino 電路板，例如：Arduino Mega2560板的資源比Arduino Uno板豐富很多，它有54個數(shù)字I/O口（其中，14個可以提供PWM輸出），16個模擬I/O口，4對串行數(shù)據(jù)通信口。

Arduino Uno有14個數(shù)字I/O口，而道岔的控制量為DC和FC兩個量，采集量為DB和FB兩個量。每個控制量和采集量分別對應Arduino Uno的一個數(shù)字I/O端口，本設計中選擇了2、4、GND引腳作為四線制道岔控制信號的輸出口，7、8兩個端口作為四線制道岔表示狀態(tài)信息的輸入口，PWM及其他引腳作為提速道岔功能擴展預留端口。四線制道岔控制電路連接，如圖3所示。

道岔控制單元采用雙模冗余結構，每個道岔控制處理器分別接受來自聯(lián)鎖I系和聯(lián)鎖II系的道岔控制命令，并分別形成各自的道岔動作信號并進行比較，若系統(tǒng)正常，比較結果一致，則由主機（A機）發(fā)出相應的控制信號，置相應道岔所對應的數(shù)字I/O引腳為高電平，以控制SSR導通。SSR導通后接通信號電源屏供出的DZ220直流電，經(jīng)過整流后接至四線制道岔電路的X1和 X2線，驅動道岔動作，Arduino板收到聯(lián)鎖機的定位操縱命令DC，則置引腳4為高電平，SSR2導通，X1接通DZ220電源電路，轉轍機執(zhí)行定位轉動的指令；若操作指令為反位操縱FC，引腳2置高電平，SSR1接通X2操縱DZ220電源電路，轉轍機執(zhí)行范圍轉動的指令。本方案一塊Arduino Uno板電路可以控制1組四線制ZD6型轉轍機動作。

2.1.2 道岔位置采集電路設計

道岔有定位、反位兩種正常狀態(tài)，故道岔數(shù)據(jù)采集模塊需要采集道岔的BD、FB兩個量，分別對應四線制道岔電路中的X1和X2表示線。另外，微機對道岔數(shù)據(jù)采集模塊需要實施監(jiān)督，故采集模塊還需要向聯(lián)鎖機發(fā)送自身工作狀態(tài)的量ZT，ZT=1說明該模塊正常工作，ZT=0則說明發(fā)生故障，此時系統(tǒng)應立即導向安全側。

本方案由降壓防護電路、隔離電路及Arduino Uno數(shù)據(jù)采集板構成道岔位置采集電路，如圖4所示。降壓防護電路一方面是對轉轍機表示電路X1和X2線電壓進行降壓處理，經(jīng)調整生成占空比為1:1的50 Hz脈沖信號，在經(jīng)過光電耦合電路，對計算機和外部電源進行隔離后接入Arduino Uno板相應的引腳。

圖4 道岔位置采集電路圖

2.2 軟件設計

道岔控制模塊軟件一方面對來自聯(lián)鎖機的控制命令進行接收和校驗，另一方對采集到的道岔表示信息進行編碼和發(fā)送。聯(lián)鎖機與道岔控制模塊之間的安全通信極其重要，通信通道采用雙通道方式，當兩路總線數(shù)據(jù)比較一致時才認為數(shù)據(jù)有效，否則應視為故障狀態(tài)。

方案中主控模塊的軟件在Arduino集成開發(fā)環(huán)境Arduino IDE下完成編碼。主程序上電初始化道岔控制模塊，運行自檢模塊，自檢模塊正常且兩路道岔控制命令一致，計時器清零，記錄道岔轉換時間，同時輸出道岔控制命令，即Arduino Uno板相應引腳輸出高電平，若發(fā)現(xiàn)異常立即停止輸出控制命令進行故障處理。驅動命令輸出后對道岔表示信息進行采集，道岔位置判定正確后回送給聯(lián)鎖機，若道岔轉換超時，給出報警信息并處理故障。道岔控制主流程圖，如圖5所示。

圖5 道岔主控流程圖

3 結束語

車站信號自動控制系統(tǒng)是保障鐵路安全運營的核心設備，而電子化聯(lián)鎖控制系統(tǒng)則是車站信號控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。本文提出了一種采用Arduino系統(tǒng)開發(fā)板作為核心控制器件的道岔控制方案，重點設計了道岔控制模塊、表示采集模塊和軟件模塊，該方案的可靠性和安全性尚需要進一步測試和檢驗。本方案為鐵路信號計算機聯(lián)鎖電子接口領域的研究提供了新思路。