徐莉 王占橋 張海亮
（鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司鐵路運輸分公司鞍山114000）
【摘 要】 通過與國鐵鐵路信號管理系統(tǒng)的比較、分析得出了冶金企業(yè)鐵路信號控制系統(tǒng)的特殊性，為就建立了冶金企業(yè)鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，該結(jié)構(gòu)采用動態(tài)2x2冗余結(jié)構(gòu)，改造成本低，占用面積小，便于站場改造、擴(kuò)展與維護(hù)。
【關(guān)鍵詞】 鐵路信號 微機(jī)聯(lián)鎖 冶金企業(yè)
1引言
目前冶金企業(yè)的6502繼電電氣集中系統(tǒng)空間大、費用高、故障率高、靈活性差，大部分冶金企業(yè)鋼、鐵水倒調(diào)還是以鐵路運輸方式為主,其鐵路信號控制系統(tǒng)有一部分是繼電聯(lián)鎖，有一部分是微機(jī)聯(lián)鎖，這已滿足不了安全生產(chǎn)的需要,現(xiàn)在已經(jīng)是計算機(jī)聯(lián)鎖時代，所以應(yīng)由微機(jī)聯(lián)鎖向開放全電子計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)邁進(jìn)。
2冶金企業(yè)鐵路信號需求分析
2.1基本功能
借鑒鐵路系統(tǒng)應(yīng)用微機(jī)聯(lián)鎖經(jīng)驗，結(jié)合冶金企業(yè)鐵路運輸實際情況，應(yīng)具備以下功能：
(1) 基本聯(lián)鎖功能。完成進(jìn)路選排、信號開放、道岔動作、進(jìn)路鎖閉、進(jìn)路解鎖、總?cè)∠⑷斯そ怄i等聯(lián)鎖運算。
(2) 人機(jī)對話功能。在操作工作站顯示器上以站場圖形動態(tài)顯示信號機(jī)、道岔、區(qū)段等設(shè)備信息，同時提供各類操作及故障的語音提示。
(3)計算機(jī)輔助設(shè)計。以圖形方式直觀輸入站場數(shù)據(jù),簡化聯(lián)鎖設(shè)計周期,減少由于人工疏忽而帶來的輸入錯誤。
2.2特殊性分析
現(xiàn)有被鐵路局鑒定的微機(jī)聯(lián)鎖都是按照路局作業(yè)特點設(shè)計，但是冶金企業(yè)由于站場和環(huán)境的特殊性,完全符合路局標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng),不適用冶金企業(yè)鐵路需求，微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)急需升級，與鐵路局相比特殊性如下：
(1)采用通用設(shè)備構(gòu)建冗余結(jié)構(gòu)：目前，國鐵微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)均采用專用設(shè)備,不僅造價成本高, 而且不易升級。隨著冶金企業(yè)鐵路運輸朝著高密度、重載貨的方向發(fā)展,防止故障發(fā)生后造成嚴(yán)重的后果，減少故障發(fā)生概率，提高鐵路信號控制系統(tǒng)的安全性、可靠性越來越受重視,要求冶金企業(yè)鐵路信號控制系統(tǒng)不僅要考慮采用通用設(shè)備降低改造成本,還要采取可靠性更高、安全性更好的冗余結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用由兩臺聯(lián)鎖機(jī)和冗余的西門子S7-400H PLC系列組成動態(tài)2 x 2冗余系統(tǒng)。
(2)減員增效、改造便捷：目前,大部分冶金企業(yè)鋼水、鐵水的倒調(diào)仍是以鐵路運輸?shù)姆绞綖橹? 受廠內(nèi)生產(chǎn)改造頻繁影響,鐵路控制系統(tǒng)也隨著不斷改造。同時鋼鐵企業(yè)效益下滑，減員增效迫在眉睫，因此，能夠提高運輸效率和改善勞動強(qiáng)度十分重要。冶金企業(yè)鐵路信號控制系統(tǒng)全部取消重力式安全型繼電器，運用電子開關(guān)技術(shù)、計算機(jī)控制等技術(shù)，采用全電子模塊控制室內(nèi)外設(shè)備，采驅(qū)設(shè)備大量減少,且全電子模塊插在機(jī)籠中,減少大量配線，站場改造便捷、維護(hù)簡單，使減員增效成為可能。
(3)可擴(kuò)展性:冶金企業(yè)鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)便于增加新功能和用戶提出的特殊功能。對于冶金企業(yè)鐵路與國家鐵路、礦山等地方鐵路結(jié)合部等特殊運用場合,6502定型電路無法實現(xiàn)特殊聯(lián)鎖功能。在這種情況下，微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)優(yōu)勢就在于可以根據(jù)特殊性靈活設(shè)計。
(4) 防溜預(yù)警功能:冶金企業(yè)鐵路線路復(fù)雜，通過公鐵道口較多,且公鐵道口附近鐵路站場多設(shè)置股道線，存在股道線上停留車輛因站場坡度等原因自動溜出的隱患。鐵路信號控制系統(tǒng)采用溜車預(yù)警設(shè)備，解決公鐵道口附近鐵路站場股道線上停留車輛溜車隱患。在停留車輛自動溜出后，盡早預(yù)先提示道口人員股道線發(fā)生溜車，及時采取安全應(yīng)急措施，同時將公路方向的通過信號自動轉(zhuǎn)換成禁止信號，并在微機(jī)聯(lián)鎖操作臺上給出聲光報警,提示信號操作人員也要采取措施,減少損失。
3系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
冶金企業(yè)鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)冶金系統(tǒng)的特殊性,聯(lián)鎖部分增加復(fù)核運算層,采用更高可靠性和安全性的2x2復(fù)核動態(tài)冗余結(jié)構(gòu)。
(1)人機(jī)對話層:通過操作工作站完成人機(jī)對話功能，實現(xiàn)與聯(lián)鎖機(jī)的信息交換。將運輸操縱員的鼠標(biāo)操作信息傳給工作站，并顯示站場狀態(tài)信息。全部操作可由鼠標(biāo)完成，提供各類操作及故障的語音提示。同時工作站接收聯(lián)鎖機(jī)提供的站場操作畫面的信息，生成各種聲音信號。
(2)聯(lián)鎖運算層:聯(lián)鎖運算層是系統(tǒng)的核心部分，完成進(jìn)路選排、信號開放、道岔動作、區(qū)段鎖閉、區(qū)段解鎖、總?cè)∠⑷斯そ怄i等聯(lián)鎖運算叫 對回測信號、操作命令和聯(lián)鎖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析及邏輯運[1]，必須滿足“故障一安全”即故障導(dǎo)向的安全原則。
(3) 復(fù)核運算層：復(fù)核運算層由PLC組成，與聯(lián)鎖層實現(xiàn)2x2復(fù)核動態(tài)冗余，將回測信號、操作命令轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)承認(rèn)的方波信號，同時對聯(lián)鎖運算進(jìn)行復(fù)核，監(jiān)測站場狀態(tài),控制信號設(shè)備動作。
(4)采驅(qū)層:采驅(qū)層采用全電子無觸點式光電耦合設(shè)計，全部取代了重力式安全型繼電器，為聯(lián)鎖機(jī)提供站場設(shè)備回測信息，同時向室外設(shè)備輸出操作命令。采驅(qū)層全電子模塊采用雙套控制電路,具備“故障一安全”要求。
(5) 監(jiān)控對象層：監(jiān)控對象層監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備即信號機(jī)、道岔與軌道電路等。
4系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)
微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)中，廣泛使用的有雙機(jī)熱備動態(tài)冗余、3取2靜態(tài)冗余.2x2取2動態(tài)冗余結(jié)構(gòu)[2]。
目前，國鐵微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)均采用專用設(shè)備實現(xiàn)，不僅造價成本高，而且不易升級。冶金企業(yè)鐵路信號控制系統(tǒng)不僅要考慮采用通用設(shè)備降低改造成本,還要使用可靠性更高、安全性更好的冗余結(jié)構(gòu),2 x 2復(fù)核動態(tài)冗余結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)由聯(lián)鎖部分雙機(jī)熱備和冗余的西門子S7-400H PLC復(fù)核結(jié)構(gòu)，組成2x2復(fù)核動態(tài)冗余系統(tǒng)，微機(jī)聯(lián)鎖冗余結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 x 2復(fù)核動態(tài)冗余系統(tǒng)聯(lián)鎖運算層2臺聯(lián)鎖機(jī)組成雙機(jī)熱備，當(dāng)正常工作時,兩個聯(lián)鎖主機(jī)同時采集、控制信息，經(jīng)切換單元輸出。兩個主機(jī)均有故障自檢測功能,一旦工作聯(lián)鎖主機(jī)檢測出故障立即發(fā)出切換命令，使熱備聯(lián)鎖主機(jī)工作，并使原工作主機(jī)停止工作進(jìn)行修理;若是熱備聯(lián)鎖主機(jī)檢測出故障，則自動停止工作進(jìn)行修理[3]。
PLC采用西門子S7-417H系列冗余式可編程序控制器，可實現(xiàn)無擾切換,用于微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的復(fù)核驅(qū)動層,對聯(lián)鎖運算層運算結(jié)果復(fù)核判斷，一致后輸出。
聯(lián)鎖運算層接收到操作工作站的操作命令后進(jìn)行聯(lián)鎖運算,PLC復(fù)核運算層檢驗聯(lián)鎖運算層的運算結(jié)構(gòu),一致后輸岀。同時PLC復(fù)核運算層將現(xiàn)場的狀態(tài)信息通過運算傳給聯(lián)鎖運算層，若狀態(tài)信息經(jīng)聯(lián)鎖機(jī)判斷為錯誤信息，則輸出報警信息。
由于2x2復(fù)核動態(tài)冗余結(jié)構(gòu)的聯(lián)鎖運算層和PLC復(fù)核驅(qū)動層的2套程序使用不同的編程語言、不同的算法、不同的運算變量、不同的技術(shù)條件、不同的物理空間、不同的硬件、軟件平臺，從而有效地解決了因系統(tǒng)硬件故障或軟件出錯而帶來的系統(tǒng)安全性問題。
5通信技術(shù)
確定PLC與計算機(jī)采用西門子OPC標(biāo)準(zhǔn)通信,解決聯(lián)鎖軟件與OPC接口的問題，微機(jī)聯(lián)鎖通信網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。
(1) 系統(tǒng)聯(lián)鎖運算層采用TCP / IP協(xié)議組成局域網(wǎng)，具有良好的兼容性，滿足微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的要求。
(2)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用OPC作為底層通信控制平臺,OPC是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，西門子系列產(chǎn)品與OPC兩者具有良好的兼容性。
(3) 系統(tǒng)的復(fù)核驅(qū)動層采用西門子S7-400系列產(chǎn)品，采用PROFIBUS協(xié)議進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備級控制，形成了基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。
通過與國鐵鐵路的比較，分析得出了冶金企業(yè)鐵路信號控制系統(tǒng)的特殊需求，其中采用通用設(shè)備構(gòu)建冗余結(jié)構(gòu)、可擴(kuò)展性、防溜預(yù)警功能是冶金企業(yè)鐵路信號的特點，確定系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu).2x2復(fù)核動態(tài)冗余結(jié)構(gòu),并對系統(tǒng)冗余、層間通信2個關(guān)鍵問題進(jìn)行分析,建立了一個冶金企業(yè)鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖控制方案。
鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是針對目前冶金企業(yè)鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的系統(tǒng)安全、硬件結(jié)構(gòu)、軟件開放等諸多新要求,全部取消重力式安全性繼電器，以計算機(jī)控制技術(shù)、電子開關(guān)技術(shù)、通信技術(shù)為基礎(chǔ)，采用全新的設(shè)計思想開發(fā)的新一代鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。
冶金企業(yè)鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)改造成本低，占用面積小,站場修改便捷,符合現(xiàn)行國鐵標(biāo)準(zhǔn)及冶金企業(yè)鐵路運輸特點，能夠滿足冶金企業(yè)特殊環(huán)境、特殊聯(lián)鎖關(guān)系,能夠提高運輸效率和改善勞動強(qiáng)度,向智能化運輸系統(tǒng)邁進(jìn)。
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