周長義

*哈爾濱鐵路局科學技術(shù)研究所 高級工程師,161002 齊齊哈爾

哈爾濱鐵路局科學技術(shù)研究所于 20世紀 80年代初開始對計軸技術(shù)進行研究。2004年以后,為使計軸設(shè)備滿足鐵路運輸?shù)母甙踩枨?同時適用于國內(nèi)外各種線路狀況及運用場合,開發(fā)了采用計軸設(shè)備完成站內(nèi)和站間軌道區(qū)段占用或空閑檢查的綜合計軸系統(tǒng)——JWJ-C計軸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同的應(yīng)用場合,靈活方便地構(gòu)造出多種信號安全系統(tǒng),如區(qū)間檢查系統(tǒng)、站內(nèi)股道及道岔區(qū)段檢查系統(tǒng)及道口安全信號系統(tǒng)等,同時針對特殊環(huán)境,如高溫、高濕、強雷電和多鹽霧等極端應(yīng)用情況進行了特殊設(shè)計。

2008年,JWJ-C計軸系統(tǒng)在越南鐵路通信信號改造工程中中標,這是國產(chǎn)計軸設(shè)備第一次走出國門,邁向世界。

1 系統(tǒng)原理及主要功能

JWJ-C計軸系統(tǒng)采用計軸方式,完成軌道區(qū)段占用或空閑狀態(tài)檢查。該系統(tǒng)的工作原理是基于車列駛?cè)牒婉偝鲇嬢S點監(jiān)視的區(qū)段時所記錄軸數(shù)的比較結(jié)果,確定該區(qū)段的占用或空閑狀態(tài),其主要功能如下。

1.與 6502電氣集中結(jié)合,完成站內(nèi)軌道區(qū)段占用或空閑檢查,為電氣集中聯(lián)鎖提供進路和接近區(qū)段的占用或空閑信息。

2.與 64D繼電半自動閉塞設(shè)備結(jié)合,構(gòu)成計軸自動站間閉塞系統(tǒng),完成區(qū)間占用或空閑檢查,實現(xiàn)自動辦理閉塞、自動檢查區(qū)間、列車完整到達后閉塞自動復(fù)原等功能。

3.適應(yīng)各種行車作業(yè),如發(fā)車、接車、站內(nèi)調(diào)車、越站調(diào)車、區(qū)間中途折返列車等。

2 技術(shù)特點

1.根據(jù)鐵路信號站內(nèi)和區(qū)間的劃分原則,將站內(nèi)軌道區(qū)段檢查和區(qū)間檢查的功能分開,分別由站內(nèi)計軸運算器和區(qū)間計軸運算器獨立完成。

2.站內(nèi)計軸運算器采用 “1+1”雙套并聯(lián)工作方式,只要一套工作正常,系統(tǒng)就正常工作。

3.每臺站內(nèi)計軸運算器可檢測 24個站內(nèi)計軸點,監(jiān)控 15個站內(nèi)軌道區(qū)段。

4.室內(nèi)計軸主機與室外計軸點間采用 “點對點”的傳輸方式,以實現(xiàn)多點并行處理,提高系統(tǒng)的實時性。

5.二取二計軸運算器主控單元,保證系統(tǒng)的安全性。

6.二取二輪軸檢測器計數(shù)單元,保證計軸的準確性。

7.采用 CAN總線技術(shù),實現(xiàn)多節(jié)點 CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸,以及自動總線仲裁,使多計軸點信息的處理變得十分簡單。

8.采用硬件冗余的安全型區(qū)段軌道繼電器驅(qū)動電路(安全輸出),及條件采集電路(安全輸入)。

9.LED數(shù)碼管及發(fā)光二極管顯示組合,隨時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)及故障信息,為設(shè)備的現(xiàn)場安裝調(diào)試及維護提供直觀的窗口。

10.配套的計軸維護管理系統(tǒng),可實現(xiàn)對運行狀況的實時監(jiān)測及管理,準確定位各類故障,提高系統(tǒng)的運用質(zhì)量和維護效率。

11.通過 CAN總線接口或 RS-232接口,可與信號微機監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

3 總體構(gòu)成

JWJ-C計軸系統(tǒng)由設(shè)在軌道區(qū)段端口處的輪軸檢測器 (計軸點),設(shè)在信號機械室的計軸主機、計軸區(qū)段軌道繼電器組合、區(qū)段復(fù)零按鈕組合,以及傳輸電纜或光纜等組成。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖 1所示。

圖 1 系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖

1.輪軸檢測器。包括車輪傳感器、車輪電子檢測器、防雷單元和計軸軌道箱等。輪軸檢測器構(gòu)成及原理如圖 2所示。

2.計軸主機。包括站內(nèi)計軸運算器 A、B,上、下行區(qū)間計軸運算器,通信單元組合,調(diào)制解調(diào)器 (Modem),計軸主機電源和計軸 UPS電源等。

圖 2 輪軸檢測器構(gòu)成框圖

1臺計軸主機可檢測 24個站內(nèi)計軸點和 2個區(qū)間計軸點,監(jiān)控 15個站內(nèi)軌道區(qū)段和 2個區(qū)間軌道區(qū)段。通過 Modem經(jīng)電纜或光纜,實現(xiàn)與相鄰計軸主機的數(shù)據(jù)傳輸。計軸主機構(gòu)成見圖 3。

4 安全性設(shè)計

JWJ-C計軸系統(tǒng)的安全性設(shè)計包括硬件安全性設(shè)計、軟件安全性設(shè)計和故障檢測及故障導向安全設(shè)計等 3方面。

4.1 硬件安全性設(shè)計

1.總體設(shè)計遵循閉環(huán)工作原理。計軸系統(tǒng)的核心控制部分為計軸運算器,其與輪軸檢測器(計軸點)之間、與輸入/輸出接口之間,以及與相鄰計軸運算器之間,均設(shè)計成閉環(huán)系統(tǒng),只要閉環(huán)中的任何一部分發(fā)生故障,系統(tǒng)就能立即診斷出來,并采取措施以保證安全。

2.計軸運算器控制單元采用二取二結(jié)構(gòu)。計軸運算器的控制單元由 2個硬件相同、功能相同的主控單元電路 MCU構(gòu)成,2個MCU通過軟件同步信號以 “與”的方式同步工作,并且進行自檢和互檢,如果有一個發(fā)生故障或狀態(tài)異常,設(shè)備則表示占用且告警。

3.輪軸檢測器計數(shù)單元采用二取二結(jié)構(gòu)。輪軸檢測器的計數(shù)單元由 2個硬件相同、功能相同的計數(shù)單元電路 ACU構(gòu)成,2個ACU在輪軸脈沖的觸發(fā)下,以 “與”的方式同步工作,并且進行自檢和互檢,如果有一個發(fā)生故障或狀態(tài)異常,設(shè)備則表示占用且告警。

圖 3 計軸主機構(gòu)成框圖

4.動態(tài)驅(qū)動安全型輸出電路驅(qū)動區(qū)段軌道繼電器。用以表示所監(jiān)視區(qū)段占用或空閑狀態(tài)的最終執(zhí)行部件是安全型繼電器,該繼電器的驅(qū)動電路是由 AC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)構(gòu)造的,由 2個 MCU以“與”的方式共同控制的故障-安全電路。此外,MCU輸出動態(tài)信號需滿足以下條件:自檢及互檢正?！鷶?shù)據(jù)校驗正確→區(qū)段沒有軸數(shù)。

5.動態(tài)采集安全型輸入電路的輸入條件。條件采集電路是采用動態(tài)脈沖輸入形式的故障-安全電路,電路中任一部件的故障均能導致輸入脈沖的中斷。同時,計軸運算器的 2個主控單元 MCU各自對應(yīng)一個采集電路,以 “與”的方式?jīng)Q定輸入條件是否有效。

4.2 軟件安全性設(shè)計

由于計算機的故障導向是對稱的,屬非安全器件,所以依附于計算機硬件的軟件程序的故障導向也是非安全的。JWJ-C計軸系統(tǒng)作為由計算機控制的鐵路信號安全設(shè)備,其軟件的安全性通過以下措施得以保證。

1.區(qū)段軸數(shù)比較采用四取四原則。對于一個區(qū)段來說,計軸運算器每個主控單元 MCU都有4個軸數(shù)供比較,即區(qū)段入口處計軸點的軸 1、軸2和區(qū)段出口處計軸點的軸 1、軸 2。4個軸數(shù)必須一致,計軸運算器的主控單元才確定為區(qū)段空閑,否則就表示占用。

2.區(qū)段狀態(tài)輸出控制采用二取二原則。計軸運算器的 2個主控單元 MCU依據(jù)同步信號進行運算、比較和控制等,只有 2個 MCU同步且工作正常,四取四的運算結(jié)果完全一致,2個 MCU才能同時給出 “區(qū)段空閑”的命令,通過安全與門電路驅(qū)動區(qū)段軌道繼電器吸起。

3.采用冗余方式實現(xiàn)對重要信息的校驗。對重要信息,如軸數(shù)、標志、狀態(tài)等采用多區(qū)存儲,即利用RAM存儲區(qū),將信息以不同的碼型分別存入 2個區(qū)域。當使用這些信息時,采取 “二取二”的方法取出正確信息。若 “二取二”不成功,則表明信息故障已不可恢復(fù),設(shè)備導向安全。

4.多微控制器之間的信息傳輸除采用 CRC校驗外,對傳輸?shù)男畔⒋a采用特殊的編碼和重復(fù)發(fā)送冗余技術(shù) (ARQ)等措施,以保證信息在傳輸過程中的安全性。

4.3 故障檢測及故障導向安全設(shè)計

利用軟件對硬件設(shè)備進行狀態(tài)檢測,發(fā)現(xiàn)故障后即導向安全。故障檢測包括 CPU自檢、外圍芯片檢測、傳感系統(tǒng)檢測、傳輸通道檢測、繼電器檢測和復(fù)零按鈕檢測等。

5 可靠性設(shè)計

5.1 硬件可靠性設(shè)計

對于一個計算機控制系統(tǒng)而言,其硬件設(shè)備的可靠性是整個系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。構(gòu)成硬件設(shè)備的各種芯片、電子元器件、電路板、接插件等的質(zhì)量,電路設(shè)計的合理性,布線的合理性,工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計等均決定了系統(tǒng)的硬件質(zhì)量,任何一個出了問題,都會使系統(tǒng)可靠性降低,甚至產(chǎn)生不安全因素。JWJ-C計軸系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采取了以下措施。

1.采用工業(yè)級微控制器。資料表明,現(xiàn)在工業(yè)級微控制器的平均無故障時間可達 106～107h,也就是說,如果在額定的運行環(huán)境下,不計線路板、接插件等元器件的影響,可以連續(xù)運行幾十年不出現(xiàn)任何故障。

2.溫度敏感電路采用軍品級元器件。室外車輪電子檢測器的傳感電路是計軸系統(tǒng)最關(guān)鍵的電子電路,并要求在 -40℃～80℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)長期可靠工作。為滿足該要求,傳感電路的關(guān)鍵元器件,如模擬放大器、電感、電容等均采用軍品級。

3.電子電路采取降額設(shè)計。對于電路中使用的功率元器件,包括功率要求、電壓要求、電流要求等均采取降額設(shè)計,其降額系數(shù)小于 0.5,以確保電路低負荷運轉(zhuǎn)。

4.硬件的其他抗干擾措施:①集成電路全部采用 CMOS器件,以提高其抗擾度;②采用電磁兼容式機箱,以解決屏蔽、搭接、接地等問題;③采用光電隔離器件,將微控制器同外設(shè)全部隔離開;④對于 0.5 m以上長度的交流信號線,均采用雙絞線配線。

5.2 軟件可靠性設(shè)計

利用計算機實現(xiàn)對鐵路信號控制的設(shè)備,其整體可靠性需要由硬件和軟件 2部分共同保證。在系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)選定之后,硬件本身對系統(tǒng)可靠性貢獻就被決定了。然而,利用軟件容錯技術(shù),還可以將可靠性進一步提高。JWJ-C計軸系統(tǒng)采取以下軟件容錯技術(shù)。

1.功能循環(huán)設(shè)置。對在整個程序執(zhí)行過程中不會改變的微控制器內(nèi)部控制寄存器設(shè)定,如中斷優(yōu)先級設(shè)定、開中斷、輸入輸出口功能定義等進行功能設(shè)定冗余,即將有關(guān)的設(shè)定指令放在主程序循環(huán)體中,這樣,即使干擾已造成功能設(shè)置的改變,但在主程序的下一循環(huán)執(zhí)行過程中馬上就能得到糾正。

2.指令冗余。在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令之后插入 2條 N0P指令,可保護其后的指令不被拆散?；蛘哒f,某指令前如果插入 2條 NOP指令,則這條指令就不會被前面沖下來的失控程序拆散,并將被完整執(zhí)行,從而使程序走上正軌。

3.軟件陷阱。所謂軟件陷阱,就是一條引導指令,強行將捕獲的程序引向一個指定的地址,在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。軟件陷阱安排在下列 3種地方:①未使用的中斷向量區(qū);②未使用的大片 ROM區(qū);③程序的斷裂點。

4.程序運行軟件監(jiān)視。在軟件的主程序和中斷程序中分別建立程序流程軟監(jiān)視器,當程序沒有按照預(yù)定流向運行時,程序流程軟監(jiān)視器就會及時發(fā)現(xiàn)并引導程序執(zhí)行硬復(fù)位。

5.程序運行硬件監(jiān)視。當程序彈飛到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中,而且程序運行軟件監(jiān)視器也失效時,系統(tǒng)將完全癱瘓。解決這個問題的方法就是設(shè)立程序運行硬件監(jiān)視器 (Watch dog)。本系統(tǒng)的每個微控制器均設(shè)有 Watch dog。

5.3 站內(nèi)計軸運算器采用 “1+1”雙套冗余設(shè)計

上面闡述的計軸系統(tǒng)可靠性和安全性設(shè)計是基于單套系統(tǒng)考慮的。然而,在完成站內(nèi)軌道區(qū)段檢查時,一套計軸運算器最多要檢測 24個計軸點15個軌道區(qū)段,一旦計軸運算器發(fā)生故障,將導致全部軌道區(qū)段呈 “占用”狀態(tài),極大地影響運輸效率。因此,JWJ-C計軸系統(tǒng)的站內(nèi)計軸運算器采用 “1+1”雙套冗余方案,其主要特點如下。

1.2套計軸運算器各自獨立工作 (并聯(lián)),只要一套工作正常,系統(tǒng)就正常工作。

2.2套計軸運算器以 “或”的方式驅(qū)動區(qū)段軌道繼電器 GJ,只要有一套送出 GJ的工作電源,GJ就吸起。只有 2套計軸運算器均未送出 GJ的工作電源時,GJ才落下。

3.當 2套計軸運算器中一套正常工作,而另一套在故障修復(fù)后,可通過讀取計軸點信息正常后,在線投入正常運行。

4.2套計軸運算器各設(shè)有 1個故障繼電器,通過讀取故障繼電器的狀態(tài),可獲取計軸運算器故障信息,并及時通知設(shè)備維修人員維修。

6 結(jié)束語

2006年 6月至今,為全面檢驗 JWJ-C計軸系統(tǒng)對軌道區(qū)段占用或空閑的檢查功能,以及在高溫、高濕、強雷電等環(huán)境條件下的各項性能,在南寧鐵路局扶綏站全站,及扶綏至渠黎站間進行了全面試驗。系統(tǒng)能正確反映列車走行時軌道區(qū)段占用與空閑的實際情況,工作穩(wěn)定。

2007年至今,JWJ-C計軸系統(tǒng)分別在北京鐵路局石家莊電務(wù)段管內(nèi),山西省陽泉市貴石溝—冠山廟站、五礦及蔭營站累計安裝運用了 14個區(qū)段、28個計軸點,有效解決了軌道電路分路不良及軌道衡區(qū)段無法加裝連續(xù)式軌道電路等問題,應(yīng)用效果良好。

[1］ 趙陽,謝玉瓊.JZ1-H型微機計軸設(shè)備在單線自動閉塞區(qū)段的應(yīng)用[J].鐵道通信信號,2009(4):45-46.

[2］ 張仲偉,穆勇.計軸自動站間閉塞電路方案探討[J].鐵道通信信號,2009(11):15-16.

[3］ 周明才,許錦江.計軸自動站間閉塞與 64D繼電半自動閉塞結(jié)合電路的改進[J].鐵道通信信號,2009(12):38-39.