基于PLC+MCGS Pro的计算机联锁终端仿真系统设计

戴乾军，董红生，余升亮，张 迪

(1.兰州工业学院 电气工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050)

随着轨道交通的大力发展，车站计算机联锁控制系统的作用日益突出[1-3]，加强轨道交通信号与控制专业学生掌握计算机联锁技术的实践应用训练显得尤为重要。但鉴于轨道交通行业的运维特点，学生计算机联锁系统的实习项目无法全部在铁路现场完成，实习效果受到较大制约。开发车站计算机联锁仿真系统对推进实践教学改革、发挥专业实践平台建设、提升实验室建设与人才培养的契合度、不断加快推进为社会培养适应轨道交通快速发展的专业化专门人才培养路径具有重要意义。

本文给出基于PLC+MCGS Pro的系统设计方法，以《计算机联锁技术条件》为设计依据，以PLC为核心控制单元[4]，以昆仑通态MCGS Pro为组态软件，针对实际站场进行联锁终端的设计，实现了满足基本的进路选排和锁闭、进路取消和进路人解、区段故障解锁等功能的设计要求。相比于使用纯计算机语言开发的车站计算机联锁终端[5-7]，本文方法在执行逻辑运算上具有简单、灵活、可靠等诸多优势。

1 系统结构

计算机联锁仿真系统结构如图1所示。其中以IPC+HMI为人机交互层，通过IPC进行联锁程序编写和联锁终端的站场元素组态，最终通过HMI显示站场信息和发出联锁控制命令。PLC做为联锁运算和输入输出层，PLC的LAN1和LAN2分别以Ethernet方式连接IPC和HMI。室外设备的状态通过板卡获得，借助PRPFIBUS方式进行下位机与室外设备层的通信。

图1 实践教学平台系统结构

本文以内蒙古境内的额济纳站的站场结构为设计目标。在设计信号平面布置图和编制车站联锁表的基础上，PLC选择SIMENS S7-200 SMART(SR40)，具有可靠性和安全性高，编程简单、灵活等优点，同时由于它是“整体式+积木式”的结构，可自由扩展数字量输入和输出模块实现对计算机联锁终端的始、终端按钮、信号机、道岔和轨道区段等元素的表征和一一映射。编程软件为STEP Micro/WIN SMART V2.4。MCGS Pro作为一款HMI开发软件，具有全中文、可视化、面向窗口的界面开发等诸多优点。触摸屏为昆仑通态TPC7021Ex(尺寸：1 024×600)。

2 联锁逻辑关系实现

MCGS Pro组态完成的额济纳计算机联锁终端如图2所示，此站特点为正线单线双向站场结构，区间站间闭塞制式。计算机联锁逻辑关系实现如图3所示。

图2 额济纳站计算机联锁终端

图3 联锁逻辑关系实现流程

以下行临河方面到4G接车为例进行程序设计举例。原则上，在按下始端按钮和终端按钮后，系统可自动检查相应道岔、信号机和股道区段的状态，若满足“三点检查”条件则系统自动显示进路选排成功。实际进路选排顺序如图4所示。

图4 进路选排顺序

对应的联锁如表1所示，联锁逻辑设计过程为：

表1 下行4G接车联锁

1)PLC程序与MCGS Pro组态变量关联中：输入信号为始端按钮XLA和终端按钮X4LA；输出信号为信号机X(UU)；道岔3/5、7/9、11、15，(13)；轨道区段5DG、<7-9>7DG、13DG、4G。

2)S7-200 SMART PLC的16DI/24DO不能满足站场输入输出需求。可扩展直流输入模块EM221(8×DC 24V)，通过PLC的开关代替站场的按钮动作。扩展交流输出模块EM222(8×继电器)，输出用以直接操纵室外设备。

3)PLC编程语言选择梯形图，直观灵活。将XLA赋以软元件I0.0，X4LA赋以软元件I0.4。鉴于MCGS Pro在变量关联中不能与PLC的输入软元件I进行绑定，所以将I0.0和I4.0分别转为中间变量XLA：M0.0和X4LA：M4.0。

4)将敌对进路作为整个进路选排的先决条件映射PLC的软元件Q，将其常闭触点串联到程序中。D7、D15、S5分别赋以D7：Q4.0、D15：Q4.1和X4：Q4.2。

5)轨道区段映射PLC的软元件Q。分别将5DG赋以Q3.4，<7-9>7DG赋以Q3.5，13DG赋以Q3.6，4G赋以Q3.7。

程序设计中进路选排顺序如图4所示。依据联锁软件设计过程，站场结构和进路选排的顺序，实现的上行4G接车进路程序如图5所示。

图5 下行4G接车进路对应程序段

3 联锁组态终端实现

3.1 工程创建与设备组态

启动MCGS Pro新建工程，在工程设置中选择TPC7021Ex/Ew(1024×600)进行HMI的配置。在工作台中有首先选择“用户窗口”进行设备动画组态。在动画组态窗口中选择“查看”中的“绘图工具箱”结合信号平面布置图的绘制依据完成站场所有元素的组态。

3.2 设备通道建立

站场组态完成，在弹出的工作台中选择“设备窗口” 选择“通用TCPIP父设备0--[通用TCP/IP设备]”和“设备0--[西门子_Smart200]”并双击进入设备编辑窗口增加设备通道，将STEP Micro/WIN SMART V2.4软件中下行4G接车的PLC程序的中间继电器M和输出软元件Q与组态界面中的按钮、信号机、道岔和轨道区段按照联锁逻辑对应添加和连接，如表2所示，其中通道处理不用设置。

表2 上位机设备通道地址

3.3 系统连接与显示

在联机测试中，先将STEP Micro/WIN SMART V2.4中的程序下载到PLC并处于“RUN”模式。其次选择MCGS Pro中标题栏的“工具”中的“下载工程”，再次在“下载配置”设置参数,如表3所示。配置完成选择“工程下载”及“启动运行”如图6所示。

图6 下载配置

表3 参数配置

如图7所示，通过测试用例和联锁逻辑关系验证了系统功能的正确性。

图7 下行4G接车进路联锁终端

4 结语

本文对基于PLC+MCGS Pro的计算机联锁终端进行了设计，充分结合车站信号、计算机和控制技术，实现了完整的工业控制网络的实践平台。实践平台紧密联系实际站场的联锁操作，对于提高学生的学习主动性，培养学生学习车站计算机联锁系统的工作原理、联锁控制逻辑、铁路信号系统的开发方法及系统操作及不断丰富专业实践教学内容和教学模式具有积极意义。