全电子模块化计算机联锁系统

蒙 浩

0 引言

计算机联锁系统是轨道交通的重要控制系统，早期基于传统继电器接口的计算机联锁系统存在配线复杂、占地空间大、安全性低、维护难度大等缺点[1]。为解决这些问题，基于新的电子技术研发的全电子联锁系统应运而生[2]。全电子联锁系统在传统计算机联锁系统的基础上，采用智能电子化的模块取代原有的采集驱动单元和大量继电器。由于避免了继电电路结构复杂，接线、焊点数量多导致抗干扰能力弱等问题，全电子联锁系统具有较高的稳定性和安全性，已经逐步成为轨道交通的主流控制系统。

1 传统计算机联锁系统与全电子联锁系统

1.1 传统计算机联锁系统

图1所示为计算机联锁系统，左图为传统计算机联锁系统，其主要部分包括人机对话、联锁运算、采驱模块、接口和现场设备。人机对话层的任务是进行人机交互，并通过联锁系统判断故障。联锁运算层主要进行状态信息和操作指令接收、控制指令输出和联锁逻辑运算。采驱模块利用采集电路实时获取组合架继电器的状态，驱动电路则负责驱动组合架继电器工作。通过接口配线，接口层实现采集电路及驱动电路与相应继电器连接。

图1 传统计算机联锁与全电子联锁系统

计算机联锁系统的技术核心是计算机控制，传统的计算机联锁系统需要使用继电器，计算机控制联锁电路时，继电器和联锁电路的连接、继电器内部的电路连接需要通过人工配线完成，存在较多接口和焊点，因此在工作中容易出现各种故障。同时，由于电路走线较为复杂，给维修带来了极大的难度。

1.2 全电子联锁系统

经过多年的发展，计算机联锁系统的软件、硬件已经非常成熟稳定，在轨道交通信号控制系统中已大量应用。为了避免早期通信技术、控制技术、电子技术的缺点，随着技术的发展，国外车站计算机联锁系统已开始逐步取消了继电器的接口控制方式，直接采用电子执行单元。通过图1左图和右图的对比可知，全电子联锁系统采用智能电子化的模块取代传统计算机联锁系统的继电器等采驱模块中的电器元件，从而避免了使用大量继电器和驱动采集单元结合电路，实现联锁设备直接对室外信号设备的控制、采集、监控。与传统继电器接口的计算机联锁系统相比，全电子联锁系统不仅配线简单、占地空间小，还具有便于维护的特点。

为保证轨道交通运输的安全与稳定，全电子联锁系统采用标准化设计，使用体积小、功能强的模块化电子单元，便于组网及远程管理和诊断，节省在线更换和系统维护的时间。

2 全电子联锁系统的构成与功能

2.1 全电子联锁系统的构成

全电子联锁系统采用模块化的电子元件，通过工业控制技术的应用，全面取消继电器的使用，控制轨道电路、信号机的电路由相应的功能模块取代。功能模块可实现热插拔，具有较为完善的自诊断功能，出现故障时，能够及时显示故障。该系统使用插接电缆连接机柜和分线柜，大幅降低了施工现场接线口的数量。全电子系统在维修过程中，针对发生故障的模块，若是硬件导致的故障，则可直接更换模块，方便维修。

软件构成方面，联锁软件可以采用模块化编程方式，将某个功能封装成一个函数，根据需要将程序的功能模块进行组装，模块之间通过变量值的传递实现信息通信。技术员可以根据现场的需要对联锁软件进行调试或重新组装功能模块，解决程序运行过程中存在的各种问题。同时用户可以利用辅助设计系统，输入必要的参数后自动生成联锁程序，同时产生相应的数据，大幅降低了人为失误。

2.2 全电子联锁系统的主要功能

全电子联锁系统的主要功能是保障列车行驶过程中信号机、道岔和轨道电路之间联锁的正确与稳定。主要功能包括：（1）设备正常时，正确完成列车进路的联锁功能；设备异常时，实现进路和总闭锁的引导。（2）办理调车进路时，可以一次性办理多条基本进路，也可以分段办理。（3）进行敌对关系、空闲区段检查时，确保岔道位置正确、不允许敌对进路同时开放信号。（4）信号关闭功能，包括正常和特殊的关闭，能够防止人工或自动进行信号重复开放。（5）进路解锁功能，不仅具备进路的中途返回、人工和自动解锁功能，还具备取消进路解锁功能。（6）单独操作道岔功能。

全电子联锁系统具有灵活多样的系统组态，包括人机会话层、联锁机和IO执行模块。各层之间使用通信网络进行信息交互，可以实现二乘二取二等联锁系统。该系统可以在不增加设备的情况下，监测室内和室外的设备工作状态及参数。系统具备较大的存储空间，能够记录并存储较长时间的监控信息（包括系统运行的数据、列车的作业办理、道岔和轨道电路等设备的状态等），可以根据存储的信息进行回放，有助于发生故障时的原因查找与分析。同时系统采用软件双编码或回读等手段，能够自动诊断故障原因及定位发生故障的模块。系统根据信号设备的具体状态和操作情况，通过网络建立远程联系，技术人员能够远程调用记录的信息，获得监测报告和系统故障分析报告等资料，实现远程系统维护与诊断。全电子联锁系统可以与调度系统进行通信，实现整个站场之间的信息连通与共享，达到多系统联动的目的。全电子联锁系统的输入和输出的IO模块包括两套电路，即采取二取二的模式，确保联锁系统发生局部故障时最大限度地保证设备安全运行，使故障最大限度地被弱化。

2.3 全电子联锁电子执行单元

以DS6-60e全电子联锁系统为例，其支持的执行模块包括信号机、道岔、通用输入/输出和轨道电路4种模块，如表1所示。

表1 DS6-60e系统的执行模块

2.4 全电子联锁信号机模块

信号机模块分为交流信号机模块（ASU）和直流信号机模块（DSU）。信号机模块成对安装于信号机机笼内，机笼推荐采用6U标准机笼。

机笼及模块规格推荐：每个机笼内最多可控制4对信号机模块，每对模块都有Ⅰ系和Ⅱ系，工作时区分为主备系；每对模块最多可控制4架信号机和8个灯位，同一信号机灯位原则上不允许跨模块配置，模块信号机灯位顺序须按实际情况从上到下排列。以ASU机笼为例，信号机模块机笼结构如图2所示。

图2 信号机模块正视网图

机笼背面安装了2块配置板，分为Ⅰ系和Ⅱ系，还安装有交流/直流信号机端子板及电源端子板。信号机模块机笼支持交流110 V和交流220 V供电，两种电源通用电源端子板上的驱动电接口（每个机笼配置两系驱动电源），分别为Ⅰ系的4个信号机模块板卡和Ⅱ系4个信号机模块板卡供电。机笼背面如图3所示。

图3 信号机模块背视网图

2.5 全电子联锁道岔模块

道岔模块分为交流道岔模块（APU）和直流道岔模块（DPU），道岔模块成对安装于道岔机笼内，机笼为19英寸6U标准机笼。道岔模块机笼结构与信号机模块机笼结构完全一致。

机笼及模块规格推荐：每个机笼内最多可安装4对转辙机模块，每对模块同信号机模块也为双系，工作时区分为主备系；每对模块可以控制2架交流转辙机或2组单机双动直流转辙机，单机双动或双机单动道岔原则上不允许跨模块配置。

2.6 全电子联锁通用输入输出模块

通用输入输出机笼内安装通用输出模块GOU和通用输入模块GIU，实现安全继电器直接控制和状态采集。通用输入、输出模块成对安装于通用输入输出机笼内，机笼推荐为19英寸6U标准机笼。

机笼及模块规格推荐：机笼内最大可以安装4对通用输入或输出模块，每对模块具备Ⅰ系和Ⅱ系，工作时区分为主备系，机笼中可以单独安装其中1种或同时安装2种模块；每对输出模块可以驱动24路安全继电器，每对输入模块可以采集24路信息。

2.7 全电子联锁轨道电路模块

轨道电路模块机笼内最大可以安装2对轨道电路接收模块，每对模块互为Ⅰ系和Ⅱ系，工作时双系并行工作，每对模块可以接收12路信号。

2.8 联锁逻辑部

全电子联锁60e系统的联锁逻辑部与60系统在板卡配置上有所区别，由2块以太网通信板代替了传统60系统的3块ARCNET通信接口板及本地IO远程通信接口板。联锁逻辑部由双系组成，工作方式为并行主从系统，根据开机顺序，首先投入运行的为主系，后投入的为从系。在运行中，从系与主系保持同步，如果其中一系发生故障，按故障程度不同降级为待机或退出运行，另一系自动升为主系，维持系统控制功能。

60e系统逻辑部的单系最小系统如图4所示，由5块板卡组成，分别为逻辑部电源板、逻辑部主板、双机通信接口板、以太网通信接口板1（负责与全电子执行模块的通信）、以太网通信板2（负责与控显机、监测机的通信）。60e应用于CBTC2.0系统后，正线一级设备集中站一般还需增加3块以太网板，分别负责与ZC/站间CI通信、与LEU通信、与VOBC通信。逻辑部结构如图4所示。

图4 DS6-60e逻辑部配置（CBTC2.0系统）

联锁逻辑部由Ⅰ系逻辑部机笼、Ⅱ系逻辑部机笼组成。机笼推荐使用标准6U机箱，机柜推荐使用19英寸机柜。机箱采用总线式结构，各模板通过底板总线连接通信，完成信息的采集。

3 全电子联锁机柜

3.1 一级设备集中站

一级设备集中站的DS6-60e计算机联锁系统硬件设备标准配置为3个及以上19英寸标准机柜，分别为综合柜、主机柜、模块柜。以上走线为例，机柜正面布局如图5所示。

图5 DS6-60e联锁系统机柜正面布置示意图（上走线）

机柜内模块配置：

（1）综合柜：控制显示A/B机、维护终端显示器、接口电源和逻辑电源。

（2）主机柜：逻辑部Ⅰ系和Ⅱ系、电子模块机笼、交换机。

（3）模块柜：电子模块机笼、逻辑电源、交换机。

3.2 二级设备集中站

二级设备集中站的作用是为了如需扩展一级设备集中站联锁设备的控制范围，可在二级设备集中站设置相应联锁设备。

与传统联锁不同，一级设备集中站与二级设备集中站IO采用远程通信单元交换控制命令，一级设备集中站具有一定的逻辑运算能力。全电子联锁二级设备集中站的联锁设备不具有逻辑运算能力，仅需执行一级设备集中站逻辑部下发的命令。

3.3 模块柜的电源配置

小型车站（无模块柜）电源推荐配置：逻辑电源（20 A）、接口电源（10 A）。中型车站（1个模块柜）电源配置：逻辑电源（40 A）、接口电源（10 A）。大型车站电源配置：逻辑电源（40 A）、接口电源（10 A）。各型车站电源模块均设置于综合柜。

4 全电子联锁系统的优缺点分析

全电子联锁系统具有以下优点：（1）自动化程度高，联锁设备自动执行相应的指令，从传统联锁系统的人工控制转向了自动化控制；系统能够自动监测故障并定位故障位置，维修人员可以直接更换相应的功能模块实现快速维修。（2）灵活方便、故障率低，联锁区采用模块化设计，可以根据站场布置灵活改变参数，每个功能模块体积小且结构简单，功能模块能够自行诊断故障，从而不影响其他模块的运行，保证整个系统的安全和稳定。（3）节省投资和工期，全电子联锁系统建立的基础是网络传输平台，具有远程操作能力，能够轻松实现区域联锁；进行了功能模块化设计，施工过程中减少了的焊接等操作，缩短了工期。

与传统的计算机联锁系统相比，全电子联锁系统具有显著优点，但存在以下缺点：质量控制不足，由于制造工艺存在不足，整体封装的功能化模块降低了透明度，需要保证模块具有较高的生产质量；执行稳定性不够，系统的执行未设置冗余，为提高稳定性，可以考虑使用实时在线的+1系统。

4.1 与传统联锁设备数量相比较

以某线正线车站为例，进行传统联锁与全电子联锁空间利用对比。该正线车站设备数量：信号机35架、转辙机25台、轨道区段54个。

（1）机柜数量：全电子联锁相比于传统联锁机柜数量减少9个，节省近60%。

（2）房间面积：全电子联锁相比于传统联锁房屋面积节省近30%。

4.2 零散设备控制

目前，城市轨道交通中使用全电子联锁设备后，对于计轴设备控制与采集、与站台门接口、紧急关闭按钮、扣车按钮、站台开关门按钮、人员防护开关等零散设备电路，仍需使用继电器接口电路进行室内外控制及信息采集。但重力型继电器体积大、质量重、安装空间要求大，不适应全电子联锁设备小型化、集成化要求。因此，根据全电子联锁通用输入输出模块安全应用条件、继电器安全原理旨在将控制零散电路的继电器小型化，选取小型化欧标安全继电器替代原重力型继电器。

5 结语

全电子计算机联锁系统通过采用功能化模块，避免了传统联锁系统大量使用继电器的弊端，具有自动化程度高、占地小、灵活方便、易于维护等优点。相关设备制造应提高制造工艺和执行稳定性，使全电子计算机联锁系统更加完善，从而提升工作稳定性和效率。