基于CAN总线的全电子计算机联锁系统设计

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摘 要： 目前我国铁路普遍使用6502电气集中联锁设备和计算机联锁系统设备，计算机联锁系统虽然引进了计算机技术和网络技术，但是继电器执行电路却不能完全取消，这就成了计算机联锁系统向智能化和信息化发展的重要制约因素。全电子计算机联锁技术已经逐渐被提出和设计，本文简单阐述了CAN总线在全电子计算机联锁系统技术中的应用情况，希望我国铁路车站联锁设备能够迈向更高、更先进台阶。
关键词：CNA  计算机联锁系统
中图分类号：TP273 文献标识码：A      文章编号：1003-9082（2016）01-0001-01
全电子计算机联锁系统是在传统基于继电器作为执行控制电路的计算机联锁系统的基础上发展而来的，系统采用智能的全电子执行单元代替执行继电器，既能避免继电器的触点粘连与机械结构容易卡死的问题，又解决了计算机联锁系统设备既需要维护计算机系统又要定期检修继电器的重复作业问题，具有良好的发展前景。由于全电子计算机联锁系统要采集铁路车站现场信号机、转辙机和轨道电路等大量信号设备的状态信息并且对这些信息的实时性要求也很高，所以采用FCS（Fieldbus Control System，FCS）控制系统，利用现场总线组成分布式智能控制和采集系统。
CAN是控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）的简称，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，是由德国BOSCH公司首先研发生产的一种现场总线，它因为具有高的可靠性和良好的错误监测能力而在工业自动化、船舶、医疗设备和工业设备等多个方面得到了广泛的运用。典型的分散式控制系统由现场设备、接口、计算机设备以及通信设备组成，能够满足过程控制的需要，被誉为是自动化领域的计算机局域网。因为CAN总线具有通信率高、可靠性强、连接方便、性价比高等诸多优势，因此全电子计算机联锁系统采用了CAN总线为现场总线，实现分散的铁路信号现场设备智能化控制和网络化连接，能够实现联锁功能集中，执行设备分散的管理模式，同时可以使设备的故障进一步达到分散、透明，以便于铁路车站站场的改造和重建重组。
一、基于CAN总线的全电子计算机联锁系统总体设计
执行单元与联锁机之间采用两路相同的CAN总线全双工通信接口，联锁机可以通过CAN总线实时访问任何一个执行模块，两路通道中的任意一个通道损坏，模块将处于停止执行命令状态。
1.采用高可靠性的工业控制计算机和智能通信板组成联锁机，以实现联锁功能，完成联锁逻辑运算，进行信号设备状态的采集与控制，与监控机交换信息。联锁机与执行单元之间采用现场总线，形成分布控制方式，能够较大的提升控制效果，而且丰富了传输的控制信息。
2.控显机即控制台，能够从联锁机获得设备信息，实时全面真实的反映铁路车站现场的各种信号设备及其状态，车站值班员在控制台上操纵进路，控制现场信号设备。
3.维修监测机与执行单元单独组网，使用同一个模块地址，采用现场总线技术、智能化的采集单元技术和计算机网络通信技术实施监测并记录信号设备的瞬间运行状态并放映车站值班员的操作信息，能够提高铁路电务部门的维护水平和维修效率，保证运输生产的正常进行。
4.执行单元使基于CAN总线的智能执行单元，按照闭环控制、抗干扰防护、硬软件双重校和、控制电路双断等安全技术进行产品设计，符合故障-安全原则，采用控制、监督、监测一体化和双CPU“二取二”工作模式，严格执行联锁机指令，并把现场信息上传给联锁机，通过监测通道向维修监测机提供道岔电流、道岔动作时间等数据。
二、系统硬件设计
全电子计算机联锁系统采用智能化的设备，设备控制的智能化是车站信号联锁控制系统的一个重要技术特点。智能化设备能够处理、识别和控制各种信息，智能的转辙机、信号机和轨道电路可以在接收现场总线传输的控制命令，同时在执行命令时对命令的信息学属性和设备当前状态进行分析判断，以保证设备的安全和命令的执行。
基于信息技术的智能化和网络化的全电子计算机联锁系统，可以实现对现场信号设备的安全控制，同时可以向调度指挥系统和调度集中系统提供列车运行的进程信息，以实现安全控制。系统采用现场总线之后，相比传统的通信系统而言，可以从现场得到的信息量变大了，但是传输信息的电缆数量却减少了，这就要求在提升电缆信息传输能力的同时尽可能的在现场信号设备处就地处理信息，减少现场与联锁机之间的信息传输。从另一个角度上来说，使用现场总线的本质就是信息的现场处理。要对信息进行现场处理，就要减少传输线路上的信息往返，因此在网络设计和系统组态时要以此为原则，这样也可以改善系统的响应时间。
三、系统软件设计
完成CAN通信的重要步骤是CAN控制器的初始化，CAN初始化的主要工作是设置CAN通信参数，包括CAN寄存器读子程序、CAN寄存器写子程序和CAN总线初始化子程序，使其达到理想的通信要求。需要进行初始化的寄存器主要包括总线定时寄存器、接收代码寄存器、屏蔽寄存器、输出控制寄存器和控制寄存器等。CAN总线通信的目的是将全电子执行模块的相关信息传输给联锁上位机或者接收联锁上位机下达的控制命令，并将控制命令传输给MCU进行处理。CAN通信协议采用CAN本身具有的数据链路层功能，使用短信包的方式进行信息的发送和接收，这种方式系统响应时间短，抗干扰能力强等特点。信息周期循环的传输，联锁机是主站，每个一定时间就呼叫各个执行单元模块一次，全电子执行单元模块是从站，只有被主站呼叫之后才能将应答数据发送出去，如果通信时间超时就会使输出导向安全侧，保证系统符合故障-安全原则。
四、总结
本文主要阐述了CAN总线在全电子计算机联锁系统中的信息数字化传输，将全电子计算机联锁系统设备的控制功能分散到现场，将联锁功能集中到室内，提出信号设备逐渐向智能化方向发展，将执行控制功能进一步向铁路车站站场信号设备的顶端分散。系统使用无触点式电力电子开关作为执行单元的主要设备取消了计算机联锁系统中的安全型继电器，采用可靠的冗余与纠错方式，初步尝试自检测纠错手段，能够有效的解决故障安全问题，力图使用智能设备分散信息传输总量，提高信息传输能力，增强系统的可靠性。
参考文献
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