田爱军，李凡甲

（江苏省徐州技师学院，江苏徐州 221151）

0 引言

目前，在铁路运输中，计算机联锁已逐步替代 6502联锁成为主流[1-2]。但是，在铁路机务段内，由于列车行车速度相对较慢，对信号系统要求相对较低，且受投资和成本限制，很多地方仍采用人工手动扳动道岔的方式，导致效率低下且存在安全隐患。随着铁路客运量的日益增加，需要机务段进行整备作业的列车数量也随之增加。根据《铁路机务设备设计规范》4.0.13 规定：每天整备机车数量多于 80 台次的机务段，宜设道岔集中控制系统[3]。因此，在有限投资约束的前提下，研究低成本机务段道岔自动控制系统的意义凸显。本文设计了基于PLC 的低成本机务段道岔集中控制系统，能够满足机务段的自动化作业需求，大大提高作业效率。

图 1 道岔集中控制系统原理框图

1 道岔集中控制系统基本原理

如图 1 所示，道岔集中控制系统主要采用 PLC、工控机、安全性继电器驱动电路等技术实现进路、信号和道岔的联锁关系。实现的功能包括：进路的选排、取消、锁闭和解锁，信号的开放、保持、关闭。其中，PLC 为系统的控制核心，接收如下输入信号：

（1）操作员通过安装在工控机上的上位机软件进行的一些鼠标、键盘的输入信号；

（2）室外轨道电路或者计轴器监测、采集到的列车占用或出清信号；

（3）室内继电器输出的各种反馈信号；

（4）从铁路运输管理信息系统采集到的车次信号。

上述信号输入到 PLC 后，PLC 根据联锁逻辑进行运算，然后输出如下信号：

（1）输出至室内继电器，从而控制室外信号机的显示和道岔的转换；

（2）输出至上位机，从而在上位机中显示室内、室外各种信号设备的状态以及跟踪车次号，方便操作员监看和处理。

2 道岔集中控制系统硬件结构

根据系统对于安全性、稳定性的要求，上位机和PLC 均采用双机热备的方案。如图2 所示，道岔集中控制系统硬件结构分为 4 层。

图 2 道岔集中控制系统硬件结构

2.1 人机会话层

人机会话层包含主上位机和副上位机，主要作用是向系统输出控制命令，以及接收设备状态信息并显示。当主、副上位机均发生故障退服时，则启用备用操作面板进行应急操作，包括道岔的单独转换和锁闭，此时没有联锁的约束，所以应特别注意安全。

2.2 联锁运算层

联锁运算层为系统的核心，包括主、副 PLC。本层任务是对其输入信号进行联锁逻辑运算后，输出至室内、室外设备。

2.3 执行表示层

执行表示层包括继电接口柜和分线柜。其中，分线柜通过线缆连接室内、室外设备，同时方便进行设备检修。继电接口柜包括轨道柜和组合柜。轨道柜用于接收室外轨道电路是否被占用的信息，然后通过二元二位继电器给出表示，并传输给 PLC。组合柜包括信号组合和道岔组合，分别用于控制信号和道岔。

2.4 室外设备层

室外设备即为“三大件”，包括信号机、轨道电路和转辙机。其中，信号机的作用是受 PLC 输出的控制，允许或者禁止信号的显示，进行调车作业。轨道电路的作用是给出轨道被占用或者出清的表示。转辙机的作用是根据命令进行道岔的转换并给出表示。

3 道岔集中控制系统软件设计

3.1 系统软件总体框架

根据系统硬件结构，设计了系统软件的总体结构，包括上位机软件和 PLC 联锁软件 2 个部分。其中，上位机软件属于 HMI，采用西门子的上位机监控软件——WinCC 编程实现，设计要求 HMI 界面友好、易于操作，信息显示完整、全面，设备状态显示更新及时。具体实现功能如下：

（1）接受并响应操作员的输入操作，将其转换为命令并发送至 PLC 进行联锁逻辑运算；

（2）通过文字、按钮、图像、颜色等手段实时显示站场、设备状态；

（3）对操作员的输入以及 PLC 联锁软件的返回信息加以文字或者语音提示；

（4）记录系统的所有操作、报警记录；

（5）实现与其他系统的接口。

PLC 联锁软件用于实现联锁逻辑的运算，以铁路总公司《计算机联锁技术条件》为设计原则，属于安全相关软件[4]。因此，软件的安全性和可靠性要求很高，是整个软件设计中的重点，也是难点所在。软件的总体框架如图 3 所示。

图 3 道岔集中控制系统软件的总体框架

3.2 PLC 联锁软件的设计

为了将 PLC 联锁软件程序的各个部分有序地组织起来，使程序可读性强、便于调整和修改，采用了结构化的程序设计方法。软件将能实现特定功能的程序编制为通用指令块，以便被调用。在调用时，只需要修改相关参数即可。整个软件被分为以下多个模块：始端和终端按钮处理模块、选排进路和进路锁闭模块、道岔转换控制模块、信号关闭和开放保持模块、轨道电路光带控制模块、分段解锁进路模块、中途返回解锁模块等。模块以标准化站场为蓝本进行设计，具体到实际站场，会有地形、作业需求等方面的差别，可根据实际情况进行模块的增、删。软件通过 STEP7 开发而成，采用梯形图设计，其流程如图 4 所示。下面选取部分主要模块介绍其程序编制设计。

图 4 PLC 联锁软件设计流程

3.2.1 进路选排模块

（1）功能设计。该模块包括 4 个阶段：①根据操作员发出排列进路时选定的始端按钮和终端按钮，依照进路表，选出相应的进路；②确定所选进路的可用性；③征用所选进路中的信号设备；④如果进路可用，但有部分道岔不在进路所规定的正确位置，则驱动转辙机转动道岔到规定位置。

（2）选排条件。根据功能设计所述 4 个阶段得出选排条件如下：

第一阶段：无联锁条件。

第二阶段：要求信号机未被征用；信号机内进路区段和相邻的超限区段均空闲（排列调车进路时，最后一个无岔区段不要求空闲）、区段未被征用或锁闭；道岔未被征用、锁闭或者封锁、单锁在相反位置。

第三阶段：要求信号机敌对信号未开放，其他要求同第二阶段。

第四阶段：要求道岔所在区段空闲，如道岔未在规定时间内转换完毕并给出转换到位的表示，则认为道岔故障，给出故障的表示。

3.2.2 锁闭进路模块

（1）功能设计。排列进路成功后，对进路涉及的区段和道岔进行锁闭，再将其征用标志清除。

（2）锁闭条件。敌对信号关闭，区段未锁闭，超限区段未被占用；道岔未锁闭、未封锁且在正确的位置。

3.2.3 信号开放保持模块

（1）功能设计。对于已经开放的信号机，该模块会一直检查其保持开放的条件。有 2 种情况会导致信号机关闭：①正常情况，指列车驶入，区段被占用；②非正常情况，包括信号灯泡灯丝断丝、轨道电路红光带、道岔位置异常、道岔无表示等。

（2）开放保持条件。①正常情况：列车占用了进路的接近区段；列车越过了信号机；操作员执行了总取消、总人工解锁的操作；②非正常情况：区段被非正常占用或者解锁；道岔不在规定位置或者非正常解锁。

3.2.4 进路正常解锁模块

为提高作业效率，进路包含的轨道区段在列车或者车列通过后，按顺序依次解锁，即采用分段解锁方案。

（1）功能设计。在满足联锁软件要求的条件后，进路锁闭的设备会自动依次解锁，为后续进路的排列做好准备。

（2）解锁条件。要求信号机关闭，区段满足三点检查方式，道岔所在区段解锁。其中，三点检查方式是指接近区段已解除锁定，当前区段出清，离去区段被占用。

3.2.5 进路中途返回解锁模块

当车列进行转线作业时，车列未全部通过牵出进路就返回，导致进路无法正常解锁，所以需要中途返回解锁功能模块。该功能分 2 种情况：①车列根据折返信号机的显示进行折返，此时的解锁条件为车列已折返并出清了需解锁区段；②车列较长，需要为其办理由多条基本迁出进路组成的复合迁出进路。

（1）功能设计。在满足联锁软件要求的条件后，进行进路的正常解锁。

（2）解锁条件。第一种情况要求牵出进路中要有折返信号机，且该信号机之前曾经有开放记录；需解锁区段已经出清了所有车列。第二种情况要求进路空闲且接近区段被占用；牵出进路之前曾经有被占用的记录。

4 结论

PLC 在推动工业自动化的进程中，已广泛应用于各行各业，起到了重大作用。其设备简单，维护方便，性能稳定，综合性价比高[5]。对于行车速度要求不高的机务段而言，基于 PLC 设计的道岔集中控制系统性能完全满足要求，且该设计能够提高机务段的自动化控制水平，终结人工手动扳动道岔的低效率作业方式，值得大范围推广应用。

[1]高继祥. 铁路信号运营基础[M]. 北京：中国铁道出版社，1998.

[2]赵志熙. 计算机联锁系统技术[M]. 北京：中国铁道出版社，1999.

[3]殷勤. 股道自动化管理系统设计接口问题探讨[J]. 铁道标准设计，2008（5）：109-110.

[4]李达. 机车出入段安全系统的研究与实现[D]. 湖北武汉：武汉理工大学，2003.

[5]方亚非. 铁路车站计算机联锁系统的现状和发展趋势[J]. 铁路通信信号工程技术，2007，4（4）：7-10.