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ZN-IONB型 车站联锁实训系统实验室建设方案
一、概述
信号系统设备是保证行车安全的重要技术措施，联锁是信号设备与相关因素的制约关系，即信号、道岔、进路之间的相互制约的关系。该系统应满足城市轨道交通、传统大铁路及厂矿企业自备线路的转动道岔、锁闭进路、开放信号等功能，确保锁闭后进路内的道岔不能转动、敌对信号不能开放等行车安全的要求；工作可靠；符合故障-安全原则；采用高可靠性的软、硬件和冗余结构。
信号系统设备是保证行车安全的重要技术措施，联锁是信号设备与相关因素的制约关系，即信号、道岔、进路之间的相互制约的关系。该系统应满足城市轨道交通、传统大铁路及厂矿企业自备线路的转动道岔、锁闭进路、开放信号等功能，确保锁闭后进路内的道岔不能转动、敌对信号不能开放等行车安全的要求；工作可靠；符合故障-安全原则；采用高可靠性的软、硬件和冗余结构。
二、实训系统组成
实训系统包括基于安全计算机平台的车站计算机联锁系统和车站计算机联锁网络化仿真系统。前者为实物系统；后者采用软件仿真方式利用计算机网络形成教师机-学员机模式，适合大规模教学实训；每台学员机相当于一套车站联锁系统，系统可供多个学员独立实训。
用户可根据需要分别定制，或者同时采购；真实计算机联锁系统可以与仿真网络教师机联动。
1.真实计算机联锁系统
1.真实计算机联锁系统
2. 计算机联锁仿真网络化教学实训系统
三、计算机联锁系统介绍
1. 实物计算机联锁系统
1.1 概述
二乘二取二计算机联锁系统采用二乘二取二冗余结构设计，由两系组成，即 I 系和 II 系；每系内部为二取二结构，两系之间互为热备，备系故障不影响主系的运行；主系故障后，备系自动上升成主系；故障系在故障解除并重新与主系同步后成为备机，进入热备状态。两系主备切换
过程不会引起输入输出的误动、错误、和其它异常现象，可以实现无缝切换。每系 MP 内含两个时钟、存储器、接口等外设独立的 CPU；两个 CPU 通过传输通道实时同步，对输入数据、命令进行二取二表决，数据不一致则导向安全侧；同时对两个 CPU 的运算结果进行比较，比较一致才能形成有效输出。
系统中所有涉及到安全信息处理和传输的部件均按照“故障-安全”原则设计，单点故障不会影响系统的正常使用。
1.1.1 系统特点
采用我公司专用的计算机来处理联锁逻辑，符合铁道部 TB/T3027-2002《计算机联锁技
术条件》；
联锁逻辑处理部分由两系组成，分为 I 系和 II 系，两系为热备工作方式；
IO 执行部分采用模块化设计，维护方便，占地面积小。
采用容错设计、避错、失效自检、故障屏蔽等多种技术实现系统故障自检与诊断；
运用多层次和全面的自检，如上电自检、运行自检等方式保证系统安全可靠运行；
采用多位编码等信息冗余技术保障信息运算、存储安全；
安全数据采用 CRC 校验、拼帧、二取二比较等方式保证数据的安全传输；
IO 模块具有故障指示功能，支持热插拔，拆卸方便；
采用专用网络实现系统内部各子系统之间信息交换；
专用的辅助设计软件绘制计算机联锁站场图形，并自动生成站场联锁程序文件和数据文件，可靠性高，设计周期短。
1.2 实物联锁系统功能
1.2.1 基本功能
实现进路上道岔、信号机和轨道电路的正确联锁，联锁关系符合《计算机联锁技术条件》（中华人民共和国铁道行业标准 TB/T·3072-2002），也能满足站场的特殊要求，实现特殊联锁关系。
1.2.2 监测功能
可以实时地、不间断地测量和监督车站信号设备工作状态，监测和报告系统故障。
1.2.3 自诊断功能
系统具有高度的自诊断覆盖率，通过回读、软件双编码等技术实现板级故障自诊断。
1.2.4 接口功能
提供了与 CBTC 其它子系统的通信接口，实现系统间的信息安全和可靠传递。
1.2.5 故障设置模拟功能
该信号（计算机联锁）实物教学系统的一大特点就是不但能够通过现场实物的真实组合给学生机参观者以直观的信号系统及设备的概念，同时更重要的是可以让学生或参观者可以动手实验及操作。
通过学生或参观者的实际动手操作，以方便可以培养锻炼其实际现场设备操作方法及原理，同时可以通过故障模拟盘来设置各种现场常见设备故障，学生可以自己设置，自己排除，也可以由教师设置学生排除以考核其学习成果及对现场设备的操控能力。
本系统通过人工操作设置在继电器组合架第六层上的故障模拟盘或实物设备，可以实现以下故障设置：
模拟设置信号机灯丝转换报警（该功能设置在信号机电灯机构灯座上）；
模拟设置信号机灯丝断丝报警；（断开灯丝报警开关设置断丝故障）
模拟设置信号机灯丝熔丝报警；（该功能设置在信号机电灯机构灯座上，信号机灯丝转换则熔丝报警）
模拟轨道电路故障；（断开轨道电路开关设置轨道电路故障）
模拟转辙机定位表示故障；（断开定位表示开关设置道岔定位故障）
模拟转辙机反位表示故障；（断开反位表示开关设置道岔反位故障）
模拟转辙机定位操作故障；（断开驱动零层配线或道岔断路开关设置道岔定操故障）
模拟转辙机反位操作故障；（断开驱动零层配线或道岔断路开关设置道岔反操故障）
模拟道岔四开故障；（断开道岔定位、反位模拟开关）
模拟转辙无法转动到位故障。（在转辙机上模拟）
道岔控制电路室外混线故障处理作业实验；
道岔控制电路电缆开路故障处理作业实验；
道岔表示电路室外混线故障处理作业实验；
电动转辙设备巡视作业实训；
电动转辙设备检修作业实训；
测试电动转辙机各项指标实验；
处理电动转辙机室外开路故障实验；
日常检查信号机，外部、内部检查、清扫实训；
信号机点灯电路室外混线处理作业实验；
信号机点灯电路室外线缆开路处理作业实验；
连接杆日常检查、调整、清扫实训
更换道岔密贴调整杆实训；
1.2.6 计算机联锁软件系统功能
（1）进路控制
该联锁系统对进路的控制分为以下几种情况：
a)预先锁闭
b)接近锁闭
c)正常解锁
一次性解锁
逐段解锁
d)人工取消进路
针对预先锁闭的操作
针对接近锁闭的操作
e）故障解锁
以下几种情况会导致道岔区段无法正常解锁，而需要实行故障解锁操作：
轨道电路故障（或计轴设备故障）
转辙机电源故障
检修时导致设备故障
f）引导进路锁闭和引导总锁闭
该计算机联锁系统对进路控制的原则是：
能够按照 ATS 系统发送的排列进路指令，或根据联锁上位机发出的进路的始端、终端办理进路，其中应当满足本地控制和人工控制优先的要求以*大限度的保证运营安全、畅通。进路锁闭后相关的道岔区段随之锁闭，此时道岔不能转动，本咽喉和迎面敌对进路的信号也被锁闭在关闭状态。
在线路正常情况下进路的解锁方式可以根据现场的需求进行设置，可以实现整条进路待列车完全出清后一次性解锁，也可以实现进路道岔区段逐段解锁以提高咽喉通过效率。
正常情况下联锁系统应该执行 ATS 系统发送的排列进路指令，当需要人工介入运营计划调整时可以根据当前线路状态采取相应的人工解锁操作，联锁系统应保证此时不发生危机行车安全的情况发生。
在引导进路锁闭和引导总锁闭及故障解锁操作被执行时需要根据不同的故障情况加以不同程度的人为措施来保证解锁操作的后果不至危机行车安全。
（2）道岔控制
本联锁系统的道岔控制功能主要分为以下几种:
a) 道岔监测
全天候监控所有道岔的状态，并将道岔的状态信息反馈到人机会话层。如果发生列车挤岔等不正常情况，以优先级较高的通讯方式通知 ATS 系统以及现场监控调度系统。
b) 道岔锁闭
系统在进行恰当判断后，如道岔位置不对需先转换道岔至正确位置，然后发出锁定道岔指令，对道岔进行锁闭操作，并返回一个锁闭成功或锁闭失败的状态信息给 ATS 系统以及现场监控调度系统。系统还支持对每组道岔进行单独锁闭及操作功能。
c) 错开道岔动作时间
只有当道岔区段空闲、道岔不在指定位置并未被锁定时，才能对道岔进行转换操作。为了消除操作多组道岔时瞬间电流过大的现象，联锁安全计算机需要控制错开转辙机转动时间。
d)道岔解锁
d)道岔解锁
系统在进行恰当判断后，发出道岔解锁指令，对道岔进行解锁操作，并返回一个解锁成功或解锁失败的状态信息给 ATS 系统以及现场监控调度系统。系统还支持对每组道岔进行单独解锁操作功能。
道岔锁闭防止转辙机在岔区（在联锁区域内）被列车占用时动作，并保证列车进路的方向正确。
道岔能够单独操控或随进路的排列而自动选动，单操应优先于进路自动选动。
联锁道岔可以实现进路锁闭、区段锁闭和人工锁闭。
道岔转换完毕时，能自动切断道岔动作电源。道岔一经启动能转换到规定的位置。当因故被阻，在规定时间（如 15s）内不能转换到规定位置时，能自动切断道岔启动电路，并有报警，道岔经操纵后能转回原位。
用于道岔转换的转辙机必须具备相应的功能：
转辙机解锁之前保持电气锁闭。只有当接近锁闭、延时锁闭、进路锁闭和区段锁闭解锁后，转辙机才能解锁；道岔转辙机的电机电路发生故障时，能自动切断道岔启动电路。
（3）信号控制
联锁根据当前进路状态控制地面信号机显示，或者将灯显信息传至车载机车信号显示设备。每条进路的防护信号机必须和道岔及进路状态建立联锁关系。
信号机的开放应检查红灯灯丝完好。信号机具有灯丝监督功能，信号机开放后必须不间断地检查灯丝良好状态。若灯泡故障，则自动关闭（经常以允许信号显示为定位的信号机，当允许信号灯灯泡故障时，信号机灭灯）。
不允许信号出现无显示或乱显示（即不符合规定的信号显示）。在组合灯光开放和关闭时，同时点灯或灭灯。
防护道岔的信号机关闭后，未经再次办理，不得重复开放。但当正线办理了自动进路后，能使该进路保持锁闭，信号机随着列车的运行自动变换显示。
1.3 实物联锁系统结构及组成
本系统充分利用计算机、通信技术，对信号联锁逻辑关系集中判断，实现车站信号、道岔、进路的控制。
整个系统有联锁计算机（同时实现上下位机功能）、驱动采集接口机柜、现场设备等几部分组成。
信号联锁控制系统分三层结构：联锁计算机（包括操作表示机和逻辑处理机）、驱动采集接口机箱、现场信号设备。
联锁计算机完成完成人机对话，图形界面显示、通过驱采机传来的现场信号设备数据完成联锁逻辑运算；
驱动采集机：完成信号机、转辙机的驱动输出控制，轨道电路状态、信号机状态、道岔状态的表示采集；
继电器组合架等机架设备：安全继电器组合架，上位机柜、专用驱动采集接口箱等组成；
现场信号设备：信号机，转辙机，轨道电路；
现场信号设备：信号机，转辙机，轨道电路；
1.4 实物联锁系统工作原理
信号微机联锁系统结合硬件和软件开发平台实现系统的联锁控制。该系统功能是由软件编程实现的。
计算机联锁目标站场就对应实物设备，对于计算机联锁而言，完全工作在一个与现场相仿的环境里。专用的接口柜会把组合架上继电器的动作转换为信号机、道岔转辙机等的驱动命令。
5 1.5 实物系统组成部件介绍
1 1.5.1 计算机联锁机柜
尺寸：1800mm×600 mm×800 mm）、含组合内部配线；采用新型断路器、零层端子和侧面端子采用 WAGO 端子；
2 1.5.2
上位机为双机热备系统，双机操作均有效，按照地铁现场管理规则，使用时应该人工封锁备机的键盘、鼠标。联锁逻辑处理机为二乘二取二安全计算机平台。
联锁机子系统是实现联锁系统主要逻辑控制功能的核心设备，必须满足故障安全设计原则，在硬件设计及软件设计上都要保证系统的高安全性和高可靠性。
联锁机的总体结构如下图所示
联锁机的总体结构如下图所示
其中的二乘二取二安全计算机平台结构，能够实现设备双系冗余，数据同步及表决，故障自关断等功能。当处于主用状态的一系发生故障时，系统会自动切换到热备状态的另外一系，整个过程是无缝切换，对联锁系统的运行不会造成影响。
二乘二取二安全计算机平台对外提供 2 个独立的 100M 以太网通道，每个通道提供一个 RJ45的电气接口。系统使用这两个通道作为对外的数据传输通道。
二乘二取二安全计算机平台两个通信控制器各提供多路对外接口。
联锁机应用软件运行于二乘二取二安全计算机平台之上，通过与 IO 控制单元通信，能够完成对信号机、道岔、轨道电路及计轴等轨旁设备的状态采集和驱动，通过与其他子系统通信获得地面、车载的相应信息，通过逻辑处理实现如下联锁功能：
联锁机为双系配置，可以人工在倒机板通过开关选择 I 系或 II 系单独工作，缺省模式为双系同时工作。双系工作时如其中一系发生故障，系统自动导向另一系，工作原理符合二乘二取二安全计算机平台原理。模式选择开关位三位式纽子开关。
1.5.2 信号设备故障模拟操作盘
模拟信号机、道岔、轨道区段的故障设置及恢复。通过特殊电路设计可以实现计算机联锁与计轴系统的联动或者隔离；可以根据教学要求实现单纯联锁教学或者信号系统集成教学，提高使用效率和灵活性。
3 1.5.3 组合架及继电器
（1）组合架规格：尺寸 2000*600*800（mm）；封闭式机柜（带前后门）、含组合及组合内部配线；采用新型断路器（只含底板）、零层端子和侧面端
子采用 WAGO 端子。
（2）组合架功能：放置安全继电器，整流继电器 7 个，无极继电器 21个，偏极继电器 2 个，道岔继电器 1 个，道岔表示单元 1 个；同时实现电缆分线架的功能。
（3）继电器具体技术参数：
继电器的适用环境为:环境温度：-40℃～+60℃；相对湿度：不大于 90%（温度+25℃）；
气 压：不低于 70 kＰa(相当于海拔高度 3000m 以下)；d) 振动: 振频不大于 15Hz，振幅不大于 0.45mm；
机械特性：
接点组数：2QH、2QJ、2H；
鉴别销号码：15、55；
接点间隙：普通接点不小于 1.3 mm；
加强接点不小于 2.5 mm；
托片间隙：普通接点不小于 0.35 mm；
加强接点 0.1 mm～0.3 mm；
普通接点压力：动合接点不小于 150 mN；动断接点不小于 150 mN；加强接点压力：动合接点不小于 400 mN；动断接点不小于 300 mN；
接点齐度误差：普通接点与普通接点间及普通接点与加强接点间不大于 0.2 mm，加强接点与加强接点间不大于 0.1 mm。电气特性(+20℃时)：
线圈电阻：线圈单独使用，使用 1、2、3、4；
4 1.5.4 信号机
铁路信号是向有关行车和调车作业人员发出的指示和命令，信号机是铁路信号的一个重要的组成部分。本实训系统信号机可以指示道岔开通的位置。
本系统采用 ZNB-XH 型 LED 铝塑合金铁路信号机，它采用 LED 发光二极管作为新光源，取代信号白炽灯泡，是传统铁路信号灯的更新换代产品。
矮型铝合金三显示色灯信号机构（黄、绿、红)3 个，矮型铝合金两显示色灯信号机构（黄、红)1 个，信号点灯单元 8 个，灯泡 8 个。
联锁根据当前进路状态控制地面信号机显示，或者将灯显信息传至车载机车信号显示设备。
每条进路的防护信号机必须和道岔及进路状态建立联锁关系。
信号机的开放应检查红灯灯丝完好。信号机具有灯丝监督功能，信号机开放后必须不间断地检查灯丝良好状态。若灯泡故障，则自动关闭（经常以允许信号显示为定位的信号机，当允许信号灯灯泡故障时，信号机灭灯）。
不允许信号出现无显示或乱显示（即不符合规定的信号显示）。在组合灯光开放和关闭时，同时点灯或灭灯。
防护道岔的信号机关闭后，未经再次办理，不得重复开放。但当正线办理了自动进路后，能使该进路保持锁闭，信号机随着列车的运行自动变换显示。
5 1.5.5 S700K 型电动转辙机
转辙机道岔控制系统的执行机构。用于转换锁闭道岔尖轨或心轨，表示监督联锁区内道岔尖轨或心轨的位置和状态。
基本功能：具有道岔转换器、锁闭器和监督表示器的功能。本实验台采用实物 S700K 型转辙机。S700K 电动转辙机采用的是德国西门子技术，由于内部结构简单，其保养维修工作量很少，大多数保养工作在短时间内即可完成，而且工作可靠。S700K 电动转辙机已在国内大铁路的提速道岔上广泛使用。
分动外锁闭安装装置能可靠地锁闭道岔尖轨和基本轨，确保 4mm 不锁闭功能。在锁闭状态下能牢牢地把尖轨与基本轨锁闭在一起，即使连杆折断，外锁闭仍在起着锁闭作用。同时，外锁闭能隔离列车通过时对转换设备的振动和冲击，提高转换设备的使用寿命和可靠性。
1.5.6 道岔
道岔是一种使机车车辆从一股道道转入另一股道的线路连接设备，通常在车站、编组站大量铺设。每一组道岔由转辙器、
岔心、两根护轨和岔枕组成，由长柄以杠杆原理拨动两根活动轨道，使车辆轮缘依开通方向驶入预定进路。
12kg/m 钢轨轨道制作，1：2 全部钢制基本轨，由基本轨、尖轨、跟部结构、轨撑、撤前垫板、滑床板、辙后垫板、顶铁、连接杆、拉杆、轨枕等组成
1.5.7 轨道小车
轨道车按照 1:2 方式仿真转向架，轮轨采用金属材质满足配合计轴检测功能；车载安装应答器 BTM 及天线设备，满足列车压轨检测及应答器教学实训功能，同时可以实现简单的 ATP 功能。
1.5.8 无线 AP
基于 EN50159 及 IEEE1474 标准，使用高性能，集成化的无线传输模块，能够满足低功耗，高实时性的车地信息传输
1.5.9 计轴系统
（1）计轴系统原理
计轴基本工作原理：如图 1 所示。基于列车（车辆）驶入和驶出计轴点所监视的区段时所记录轴数的比较结果，以此确定该区段的占用或空闲状态。当列车从所检查区段的 A 端进入，车轮驶入计轴传感器（A）作用区域时，向计数单元传送轴脉冲，计数单元开始计数，并判别运行方向，确
定对轴数是累加计数还是递减计数。这时 B 计数结果为零，轨道板根据轴数信息，经比较不一致后，发出区段占用信息，控制该区段轨道继电器落下。轨道板通过 CAN 总线使显示单元显示区段轴数。当列车通过 B 端，计轴传感器（B）计数，经轨道板比较使显示单元显示区段轴数减少，当 A、B轴数一致时，轨道板输出区段空闲信息，控制该区段轨道继电器吸起，显示单元显示为零。
（2）计轴设备
1.5.10 应答器系统
（1）概述
采用高可靠性固定信息存储芯片，仿真真实固定应答器及可变应答器的功能及外形，能够永久存储人工编制的固定报文，可以在特殊手持报文读写装置来改变其中的报文内容。报文编制符合 EN SUBSET036 标准及 TB 要求。
（2） 功能
提供无源应答器
能方便位置等信息的读写
能实现与读卡器的通信
（3）下图为根据城轨信号原则结合信号道岔系统设计的点式应答器布置方案：
1.6 现场设备布置及功能
现场设备位置初步设计如上图布置，届时可依据实验室现场环境及设备技术要求、数量做出相应调整。
针对该信号平面布置图，该系统可实现以下主要功能：
进路相关操作
故障设置操作
对 S1、X1、X2 信号机进行灯丝转换设置；
对 S1 信号机进行灯丝断丝模拟设置；
模拟计轴区段故障；
模拟转辙机定位表示故障；
模拟转辙机反位表示故障；
模拟转辙机定位操作故障；
模拟转辙机反位操作故障；
模拟道岔四开故障；
模拟转辙无法转动到位故障。（在转辙机上模拟）
7 1.7 计算机联锁系统在信号系统中的位置
LOW 计算机联锁系统属于分布式计算机控制系统，其特点是分散控制，集中信息管理。联锁系统在信号系统中的地位如图 1 所示。该系统主要组成部分如下：
操作表示计算机也称人机对话机或上位机
联锁计算机
驱动采集机
安全继电器接口电路
2. 计算机仿真联锁实训系统
1 2.1 系统软件设计特点
模块化设计，显示界面可以根据用户需求设计，核心联锁逻辑不会根据应用不同而改变，只需要根据现场设备情况配置数据即可。
系统的操作界面和现场相应厂家真实操作界面完全一致，在显示风格、操作步骤、逻辑关系判断等方面与现场实际操作系统一致，用户在实训系统中的操作与实际系统操作没有差异，模拟练习即日常生产所需。
软件功能可以仿真模拟市场上所有厂家的联锁设备。
2 2.2 系统软件组成
2.2.1 学员机软件（国铁模式，也可以选择地铁模式功能），功能如下：
站场示意图及信号设备的状态显示功能；
站场示意图可以在实施阶段按照用户要求进行调整。
有上电锁闭和上电解锁按钮
有道岔总定、总反、单锁、单解、岔封、岔解操作按钮
信号机点灯、灭灯
按钮封闭和按钮解封按钮，可进行有按钮的钮封、钮解操作功能
列车进路和调车进路的办理、取消、人解
延续进路的办理和延时自动解锁
咽喉引导总锁闭和取消
分路不良设置、显示和控制
模拟行车
办理改方、辅助接发车
显示提示信息
设置各种模拟现场设备动作的延时
道岔故障按钮的显示和操作
2.2.2 教师机软件（国铁模式，也可以选择地铁模式功能），功能如下：
平台通过专用管理软件可选择显示任意车站设备显示界面，同步显示学员机的操作过程，教师机可以记录学员机所有操作，可以实时在线人工判断学员机的操作正确与否；
通过本平台可设定车站设备日常常见各类故障，考察车务应急值守人员的应对操作情况；
故障设置内容主要包括：道岔发生挤岔、四开、失去表示情况的处理；分路不良发生时的处理；信号灯无法点灯灭灯；轨道电路故障导致红光带占用情况的处理；延续进路的坡道解锁；引导操作等。
在单站实训模式下，车站的各车场的集中联锁设备之间有结合电路,结合电路满足场间联络线上有接车进路信号机或无接车信号机的单向或双向运行要求，可以模拟邻站配合本机完成改方、区间辅助接发列车作业；
本平台在多站实训模式下，在教师机管理下可以实施分组实训，多机之间可以建立通信，用于控制各学员机，学员机与学员机之间联合完成改方、区间接发列车作业；
系统配置电务维修机软件，将学员实训操作记录下来，对操作内容进行判断分析，对出错的类型进行统计汇总，归结出日常实训中出错概率高的问题，在培训中集中重点进行讲解和训练；
如果系统配置 CTC 系统，则可以导入车站运行图列车信息，包括列车到发时刻、到发线运用；
