CN108001483A - 一种安全型电子驱动架构 - Google Patents

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钟珅
杨建华
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李晶晶
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Abstract

本发明涉及一种安全型电子驱动架构，属于轨道交通技术领域；电子驱动单元，用于接收计算机联锁相关驱动命令，驱动外部信号机设备或道岔设备，并采集信号机设备或道岔设备相关状态信息，将采集到的相关状态信息发送至计算机联锁系统，从而实现信号的正常开放、关闭，道岔的单独操纵、锁闭和解锁。本发明通过电子驱动单元与计算机联锁系统之间的配合，从而实现了列车进路和调车进路的选、排、锁闭和解锁功能。

Description

一种安全型电子驱动架构
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种安全型电子驱动架构。
背景技术
现有技术一般采用复杂继电器电路实现控制逻辑进而控制室外设备(转辙机、信号机等)，一般需要设置若干个继电器架放置大量的继电器，占用大量空间。随着技术的进步，传统的继电电路已经难以满足实际应用的需求。主要存在以下不足：(1)控制方式不够灵活，逻辑关系复杂。(2)采用大量的继电器，系统占用空间大，增加系统故障点，维修工作量大。(3)维修过程中容易造成人为故障。(4)无自检功能，施工过程中易存在工程隐患。
为了顺应轨道交通的发展趋势，现有继电器构成执行电路的升级换代是大势所趋。综合运用现代计算机技术，高效实时的网络通信手段，高可靠性的微电子器件，研究并设计具有智能化全电子驱动单元，并与现代计算机联锁共同构成的安全型电子驱动单元，是今后发展方向。
故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种安全型电子驱动架构，从而提升系统的安全性能。
为了解决现有技术的问题，本发明的技术方案如下：
一种安全型电子驱动架构，包括计算机联锁系统、全电子驱动单元以及外部执行设备，其中，
所述全电子驱动单元通过网络接入所述计算机联锁系统，用于接收计算机联锁驱动命令并对该命令进行解析后发出驱动信号驱动所述外部执行设备，以及采集所述外部执行设备状态信息并反馈至计算机联锁系统；
所述全电子驱动单元与所述外部执行设备之间采用I/O接口通讯；
所述全电子驱动单元至少包括第一网络接口设备(1)、第二网络接口设备(2)、第一电源供电设备(3)、第二电源供电设备(4)、冗余切换设备(5)、第一控制单元(6)、第二控制单元(7)、第一执行机构(8)、第二执行机构(9)和继电器驱动单元(10)，其中，
所述第一网络接口设备(1)和第二网络接口设备(2)互为热备冗余，用于与计算机联锁系统通信，接收计算机联锁驱动命令以及将采集到的外部执行设备状态发送至计算机联锁系统；
所述第一电源供电设备(3)和第二电源供电设备(4)互为冗余电源，用于系统供电；
所述冗余切换设备(5)，用于切换冗余电源；
所述第一控制单元(6)和第二控制单元(7)均包括微处理器MCU，并构成冗余MCU，用于解析接收的计算机联锁驱动命令并发出驱动信号给所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)，以及将所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)采集到的外部执行设备状态信息发送至所述第一网络接口设备(1)和第二网络接口设备(2)；
所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)互为冗余结构，用于接收驱动信号并驱动所述继电器驱动单元(10)执行驱动命令以及采集外部执行设备状态并发送给所述第一控制单元(6)和第二控制单元(7)；
所述继电器驱动单元(10)用于实现驱动命令的执行以及外部执行设备状态的反馈。
优选地，所述外部执行设备至少包括转辙机和信号机，所述转辙机用于转换锁闭道岔尖轨或心轨，以及监督联锁区内道岔尖轨或心轨的位置和状态；
所述信号机，用于显示运行信号以指引列车运行。
优选地，所述计算机联锁系统通过骨干网与所述全电子驱动单元连接，用于发送计算机联锁驱动命令实现列车进路和调车控制。
优选地，所述全电子驱动单元与所述外部执行设备之间采用I/O接口为继电器干接点接口。
优选地，所述继电器驱动单元(10)采用安全继电器，所述安全继电器具有强制导向接点结构。
优选地，所述第一电源供电设备(3)、第二电源供电设备(4)和冗余切换设备(5)组成电源冗余系统，任一路电源因故障损坏时所述冗余切换设备(5)能够切换另一路电源为系统提供供电。
优选地，所述第一控制单元(6)/第二控制单元(7)与所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)之间采用本地总线通信，所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)包括总线驱动芯片。
优选地，所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)对于驱动继电器线圈的输出信号采用二取二驱动方式，两个相互独立的执行机构分别接收驱动命令，并只有同时输出时才能驱动继电器线圈。
优选地，所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)均包括FPGA，并对于采集外部执行设备状态信息采用二取二采集方式，两个相互独立的执行机构同时采集外部执行设备状态信息。
优选地，所述全电子驱动单元采用双网冗余通讯，当外部任一路网络因故障损坏时能够通过另一路网络与计算机联锁系统进行通讯。
与现有技术相比，本发明通过采用集成化的全电子驱动单元替代传统继电器控制电路，通过MCU实现逻辑控制，仅需少量继电器驱动外部执行设备，具有以下优势：
(1)节省布置空间，其为传统继电式计算机联锁设备所占空间的1/20。
(2)系统结构紧凑。全电子驱动单元带有电压检测，电流检测功能，不必再像传统继电式计算机联锁设备那样——外挂各类电压、电流传感器。
(3)提升计算机联锁系统安全性。全电子驱动单元采用2取2系统架构，使系统更加安全。
(4)现场维修简易化。维修人员不必在组合架之间去寻找故障点，全电子驱动单元可以将故障定位到单板级。
(5)方便计算机联锁系统扩展。
(6)采用网络通信方式，可以分布式布置全电子驱动单元。
附图说明
图1是本发明实施例的系统架构示意图。
图2是本发明实施例的全电子驱动单元的架构原理图。
标号说明：第一网络接口设备(1)、第二网络接口设备(2)、第一电源供电设备(3)、第二电源供电设备(4)、冗余切换设备(5)、第一控制单元(6)、第二控制单元(7)、第一执行机构(8)、第二执行机构(9)、继电器驱动单元(10)。
具体实施方式
以下结合具体实施例来说明本发明，下列实施例仅用于说明本发明的技术方案，并不限定本发明的保护范围。
参见图1，所示为本发明系统的架构示意图，包括计算机联锁系统、全电子驱动单元以及外部执行设备，其中，
全电子驱动单元通过网络接入计算机联锁系统，用于接收计算机联锁驱动命令并对该命令进行解析后发出驱动信号驱动外部执行设备(信号机、转辙机等设备)，以及采集外部执行设备状态信息并反馈至计算机联锁系统。
计算机联锁系统，与电子驱动单元连接，用于实现列车进路和调车进路的选、排、锁闭和解锁，引导进路的控制、非进路调车控制、延续进路控制以及站间联系等功能。
外部执行设备至少包括以下设备：
1)转辙机，是道岔控制系统的外部执行设备，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。
2)信号机，是铁路及城市轨道交通的轨旁基础设备，以地面信号为主体信号的铁路信号系统，司机必须按照信号机的显示运行。
全电子驱动单元与外部执行设备交互信息至少包括：信号机点灯，信号机状态信息采集；道岔驱动，道岔状态信息采集；与计算机联锁系统交互的信息包括：信号机状态信息，道岔状态信息等。
本发明中，全电子驱动单元与外部执行设备之间采用I/O接口通讯；由于采用I/O接口直接驱动外部执行设备，从而极大提高了系统的可靠性。现有技术通常采用总线式数据通信接口(比如RS485接口)与外部执行设备，然后总线式接口在数据通信过程中存在误码率、丢包等问题，导致数据出错，从而导致列车在实际运行中出现安全问题。申请人在研究中发现，这是导致现有系统无法通过更高级别的安全等级认证(SIL4)的重要原因之一，本发明采用I/O接口直接驱动外部执行设备完美解决了上述技术问题。
作为优选，全电子驱动单元与外部执行设备之间采用I/O接口为继电器干接点接口，所用继电器为安全继电器，安全继电器具有强制导向接点结构，即使发生接点粘连现象时也能确保安全；同时通过继电器提高对外驱动能力。
参见图2，所示为本发明中全电子驱动单元的架构原理图，全电子驱动单元至少包括第一网络接口设备(1)、第二网络接口设备(2)、第一电源供电设备(3)、第二电源供电设备(4)、冗余切换设备(5)、第一控制单元(6)、第二控制单元(7)、第一执行机构(8)、第二执行机构(9)和继电器驱动单元(10)，其中，
第一网络接口设备(1)和第二网络接口设备(2)互为热备冗余，用于与计算机联锁系统通信，接收计算机联锁驱动命令以及将采集到的外部执行设备状态发送至计算机联锁系统；
第一电源供电设备(3)和第二电源供电设备(4)互为冗余电源，用于系统供电；
冗余切换设备(5)，用于切换冗余电源；
第一控制单元(6)和第二控制单元(7)均包括微处理器MCU，并构成冗余MCU，用于解析接收的计算机联锁驱动命令并发出驱动信号给第一执行机构(8)和第二执行机构(9)，以及将第一执行机构(8)和第二执行机构(9)采集到的外部执行设备状态信息发送至第一网络接口设备(1)和第二网络接口设备(2)；
第一执行机构(8)和第二执行机构(9)均包括FPGA，并互为冗余结构，用于接收驱动信号并驱动继电器驱动单元(10)执行驱动命令以及采集外部执行设备状态并发送给第一控制单元(6)和第二控制单元(7)；
继电器驱动单元(10)用于实现驱动命令的执行以及外部执行设备状态的反馈。
进一步的，第一网络接口设备(1)，用于与计算机联锁通信，通信接口为标准以太网接口，用于接收计算机联锁驱动命令，并将采集到的外部执行设备状态发送至计算机联锁；
其中，第二网络接口设备(2)功能与第一网络接口设备(1)相同，为热备冗余关系；
第一电源供电设备(3)，用于系统单板供电，外部电源选择为220V交流转24V直流高可靠性电源模块；
其中，第二电源供电设备(4)功能与第一电源供电设备(3)相同，为冗余电源供电方案；
冗余切换设备(5)，用于冗余电源切换，若出现电源故障无法正常工作，通过电源切换实现系统供电；
第一控制单元(6)为微处理器MCU，主要功能是实现与联锁通信，接收联锁发送的驱动命令，将采集到的外部执行设备状态发送至联锁机。在MCU内部主要实现功能是解析以太网通信数据，校验时间戳，校验序列号，校验CRC，确保数据的正确性。选择安全型的MCU确保系统的可靠性，第一控制单元(6)选择的MCU为通过SIL3安全认证的安全MCU；
第二控制单元(7)为微处理器MCU，主要功能与设备6相同。其中第一控制单元(6)与第二控制单元(7)构成系统冗余MCU，确保系统在任一MCU故障时仍能正常工作，保证系统的可靠性；
第一执行机构(8)为执行机构FPGA，主要功能是实现驱动命令的执行，外部执行设备状态的采集。执行机构FPGA接收MCU发送的驱动命令，将驱动命令转换成相应的驱动信号发送至安全与门。执行机构FPGA采集外部执行设备状态，主要采集信号机驱动电流，信号机驱动电压，转辙机驱动电流，转辙机驱动电压。执行机构FPGA采用本地总线的通讯方式与MCU通信，并增加数据校验，确保数据的可靠性。选择安全型的FPGA作为执行机构确保系统的可靠性，第一执行机构(8)选择的FPGA为通过SIL3安全认证的安全FPGA；
第二执行机构(9)为执行机构FPGA，主要功能与第一执行机构(8)相同。第一执行机构(8)与第二执行机构(9)构成电子驱动单元采集设备，共同采集外部执行设备的状态信息，将状态信息发送至计算机联锁。
继电器驱动单元(10)为继电器单元，主要功能是实现驱动命令的执行与外部执行设备状态的反馈。为确保系统的可靠性，全电子驱动单元选用的继电器均为安全继电器，安全继电器具有强制导向接点结构，即使发生接点粘连现象时也能确保安全。
第一网络接口设备(1)与第二网络接口设备(2)还包括以太网变压器，以太网变压器主要是将标准的以太网信号进行阻抗匹配与波形修复后通过变压器隔离转换成电子驱动单元内部的标准电平信号。
第一网络接口设备(1)与第二网络接口设备(2)还包括以太网物理层PHY芯片，以太网物理层PHY芯片主要定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码形式，并向数据链路层设备提供标准接口。
第一控制单元(6)与设备7还包括FLASH与SDRAM，其中FLASH用于存储MCU相关状态数据，确保系统故障时能将故障信息保存，方便后续维护。SDRAM用于存储系统正常工作时的相关数据，提高系统的可用性。
第一控制单元(6)与第二控制单元(7)还包括EEPROM，用于存储系统的相关配置数据。
第一执行机构(8)与第二执行机构(9)还包括总线驱动芯片，MCU与执行单元FPGA通信采用本地总线方式，拥有数据总线与地址总线，选用总线驱动芯片提高总线驱动能力，总线驱动芯片能防止信号电平意外反转或信号电平转换。
继电器驱动单元(10)还包括安全与门单元，安全与门主要原理是采用变压器隔离驱动，驱动信号采用频率为100KHZ的方波。采用变压器隔离后输出24V直流电源用于驱动安全继电器，安全与门提供一路输出回检信号用于检测安全与门的输出状态，构成闭环控制提高系统的可靠性。
继电器驱动单元(10)还包括安全继电器，使用一组常开接点与一组常闭接点用于采集继电器状态，并将继电器状态反馈至计算机联锁。
本实施例更为具体的是：第一电源供电设备(3)、第二电源供电设备(4)与冗余切换设备(5)组成电子驱动单元的电源冗余系统，防止外部任一电源损坏情况发生，导致系统无法工作。第一网络接口设备(1)、第二网络接口设备(2)与计算机联锁通过以太网通信，通信数据包括驱动命令、外部执行设备采集状态数据、电子驱动单元单板状态。第一执行机构(8)、第二执行机构(9)主要执行MCU发送的驱动命令，并将采集到的外部执行设备状态送至MCU，外部执行设备状态主要包括：继电器闭合与开启状态，安全与门驱动状态，外部执行设备驱动电压状态，外部执行设备驱动电流状态；第一控制单元(6)、第二控制单元(7)与第一执行机构(8)、第二执行机构(9)通信采用本地总线方式，与第一网络接口设备(1)、第二网络接口设备(2)通信采用MII标准以太网接口，连接MCU的MAC层与PHY层。设备10用于执行计算机联锁发送的驱动命令，从而实现信号的正常开放、关闭，道岔的单独操纵、锁闭和解锁。
作为优选，全电子驱动单元采集继电器接点状态，继电器接点通过电流，继电器接点电压；并将采集到的数据发送至计算机联锁系统。
作为优选，全电子驱动单元采用独立的双电源供电，当外部某一路电源因故障损坏时电子驱动单元也可以通过另一路电源供电，保持正常工作。
作为优选，全电子驱动单元驱动继电器励磁线圈的输出信号采用二取二驱动方式，两个相互独立的执行机构分别接收驱动命令，只有同时输出时才能驱动继电器励磁线圈。
作为优选，全电子驱动单元采集室外设备状态信息，其采用二取二采集方式，两个相互独立的执行机构同时采集室外设备状态信息，并发送至计算机联锁进行逻辑运算。
作为优选，全电子驱动单元采用双网冗余通讯，当外部某一路网络因故障损坏时电子驱动单元也可以通过另一路网络与计算机联锁通讯。
作为优选，全电子驱动单元与计算机联锁系统之间采用网络通信，通信协议选用安全通信协议，确保通信数据的实时性与可靠性。
作为优选，全电子驱动单元与计算机联锁系统之间的安全通信协议至少包含以下功能：采用时间戳，以确保数据的实时性；采用序列号，以减少网络通信中的错帧、丢帧；采用数据校验确保数据的正确性。
本发明的技术方案还实现以下功能：
1)电子驱动单元为执行机构，从计算机联锁获取相关驱动命令并执行；
2)电子驱动单元采集继电器接点开启或闭合状态，采集继电器接点电流，采集继电器接点电压，并将采集后的数据通过网络传输至计算机联锁；
3)电子驱动单元驱动继电器采用二取二方式，两个相互独立的执行机构处理计算机联锁发送的网络数据，只有网络数据解析正确且同时执行时继电器才会被驱动，提高系统的可靠性。；
4)电子驱动单元采集室外设备状态信息时采用二取二采集方式，两个相互独立的执行机构同时采集室外设备状态信息，并将采集到的数据通过网络传输至计算机联锁，提高系统的可靠性。
5)电子驱动单元电源采用冗余供电方式，网络采用双网冗余通讯方式，提高系统的可用性。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种安全型电子驱动架构，其特征在于，包括计算机联锁系统、全电子驱动单元以及外部执行设备，其中，
所述全电子驱动单元通过网络接入所述计算机联锁系统，用于接收计算机联锁驱动命令并对该命令进行解析后发出驱动信号驱动所述外部执行设备，以及采集所述外部执行设备状态信息并反馈至计算机联锁系统；
所述全电子驱动单元与所述外部执行设备之间采用I/O接口通讯；
所述全电子驱动单元至少包括第一网络接口设备(1)、第二网络接口设备(2)、第一电源供电设备(3)、第二电源供电设备(4)、冗余切换设备(5)、第一控制单元(6)、第二控制单元(7)、第一执行机构(8)、第二执行机构(9)和继电器驱动单元(10)，其中，
所述第一网络接口设备(1)和第二网络接口设备(2)互为热备冗余，用于与计算机联锁系统通信，接收计算机联锁驱动命令以及将采集到的外部执行设备状态发送至计算机联锁系统；
所述第一电源供电设备(3)和第二电源供电设备(4)互为冗余电源，用于系统供电；
所述冗余切换设备(5)，用于切换冗余电源；
所述第一控制单元(6)和第二控制单元(7)均包括微处理器MCU，并构成冗余MCU，用于解析接收的计算机联锁驱动命令并发出驱动信号给所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)，以及将所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)采集到的外部执行设备状态信息发送至所述第一网络接口设备(1)和第二网络接口设备(2)；
所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)互为冗余结构，用于接收驱动信号并驱动所述继电器驱动单元(10)执行驱动命令以及采集外部执行设备状态并发送给所述第一控制单元(6)和第二控制单元(7)；
所述继电器驱动单元(10)用于实现驱动命令的执行以及外部执行设备状态的反馈。
2.根据权利要求1所述的安全型电子驱动架构，其特征在于，所述外部执行设备至少包括转辙机和信号机，所述转辙机用于转换锁闭道岔尖轨或心轨，以及监督联锁区内道岔尖轨或心轨的位置和状态；
所述信号机，用于显示运行信号以指引列车运行。
3.根据权利要求1所述的安全型电子驱动架构，其特征在于，所述计算机联锁系统通过骨干网与所述全电子驱动单元连接，用于发送计算机联锁驱动命令实现列车进路和调车控制。
4.根据权利要求1所述的安全型电子驱动架构，其特征在于，所述全电子驱动单元与所述外部执行设备之间采用I/O接口为继电器干接点接口。
5.根据权利要求1所述的安全型电子驱动架构，其特征在于，所述继电器驱动单元(10)采用安全继电器，所述安全继电器具有强制导向接点结构。
6.根据权利要求1所述的安全型电子驱动架构，其特征在于，所述第一电源供电设备(3)、第二电源供电设备(4)和冗余切换设备(5)组成电源冗余系统，任一路电源因故障损坏时所述冗余切换设备(5)能够切换另一路电源为系统提供供电。
7.根据权利要求1所述的安全型电子驱动架构，其特征在于，所述第一控制单元(6)、第二控制单元(7)与所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)之间采用本地总线通信，所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)包括总线驱动芯片。
8.根据权利要求1所述的安全型电子驱动架构，其特征在于，所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)均包括FPGA，并对于驱动继电器线圈的输出信号采用二取二驱动方式，两个相互独立的执行机构分别接收驱动命令，并只有同时输出时才能驱动继电器线圈。
9.根据权利要求1所述的安全型电子驱动架构，其特征在于，所述第一执行机构(8)和第二执行机构(9)对于采集外部执行设备状态信息采用二取二采集方式，两个相互独立的执行机构同时采集外部执行设备状态信息。
10.根据权利要求1所述的安全型电子驱动架构，其特征在于，所述全电子驱动单元采用双网冗余通讯，当外部任一路网络因故障损坏时能够通过另一路网络与计算机联锁系统进行通讯。
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