CN1332841C - 磁悬浮列车运行控制系统及其控制方法 - Google Patents

磁悬浮列车运行控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

磁悬浮列车运行控制系统(CMSC)，能够实现驾驶、保护和监视三大系统功能。硬件系统包括可编程逻辑控制器PLC及其现场总线部件，使用三种现场总线通信协议：MPI、DP和FDL进行列车运行数据通信。在软件部分实现了驾驶操作、运行控制、网络通信、自动监视、故障处理、自动保护等功能。CMSC的硬件结构和软件结构具有如下创造性的特点：1.系统冗余；2.故障安全；3.自诊断；4.编组自适应；5.安全逻辑联锁；6.在调、运行、运营和维护四个阶段均具有安全的功能。

Description

磁悬浮列车运行控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及磁悬浮列车运行控制系统(也称为CMSC)，特别是同时具备能够实现驾驶、保护和监视三大功能的磁悬浮列车运行控制系统。本发明还涉及磁悬浮列车运行控制方法。
技术背景
磁悬浮列车已研制成功多年，但是还缺少一套完整的运行控制系统，使其使用化。本发明就是为解决这一问题而提出的。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁悬浮列车运行控制系统，同时具备驾驶、保护和监视三大功能。
本发明的另一目的是提供一种磁悬浮列车运行控制方法，同时具备驾驶、保护和监视三大功能。
根据本发明的一个方面，磁悬浮列车运行控制系统，同时具备驾驶、保护和监视三大功能，包括：
安置于包括首车和尾车的各节车上的可编程逻辑控制器PLC；及
总线，用于连接所述各节车上的可编程逻辑控制器PLC形成全列车网络系统；
其中，将首车和尾车上安置的所述可编程逻辑控制器PLC设为主控制器(以下称为主控PLC)，所述主控制器通过所述网络对全列车各部分进行控制，所述主控制器互为热备份，同一时刻只有一个作为列车中央决策机构。
根据本发明的另一目的是提供一种磁悬浮列车运行控制方法，同时具备驾驶、保护和监视三大功能，包括步骤：一种磁悬浮列车运行控制方法，同时具备驾驶、保护和监视三大功能，包括步骤：在首车和尾车上设置主控可编程逻辑控制器PLC，所述主控可编程逻辑控制器PLC互为备份，同一时刻只有一个作为列车中央决策机构；
在各节车上设置可编程逻辑控制器PLC(以下称为车辆PLC)，连接并控制/检测该节车上的各设备；及用总线连接所述主控PLC和所述各节车上的车辆PLC形成全列车网络系统，通过该网络对全列车各部分进行控制；
采用FDL协议在所述主控PLC与所述各节车上的车辆PLC之间进行通信，实现列车自适应编组、自动保护、自动驾驶、主控制器的安全冗余控制以及列车运行信息的传递；
采用MPI协议在所述主控PLC与所述各节车上的车辆PLC之间以及磁悬浮列车检测系统PLC(以下称为检测PLC)进行通信，实现系统自动监视功能，在线进行速度计算，对列车进行限速保护；
采用DP协议在所述主控PLC与所述各节车上的车辆PLC之间进行通信，实现列车系统自动进站保护。
CMSC系统包括可编程逻辑控制器PLC及其现场总线部件，使用三种现场总线通信协议：MPI、DP和FDL进行列车运行数据通信。在软件部分实现了驾驶操作、运行控制、网络通信、自动监视、故障处理、自动保护等功能。CMSC的硬件结构和软件结构具有如下创造性的特点：1、系统冗余；2、故障安全；3、自诊断；4、编组自适应；5、安全逻辑联锁；6、在调试、运行、运营和维护四个阶段均具有安全的功能。这种CMSC设计合理、结构严谨、功能安全，是针对中、低速磁悬浮交通体系设计的磁悬浮列车运行控制系统，对其它磁悬浮交通体系亦具有重要参考意义。
附图说明
图1是磁悬浮列车运行控制系统总线结构示意图。
图2是磁悬浮列车运行控制系统设备网络接入方式图。
图3是磁悬浮列车运行控制系统正常运行模式下的网络结构图。
图4是磁悬浮列车运行控制系统的保护模式下的网络结构图。
图5是主控流程图。
图6是车辆总体流程图。
图7是权限检查流程图。
图8是自适应编组检测流程图。
图9是信息发送流程图。
图10是运行控制总体流程图。
图11是速度计算整体流程图。
图12是进站保护流程图。
图13是主控故障切换流程图。
具体实施方式
如图1所示，磁悬浮列车运行控制系统是在各节车上，设置可编程逻辑控制器PLC，由总线连接成网络而成。可编程逻辑控制器PLC是在市场上可以买到的，如数字输入模块312-1CH80-0AA0。
根据系统功能的不同，采用三条总线将所有磁悬浮列车运行控制设备连接起来，每一条总线上采用不同的网络通信协议，实现不同的系统功能。图1是具有驾驶功能的FDL协议总线、具有监视功能的MPI协议总线和具有保护功能的DP协议总线的连接示意图。
将首车1和尾车2上设为主控PLC3，主控PLC3受其自身软件系统控制互为备份，同一时刻只有一个作为列车中央决策机构。主控PLC3主要连接的列车设备(图1中未示出)有：司控器、液压刹车操纵设备、辅助操纵设备、紧急操纵设备、监视设备、地面数据通讯设备、地面话音通讯设备等。主控PLC3和车辆PLC4两者相应的软件系统是不相同的。
在各节车上设置的车辆PLC4，连接该节车上的各设备(图1中未示出)，主要有：悬浮控制器、牵引逆变器、液压刹车器、车门空调电源、速度位置进展状态故障测量装置等。
采用FDL协议在所述主控PLC与所述各节车上的车辆PLC之间进行列车运行数据通信，实现列车自适应编组、自动保护、自动驾驶、主控制器的安全冗余控制以及列车运行信息的传递；
采用多点通信(MPI)协议在所述主控PLC3与车辆PLC4以及检测PLC5之间进行列车运行数据通信，实现系统自动监视功能，在线进行速度计算，对列车进行限速保护。检测PLC是磁悬浮列车检测系统提供的、与磁悬浮列车运行控制系统具有相同网络接口和通信标准的网络站点。检测PLC负责向主控PLC和车辆PLC提供列车运行时的位置、速度以及故障种类、级别等信息。
采用分布式主从(DP)协议在所述主控PLC与所述各节车上的车辆PLC之间进行列车运行数据通信，实现列车系统自动进站保护。
图2是本发明磁悬浮列车运行控制系统具体设备的网络接入方式图。
在图2中，位于首车和尾车上设置主控可编程逻辑控制器PLC，在运行控制系统中，列ATO总线节点(节点即设备及其附属模块的总称)、列ATP总线节点、列ATS总线节点都是由主控PLC的CPU模块构成的，在图2中按照功能的不同将这三个节点分开表示。类似地，辆ATO总线节点、辆ATP总线节点、辆ATS总线节点都是由车辆PLC的CPU模块构成的，在图2中也按照功能的不同将这三个节点分开表示。图2中涉及的总线有列车自动驾驶总线1、列车自动保护总线2、列车自动监视总线3、列车调试总线4、列车紧急制动总线5、列车ATO、ATP、ATS节点与磁悬浮列车检测系统可编程逻辑控制器PLC的连接总线6、7(分别表示首车、尾车连接总线)。
在图2中，位于首车和尾车上的列车自动驾驶ATO总线节点、列车自动保护ATP总线节点、列车自动监视ATS总线节点受其自身软件系统控制互为备份，同一时刻只有一个作为列车中央决策机构。总体而言，主控PLC主要连接的列车设备有：司控器、液压刹车操纵设备、辅助操纵设备、监视设备、地面数据通讯设备、地面话音通讯设备等，这些设备分别通过车辆ATO总线节点、车辆ATP总线节点、车辆ATS总线节点、驾驶ATS总线节点、驾驶ATO总线节点、驾驶调试节点与各对应总线相连。
由于磁悬浮列车系统的每一节车厢都是动车，所以必须对每一节车厢进行动车调试。为了调试方便，磁悬浮列车运行控制系统设计了一套转换器，在动车调试阶段既可以通过列车自动驾驶ATO总线节点、列车自动保护ATP总线节点、列车自动监视ATS总线节点等对动车进行调试，也可以直接通过调试总线，利用转换器进行动车调试。紧急制动总线则是根据列车紧急制动设备的要求设计的硬连线。总线6、7负责接受由检测PLC传送来的速度和位置信息，利用这些信息进行列车运行速度的保护。
在各节车上设置的车辆PLC需要连接该节车上的各设备，主要包括：悬浮控制器、牵引逆变器、液压刹车器、车门空调电源、速度位置进展状态故障测量装置等。这些设备分别通过车辆ATO总线节点、车辆ATP总线节点、车辆ATS总线节点、车辆调试节点、车辆紧急节点与各对应总线相连。
由列车自动操作系统ATO总线1、列车自动保护系统ATP总线2、列车自动监视系统ATS总线3所连接的各主控PLC与各节车上的车辆PLC及检测PLC等，构成了本发明CMSC系统的三套现全列车网络。分别采用三种通信协议进行实时控制监测，从而形成了本发明CMSC系统。它们分别是：
多点通信(MPI)网络：主要实现检测系统与运行控制系统的数据通信，保证监视功能的正确实现。
分布式主从(DP)网络：主要用来实现CMSC的保护功能；
FDL网络：主要用来实现列车的驾驶功能。
参见图3，在正常运行模式下CMSC系统的所有PLC之间通过FDL协议进行数据通信，实现列车自适应编组、自动保护、自动驾驶、主控制器的安全冗余控制以及列车运行信息的传递。CMSC系统的FDL协议是通过可编程逻辑控制器PLC的CP342-5通讯模块实现的。
参见图3，在正常运行模式下CMSC系统的主控PLC之间通过采用多点通信(MPI)协议在所述主控可编程逻辑控制器PLC与检测PLC之间进行列车运行数据通信，从而获得由磁悬浮列车检测系统的主要部件-检测PLC提供的采集位置、速度、故障等信息，实现系统自动监视功能，在线进行速度保护计算，对列车进行限速保护。MPI协议是可编程逻辑控制器的CPU自带的一种通信协议，因此无需额外的数据通信模块。
参见图4，在保护模式下CMSC系统的可编程逻辑控制器PLC之间通过分布式主从(DP)协议在所述主控PLC与所述各节车上的车辆PLC之间进行列车运行数据通信，实现列车系统自动进站保护。CMSC系统的DP协议是通过集成在可编程逻辑控制器PLC的CPU模块中的DP通信接口(图4中的DP即表示DP接口)实现的。
以上通过图1对本发明磁悬浮列车运行控制系统的一个实施例进行了讲述，并通过图2～图4对本发明磁悬浮列车运行控制系统的各具体状况进行了说明。本发明磁悬浮列车运行控制系统可有许多变换形式，例如，图2中各节列车上设有检测PLC和列车PLC，根据需要完全可以将二者合并或由列车PLC兼作检测PLC。也可根据具体情况设置的检测PLC的数量小于车辆PLC的数量，而检测范围不减小。
下面讲述CMSC的软件系统流程
(一)
CMSC由两种PLC组成：主控PLC和车辆PLC，相应的软件系统也有两套，这里分别称为主控总体流程和车辆总体流程。
主控PLC共有两台，在整个运行过程中都保持运行状态，每一台对应一个司控器。为了保证二者互为备份且不冲突(软件程序完全相同)，通过软件设置一个列车通信网络权限，在同一时刻仅有一台主控PLC能够获得权限，进行网络数据通信。权限主要是通过驾驶台进行设置，一般情况下处于前进方向上的PLC将会获得权限。当有权限的主控PLC发生故障时可以自动进行主控PLC之间的权限切换，实现安全冗余控制。列车完全上电后，两台主控PLC需要通过判断司控器的相应设置进行权限判断，获得权限的主控PLC检测列车编组。在下一次权限变化之前，有权限的主控PLC负责接收驾驶命令，通过一定的安全逻辑判断执行正确的操作，保证误操作无效。与此同时，主控PLC不断与检测系统和车辆PLC进行数据通信，实时检测列车的各种设备状态。对于不同的故障情况，视其严重程度划分一定的故障等级，对不同的故障等级采用不同的处理方式。
主控总体流程如图5所示，该程序是运行在位于首车和尾车的可编程逻辑控制器PLC中的，首尾两套程序基本一致(仅仅网络地址不同)。运行控制系统上电后，首先要检测MPI网络的运行情况，也就是要检查生命信号是否正常，如果正常则标志着系统开始运转。主可编程逻辑控制器PLC在判断自身的权限后，得到权限的PLC就开始自适应编组检查(上电后仅检查一次)。检查完成后才能够进入正式的运行阶段。根据司机的驾驶信号生成的操作命令将通过主可编程逻辑控制器PLC发送给当前编组中的每一个车辆可编程逻辑控制器PLC，而当前的列车状态信息则传递给无权限的主控PLC。
车辆总体流程如图6所示，该程序运行在每一节车厢的车辆控制可编程逻辑控制器PLC中，每一节车厢的程序基本一致(仅仅网络地址不同)。车辆可编程逻辑控制器PLC主要负责接收并执行来自主PLC的控制命令，同时将各个车辆设备的状态报告给主控PLC。
(二)ATO网络通信
ATO网络通信部分主要需要解决以下几个问题：
1.生命信号检测
生命信号是一个由磁悬浮列车检测系统PLC产生和控制的信号。如果生命信号保持一定频率的变化，那么网络就处于正常状态。
2.首尾互锁(检查权限)
主控PLC是否有权限主要是由司控器的首/尾互锁信号决定的，程序流程如图7所示。由于有权限的主控PLC在列车换向后会自动交出权限，在自身发生故障时也会由于电平的变化导致权限变化，所以通过权限检查可以实现系统主控PLC的热备份功能。
3.自适应编组检测
主控PLC采用发送数据的方式检测某车辆PLC是否存在。程序流程如图8所示。
4.信息发送与接收
主控PLC收发的信息内容因目的节点的不同而不同。如果目的节点是另一台主控PLC，那么收发的数据将是一些列车状态信息，而目前的状态信息是无需发送的；如果目的节点是车辆PLC，那么发送的是一些控制命令，例如悬浮控制器复位命令、车门开关命令灯，接收的是列车状态信息，例如车门状态等。表2列出了不同节点间传递信息的类型。
表2
  目的节点 发送信息 接收信息
无权主控PLC车辆PLC 编组表(只发送一次)权限互锁信号取值目前设备状态设备控制命令 权限互锁信号取值设备状态信息
事实上信息接收仅仅是一个调用通信函数的过程，所以此处省略了信息接收流程。信息发送流程如图9所示。
(三)运行控制
运行控制程序主要是一个输入/输出控制过程，其中最关键的地方在于安全逻辑的判断。总体流程见图10。
由图10可以看出，运行控制程序分为以下几个模块：
电源控制处理模块；
格雷码转换模块；
紧急按键处理模块；
车门控制处理模块；
刹车信号处理模块；
浮落处理模块。
(四)ATP功能
1.速度保护
进行速度保护的关键在于计算列车每一时刻的最大限速，即解决速度计算问题。速度计算整个流程如图11所示。
2.进站保护
进站保护可以分为三个阶段：进站、到站和超站。不同的阶段对应不同的处理，采用通信方式可以使列车快速做出反应。保护流程如图13所示。
4.司机疲劳警惕
5.安全逻辑判断
为了防止出现误操作，对驾驶台发出的驾驶命令，首先要通过以下原则的检验才可以生效：
符合电源上电顺序；
悬浮和牵引互锁；
车门与牵引互锁；
电力制动与牵引互锁。
(五)故障处理
1.主控PLC之间的故障切换；
当有权限的PLC发生故障时，无权限的PLC必须能够自动获取网络权限，并根据上一次正确接收到的状态信息判断下一步的操作。流程如图14所示。
2.PLC之间的通信故障
表3列出了所有运行期间可能出现的通信错误、将要传递给检测PLC的相应代码以及相应的处理措施。值得注意的是，只有在网络故障重复次数无法容忍的情况下才会采取相应的处理措施，对于偶然发生的故障一般都会忽略。
表3通信故障类型及对策
  错误代码 说明   信息代码 处理措施
  80c0 数据纪录不可读 等待
  80c1 指定的数据记录正在被处理
  80c2 未完成工作过多 取消最近调用的工作
  80c3 资源(内存)被占用
  80c4 通信错误(通常为暂时性错误) 重新进行通信
  80a0 从模块中读数据时拒绝确认 等待，重试
  8x7f 参数x发生系统故障(与用户无关) 系统复位
  8x28 读参数时发生队列错误 稍候重新发送
  8x42 系统试图从外围输出区域读参数时发生地址错误 报警(通常为编组问题)
  8x43 系统试图向外围输出区域写参数时发生地址错误
  8x44 第N(N＞1)次读访问错误(访问被拒绝) 报警(通常为总线故障)
  8x45 第N(N＞1)次写访问错误(访问被拒绝)
3.设备故障
设备故障按照其对列出运行影响的严重程度分类三级。
(六)特点
CMSC的软件系统具有以下特点：
软件系统采用双冗余结构，可以在换向时进行切换，同时还可以在故障条件下进行自主控制权切换，保证软件系统的运行；
具有列车自动保护功能，充分保证列车运营的安全；
能够利用网络通信完成列车信息的传递，保证各节车厢统一动作、统一状态；
能够对各种故障做出快速反应、及时处理，同时保证各种错误逻辑无效；
离线计算速度曲线，保证列车运营符合线路和乘客舒适性的要求；
能够实现列车编组自适应，车体数目不影响软件系统程序，即对于任意的列车编组而言，软件程序一致。

Claims (6)

1.一种磁悬浮列车运行控制系统，同时具备驾驶、保护和监视三大功能，包括：
安置于包括首车和尾车的各节车上的可编程逻辑控制器PLC；及
总线，用于连接所述各节车上的可编程逻辑控制器PLC形成全列车网络系统；
其中，至少将首车和尾车上安置的所述可编程逻辑控制器PLC设为主控制器，所述主控制器通过所述网络对全列车各部分进行控制，所述主控制器互为热备份，同一时刻只有一个作为列车中央决策机构。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮列车运行控制系统，其特征在于所述可编程逻辑控制器PLC包括：CPU和用于协议通信的接口电路.
3.根据权利要求2所述的磁悬浮列车运行控制系统，其特征在于所述接口电路包括至少三个分别用于线场总线数据链路协议(FDL协议)，多点接口协议(MPI协议)，和分布式主从协议(DP协议)的接口电路；所述总线包括至少三条，分别与所述用于线场总线数据链路协议(FDL协议)的接口电路、所述用于多点接口协议(MPI协议)接口的接口电路、和分布式主从协议(DP协议)接口的接口电路连接，形成对应的三套网络，连通适当的列车设备，
其中线场总线数据链路协议(FDL协议)网络用于列车自适应编组、自动保护、自动驾驶、主控制器的安全冗余控制以及列车运行信息的传递；
多点接口协议(MPI协议)网络用于列车系统自动监视功能，在线进行速度计算，对列车进行限速保护；
分布式主从协议(DP协议)网络用于列车实现列车系统自动进站保护。
4.根据权利要求2所述的磁悬浮列车运行控制系统，其特征在于所述接口电路是用于线场总线数据链路协议(FDL协议)接口，多点接口协议(MPI协议)接口和分布式主从协议(DP协议)接口的，通过三条总线连接，形成线场总线数据链路协议(FDL协议)网络、多点接口协议(MPI协议)网络、分布式主从协议(DP协议)网络三套通信网络，连通适当的列车设备，
其中线场总线数据链路协议(FDL协议)网络用于列车自适应编组、自动保护、自动驾驶、主控制器的安全冗余控制以及列车运行信息的传递；
多点接口协议(MPI协议)网络用于列车系统自动监视功能，在线进行速度计算，对列车进行限速保护；以及
分布式主从协议(DP协议)网络用于列车实现列车系统自动进站保护。
5.一种磁悬浮列车运行控制方法，同时具备驾驶、保护和监视三大功能，包括步骤：至少在首车和尾车上设置主控可编程逻辑控制器PLC，所述主控可编程逻辑控制器PLC互为备份，同一时刻只有一个作为列车中央决策机构；
在各节车上设置可编程逻辑控制器PLC，连接并控制/检测该节车上的各设备；
用总线连接所述主控可编程逻辑控制器PLC和所述各节车上的可编程逻辑控制器PLC形成全列车网络系统，通过该网络对全列车各部分进行控制；
采用线场总线数据链路协议(FDL协议)在所述主控可编程逻辑控制器PLC与所述各节车上的可编程逻辑控制器PLC之间进行通信，实现列车自适应编组、自动保护、自动驾驶、主控制器的安全冗余控制以及列车运行信息的传递；
采用多点接口协议(MPI协议)在所述主控可编程逻辑控制器PLC与所述各节车上的可编程逻辑控制器PLC之间进行通信，实现系统自动监视功能，在线进行速度计算，对列车进行限速保护；以及
采用分布式主从协议(DP协议)在所述主控可编程逻辑控制器PLC与所述各节车上的可编程逻辑控制器PLC之间进行通信，实现列车系统自动进站保护。
6.根据权利要求5所述的磁悬浮列车运行控制方法，其中所述总线至少有三条，将所述主控可编程逻辑控制器PLC和所述各节车上的可编程逻辑控制器PLC连接形成三套网络，分别用作线场总线数据链路协议(FDL协议)网络、多点接口协议(MPI协议)网络、分布式主从协议(DP协议)网络。
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