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CAN总线在计算机联锁系统中的应用

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(论文57页28159字+图+程序)摘要:在铁路车站信号控制领域,目前应用最广的是6502电气集中和以继电器为执行机构的计算机联锁系统。全电子计算机联锁系统则起步较晚,但是随着电子技术、现场总线技术、网络技术在工业控制领域的应用,以现场总线技术为纽带,采用智能化执行单元是未来计算机联锁系统的发展方向。
本文以兰州大成自动化工程有限公司研制的LDJLZ—Ⅱ型全电子计算机联锁系统为研究对象,在介绍CAN总线的基础上着重研究CAN总线技术在全电子计算机联锁系统的应用。首先对全电子计算机联锁系统的总体设计及各个执行模块进行全面的分析和研究,然后通过介绍CAN总线技术,着重研究了基于CAN总线的信号灯模拟状态监测模块的软硬件设计,其中整个系统监测模块的硬件电路主要由硬件调理电路、采集电路、微控制电路、通信电路、高过流中断电路、复位电路等部分组成。软件设计主要由模块的配置,CAN通信模块,模拟量采集模块,数据处理模块这四部分组成。

关键词:计算机联锁;全电子;CAN总线

 

 

 

 

 


Application of Controller Area Network
in the Computer Interlocking System

Abstract: Nowadays the 6502 electric centralization and the computer interlocking system with actuator of relays are widely applied in the railway signal control system. On the contrast the full electronic computer interlocking system starts later and the new type of railway station interlocking system, which is based on fully electronic and intelligent control device and linked by field bus technology, becomes the process direction of development for the future.
The research object of this project is the electronic computer-based interlocking system of LDJLZ—Ⅱtype ,which is developed Lanzhou Dacheng Automatic Control System Co, the application of CAN bus in complete electronic computer-based interlocking system is discussed. First, it analyses all-around design of the electronic computer-based interlocking system and each module, then from introducing CAN bus, it lucubrates design of the censorial module’s software and hardware which is based on CAN bus of signal lamp’s stimulant state, then the hardware’s circuit of the entire system’s censorial module is made up of opsonic circuit, collecting circuit, microcontrolled circuit,
circuit of communication, interrupt circuit of overcurrenting and reset circuit. The software’s design is made up of the four parts which is blocking collocate, module of CAN communication, collecting module of analog and module of data processing.

Key words: computer interlocking, full-electronic, CAN bus

 

 

 

目    录

第1章 绪  论 1
1.1 国内计算机联锁系统发展现状 1
1.2  工业控制领域计算机控制的发展方向 1
1.3  选题的意义和重要性 2
第2章  全电子化计算机联锁总体结构 5
2.1  系统结构 5
2.2  联锁逻辑层 5
2.2.1 执行层 7
2.2.2  监测机 13
第3章  CAN总线在计算机联锁中的应用 15
3.1  总体硬件设计 15
3.1.1  总体硬件结构 15
3.1.2  CAN总线 16
3.2  主要通信电路及元件选择 19
3.2.1  CAN通信电路设计 19
3.2.2  CAN控制器SJA1000 20
3.2.3  高速CAN收发器TJA1050 23
3.3  微控制器测量部分 24
3.3.1  数据的调理采集 24
3.3.2  信号的调理与采集电路 25
3.3.3  模/数转换器 27
3.3.4  高过流中断保护电路 30
3.3.5  复位电路 30
3.4  CAN通信检测电路设计要点 31
第4章  基于CAN总线监测模块的软件设计 32
4.1 通信协议 32
4.1.1  模块CAN通信链路的参数功能 32
4.1.2  通信协议制定 32
4.2  软件设计 33
4.2.1  系统主程序流程 34
4.2.2  系统功能模块化分 34
4.2.3  子模块的配置 35
4.2.4   CAN通信子模块 38
4.2.5  模拟量采集及处理子模块 39
4.3 调试中错误分析及解决方法 42
4.3.1  调试工具 42
4.3.2  模块调试错误分析和解决方法 42
结论 44
致谢 45
参考文献 46
附录: 47
 
第1章 绪  论

1.1 国内计算机联锁系统发展现状
在铁路运输过程中,为了保证行车安全,信号、道岔与进路之间必须以技术手段保持一定的制约关系和操作顺序,常称这种制约关系和操作顺序为联锁。因此,又称保证车站行车安全的信号系统为车站联锁系统。
自1984年国内第一套计算机联锁系统开通运行,迄今己有二十余年的历史,无论是国产的计算机联锁还是引进的国外联锁设备,都在我国铁路运输中发挥着重要的作用。
我国的联锁控制系统经历了机械联锁控制、电气集中(6502为代表)联锁控制、计算机联锁加继电器控制三个大的发展阶段。其中在1970年左右完成了由机械联锁控制向以6502为代表的电气集中联锁控制的过渡,这是一次重大的飞跃。而计算机联锁加继电器执行的控制系统是从80年代开始研究,90年代有了较大发展,截至目前,在我国铁路上约有千个车站安装使用。这些计算机联锁按照我国铁路的运营情况进行研发,特别适合中国铁路高密度、大运量、客货共存的现状和中国铁路的运营管理模式。但限于当时电子技术发展水平和安全的考虑,国产的计算机联锁都无一例外的选择了继电器作为执行电路。
1.2  工业控制领域计算机控制的发展方向
上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统(FCS),正以迅猛的势头快速发展,是目前世界上最新型的控制系统。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点,正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。现场总线控制系统的出现,将给自动化领域带来又一次革命,其深度和广度将超过历史的任何一次,从而开创自动化的新纪元。FCS是由分散控制系统(DCS)与可编程控制器(PLC)发展而来,FCS不仅具备DCS与PLC的特点,而且跨出了革命性的一步。
数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑,是基础。道理很简单,FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议,即相关的通讯规约,不具备数字通信功能,那么所谓双向数字通信只是一句空话,也不能称之为现场总线控制系统。再一点,现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品,那么现场总线控制系统的特点也就不存在了,所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。
FCS采用全数字化技术,数字智能现场装置发送多变量信息,而不仅是单变量信息,并且还具备检测信息差错的功能。FCS采用的是双向数字通信现场总线信号制。因此,它可以对现场装置(电动转辙机、信号机及轨道电路等信号设备)进行远方诊断、维护和组态。FCS的这点优越性是DCS无法比拟的。
FCS由于信息处理现场化,与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜,同时也节省了I/O置及装置室的空间与占地面积。有专家认为可以省去60%。FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等,同时也节省了设计、安装和维护费用。
数字通讯是一种趋势,它代表了技术进步,是任何人阻挡不了的。双向数字通信现场总线信号制以及由它而产生的巨大的推动力,加速现场装置与控制仪表的变革,开发出越来越多的功能完善的数字智能现场装置。这些都是DCS系统所不具备的,而由此产生的优越性以及给火电厂的设计、配置、组态、运行、维护、管理等发面带来的效益也是DCS系统所不及的。再则,FCS是由DCS以及PLC发展而来,它保留了DCS的特点,或者说FCS吸收了DCS多年开发研究以及现场实践的经验,当然也包括教训。由此而得出结论,“FCS将取代DCS”,似乎也是顺理成章之事[1]。
1.3  选题的意义和重要性
90年代以后,电子技术得到了迅猛的发展,特别是计算机技术、信息技术和大功率电子器件的发展,利用电力电子器件来替代继电器己经成为联锁系统发展的新趋势。国外的计算机联锁已经向全电子化方向发展。如ABB、京山、西门子公司,从系统运行的情况看,效果是很明显的,既保证了安全,又提高了技术水平。目前国内投入使用的计算机联锁都是从继电电气集中过渡发展起来的,还都不是以计算机技术为核心的全电子联锁系统,既要定期维修继电器部分,又要维修计算机系统。正如铁道部电务局《关于积极稳妥发展计算机联锁的通知》中所指出的:“由于受到继电器设备技术水平的限制,6502电气集中功能单一、信息量小、维修工作量大且功能难以扩展,从技术发展上看,已难以适应日益增长的运输要求”。尤其是上道投入运行的计算机联锁系统数目增加后,问题会更突出,很难实现减员增效的目的,也难以达到工厂化施工的目标。同时,由于受到继电器设备的限制,6502电器集中系统已经日渐显露出它的缺陷,主要表现在以下几个方面:
(1)系统功能不够完善,特别是人——机对话功能差,且不易增加或扩展功能;
(2)控制方式不够灵活,当逻辑关系复杂时,用继电电路表达很困难,因而降低了系统的安全性;  
(3)由于采用大量的继电器,系统占用空间大,维修工作量大;
(4)不便与现代信息系统相连接,从当今技术发展上看,已经难以适应日益增长的运输要求。
因此,继电器执行电路的升级换代是必然的趋势,而具体措施就是综合运用计算机硬软件技术、网络通信技术、电力电子控制技术等多种最新技术,研究设计具有智能化和控制监督监测一体化的全电子模块执行机,并与最新容错联锁机一起共同构成全电子化计算机联锁系统,为新世纪铁路运输高速安全的总目标提供重要的基础技术装备,是非常必要的。系统于2003年列入科技部国家科技成果重点推广项目计划(项目编号2003EC000387)。
1996年,兰州交通大学自动控制研究所开始研制全电子执行单元,并在研究该设备的基础上,与我国计算机联锁厂家合作,成功研制了具有我国自主产权的全电子计算机联锁系统,目前全国共有四套全电子计算机联锁系统已投入正式运营。系统采用高可靠性硬件和高安全性的软件结构、软硬件冗余等手段,符合故障导向安全原则,使系统工作达到安全可靠。为保证行车安全、提高运输效率、改善劳动条件、便于车站改建、节约工程投资,并为运营管理现代化创造条件。其功能:
(1)联锁计算机技术性能符合铁道部《计算机联锁技术条件》标准。
(2)系统采用彩色监视器显示站场平面图,使用鼠标两点式操作办理进路,操作提示信息和设备报警信息采用语音报警。
(3)系统支持远程操作,为区域联锁系统的应用奠定了基础。
(4)软件采用字节编码技术等信息冗余技术,保证信息运算、存储和传输的安全。
(5)联锁软件采用模块化设计,通过CAD方式输入站场信号平面图,根据站场信号平面图自动生成站场联锁表等数据文件,设计周期短,安全可靠。
(6)系统具有完备的自诊断能力和自恢复能力,报警显示可迅速定位到板级。
(7)系统采用模块化结构,所有模块支持热插拔,允许用户不间断系统进行更换。
(8)可以和TDCS、调度集中等系统结合。

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