PLC在铁路平交道口的安全控制

寂静回声

在当今的欧洲，道口障碍物检测是需要进行完整认证后才可投入使用的。在这篇文章中我们将讨论如何从过去的继电器为基础的安全联锁系统进步到使用电子技术为基础的安全联锁系统。
使用雷达来进行道口障碍物检测，只有在路口没有任何车辆和行人的情况下才会允许保护信号灯熄灭并允许机车通过。在整个信号应用中，对安全运营最关键的则是信号的安全互锁。 以可编程逻辑控制器（PLC）为基础的控制系统已经在众多行业使用多年，其中比较典型的例子就是Pilz公司的PSS 4000系统已经广泛应用于机械安全、流程安全、矿产、桥梁、水处理系统以及欧铁中。

1个平交道口通常由道路信号灯以及铁路两侧的可提升道杆进行防护，有时也会有行人声音提醒装置。道杆一般是处于被抬升的位置，当放下时将延展并横跨每个进出通道方向的宽度。 平交道口通常是自动运行的并且闭合过程是由机车靠近检测回路来触发的。一旦雷达确认路口没有滞留的车辆和行人则会发送铁路信号给机车司机，在此我们需要一互锁系统来正确地并安全地控制铁路信号灯、道路交通信号灯以及道杆。
最早的铁路互锁系统是机械式的。锁床和钢条构成了操作杆网格并且由操作杆来提供输入信号。为道岔切换点、信号灯和道杆提供输出信号。如果在执行功能的过程中存在操作杆冲突问题则会有相应的防干涉机械措施。
后来出现了继电器互锁系统单纯地由电气回路来运行，然后出现了上一代系统中大量机械操作杆被面板按钮或者开关或者视频接口替换的情况。复杂的电气回路由一系列继电器和触点组合构建而成，且能确保每个信号输出的状态和位置。当设备运行时，他们位置的变化会导致电路打开并锁定会与该位置相冲突的其他设备。同样地，当它们控制的设备安全运行时，其他回路才会闭合。直到今天该类技术还在继续使用中，如果在一个平交道口互锁系统中某个继电器线圈发生失效了，则信号灯会变成红色且道杆会被放下，我们称作该类失效情况为失效安全。

现代电子互锁技术的发明距今已有30余年。其使用固态电子技术无任何运动部件，原先网络化的继电器则被运行在特殊目的微处理器控制硬件中的软件逻辑所取代。逻辑功能由软件来实现而非硬线电路并且提供了修改的可能性，仅需重新编程而非重新接线。重要的逻辑存储在固件中或者只读存储器中，使得逻辑不易被非安全修改并保证安全测试要求。
在很多行业，软件为基础的电子控制系统已广泛用于典型工业机电工艺处理的自动化控制，例如工厂装配线设备的控制、游乐场设备以及电梯等。它们拥有通用的名称叫可编程逻辑控制器(PLC)并且相同的PLC结合配套的软件编程可用于许多不同的应用场合来进行控制。
当今PLC也开始进入铁路信号控制领域，包括平交道口、车载应用等等。但不是所有PLC都是故障安全型，对于互锁PLC最重要的要求是拥有较高的安全完整性水平(SIL)。简单而言就是软件中的控制指令被至少2个相异的内部中央处理器（CPU）同时执行并且它们互相之间有交叉校验特性。
硬线继电器逻辑通过不同编程语言被转换成PLC代码并没有想象中那么简单，在编程之前必须使用一系列正式的方法（符合EN 50128标准）来创建系统要求规范并且要验证其符合铁路信号和通讯系统的安全标准。如果做到了则会带来如下益处：
● PLC硬件是完全经过测试和考验的
● 安全PLC的固件/软件符合IEC 61508-3（电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全）
● 通过重复使用已验证的功能块使为批量化系统编程变得简单和灵活
● PLC的安装节省空间
● 某些供应商的PLC，例如Pilz公司的PSS 4000系统，能够满足铁路行业温度、电磁兼容性等环境的应用要求，符合EN 50121标准。
● 无需特殊的空调系统/加热器/过滤系统
● 控制系统构架能够最高符合SIL4的要求。
● PLC的可扩展性并且可运行于开放式以太网网络中
● 测试时间和服务时间都要大大小于继电器应用
英国东萨塞克斯沿海信号升级项目覆盖了南部的Eastbourne至西部的Lewes站以及东部的Bexhill站，该项目使用了Pilz公司的PSS 4000系统替换了26英里长且已到生命终期的机械式信号系统。采用了新信号系统之后沿线速度提升至90英里/小时，10个平交道口进行升级改造并且6个信号站将被废弃。

采用了全新的互锁系统—PSS 4000用于平交道口来替换传统继电器为基础的互锁系统之后空间更省了，无需较多设备房空间来承载成百上千个继电器，因此照明和散热的成本也减少了，电缆需求量也减少，可靠性更高，平交道口的升级和维护成本也大大降低。整个系统包含底板、电源、逻辑处理器、辅助通讯处理器以及一些现场特殊模块，整个电柜大小为高330.2 mm，宽483.0 mm，深355.6 mm，重量为15.0KG。
自动化系统P S S 4000-R是专门为铁路应用要求而设计的， 其根据CENELEC标准要求可达到最高SIL 4控制系统要求，符合EN 50121, EN 50126,EN 50128, EN 50129及EN 50155。模块化、可扩展的、分散式I/O的系统结构在项目应用时具有非常高的灵活性。基于实时以太网协议SafetyNET p的网络连接能够帮助自动化系统PSS 4000-R实现远距离的安全网络连接。专门设计的60V电压接口模块能否兼容铁路行业特殊应用需求。已应用于铁路行业的多个领域，例如通讯系统、道岔控制、平交道口保护、站台屏蔽门系统、车载应用等等。PSS 4000-R模块的产品特性是特别坚固设计、符合铁路领域日益提高的要求。应用周围环境温度为-40℃…
+70℃，机械负载系基于铁道车辆上的震动或者冲击（Category 1、Class A与B，依据EN 61373），以及信号与通讯设备（追踪区域1-3m，依据EN 50125-3）。电磁兼容性（EMC），系针对铁道车辆（EN 50121-3），以及针对信号与通讯设备（EN 50121-4）。