陶玉鳳 何 濤 張 銳 朱 劍
隨著城市軌道交通及其多元化交通工具的飛速發(fā)展,現(xiàn)代有軌電車已經(jīng)得到國內(nèi)外許多城市的關(guān)注和推廣。現(xiàn)代有軌電車的興起,不僅能夠解決交通擁堵的問題,而且?guī)砹司薮蟮纳虡I(yè)契機(jī)。因此,研究開發(fā)與現(xiàn)代有軌電車相關(guān)的產(chǎn)品,對(duì)解決我國大多數(shù)城市目前面臨的交通擁堵等問題具有十分積極的作用。
現(xiàn)代有軌電車單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊隸屬于現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)軌旁執(zhí)行單元,是關(guān)系行車安全和效率的重要環(huán)節(jié)。采用單相交流電機(jī)做動(dòng)力的轉(zhuǎn)轍機(jī),與直流電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)相比,具有動(dòng)作可靠、電機(jī)故障率低、維修工作量小等特點(diǎn)。在可靠性要求高、道岔動(dòng)作頻繁、不便于維護(hù)的使用環(huán)境中具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。因此,著手開發(fā)現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)具有重要意義。本次信號(hào)系統(tǒng)的研發(fā)主要涉及轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊、信號(hào)機(jī)控制模塊等,整個(gè)開發(fā)設(shè)計(jì)過程主要包括硬件電路板設(shè)計(jì)及控制軟件的編寫調(diào)試。本文主要針對(duì)單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊,來論述其驅(qū)動(dòng)采集一體化的設(shè)計(jì)過程。
1.與通信模塊通信,完成與軌旁控制器聯(lián)鎖主機(jī)的信息交互。
2.能夠根據(jù)聯(lián)鎖命令,控制四線制交流轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到定位或反位。
3.能夠?qū)崟r(shí)采集道岔狀態(tài)信息,并將狀態(tài)信息發(fā)送到聯(lián)鎖主機(jī)。
4.監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作情況,具有過流和短路自動(dòng)保護(hù)功能。當(dāng)電機(jī)過載或外線路短路時(shí),該模塊能夠切斷控制電路和電動(dòng)機(jī)電路,可以省去繼電器道岔控制電路中的熔斷器。這樣不僅能使電路得到簡化,而且還能提高設(shè)備利用率(避免了由于更換熔絲不及時(shí)造成的設(shè)備局部停用)。
5.具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能??蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道岔位置;進(jìn)行模塊元器件的自動(dòng)檢測(cè);轉(zhuǎn)轍機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未轉(zhuǎn)換到底的擠岔報(bào)警;沒有操作命令時(shí),表示失去時(shí)間超過2 s自動(dòng)報(bào)警。
根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊功能需求,設(shè)計(jì)出如圖1所示的四線制道岔控制模塊硬件結(jié)構(gòu)。其核心是由2個(gè)微處理器MCUA和MCUB組成的雙MCU控制器。雙MCU控制器接收來自聯(lián)鎖主機(jī)的道岔控制命令,并通過邏輯“與”運(yùn)算,輸出控制四線制道岔模塊的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)電路,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)定位與反位之間的轉(zhuǎn)換。來自檢測(cè)電路A和B的道岔表示信息,經(jīng)過雙MCU控制器的邏輯“與”運(yùn)算后,發(fā)送給聯(lián)鎖主機(jī)。此外,雙MCU控制器還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電路中的關(guān)鍵電路,以及重要元器件等的監(jiān)測(cè)。如果雙MCU控制器的“與”運(yùn)算結(jié)果不一致,那么判定轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊電路中存在故障,控制器發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信息或者切斷動(dòng)作過程,并將此結(jié)果通過總線上傳給微機(jī)監(jiān)測(cè)機(jī)。
此外,四線制道岔控制模塊的主要電路還有通信電路、驅(qū)動(dòng)電路、微控制器電路、檢測(cè)電路和區(qū)段鎖閉電路等。2路冗余通信總線用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊與軌旁控制器聯(lián)鎖主機(jī)之間的安全通信功能;控制微控制器電路負(fù)責(zé)聯(lián)鎖信息的邏輯運(yùn)算以及電路故障的診斷;區(qū)段鎖閉電路與區(qū)段鎖閉繼電器連接,實(shí)現(xiàn)道岔區(qū)段是否鎖閉的采集功能;檢測(cè)電路用來檢測(cè)和監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作電流,一方面在轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)后,檢測(cè)電路檢測(cè)到電流,便進(jìn)入自閉功能,當(dāng)動(dòng)作到位后,電流消失,則斷開控制主回路;另一方面,它還包括道岔表示信號(hào)采集電路,用于采集轉(zhuǎn)轍機(jī)位置,并將位置信息傳遞給雙MCU控制器。轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過控制主回路通斷,完成對(duì)四線制交流轉(zhuǎn)轍機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的控制。
圖1 四線制道岔控制模塊硬件結(jié)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)電路主要完成對(duì)單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)定操和反操的控制,根據(jù)既有四線制道岔控制電路設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路模型如圖2所示,它主要由微控制器電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、動(dòng)作開關(guān)電路和電流檢測(cè)電路等組成。動(dòng)作開關(guān)電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)定、反操電路的通斷控制;電流檢測(cè)電路完成對(duì)驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)作電流的檢測(cè);微控制器電路負(fù)責(zé)根據(jù)聯(lián)鎖主機(jī)命令發(fā)出動(dòng)作指令;隔離驅(qū)動(dòng)電路采用光電隔離電路,主要是用來防護(hù)微控制器與動(dòng)作電路的干擾;換相開關(guān)用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。電源開關(guān)的設(shè)計(jì)目的在于轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換過程中故障時(shí),能及時(shí)切斷動(dòng)作電源以保護(hù)電路。
圖2 四線制道岔模塊驅(qū)動(dòng)電路原理圖
當(dāng)單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)由定位向反位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),來自微處理器的控制信息,首先通過隔離驅(qū)動(dòng)電路,操作電源開關(guān)K1閉合,接著控制換向開關(guān)中的K2閉合。由于轉(zhuǎn)轍機(jī)處在定位時(shí),其第1組接點(diǎn)和第3組接點(diǎn)是閉合的,所以來自電源屏的220 V交流電經(jīng)電源開關(guān)、電流檢測(cè)單元和換相開關(guān)K2以及電纜線X2和X4傳遞到電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)轍機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)后,電流檢測(cè)電路檢測(cè)到電流進(jìn)入自閉功能。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,首先斷開轉(zhuǎn)轍機(jī)的第3組定位表示接點(diǎn),同時(shí)接通轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的第4組反位動(dòng)作接點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),待其轉(zhuǎn)換到底的時(shí)候,瞬間接通轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部第2組定位表示接點(diǎn),同時(shí)斷開第2組反位動(dòng)作接點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)轍機(jī)第2組接點(diǎn)斷開,同時(shí)斷開了電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作電路,電路中的電流為零。電流檢測(cè)電路檢測(cè)到電流消失,關(guān)閉動(dòng)作電源。轉(zhuǎn)轍機(jī)由反位向定位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),原理和向反位轉(zhuǎn)動(dòng)差不多,不同的是使用的電纜線不同,閉合的換相開關(guān)變?yōu)镵3。轉(zhuǎn)轍機(jī)無論是向反位轉(zhuǎn)動(dòng)還是向定位轉(zhuǎn)動(dòng),都是首先閉合電源開關(guān)。
根據(jù)原有的繼電控制電路,可以設(shè)計(jì)如圖3所示的表示信號(hào)采集電路模型。定位由X1和X3兩根線確定,反位由X2和X3確定。表示采集電路主要由表示變壓器BB、電阻R1、電阻R2、定位表示檢測(cè)電路、反位表示檢測(cè)電路等組成。表示變壓器將AC220 V降壓為表示采集電源,R1、R2分別為模擬繼電表示電路中FBJ、DBJ線圈阻抗的電阻,定位表示檢測(cè)電路和反位表示檢測(cè)電路送入微控制器。
二極管D為轉(zhuǎn)轍機(jī)終端電纜盒中的二極管,當(dāng)?shù)啦硖幱诙ㄎ粫r(shí)X1與A連接、X3與B連接;反位時(shí)X2與B連接、X3與A連接。
分析圖3所示表示采集電路原理圖,當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊驅(qū)動(dòng)道岔向定位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),待動(dòng)作完畢,道岔啟動(dòng)電路切斷,此時(shí)檢測(cè)表示信號(hào),定位和反位表示檢測(cè)電路同時(shí)檢測(cè)道岔位置信息。若有定位表示信號(hào)而無反位表示信號(hào)時(shí),定位表示檢測(cè)電路A和B分別將檢測(cè)到的信息傳給雙MCU控制器進(jìn)行校核,如果結(jié)果一致,則給出定位表示,如果不一致,則顯示四開狀態(tài)并上傳報(bào)警信息。
圖3 四線制道岔模塊表示采集電路原理圖
模塊軟件嚴(yán)格遵循模塊功能需求以及硬件電路原理,并結(jié)合相關(guān)安全技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),主要實(shí)現(xiàn)微控制器正常接收命令信號(hào),并通過分析命令來進(jìn)行邏輯運(yùn)算及校驗(yàn)。若命令有效,則發(fā)出控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制,同時(shí)完成對(duì)表示信息的采集校驗(yàn),判斷道岔是否轉(zhuǎn)動(dòng)到位,保證控制的可靠性。其主程序軟件流程圖如圖4所示。
該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子功能模塊的調(diào)度運(yùn)行功能。上電后調(diào)用上電初始化模塊,完成各個(gè)寄存器配置以及系統(tǒng)上電自檢功能。檢查無故障后,調(diào)用開關(guān)量檢測(cè)模塊,檢測(cè)繼電器開關(guān)量信息。接下來調(diào)用通信處理模塊,接收聯(lián)鎖主機(jī)下發(fā)的命令。然后調(diào)用同步信息處理模塊,對(duì)2個(gè)微控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果同步信息一致,則表示收到信息正確。然后調(diào)用表示信息檢測(cè)模塊,對(duì)表示結(jié)果進(jìn)行分析處理。經(jīng)過對(duì)控制命令的判斷,以及綜合了道岔位置狀態(tài)信息后,調(diào)用道岔動(dòng)作模塊對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作處理。
圖4 主程序軟件流程圖
單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊主要用于控制四線制交流轉(zhuǎn)轍機(jī),是現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)軌旁控制器的重要組成部分。模塊按照故障-安全原則設(shè)計(jì),采用動(dòng)態(tài)控制和動(dòng)態(tài)采集等安全技術(shù),具有自檢以及故障定位等功能?,F(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)采用這種軌旁全電子道岔執(zhí)行模塊,能夠顯著減少設(shè)備用房需求,減輕維護(hù)人員的工作量,大幅縮短故障排除時(shí)間。隨著我國現(xiàn)代有軌電車及其他軌道交通形式的快速發(fā)展,全電子單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊將得到越來越廣泛的應(yīng)用。該模塊已在試驗(yàn)基地帶動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)及道岔設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試,試驗(yàn)證明,該模塊性能穩(wěn)定,具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值,希望未來在有軌電車運(yùn)營中得到廣泛推廣。
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