韓思遠(yuǎn),梁玉琦

(蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州　730070)

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全電子自動(dòng)復(fù)原道岔模塊的研究

韓思遠(yuǎn),梁玉琦

(蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州730070)

摘要：介紹一種全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖四線制道岔自動(dòng)復(fù)原模塊,來取代原來安全型繼電器組成的道岔執(zhí)行電路。全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖模塊主要有微控制器MCU、可編程邏輯器件CPLD、道岔驅(qū)動(dòng)電路、道岔表示電路、道岔檢測(cè)電路和自動(dòng)復(fù)原電路等組成。自動(dòng)恢復(fù)電路包括驅(qū)動(dòng)電路和繼電器等組成。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通過定位和反位檢測(cè)單元檢測(cè)電路中是否有表示電壓,來決定微控制器MCU計(jì)時(shí)與否。道岔由定位轉(zhuǎn)向反位或由反位轉(zhuǎn)向定位時(shí),若在規(guī)定的時(shí)間不能密貼,微控制器MCU發(fā)出繼電器Js驅(qū)動(dòng)指令,驅(qū)動(dòng)繼電器Js動(dòng)作,通過繼電器Js的接點(diǎn),控制系統(tǒng)發(fā)出相反的轉(zhuǎn)換指令,使道岔自動(dòng)恢復(fù)到原來的位置。最后,提出了軟件設(shè)計(jì)方案,用流程圖對(duì)軟件工作原理進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：四線制道岔；全電子；計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖；自動(dòng)復(fù)原

1概述

目前，四線制道岔主要是以6502電氣集中和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制為主導(dǎo)，但是隨著計(jì)算機(jī)時(shí)代和硬件的不斷進(jìn)步，全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖道岔的控制系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展[1]。全電子道岔執(zhí)行模塊已逐步投入生產(chǎn)，并在一些站場(chǎng)上得到了應(yīng)用。當(dāng)?shù)啦韽亩ㄎ?反位)向反位(定位)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，道岔尖端有異物，使道岔轉(zhuǎn)換不到密貼的位置，或者是在聯(lián)鎖試驗(yàn)期間，如果沒有操作人員進(jìn)行相反方向的操作，可能造成轉(zhuǎn)轍機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng)。不僅有損轉(zhuǎn)轍機(jī)的壽命，也使驅(qū)動(dòng)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的模塊等硬件壽命受到損害，不利于鐵路運(yùn)輸?shù)母咝院桶踩浴?/p>

全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖具有可靠性高、體積小、功能強(qiáng)大、便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程診斷等特點(diǎn)[2]，是鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。因此，提出了利用全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖模塊，實(shí)現(xiàn)四線制道岔自動(dòng)復(fù)原的研究。自動(dòng)復(fù)原電路的開發(fā)設(shè)計(jì)主要包括硬件電路板的設(shè)計(jì)和設(shè)備控制軟件的編寫和調(diào)試。

2道岔自動(dòng)復(fù)原的轉(zhuǎn)轍機(jī)條件

轉(zhuǎn)轍機(jī)是鐵路道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的核心[3]，有電動(dòng)機(jī)M帶動(dòng)，是用來帶動(dòng)道岔動(dòng)作的機(jī)械裝置，轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)有動(dòng)作桿和表示桿兩個(gè)桿件連接到道岔上，動(dòng)作桿是用來帶動(dòng)道岔動(dòng)作的裝置，表示桿是用來表示道岔實(shí)在定位或反位的裝置。

不論是6502電氣集中、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖還是全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖，室外道岔的轉(zhuǎn)轍機(jī)配線圖不會(huì)改變[4]，如圖1所示。圖1是道岔處在定位時(shí)的電路圖，動(dòng)作接點(diǎn)11-12和31-32，表示接點(diǎn)13-14和33-34都在定位，此時(shí)室內(nèi)DBJ處在吸起狀態(tài)。當(dāng)?shù)啦韽亩ㄎ晦D(zhuǎn)到反位時(shí)，X2和X4通DZ220和DF220兩路電源，轉(zhuǎn)轍機(jī)M通電之后就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，首先動(dòng)作的接點(diǎn)是31-32和33-34接點(diǎn)斷開，41-42和43-44接點(diǎn)閉合。當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)到反位位置達(dá)到密貼條件時(shí)，21-22和23-24接點(diǎn)會(huì)閉合。反位向定位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，過程與上邊相反，不再贅述。

圖1　道岔定位電路

因此，全電子道岔自動(dòng)復(fù)原模塊利用定位向反位轉(zhuǎn)動(dòng)41-42先閉合和反位向定位轉(zhuǎn)動(dòng)11-12先閉合的特點(diǎn)，再利用全電子模塊對(duì)X1和X2為轉(zhuǎn)轍機(jī)提供不同的電源，實(shí)現(xiàn)當(dāng)遇到道岔轉(zhuǎn)動(dòng)過程中被異物卡住等問題，不能達(dá)到密貼條件時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)到原位的目的。

3自動(dòng)復(fù)原電路的設(shè)計(jì)與分析

3.1　驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊是用來發(fā)出道岔定位操作和反位操作執(zhí)行命令的單元。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊主要有兩個(gè)MCU、同步校驗(yàn)單元、“與”電路和CPLD等構(gòu)成。MCU是用來發(fā)出道岔操縱指令和接受反饋指令；同步校驗(yàn)是用來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)MCU在同一時(shí)刻發(fā)出指令；“與”電路是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)MCU錯(cuò)誤的診斷。

道岔自動(dòng)復(fù)原全電子驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，首先要滿足故障-安全[5]的基本要素。如圖2所示，驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)了MCU1、MCU2兩個(gè)微控制器，其中MUC1接受CAN總線1傳遞來的指令，并進(jìn)行運(yùn)算分析；MUC2接收CAN總線2傳送來的指令[6]。CAN總線1和CAN總線2是由計(jì)算機(jī)的兩路CPU分別發(fā)出的指令，如果兩路微控制器經(jīng)過“與”電路的計(jì)算結(jié)果正確，把指令傳遞給CPLD進(jìn)行區(qū)分是定位操作還是反位操作。經(jīng)過CPLD的邏輯運(yùn)算[7]，然后把記過傳遞到I/O模塊?，F(xiàn)代處理器處理數(shù)據(jù)的速度越來越快，即使CPU發(fā)出的是相同的軟件代碼，也不能保證CPU1和CPU2運(yùn)算過程完全同步，因此全電子道岔自動(dòng)復(fù)原模塊設(shè)計(jì)采用了同步控制器。

圖2　驅(qū)動(dòng)模塊硬件原理

采用2條CAN總線的目的是，讓兩個(gè)微控制器的輸入來自兩個(gè)CPU的相同指令，無論是CPU運(yùn)算出了問題還是MUC1或MUC2出了問題，經(jīng)過“與”電路判斷后，結(jié)果是低電平，電路都不會(huì)有輸出。例：當(dāng)MUC1和MUC2接收到指令后發(fā)出Dw和Fw兩種指令，經(jīng)過“與”電路的判斷，如果MUC1和MUC2發(fā)出的指令相同，則得到一個(gè)高電平，輸出Dw或Fw；如果MUC1或MUC2出現(xiàn)故障或其中一個(gè)CPU發(fā)出了錯(cuò)誤指令，系統(tǒng)則不會(huì)發(fā)出操作指令，導(dǎo)向安全側(cè)。當(dāng)光耦1或光耦2接收到“與”電路發(fā)來的指令后，PC817光耦導(dǎo)通，使+12V的電源傳到繼電器側(cè)，使繼電器1或繼電器2工作。當(dāng)光耦1和光耦2同時(shí)工作時(shí)，自檢電路會(huì)向MUC1和MUC2反饋信息，停止工作并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。由于鐵路需要壽命長(zhǎng)、高可靠性和全電子要求抗干擾性強(qiáng)、體積小等問題，是PC817成為本驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的選擇[9]。

圖3　道岔表示功能原理

四線制直流轉(zhuǎn)轍機(jī)工作需要DZ220和DF220兩種電源，如圖1所示，當(dāng)X1和X4接通DZ220和DF220時(shí)，直流電會(huì)通過X1，41-42，1，4和05-06接通到X4，轉(zhuǎn)轍機(jī)向定位轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)X2和X4接通DZ220和DF220時(shí)，直流電會(huì)通過X2，11-12，2，4和03-04接通到X4，使轉(zhuǎn)轍機(jī)向反位轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)車務(wù)人員發(fā)出定位指令后，指令通過主板的輸入/輸出接口傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的CPU1和CPU2經(jīng)過對(duì)聯(lián)鎖條件判斷，決定是否發(fā)出定位操作指令。如果條件滿足，指令會(huì)通過CAN總線1和CAN總線2分別把指令傳遞給MUC1和MUC2，經(jīng)過“與”運(yùn)算、強(qiáng)弱電壓的隔離等，使繼電器1吸起。如圖2所示，當(dāng)繼電器1吸起后，圖4中的J1的接點(diǎn)閉合，X1和X4分別帶有DZ220和DF220兩種電，轉(zhuǎn)轍機(jī)M向定位轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，當(dāng)車務(wù)人員發(fā)出反位操作指令時(shí)，J2閉合，轉(zhuǎn)轍機(jī)M向反位轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2　表示和自動(dòng)復(fù)原模塊設(shè)計(jì)

表示模塊是用來采集道岔是在定位還是在反位的單元，并把采集到的信息反饋到MCU中，為MCU判斷是否執(zhí)行下一步操作提供依據(jù)。

道岔表示模塊依然采用DJZ220和DJF220輸入電壓，通過表示變壓器(BB)變壓后，輸出到室外轉(zhuǎn)轍機(jī)的原理，如圖3所示。表示變壓器(BB)不僅能把電源和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行隔離，而且完成了一次變壓的轉(zhuǎn)換；電阻R是為了防止電壓過大，對(duì)檢測(cè)單元造成燒毀等嚴(yán)重后果，起到限壓保護(hù)檢測(cè)單元的目的。定位檢測(cè)單元或反位檢測(cè)單元用來檢測(cè)道岔是處在定位狀態(tài)還是反位狀態(tài)，無論道岔被檢測(cè)到是處在定位狀態(tài)還是反位狀態(tài)，兩個(gè)檢測(cè)單元都實(shí)時(shí)的向MCU1和MCU2反饋信息。MCU1和MCU2又實(shí)時(shí)的傳遞他們接收到的信息，當(dāng)兩個(gè)檢測(cè)單元同時(shí)采集到道岔表示的信息，會(huì)向計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)出聯(lián)鎖條件不成立的信息，進(jìn)路不會(huì)被建立，并發(fā)出報(bào)警，保證了鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性。

圖4　自動(dòng)復(fù)原功能原理

四線制道岔定/反位轉(zhuǎn)換的時(shí)間一般在10 s以內(nèi)[8]，這里假定道岔轉(zhuǎn)換時(shí)間為10 s。當(dāng)MCU1和MCU2都采集不到表示信息，兩個(gè)微控制器同時(shí)進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)10 s，MUC1和MUC2還是采集不到道岔的表示信息，他們同時(shí)發(fā)出繼電器Js的驅(qū)動(dòng)指令。兩條指令通過安全“與”電路的運(yùn)算，如果兩條指令相同，同為高電平“1”，則輸出對(duì)Js驅(qū)動(dòng)的指令；如果兩條指令不相同，經(jīng)過“與”電路后，輸出一個(gè)低電平“0”，不對(duì)Js進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，確保了輸出安全，也達(dá)到了故障-安全的原則。自動(dòng)復(fù)原電路的實(shí)現(xiàn)，是基于圖3和圖4兩張?jiān)韴D完成的。繼電器Js被驅(qū)動(dòng)后，圖4中的Js接點(diǎn)就會(huì)吸起，把X1和X2的兩路DZ220電源進(jìn)行交換方向。例如，道岔從定位轉(zhuǎn)到反位，如果道岔中有道砟卡住，不能達(dá)到密貼，轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到8 s[10]，繼電器Js吸起，斷開X2的通路，把DZ220接到X1。如圖1所示，接通了X1、41-42、轉(zhuǎn)轍機(jī)M和X4這條通路，使轉(zhuǎn)轍機(jī)在轉(zhuǎn)回到定位狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在無人工操作的條件下自動(dòng)復(fù)原的目的。圖4中，Js處在落下狀態(tài)，當(dāng)繼電器Js吸起后，Js接點(diǎn)同時(shí)斷開了X1和X2兩路電源，達(dá)到了兩路電源互不影響的目的，因此轉(zhuǎn)轍機(jī)不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作。

4全電子四線制自動(dòng)復(fù)原道岔模塊的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分實(shí)現(xiàn)了硬件電路與安全技術(shù)要求，如果MCU正常接受命令信號(hào)，對(duì)控制命令進(jìn)行邏輯運(yùn)算和校驗(yàn)，發(fā)出對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制指令，同時(shí)對(duì)道岔的表示信息進(jìn)行采集，判斷道岔所處的位置，保證了邏輯控制的可靠性。

圖5　自動(dòng)復(fù)原模塊軟件設(shè)計(jì)

道岔自動(dòng)復(fù)原模塊的主控軟件流程如圖5所示。程序在上電時(shí)，首先對(duì)模塊進(jìn)行初始化和自檢，當(dāng)MCU1和MCU2反饋的數(shù)據(jù)正確一致后，對(duì)輸入的指令進(jìn)行處理，輸出道岔的控制命令，與此同時(shí)定/反位檢測(cè)單元不斷檢測(cè)，是否有表示電源反饋回來，如果10 s內(nèi)沒有表示電源反饋，程序驅(qū)動(dòng)繼電器Js，接通道岔復(fù)原電路；如果有表示信息被傳遞回來，并且是正確的狀態(tài)，模塊會(huì)把信息傳遞給聯(lián)鎖機(jī)，執(zhí)行進(jìn)路的其他聯(lián)鎖關(guān)系。

5全電子道岔自動(dòng)復(fù)原模塊與繼電計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的比較

全電子模塊與傳統(tǒng)的繼電聯(lián)鎖相比，有以下諸多優(yōu)點(diǎn)。

(1)全電子道岔模塊配線更加簡(jiǎn)單，直接采用模塊化生產(chǎn)，節(jié)省了很多繼電器和電線等材料。道岔模塊直接輸出DZ220和DF220，通過室內(nèi)分線盤和電纜線，直接與室外轉(zhuǎn)轍機(jī)相連接，減少了很多故障點(diǎn)，在檢查道岔故障的時(shí)候更加迅速便捷。

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)復(fù)原的功能。目前現(xiàn)場(chǎng)使用的道岔聯(lián)鎖關(guān)系不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)原的功能。當(dāng)值班人員疏忽時(shí)，可能造成轉(zhuǎn)轍機(jī)燒毀，給運(yùn)營(yíng)安全帶來很大的危險(xiǎn)。

(3)占地面積明顯減少。對(duì)于一個(gè)16組道岔的車站，電氣集中需要9個(gè)組合架，而全電子系統(tǒng)僅需要2個(gè)機(jī)柜。電氣集中安裝道岔繼電器的組合架，現(xiàn)在只需要2個(gè)道岔執(zhí)行模塊的位置，1個(gè)主機(jī)1個(gè)備機(jī)的位置。

(4)在不中斷運(yùn)營(yíng)的情況下，便于安裝、更換。當(dāng)?shù)啦砟K出現(xiàn)問題時(shí)，模塊會(huì)發(fā)出報(bào)警，值班人員非常容易找到故障具體位置，及時(shí)進(jìn)行更換，不用再去非常繁瑣地查找繼電器聯(lián)鎖電路故障點(diǎn)，判斷故障點(diǎn)，節(jié)省時(shí)間。

6自動(dòng)復(fù)原模塊的可靠性分析

鐵路控制系統(tǒng)對(duì)安全有著非常嚴(yán)格的要求，有效精確地分析道岔自動(dòng)復(fù)原控制電路的可靠性非常重要。比較了“故障樹分析法的接觸網(wǎng)可靠性分析”[10]和馬爾科夫模型方法[11-12]，最后選用馬爾科夫模型方法對(duì)其可靠性進(jìn)行分析。

圖6　馬爾科夫模型

根據(jù)以上對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊、表示采集模塊和自動(dòng)復(fù)原模塊的分析，建立如圖6所示的馬爾科夫模型。模型把全電子電路等效為4個(gè)部分：Ⅰ包括表示模塊、MCU1、通信電路及檢測(cè)單元；Ⅱ包括表示模塊、MCU2及檢測(cè)單元；Ⅲ包括驅(qū)動(dòng)模塊、道岔動(dòng)作電源控制電路、通信部分；Ⅳ包括晶振電路、自動(dòng)復(fù)原電路及復(fù)位電路。

6.1　4個(gè)部分的可靠性和平均故障間隔時(shí)間

(1)Ⅰ、Ⅱ模塊可靠性

Ⅰ部分的故障率分別為λ11、λ12、λ13、λ14，可靠度為R1(t)，平均故障間隔時(shí)間MTBF1。

經(jīng)過計(jì)算，得

(1)

由于Ⅰ模塊和Ⅱ模塊完全一樣，于是Ⅰ模塊和Ⅱ模塊綜合可靠度R12(t)為

(2)

(2)Ⅲ模塊可靠性

驅(qū)動(dòng)模塊、道岔動(dòng)作電源控制電路、通信部分及Ⅰ驅(qū)動(dòng)電路故障率為λ31、λ32、λ33、λ15，則其可靠度

(3)

(3)Ⅳ模塊可靠性

晶振電路、自動(dòng)復(fù)原電路及復(fù)位電路故障率為λ41、λ42、λ43，則可靠度

(4)

6.2　全電子道岔電路的可靠性和平均故障間隔

元件的失效率與元件的基本失效率、設(shè)備的工作環(huán)境、元器件質(zhì)量等有密切關(guān)系。根據(jù)《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》(GJB/Z 299C—2006)中獲得元器件的失效率，如表1所示。綜合式(1)～式(4)，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可以得到整個(gè)道岔模塊的平均故障時(shí)間間隔為

系統(tǒng)故障率為

表1　各元器件失效率

7結(jié)語(yǔ)

全電子四線制道岔自動(dòng)復(fù)原模塊采用了安全防護(hù)技術(shù)、冗余技術(shù)和全電子化技術(shù)等，以安全便捷的方式實(shí)現(xiàn)了道岔的自動(dòng)復(fù)原功能。當(dāng)?shù)啦韽?fù)原后，計(jì)算機(jī)

軟件會(huì)對(duì)道岔進(jìn)行標(biāo)記，以便工務(wù)人員及時(shí)處理。模塊采用了雙機(jī)熱備技術(shù)，當(dāng)主機(jī)模塊出現(xiàn)故障，備機(jī)馬上接替任務(wù)，不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)營(yíng)中斷，提高了道岔的安全性，全電子化模塊滿足了鐵路安全和效率的統(tǒng)一，是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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Research on All electronic Switch Automatic Recovery ModuleHAN Si-yuan, LIANG Yu-qi

(Key Laboratory of Opto-Electronic Technology and Intelligent Control of the Ministry of Education,

Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract：The automatic recovery module of four-wire switch of all electronic computer interlocking systems is introduced to replace the former switch executive circuit made of safety relay. The module includes micro-programmed control unit, complex programmable logic device, switch driving circuit, switch indication circuit, switch detection circuit and automatic recovery circuit. The computer interlocking system determines the MCU timing when there is an indicative voltage in the positioning and reversing detection units. When the timer reaches pre-set time and the switch fails to close at the stipulation time, MCU activates electric relay Js and the control system sends out reversed switching order for automatic recovery via Js contact. Finally, the scheme of software design is proposed and the working principle of the software is illustrated with flow chart.

Key words：Four-wire switch; All electronic; Computer interlocking systems; Automatic recovery

中圖分類號(hào)：U284

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.028

文章編號(hào)：1004-2954(2016)02-0136-04

作者簡(jiǎn)介：韓思遠(yuǎn)(1987—)，男，碩士研究生，E-mail：931018167@qq.com。

基金項(xiàng)目：蘭州交通大學(xué)青年基金(2014031)

收稿日期：2015-06-04； 修回日期：2015-06-15