石彥剛,李積英,趙振翔

(1.蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,蘭州　730070； 2.蘭州交通大學(xué)光電與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州　730070)

近年來，隨著我國高速鐵路技術(shù)的快速發(fā)展，三相五線制交流提速道岔廣泛應(yīng)用于鐵路提速道岔的建設(shè)中，然而，偶發(fā)性電氣故障卻時(shí)時(shí)影響著鐵路系統(tǒng)運(yùn)行安全和可靠性。傳統(tǒng)的故障排查只是靠人工借助萬用表等簡單設(shè)備憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行逐步排查，不但使故障排查耗時(shí)耗力，而且嚴(yán)重影響運(yùn)營效率[1]。基于此，研究并設(shè)計(jì)了一種虛擬交流轉(zhuǎn)轍機(jī)，該虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)可以根據(jù)傳感器采集室內(nèi)道岔控制電路動(dòng)作過程中X1～X5的電流及電壓數(shù)據(jù)中解析出定操與反操動(dòng)作命令，模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)的定轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)動(dòng)作并點(diǎn)亮相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，還可以判斷出室內(nèi)道岔控制電路的斷線、混線和缺相等故障。另外，該虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)也可以將采集到的電流及電壓數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，在上位機(jī)生成功率曲線，供電務(wù)維護(hù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)道岔控制電路的運(yùn)行狀態(tài)[2]，能夠?qū)κ覂?nèi)道岔控制電路的動(dòng)作命令進(jìn)行有效驗(yàn)證。在我國鐵路建設(shè)進(jìn)程中，借助于該虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)提前對室內(nèi)道岔控制電路進(jìn)行調(diào)試校驗(yàn)，將會(huì)大大縮短施工周期。

1　整體設(shè)計(jì)

虛擬交流轉(zhuǎn)轍機(jī)與室內(nèi)道岔控制電路連接如圖1所示，交流五線制虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)采用嵌入式軟硬件的設(shè)計(jì)方式，主要由硬件和軟件兩部分集成，共同實(shí)現(xiàn)對道岔的狀態(tài)采集和動(dòng)作的模擬。

交流五線制虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)是基于強(qiáng)電和弱電分開，對外接口根據(jù)功能獨(dú)立設(shè)置，與系統(tǒng)外部的輸入連接線需要設(shè)有保護(hù)措施的設(shè)計(jì)方式[3]。

圖1　虛擬交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的連接框圖

2　硬件部分

硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，交流五線制虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)采用嵌入式軟硬件的設(shè)計(jì)方式，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，如有故障，則只會(huì)對本電路板產(chǎn)生影響，不影響其他各模塊的正常工作。虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)的硬件部分主要由MCU控制電路、電源電路、RS485通信電路、調(diào)理電路、電流及電壓采集電路、動(dòng)作及表示電路等部分構(gòu)成。

圖2　硬件組成框圖

2.1　MCU控制電路

MCU采用Atmel公司研發(fā)的AT90CAN128微處理器獨(dú)立控制電路結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)整個(gè)電路板的核心邏輯運(yùn)算。它具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，128KB的可重編程Flash可通過AVR核上的引導(dǎo)程序經(jīng)SPI串口在系統(tǒng)重新編程，引導(dǎo)程序能夠?qū)⒔涌趹?yīng)用程序下載到Flash中。AT90CAN128芯片還具有可編程帶內(nèi)部振蕩器的看門狗定時(shí)器，53個(gè)8位可編程的通用I/O口，1個(gè)SPI串行接口，AT90CAN128可以為很多嵌入式控制應(yīng)用提供一種極為靈活且成本有效的解決方案[4]。

MCU控制模塊通過RS485通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間以幀指令的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。與此同時(shí)，MCU能夠從電流采集電路中獲得W、U、V三相的動(dòng)作電流的大小及相位差，由此判定道岔控制電路的定轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)動(dòng)作，并驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作電路完成相應(yīng)的動(dòng)作[5]。由采集的三相電源W、U、V及流經(jīng)電阻R的電流數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理并存儲(chǔ)，判斷有無缺相、過流、混線等故障。與電壓采集電路采集到的X1與X2、X1與X3、X1與X4、X1與X5電壓值運(yùn)算求出功率值并上傳到上位機(jī)生成曲線，供操作人員分析判斷道岔運(yùn)行狀態(tài)。

2.2　電源模塊

虛擬交流轉(zhuǎn)轍機(jī)各模塊采用不同電源模塊供電，使各部分之間獨(dú)立運(yùn)行互不影響。具體如下：(1)將背板輸入的24VDC轉(zhuǎn)換成24VDC，用作繼電器K1、K2、K3的驅(qū)動(dòng)電源；(2)將24VDC轉(zhuǎn)換成5VDC，用作MCU控制電路的工作電源；(3)將24V DC轉(zhuǎn)換成5VDC，用作通信電路的工作電源；④將24VDC轉(zhuǎn)換成-5VDC，用作調(diào)理電路的工作電源。

2.3　通信電路

通信電路采用半雙工通信工作模式RS485通信。由于其具有平衡發(fā)送和差分接收的特點(diǎn)，對共模干擾信號(hào)具有較強(qiáng)的抑制能力。RS485總線接口具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在RS485通信中，數(shù)據(jù)幀采用16位的CRC校驗(yàn)。MCU與上位機(jī)間的通信都是以數(shù)據(jù)幀的形式進(jìn)行，數(shù)據(jù)幀中包括電流有效值、電壓有效值、動(dòng)作時(shí)間、功率值等信息，且對每一條幀數(shù)據(jù)都會(huì)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，只有在幀數(shù)據(jù)正確時(shí)，才會(huì)執(zhí)行相應(yīng)操作，否則將會(huì)丟棄數(shù)據(jù)幀。

2.4　調(diào)理電路

在調(diào)理電路中設(shè)置1個(gè)參考點(diǎn)K，可以通過人為調(diào)節(jié)參考點(diǎn)值選取較為合適的AD轉(zhuǎn)換匹配信號(hào)。傳感器采集到的電流與電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路放大，輸出適合于AD轉(zhuǎn)換的電流、電壓信號(hào)，在阻抗和電平上與AD轉(zhuǎn)換相匹配。然后ADC對模擬信號(hào)數(shù)字化處理，并把電流、電壓的數(shù)字信號(hào)送到MCU以便系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。如圖3所示。

圖3　調(diào)理電路

2.5　電流及電壓采集電路

電流檢測模塊選用DVDI-001型臥式穿芯小型精密交流電壓電流通用互感器采集動(dòng)作回路中的電流數(shù)據(jù)，與被測電路無任何電氣連接，只需在互感器中心孔穿入一匝母線作為輸入線圈，就可以很精確地采集到三相電源W、U、V及流經(jīng)電阻R的電流信息[6]。CPU會(huì)對處理后的數(shù)字電流信息分析、處理，并判斷是否存在過流情況。

與電流檢測類似，電壓檢測采用TV0815-1微型精密交流電壓互感器來采集動(dòng)作回路中X1與X2、X1與X3、X1與X4、X1與X5間的電壓數(shù)據(jù)，無需與被測電路有任何電氣連接，將模擬電壓信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大電路進(jìn)行放大處理后，傳入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)對AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓信號(hào)分析、處理，并作出判斷。

2.6　動(dòng)作及表示電路

動(dòng)作及表示模塊主要通過繼電器K1、K2、K3和一系列指示燈來實(shí)現(xiàn)。其中，由繼電器K1、K2代替實(shí)際轉(zhuǎn)轍機(jī)自動(dòng)開閉器的第1、2、3、4排接點(diǎn)，繼電器K3用于控制X1、X2、X3的接通與斷開，當(dāng)遇到室內(nèi)道岔控制電路斷線、混線故障時(shí)及時(shí)切斷電源[7]。

虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)通過檢測到控制電路的動(dòng)作命令來模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)的定位、反位和四開的狀態(tài)。繼電器的具體狀態(tài)如定位：K1↓、K2↓、K3↑；反位：K1↑、K2↑、K3↑；四開：K1↓、K2↑、K3↑。

室內(nèi)道岔控制電路由X1～X5五根電纜線來驅(qū)動(dòng)模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)的定轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)動(dòng)作[8]。具體作用：

X1既是定轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)動(dòng)作共用線，又是表示共用線；

X2既是定轉(zhuǎn)啟動(dòng)線，又是定位表示線；

X3既是反轉(zhuǎn)啟動(dòng)線，又是反位表示線；

X4既是反轉(zhuǎn)啟動(dòng)線，又是定位表示線；

X5既是定轉(zhuǎn)啟動(dòng)線，又是反位表示線[9]。

因此，定位表示線為：X1、X2、X4；反位表示線為：X1、X3、X5；定位啟動(dòng)線為：X1、X2、X5；反位啟動(dòng)線為：X1、X3、X4。

在虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)上總共設(shè)置有11個(gè)指示燈，操作人員可以直觀地看到模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和一些故障問題，以便及時(shí)處理。

3　軟件部分

虛擬交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的軟件部分采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的方法。主要由主程序、AD中斷服務(wù)子程序、電流檢測子程序、動(dòng)作檢測子程序和定時(shí)器中斷服務(wù)子程序等五部分組成[10]。

3.1　主程序

程序進(jìn)入主程序之后，依次執(zhí)行關(guān)閉全局中斷、設(shè)備初始化、開全局中斷、串口數(shù)據(jù)處理和動(dòng)作檢測等操作。

為避免之前數(shù)據(jù)對后續(xù)操作產(chǎn)生不必要的干擾。程序在運(yùn)行之前，首先要關(guān)閉全局中斷，并對設(shè)備的各個(gè)模塊單元進(jìn)行初始化配置，主要完成I/O端口初始化、定時(shí)器1初始化、地址碼初始化、中斷初始化、虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)初始狀態(tài)設(shè)置等工作[11]。串口數(shù)據(jù)處理時(shí)，需校驗(yàn)板地址和箱地址是否一致。主程序流程如圖4所示。

圖4　主程序流程

3.2　AD中斷服務(wù)子程序

AT90CAN128微處理器具有8通道單端或差分輸入的10位ADC，采用單觸發(fā)采樣模式。因此，每次只能采集一個(gè)通道的值，將采集到的值進(jìn)行一次AD轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)一次。

為了能夠得到功率曲線，程序需要采集X1與X2、X1與X3、X1與X4、X1與X5之間的電壓以及三相電源W、U、V與流經(jīng)電阻R的電流值。在提高程序的運(yùn)行效率的前提下，對采集通道進(jìn)行有選擇性的采集。如：在進(jìn)行定操動(dòng)作時(shí)，只需采集X1與X2、X1與X5的電壓和三相電源W、U、V及流經(jīng)電阻R的電流值；在進(jìn)行反操動(dòng)作時(shí)，只需采集X1與X3、X1與X4的電壓和三相電源W、U、V及流經(jīng)電阻R的電流值[12]。如圖5所示。

圖5　AD中斷服務(wù)子程序流程

3.3　電流檢測子程序

電流檢測子程序用于采集室內(nèi)道岔控制電路電流數(shù)據(jù)信息，并分析判斷W、U、V三相電源以及流經(jīng)電阻R的電流是否存在缺相和過流故障。將采集到的電流數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，得到W、U、V以及R電流的瞬時(shí)值[13]。經(jīng)過計(jì)算得到電流的有效值，由此可以判斷虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)是否存在過流和缺相故障，如果存在故障，則點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈，否則繼續(xù)執(zhí)行下條語句，以W相為例，程序如下

void DL_detection(void)

{

…

switch(FlagAD)//判斷開始轉(zhuǎn)換標(biāo)志

{

case ADINITIAL://開始轉(zhuǎn)換標(biāo)志為0

Cycle_init(); //選擇通道4，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換

break;

case ADSTART:

break;

case ADEND://開始轉(zhuǎn)換標(biāo)志為2，AD轉(zhuǎn)換完成

FlagI=0; //電流標(biāo)志初始化

…

Wi=CalCurrentValue(Wad);//計(jì)算W相的電流

if(Wi > IMIN && Wi < IMAX)

{

FlagI |=(1 << 0);//設(shè)置FlagI=1

PORTC &=～(1<

}

else

{

FlagI &=～(1 << 0);

PORTC |=(1<

}

…

break;

…

}

}

3.4　動(dòng)作檢測子程序

動(dòng)作檢測子程序通過W、U、V三相驅(qū)動(dòng)電源的相位差，判斷模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)的定轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)操作。與此同時(shí)，由相位差可以判斷類型一和類型二，并自行切換。以反操為例：當(dāng)W相與U相的相位差a和W相與V相的相位差b滿足條件(a > ADMIN) && (a < ADMAX) && (b > (360-ADMAX)) && (b < (360-ADMIN))時(shí)，判斷表示標(biāo)志位是否為BsFlag==FB，若BsFlag=FB，則點(diǎn)亮缺相燈和混線燈，同時(shí)繼電器K3落下。若BsFlag!=FB，則判斷驅(qū)動(dòng)標(biāo)志位是否為QdFlag==FCTURNSTAT，若是，則繼電器K1、K2吸起，W、U、V三相電源的指示燈同時(shí)點(diǎn)亮，持續(xù)2 s熄滅且反位表示燈點(diǎn)亮，反操動(dòng)作完成[14]。具體程序如下

void BSjudge(void)

{

…

switch(FlagI)

{

…

case 0x07:

a=CalXw(Wad，Uad，Wi，Ui); //計(jì)算相位差

b=CalXw(Wad，Vad，Wi，Vi);

…

if((a > ADMIN) && (a < ADMAX) && (b > (360-ADMAX)) && (b < (360-ADMIN)))

{ //反操

if(BsFlag==FB)

{ //道岔在反位時(shí)又進(jìn)行反操，出現(xiàn)混線故障

HxError();

break;

}

if(QdFlag==FCTURNSTAT)

{

BsFlag=DCFCZ;

if(ZDTimeCount==0)

{

DZ_finish();

QdFlag=TURNENDSTAT;//轉(zhuǎn)動(dòng)完畢

…

}

}

else

{

SetSK();//設(shè)置四開表示標(biāo)志

…

}

…

}

…

}

3.5　定時(shí)器中斷服務(wù)子程序

定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中包括轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間計(jì)數(shù)器ZDTimeCount、延時(shí)計(jì)數(shù)器YSTimeCount、缺相計(jì)數(shù)器QxCount、R過流計(jì)數(shù)器RGLCount、檢測電流錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器DLErrCount、數(shù)組計(jì)數(shù)器g_ad_count等[15]。以缺相計(jì)數(shù)器QxCount為例，缺相計(jì)數(shù)器就是在采集電流和電壓數(shù)據(jù)信息時(shí)防止數(shù)據(jù)采集不全，以致于CPU誤判給出錯(cuò)誤的表示。因此，為了保證數(shù)據(jù)能夠采集完整，定義8個(gè)定時(shí)器周期(約640 ms)用作數(shù)據(jù)采集，當(dāng)QxCount大于8個(gè)周期時(shí)，就認(rèn)為出現(xiàn)缺相故障，并點(diǎn)亮缺相故障指示燈。執(zhí)行完定時(shí)中斷程序之后，必須再次設(shè)置TC1寄存器初值。

定時(shí)器TC1初始化程序如下：

void TC1_init(void)

{

TCNT1H=TIMEH; //設(shè)置TC1寄存器初值

TCNT1L=TIMEL;

TCCR1A=0X00;//普通端口模式

TCCR1B |=(1 << CS12)|(1 << CS10);//1024分頻TIMSK1 |=(1 << TOIE1);

}

4　虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)測試結(jié)果

虛擬交流轉(zhuǎn)轍機(jī)與室內(nèi)道岔控制電路相連接時(shí)，若室內(nèi)道岔控制電路出現(xiàn)配線錯(cuò)誤的情況下。既可以通過虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)上的指示燈判斷故障，又可以通過上位機(jī)的功率曲線判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作過程中的故障現(xiàn)象及產(chǎn)生原因。

轉(zhuǎn)轍機(jī)的功率變化曲線實(shí)質(zhì)上反映了轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作過程中拉力的變化[16]。因此，功率曲線能夠體現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作過程。在模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)帶負(fù)載的情況下，采集動(dòng)作過程中的電流、電壓等信息，經(jīng)過運(yùn)算放大器放大處理及AD轉(zhuǎn)換之后存儲(chǔ)，并由虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)CPU根據(jù)式(1)計(jì)算出一個(gè)采樣周期內(nèi)動(dòng)作相電流的有效值

(1)

式中，I為電流的有效值；N為一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)；ii為電流的采樣值。

根據(jù)式(2)可計(jì)算出線電壓的有效值

(2)

式中，U為線電壓的有效值；N為一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)；ui為線電壓的采樣值。

由(3)式可計(jì)算出虛擬交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的功率值

(3)

其中，U為采集到的線電壓有效值；I為采集到的相電流有效值；cosφ為功率因數(shù)。

經(jīng)過RS485通信將電流、電壓和功率信息上傳到上位機(jī)，在上位機(jī)中生成功率曲線供操作人員分析出轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)行狀況。虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)帶負(fù)載時(shí)功率曲線如圖6所示。

圖6　帶負(fù)載時(shí)的功率曲線

由圖6可知，由該虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)采集的數(shù)據(jù)信息所繪制功率曲線與實(shí)際轉(zhuǎn)轍機(jī)的功率曲線一致。因此，可以用來監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)行情況以及故障現(xiàn)象分析。

此外，也可通過虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)上設(shè)置的指示燈將故障表示出來，以便操作人員及時(shí)檢查維修。具體如表1所示。

表1　故障判斷分析

由此可知，虛擬交流轉(zhuǎn)轍機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)道岔控制電路及動(dòng)作電路進(jìn)行有效的提前驗(yàn)證，故障排查省時(shí)省力，能夠提高道岔控制電路的可靠性及運(yùn)營效率。

5　結(jié)語

目前，已投入計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)中進(jìn)行使用，虛擬交流轉(zhuǎn)轍機(jī)不僅能夠模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)的定操、反操、定位表示、反位表示及四開表示，還能夠較為準(zhǔn)確的模擬室外交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作狀態(tài)，并對故障及時(shí)警示。在實(shí)際鐵路運(yùn)營系統(tǒng)中能對道岔控制電路的動(dòng)作命令事先校驗(yàn)，節(jié)省故障排查時(shí)間，提高道岔控制電路的可靠性，進(jìn)而提高運(yùn)營效率。同時(shí)，虛擬交流轉(zhuǎn)轍機(jī)不但可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和相關(guān)比賽中，而且可以用一個(gè)或多個(gè)虛擬轉(zhuǎn)轍機(jī)模擬單機(jī)牽引、多機(jī)牽引，具有靈活便攜、安全可靠、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

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