陳光軍 王 勇 何源豐

(四川鐵道職業(yè)學院電信工程學院,610097,成都∥第一作者,副教授)

道岔控制電路主要用于控制道岔轉(zhuǎn)換、檢測道岔位置,是車站信號控制系統(tǒng)的重要組成部分。道岔位置正確是保證列車安全運行的必要條件之一。一旦道岔位置發(fā)生錯誤,輕則會導致列車擠岔、脫軌,重則會導致列車顛覆、碰撞等?？梢?道岔控制電路的實踐技能訓練十分重要。

為使職業(yè)院校學生和企業(yè)職員能圍繞道岔控制電路順利開展實踐技能訓練活動,降低實訓室的建設(shè)成本和實踐訓練時的安全風險,提高實踐訓練的效率,有必要設(shè)計、研制更加高效的新型道岔控制電路實訓系統(tǒng)(以下簡稱“實訓系統(tǒng)”)。

1 實訓系統(tǒng)的總體方案

實訓系統(tǒng)采用的道岔控制電路與軌道交通運營線路上實際應(yīng)用的道岔控制電路完全一致。實訓系統(tǒng)結(jié)合實踐訓練的實際情況,體現(xiàn)虛實結(jié)合的特點,確保實踐訓練能達到企業(yè)的崗位技能標準。“虛”是指通過信息技術(shù)實現(xiàn)針對1組道岔聯(lián)鎖關(guān)系的仿真聯(lián)鎖系統(tǒng),且通過軟故障方式來控制電路狀態(tài),并實時動態(tài)顯示電路圖和全方位管理實踐數(shù)據(jù)?！皩崱笔侵笇嵱栂到y(tǒng)的設(shè)備、元器件及道岔控制電路均同實際應(yīng)用的一致,并確保道岔控制電路的結(jié)構(gòu)和電氣特性保持不變,實踐訓練的方式與方法保持不變。實訓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實訓系統(tǒng)主要由仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)、IO(輸入/輸出)控制器和道岔控制電路三部分構(gòu)成。

圖1 實訓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)

在車站信號控制系統(tǒng)中,道岔動作主要受聯(lián)鎖關(guān)系中SFJ(鎖閉防護繼電器)控制。只有道岔處于解鎖狀態(tài)(SFJ勵磁)才能進行轉(zhuǎn)換操作。

仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)排除了道岔與其他信號設(shè)備之間的聯(lián)鎖關(guān)系,獨立控制SFJ狀態(tài),從而使實訓系統(tǒng)不會由于設(shè)備之間的聯(lián)鎖關(guān)系造成多個設(shè)備聯(lián)動,能有效地避免不同工位、工種實踐訓練的相互影響,排除了設(shè)備間聯(lián)動可能造成的安全隱患,提高了實踐訓練的安全性和實訓設(shè)備的使用效率。

仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)可實現(xiàn)實訓人員對道岔的定位轉(zhuǎn)反位、反位轉(zhuǎn)定位、鎖閉或解鎖操作,并同步監(jiān)督道岔位置(定位、反位或四開),以及道岔狀態(tài)(鎖閉或解鎖)。

1.2 IO控制器

IO控制器是仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)(軟件)與道岔控制電路(硬件)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和交換的中心。為了提高實訓系統(tǒng)的可靠性和安全性,IO控制器采用雙模塊互為熱備的方案,且與仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)有2個數(shù)據(jù)交互通道,其數(shù)據(jù)傳輸采用應(yīng)答重發(fā)機制,同步進行CRC(循環(huán)冗余校驗),以確保數(shù)據(jù)的正確性。

IO控制器主要由2個隔離型繼電器模組構(gòu)成。2個模組都實現(xiàn)了電源、通信總線,以及采集與驅(qū)動電路的電氣隔離。這種全隔離技術(shù)能有效阻止道岔控制電路在操縱轉(zhuǎn)轍機動作時的浪涌干擾串入上位機,從而避免由此造成的上位機死機或通信接口失效等異常情況。

1.3 道岔控制電路

實訓系統(tǒng)中的道岔控制電路采用實際應(yīng)用的標準電路,具有工作穩(wěn)定、可靠和安全的特點,能保持實踐訓練流程與企業(yè)實際的標準化作業(yè)流程一致。

道岔控制電路主要由采集電路、驅(qū)動電路、啟動電路和表示電路構(gòu)成。仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)通過IO控制器來控制采集與驅(qū)動電路工作,進而控制道岔的轉(zhuǎn)換,并監(jiān)督道岔位置及狀態(tài)。

1.4 特色功能

特色功能一,采用軟故障方式來控制電路狀態(tài)。軟故障方式即通過仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)和IO控制器來主動斷開道岔控制電路的某些電氣接點,從而模擬故障。這些斷開的電氣接點稱為故障點。故障點的選取是實訓系統(tǒng)的核心設(shè)計之一。應(yīng)深入企業(yè)調(diào)研,搜集現(xiàn)場故障數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析,再結(jié)合教師實踐教學經(jīng)驗和學生訓練數(shù)據(jù),才能合理確定故障點。此外,為了實現(xiàn)技能訓練的目標,故障點應(yīng)數(shù)量足夠、類型豐富且具有典型代表意義。

實訓系統(tǒng)中的故障點實現(xiàn)分為3步:①斷開道岔控制電路中選取的故障點;②把故障點的兩端連接到IO控制器的一組常閉電磁開關(guān)上;③通過仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)來控制電磁開關(guān)的通斷,從而實現(xiàn)對道岔控制電路狀態(tài)的控制。

軟故障方式能解決傳統(tǒng)實踐教學中由頻繁的拔插及焊接等操作而造成的設(shè)備易損壞問題,延長實訓系統(tǒng)的使用壽命,極大地降低師生勞動強度,大大縮短實踐教學時間,提升實踐教學和實踐訓練的效率。

特色功能二,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對實踐信息的全方位管理。實踐信息主要包括學生實踐全過程信息、教師設(shè)置實訓任務(wù)信息和每個實訓系統(tǒng)使用情況等。一方面,實踐信息能幫助教師更準確、客觀、全面地評價學生的實訓情況;另一方面,實踐信息也能輔助學生更準確地進行自我評價和學習反思,以便今后更高效地進行實踐訓練。

特色功能三,道岔控制電路圖的實時動態(tài)顯示功能。根據(jù)采集信息,仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)不僅能顯示道岔位置和狀態(tài),還能實時動態(tài)刷新道岔控制電路圖中的繼電器線圈和接點圖形,使學生能直觀感知電路的動作過程,有助于學生分析問題,找出故障點,快速地提升自己實踐技能。

2 基于字典算法實現(xiàn)道岔信息采集與命令驅(qū)動

為了靈活地構(gòu)建實訓系統(tǒng),使實訓系統(tǒng)的軟件能更好地適應(yīng)采集與驅(qū)動端口上的不同接線方式,實訓系統(tǒng)的軟件基于字典算法,通過修改字典中的數(shù)據(jù)來匹配硬件系統(tǒng)的變化,進而實現(xiàn)道岔信息的采集與命令驅(qū)動,從而提高實訓系統(tǒng)工程施工的便捷性和后期維護升級的簡易性。

字典是一種數(shù)據(jù)集合,其通過Key-Value(鍵值對)形式存儲數(shù)據(jù)。其中,Key在字典中必須是唯一的,表示采集或驅(qū)動的對象;Value主要為采集端口、采集對象狀態(tài)和驅(qū)動端口等信息。

實訓系統(tǒng)通過位權(quán)和狀態(tài)字典來實現(xiàn)對道岔信息的采集,通過驅(qū)動端口字典來實現(xiàn)對道岔的命令驅(qū)動。

2.1 道岔信息采集

實訓系統(tǒng)的道岔信息采集用于完成道岔位置及狀態(tài)信息的監(jiān)測、采集和轉(zhuǎn)換。這些信息既用于實訓系統(tǒng),實現(xiàn)道岔獨立控制的聯(lián)鎖關(guān)系,也作為實訓系統(tǒng)操作界面中道岔位置和狀態(tài)圖形、道岔控制電路圖的刷新依據(jù)。道岔信息采集的配線如圖2所示。采集對象有3個:DBJ22(定位表示繼電器DBJ的第2組前接點)、FBJ22(反位表示繼電器FBJ的第2組前接點)和SFJ22(鎖閉防護繼電器SFJ的第2組前接點)。三者分別通過組合(具有相同控制對象的繼電器按照定型電路環(huán)節(jié)組合在一起)側(cè)面端子02-2、02-3及02-4分別連接IO控制器的采集端口IN1、IN2和IN3,采集公共端COM與組合側(cè)面端子02-1連接。不同道岔位置或狀態(tài)下的采集端口信息情況如表1所示。

表1 不同道岔位置或狀態(tài)下的采集端口信息情況

圖2 道岔信息采集配線示意圖

實訓系統(tǒng)中道岔位置和狀態(tài)信息均為開關(guān)量,其狀態(tài)只有“無信息”和“有信息”兩種,分別用0和1表示。實訓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊一次讀取IO控制器中全部采集對象信息,并存入1個字節(jié)數(shù)組中。1個字節(jié)數(shù)組元素的長度為8個二進制位,每個二進制位可表示1個采集對象的狀態(tài)。

實訓系統(tǒng)基于字典算法來采集道岔信息的過程如下:

1) 建立1個由采集對象及其二進制位權(quán)構(gòu)成的位權(quán)字典(〈采集對象,位權(quán)〉),再把每個采集對象及其二進制位權(quán)添加到位權(quán)字典中,如〈DBJ22,1〉,表示DBJ22在字節(jié)數(shù)組元素中的二進制位權(quán)是1。若后期發(fā)現(xiàn)DBJ22連接在其他采集端口上,則僅需修改DBJ22的二進制位權(quán)即可,這樣可使實訓系統(tǒng)的軟件靈活地適配硬件變化,提高工程施工的效率。

2) 建立1個由采集對象及其狀態(tài)構(gòu)成的狀態(tài)字典(〈采集對象,狀態(tài)〉);再把每個采集對象及其初始狀態(tài)添加到狀態(tài)字典中,如〈DBJ22,落下〉,表示DBJ22的初始狀態(tài)是落下,從其采集的是“無信息”。

3) 遍歷位權(quán)字典,把位權(quán)字典中每個采集對象的二進制位權(quán)及其采集信息存儲的字節(jié)數(shù)組元素進行按位與運算(參與運算的兩個數(shù),按二進制位進行與運算):若結(jié)果等于0,則表示無信息,設(shè)置狀態(tài)字典中對應(yīng)采集對象狀態(tài)為落下;否則,表示有信息,設(shè)置其狀態(tài)為勵磁。

4) 遍歷狀態(tài)字典,根據(jù)采集對象狀態(tài)去實現(xiàn)實訓系統(tǒng)的各種功能。

5) 為了及時監(jiān)測采集對象的狀態(tài),需將過程3和4規(guī)劃在一個獨立線程中。

具體算法如圖3所示。由圖3可見,該算法實現(xiàn)過程簡潔,程序可讀性強。

圖3 道岔信息采集算法截圖

2.2 道岔命令驅(qū)動

實訓系統(tǒng)的道岔命令驅(qū)動主要根據(jù)操作人員意圖,通過道岔控制電路實現(xiàn)對道岔的控制。道岔命令驅(qū)動配線如圖4所示。圖4中:驅(qū)動對象為DCJ(定位操縱繼電器)、FCJ(反位操縱繼電器)和SFJ;三者線圈的4端子分別通過組合側(cè)面端子01-1、01-2及01-3連接IO控制器的驅(qū)動端口1-1、2-1及3-1;線圈的1端子都接向KZ(直流24 V電源正極),驅(qū)動公共端COM通過側(cè)面端子06-4接向KF(直流24 V電源負極)。

圖4 道岔命令驅(qū)動的配線示意圖

實訓系統(tǒng)基于字典算法實現(xiàn)道岔命令驅(qū)動的過程如下:

1) 建立一個由驅(qū)動對象及其驅(qū)動端口構(gòu)成的驅(qū)動端口字典(〈驅(qū)動對象,驅(qū)動端口〉),再將每個驅(qū)動對象及其驅(qū)動端口添加到驅(qū)動端口字典中,如〈DCJ,1〉。

2) 在需要驅(qū)動某個對象時,只需調(diào)用含驅(qū)動對象的驅(qū)動字典元素就可獲得其驅(qū)動端口,如驅(qū)動DCJ時,調(diào)用驅(qū)動端口字典〈DCJ〉。這樣就能形象、直觀地明確驅(qū)動對象,且不易混淆驅(qū)動對象。驅(qū)動對象越多,越能突現(xiàn)該優(yōu)點。

道岔信息采集與命令驅(qū)動的實現(xiàn)是研制實訓系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),須仔細規(guī)劃并設(shè)計控制邏輯和工作時序等。這種基于字典算法實現(xiàn)的實訓系統(tǒng),設(shè)計簡潔靈活,運行高效無誤,能有效地避免漏采、漏驅(qū)和聯(lián)鎖關(guān)系混亂等情況。

3 優(yōu)化與改進

在實訓系統(tǒng)研制階段,先后生產(chǎn)了10套樣機,并在四川鐵道職業(yè)學院建設(shè)了1個道岔控制電路實訓室,為學生提供道岔控制電路檢修與維護技能訓練,在試運行期間,實訓系統(tǒng)的功能逐步得到完善,故障點的設(shè)置日趨合理。其間解決的主要問題有:

1) 實訓系統(tǒng)運行時偶有數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象,導致其不能采集到設(shè)備狀態(tài)信息,也不能驅(qū)動信號繼電器動作。在仔細檢查并確認程序邏輯關(guān)系正確后,通過跟蹤串口通信數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)丟失的主要原因是數(shù)據(jù)發(fā)送速度太快。主要優(yōu)化措施為:①將串口類讀取數(shù)據(jù)的超時時間,從原來的5 ms調(diào)整到20 ms;②將線程的休眠時間,從原來的40 ms調(diào)整到80 ms。

2) 實訓系統(tǒng)操作界面上的圖像間或閃爍。查閱大量資料后獲知,圖像閃爍的主要原因是各圖元在重繪時產(chǎn)生了不同的時間延遲。主要改進措施是:先把圖像繪制在內(nèi)存中,即內(nèi)存作圖;內(nèi)存作圖完成后,再最后一次性呈現(xiàn)到顯示器。這樣可以使圖像在刷新時不再產(chǎn)生時間差,解決了實訓系統(tǒng)操作界面圖像閃爍的問題。

目前,經(jīng)過優(yōu)化的實訓系統(tǒng)達到了預(yù)期規(guī)劃與設(shè)計的目標,能很好地完成校企雙方設(shè)定的實踐訓練任務(wù),已為西南交通大學、成都工業(yè)學院、中國鐵路成都局集團有限公司達州電務(wù)段和中鐵八局集團電務(wù)工程有限公司等單位的學生及職員提供了實踐技能訓練服務(wù)。

4 結(jié)語

采用字典算法實現(xiàn)的虛實結(jié)合道岔控制電路實訓系統(tǒng)以標準的道岔控制電路為基礎(chǔ),以雙模塊熱備冗余IO控制器為橋梁,以仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)為核心,能通過操作界面來監(jiān)督道岔位置和狀態(tài),并控制道岔動作。

該實訓系統(tǒng)還具有如下特點:①道岔獨立控制的聯(lián)鎖關(guān)系提高了技能訓練的安全性和實訓設(shè)備的使用效率;②“軟故障”方式延長了實訓系統(tǒng)的使用壽命,提高了實踐技能訓練的效率;③軟硬件分離技術(shù)使實訓系統(tǒng)施工和后期維護升級更加高效;④保持道岔控制電路結(jié)構(gòu)和電氣特性、檢修與維護作業(yè)流程標準和方法不變;⑤電路圖實時動態(tài)顯示和實踐數(shù)據(jù)全方面管理有助于提高技能訓練的效果。