陳光軍 龔文元 王 勇

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

道岔是直接關(guān)系行車(chē)安全的關(guān)鍵設(shè)備,道岔密貼程度、道岔位置是否正確等因素都會(huì)影響列車(chē)的運(yùn)行安全。轉(zhuǎn)轍機(jī)是控制道岔轉(zhuǎn)換的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其自動(dòng)開(kāi)閉器接點(diǎn)是道岔控制電路的重要組成部分。因此,確保自動(dòng)開(kāi)閉器接點(diǎn)接觸良好是控制道岔轉(zhuǎn)換、檢測(cè)道岔位置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在軌道交通運(yùn)營(yíng)線路上,常有轉(zhuǎn)轍機(jī)自動(dòng)開(kāi)閉器出現(xiàn)個(gè)別組接點(diǎn)接觸不良的情況,為了不影響列車(chē)的正常運(yùn)行,對(duì)于企業(yè)信號(hào)工而言,其需要迅速找出故障位置,及時(shí)排除故障;對(duì)于職業(yè)院校而言,需要設(shè)置專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練,將課程內(nèi)容充分對(duì)接這一崗位的技能需求,以提高學(xué)生的崗位競(jìng)爭(zhēng)力及適應(yīng)力。然而,此類(lèi)故障在實(shí)訓(xùn)中卻難以被完全模擬出來(lái),即使成功設(shè)置出接觸不良的接點(diǎn),其外形上也有別于其他組接點(diǎn),因而無(wú)法還原崗位實(shí)際工作情形,達(dá)不到實(shí)踐訓(xùn)練的目標(biāo)。

為了解決上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種基于自動(dòng)開(kāi)閉器工作原理的雙模塊IO(輸入輸出)控制器,用其電磁開(kāi)關(guān)代替自動(dòng)開(kāi)閉器的接點(diǎn)系統(tǒng),上位機(jī)能獨(dú)立控制各電磁開(kāi)關(guān)狀態(tài),從而能夠模擬自動(dòng)開(kāi)閉器接點(diǎn)接觸不良的應(yīng)用場(chǎng)景。將IO控制器以虛實(shí)結(jié)合的方法應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中,可模擬各種實(shí)際工作場(chǎng)景,以滿足實(shí)踐教學(xué)或技能培訓(xùn)的需求。本研究可為軌道交通信號(hào)虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)裝備研制提供工程經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)指導(dǎo)。需要指出的是,本文中的虛是指用軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)閉器動(dòng)接點(diǎn)動(dòng)作的邏輯關(guān)系,以此控制電磁開(kāi)關(guān)狀態(tài)的IO控制器,并實(shí)時(shí)顯示自動(dòng)開(kāi)閉器的接點(diǎn)狀態(tài);實(shí)是指IO控制器與自動(dòng)開(kāi)閉器并聯(lián)應(yīng)用時(shí),能保持自動(dòng)開(kāi)閉器結(jié)構(gòu)和電氣特性不變。

1 總體方案規(guī)劃

1.1 自動(dòng)開(kāi)閉器特性

自動(dòng)開(kāi)閉器接點(diǎn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示,有2排動(dòng)接點(diǎn),4排靜接點(diǎn)。其中,實(shí)心圓表示動(dòng)接點(diǎn),空心圓表示靜接點(diǎn)。靜接點(diǎn)十位數(shù)字表示排編號(hào),個(gè)位數(shù)字表示接點(diǎn)編號(hào),每排有3組靜接點(diǎn)(上下兩個(gè)空心圓表示一組靜接點(diǎn))。動(dòng)接點(diǎn)位于兩排靜接點(diǎn)之間,每個(gè)動(dòng)接點(diǎn)控制左右對(duì)稱(chēng)兩組靜接點(diǎn)的狀態(tài),構(gòu)成一個(gè)接點(diǎn)組。1排與2排、3排與4排互稱(chēng)為關(guān)聯(lián)排。

圖1 自動(dòng)開(kāi)閉器接點(diǎn)系統(tǒng)示意圖

在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,自動(dòng)開(kāi)閉器的動(dòng)接點(diǎn)可左右變換位置,進(jìn)而使靜接點(diǎn)斷開(kāi)或閉合。靜接點(diǎn)狀態(tài)不但受動(dòng)接點(diǎn)位置控制,也受接點(diǎn)間壓力、表面光潔度和接點(diǎn)形變等因素影響。在上述情形下,靜接點(diǎn)看似處于閉合狀態(tài),實(shí)則處于斷開(kāi)狀態(tài),這種現(xiàn)象稱(chēng)之為接點(diǎn)接觸不良。

分析轉(zhuǎn)轍機(jī)工作原理并觀察其工作過(guò)程可以發(fā)現(xiàn),每排動(dòng)接點(diǎn)均為同時(shí)動(dòng)作,可位于兩排靜接點(diǎn)之間的任意位置,使一排靜接點(diǎn)閉合、一排關(guān)聯(lián)排靜接點(diǎn)斷開(kāi),或兩排靜接點(diǎn)均斷開(kāi)。在道岔轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),動(dòng)接點(diǎn)位置主要取決于自動(dòng)開(kāi)閉器檢查柱是否落入停止移動(dòng)的表示桿缺口中,轉(zhuǎn)轍機(jī)的電動(dòng)機(jī)并不直接帶動(dòng)表示桿移動(dòng),而是直接帶動(dòng)動(dòng)作桿移動(dòng)。在軌道交通運(yùn)營(yíng)線路上的轉(zhuǎn)轍機(jī)通過(guò)動(dòng)作桿和表示桿連接道岔,在道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程中,表示桿將隨道岔尖軌移動(dòng)。

用于道岔控制電路實(shí)踐教學(xué)的轉(zhuǎn)轍機(jī)有兩種形式:① 連接道岔。該種形式占用空間面積大、難以提供足夠多的實(shí)踐工位,且道岔轉(zhuǎn)換時(shí)存在較大的安全隱患。② 不連接道岔。由于道岔轉(zhuǎn)換不帶動(dòng)表示桿移動(dòng),轉(zhuǎn)轍機(jī)每次工作結(jié)束時(shí),其動(dòng)接點(diǎn)幾乎都位于兩排靜接點(diǎn)的中間,使兩排靜接點(diǎn)都處于斷開(kāi)狀態(tài),即四開(kāi)狀態(tài)。為避免自動(dòng)開(kāi)閉器的所有接點(diǎn)一直處于四開(kāi)狀態(tài),須撤下轉(zhuǎn)轍機(jī)的表示桿。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)開(kāi)閉器接點(diǎn)系統(tǒng)是一組由機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制的開(kāi)關(guān)組,仿真自動(dòng)開(kāi)閉器的設(shè)計(jì)原理是將驅(qū)動(dòng)單元電磁開(kāi)關(guān)作為自動(dòng)開(kāi)閉器的靜接點(diǎn),將自動(dòng)開(kāi)閉器中未使用的靜接點(diǎn)作為采集對(duì)象,每個(gè)模塊根據(jù)采集信息實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的邏輯關(guān)系,進(jìn)而控制電磁開(kāi)關(guān)狀態(tài)。仿真自動(dòng)開(kāi)閉器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,該系統(tǒng)是一個(gè)雙模塊互為熱備的方案。

圖2 仿真自動(dòng)開(kāi)閉器結(jié)構(gòu)示意圖

模塊A和模塊B分別采用哈弗和馮諾依曼架構(gòu)的控制器,其軟件均使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多線程編程技術(shù),每個(gè)模塊開(kāi)設(shè)兩個(gè)工作線程同時(shí)完成采集信息、執(zhí)行邏輯運(yùn)算和生成驅(qū)動(dòng)命令等任務(wù),再由切換單元完成驅(qū)動(dòng)命令的校驗(yàn)與輸出,最后通過(guò)診斷單元鑒別執(zhí)行命令的反饋信息,以確保驅(qū)動(dòng)命令的正確性和執(zhí)行的準(zhǔn)確性。若一個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)與反饋信息不一致,則將自動(dòng)切換到另一模塊工作,并給出告警信息。同時(shí),仿真自動(dòng)開(kāi)閉器的工作電源采用電磁隔離技術(shù),其與道岔控制電路的工作電源之間無(wú)電氣連接,能有效排除道岔控制電路工作時(shí)帶來(lái)的強(qiáng)電磁干擾。因此,仿真自動(dòng)開(kāi)閉器具有很高的安全性和可靠性。

上位機(jī)可根據(jù)所采集的信息動(dòng)態(tài)顯示自動(dòng)開(kāi)閉器的接點(diǎn)狀態(tài),使實(shí)踐人員的觀察更為形象直觀。此外,上位機(jī)還可根據(jù)培訓(xùn)師的設(shè)置,獨(dú)立控制仿真自動(dòng)開(kāi)閉器每個(gè)電磁開(kāi)關(guān)的狀態(tài),進(jìn)而還原軌道交通運(yùn)營(yíng)線路中自動(dòng)開(kāi)閉器接點(diǎn)接觸不良的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.3 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

仿真自動(dòng)開(kāi)閉器可以獨(dú)立應(yīng)用,也可與自動(dòng)開(kāi)閉器并聯(lián)應(yīng)用,這兩種方式均不會(huì)改變道岔控制電路的電氣特性。獨(dú)立應(yīng)用仿真自動(dòng)開(kāi)閉器能夠使道岔控制電路的接線方式與物理結(jié)構(gòu)、實(shí)踐訓(xùn)練方式與方法有較大的變化。并聯(lián)應(yīng)用仿真自動(dòng)開(kāi)閉器僅需從自動(dòng)開(kāi)閉器的每組靜接點(diǎn)引出兩根導(dǎo)線接向?qū)?yīng)的電磁開(kāi)關(guān),并卸下驅(qū)動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)接點(diǎn)組中動(dòng)接點(diǎn)上的銅環(huán),這樣能最大程度地保持自動(dòng)開(kāi)閉器結(jié)構(gòu)和特性不變,且不改變實(shí)踐訓(xùn)練方式與方法。

為了更好地滿足企業(yè)的技能需求,優(yōu)先考慮仿真自動(dòng)開(kāi)閉器的并聯(lián)應(yīng)用,其方案有以下兩種:

方案1:每排選用一個(gè)未使用的靜接點(diǎn)作為采集對(duì)象,應(yīng)用于直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路,其配線圖如圖3所示。自動(dòng)開(kāi)閉器的靜接點(diǎn)15-16、25-26、35-36和45-46作為仿真自動(dòng)開(kāi)閉器的采集對(duì)象,靜接點(diǎn)11-12、13-14、21-22、23-24、31-32、33-34、41-42和43-44分別與驅(qū)動(dòng)單元的一個(gè)電磁開(kāi)關(guān)并聯(lián)。

注:IN為采集端;COM為采集公共端。

方案2: 1、2排與3、4排中各選一個(gè)未使用的靜接點(diǎn)作為采集對(duì)象,可用于交直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路。方案2交流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路配線圖如圖4所示,自動(dòng)開(kāi)閉器靜接點(diǎn)21-22和31-32作為仿真自動(dòng)開(kāi)閉器的采集對(duì)象。若用于直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路,自動(dòng)開(kāi)閉器的靜接點(diǎn)25-26、35-36或15-16、45-46作為仿真自動(dòng)開(kāi)閉器的采集對(duì)象,驅(qū)動(dòng)單元配線與方案1相同。

圖4 方案2交流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路配線圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 驅(qū)動(dòng)單元

道岔控制電路使用的轉(zhuǎn)轍機(jī)有三相交流和直流兩種類(lèi)型。直流轉(zhuǎn)轍機(jī)的常用型號(hào)是ZD6系列,額定電壓為DC 160 V,工作電流不超過(guò)DC 2.0 A,故障電流不超過(guò)DC 2.9 A。交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的常用型號(hào)有S700K、ZDJ9和ZYJ7等,額定電壓為AC 380 V,工作電流不超過(guò)AC 2.0 A,故障電流不超過(guò)AC 2.3 A。

根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)電氣參數(shù)和瞬時(shí)工作(道岔轉(zhuǎn)換時(shí)間<18 s)特點(diǎn),所選用的驅(qū)動(dòng)單元電磁開(kāi)關(guān)為歐姆龍G2RL-1A繼電器,其最大接點(diǎn)電壓為AC 440 V和DC 300 V,最大接點(diǎn)電流為12.0 A,耐沖擊電壓高達(dá)10 kV。

2.2 模塊控制器

為保證仿真自動(dòng)開(kāi)閉器的可靠性,其控制器采用雙模塊熱備冗余方案。模塊A選用的MCU(微處理器)為GD32E103C8T6,其是基于ARM(進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器)架構(gòu)的32位嵌入式控制器,具有超高的計(jì)算性能,主頻最高可達(dá)120 MHz,并能提供完整的DSP(數(shù)字信號(hào)處理)指令集、并行計(jì)算能力和專(zhuān)用FPU(浮點(diǎn)處理單元)以滿足高級(jí)計(jì)算需求。模塊B選用的MCU是STC32G12K128,其是具有8051內(nèi)核的超高速32位嵌入式控制器,比傳統(tǒng)8051快約70倍以上,支持49個(gè)中斷源,4級(jí)中斷優(yōu)先級(jí),擁有128 KB FLASH 程序存儲(chǔ)器和12 KB SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

2.3 診斷單元

診斷單元主要通過(guò)輸出與反饋信息之間的硬邏輯關(guān)系,判斷驅(qū)動(dòng)單元對(duì)驅(qū)動(dòng)命令的執(zhí)行情況,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)命令的閉環(huán)校驗(yàn)。它采用的是高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯控制器XC9572XL,有72個(gè)宏單元1 600個(gè)可用門(mén),引腳對(duì)引腳的邏輯延遲時(shí)間為5 ns,系統(tǒng)最高工作頻率可達(dá)178 MHz。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程

為了提高軟件的穩(wěn)定性和可靠性,在程序設(shè)計(jì)上采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)多線程編程方案,模塊A的MCU內(nèi)置RT-Thread操作系統(tǒng),模塊B的MCU內(nèi)置FreeRTOS操作系統(tǒng)。每個(gè)模塊同時(shí)開(kāi)啟兩個(gè)工作線程獨(dú)立采集信號(hào)和處理上位機(jī)命令,通過(guò)兩種不同的邏輯算法生成驅(qū)動(dòng)命令,并進(jìn)行相互校驗(yàn),結(jié)果一致時(shí)輸出命令,結(jié)果不一致時(shí)切換至另一模塊工作。單模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 單模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 驅(qū)動(dòng)命令

驅(qū)動(dòng)命令由采集信息和接點(diǎn)接觸情況決定,接點(diǎn)接觸情況在上位機(jī)上進(jìn)行設(shè)置。方案1的邏輯關(guān)系如表1所示,方案1的驅(qū)動(dòng)命令真值表如表2所示。方案2的邏輯關(guān)系如表3所示,方案2的驅(qū)動(dòng)命令真值表如表4所示。

表1 方案1的邏輯關(guān)系

表2 方案1的驅(qū)動(dòng)命令真值表

表3 方案2的邏輯關(guān)系

表4 方案2的驅(qū)動(dòng)命令真值表

由表2和表4可知:方案1的驅(qū)動(dòng)命令等于采集信息取反,再與接點(diǎn)接觸情況進(jìn)行或運(yùn)算的結(jié)果;方案2的同列驅(qū)動(dòng)命令與方案1相同,關(guān)聯(lián)列驅(qū)動(dòng)命令等于采集信息與接點(diǎn)接觸情況進(jìn)行或運(yùn)算的結(jié)果。

采集程序模塊主要通過(guò)兩個(gè)字典實(shí)現(xiàn),一個(gè)是由采集靜接點(diǎn)編號(hào)和對(duì)應(yīng)位權(quán)構(gòu)成的字典,另一個(gè)是由采集靜接點(diǎn)編號(hào)和對(duì)應(yīng)狀態(tài)構(gòu)成的字典。驅(qū)動(dòng)程序模塊主要通過(guò)一個(gè)由電磁開(kāi)關(guān)連接的靜接點(diǎn)編號(hào)和驅(qū)動(dòng)端口構(gòu)成的字典實(shí)現(xiàn)。基于字典的仿真自動(dòng)開(kāi)閉器,能修改字典中對(duì)應(yīng)靜接點(diǎn)的位權(quán)或驅(qū)動(dòng)端口,以適配硬件系統(tǒng)的變化,其程序更為簡(jiǎn)潔、可讀性更強(qiáng)。

4 測(cè)試與改進(jìn)

通過(guò)一年的試驗(yàn)運(yùn)行、5 000次左右的轉(zhuǎn)換試驗(yàn),仿真自動(dòng)開(kāi)閉器在ZDJ9型轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中均能穩(wěn)定、可靠、安全地工作,所測(cè)得的ZDJ9自動(dòng)開(kāi)閉器工作電氣參數(shù)如表5所示。由表5可知,其與企業(yè)運(yùn)營(yíng)線路上ZDJ9型轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路工作的電氣參數(shù)一致。由此可知,該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠按照現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成各項(xiàng)實(shí)訓(xùn)任務(wù),仿真自動(dòng)開(kāi)閉器達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),現(xiàn)已被學(xué)校和企業(yè)用于技能訓(xùn)練。

表5 ZDJ9自動(dòng)開(kāi)閉器工作電氣參數(shù)

此外,由于仿真自動(dòng)開(kāi)閉器的采集對(duì)象是自動(dòng)開(kāi)閉器未使用的靜接點(diǎn),因此它不能完全獨(dú)立應(yīng)用。為了豐富仿真自動(dòng)開(kāi)閉器的類(lèi)型,選用電動(dòng)機(jī)電流、動(dòng)作桿位置等物理量作為采集信息,使其能脫離自動(dòng)開(kāi)閉器而獨(dú)立工作,從而進(jìn)一步滿足不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

自動(dòng)開(kāi)閉器動(dòng)接點(diǎn)的動(dòng)作規(guī)律為:當(dāng)?shù)啦黹_(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí),使第3排或第2排的靜接點(diǎn)斷開(kāi),閉合第4排或第1排的靜接點(diǎn);當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),使第1排或第4排的靜接點(diǎn)斷開(kāi),閉合第2排或第3排靜接點(diǎn)。根據(jù)不同的牽引點(diǎn),道岔轉(zhuǎn)換時(shí)長(zhǎng)有不同的要求,通常為5～18 s。因此,改進(jìn)方案是將電動(dòng)機(jī)電流作為采集對(duì)象,仿真自動(dòng)開(kāi)閉器一旦檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)的工作電流,就立即根據(jù)自動(dòng)開(kāi)閉器動(dòng)接點(diǎn)的動(dòng)作規(guī)律控制仿真自動(dòng)開(kāi)閉器對(duì)應(yīng)的電磁開(kāi)關(guān)動(dòng)作,5 s后再控制另一組電磁開(kāi)關(guān)動(dòng)作,使其斷開(kāi)道岔控制電路的工作電源,道岔停轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于虛實(shí)結(jié)合的仿真自動(dòng)開(kāi)閉器是一個(gè)雙模塊互為熱備的IO控制器,每個(gè)模塊均由邏輯運(yùn)算單元和診斷單元實(shí)現(xiàn)軟硬件雙閉環(huán)工作機(jī)制,可以保證輸入信號(hào)采集準(zhǔn)確,輸出驅(qū)動(dòng)命令執(zhí)行正確,并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾錯(cuò)和排除干擾等功能,保證其工作穩(wěn)定、可靠,完全能夠滿足頻繁操作練習(xí)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)要求。

仿真自動(dòng)開(kāi)閉器應(yīng)用于實(shí)踐訓(xùn)練時(shí)具有3個(gè)特點(diǎn):① 保持道岔控制電路結(jié)構(gòu)和電氣特性不變;② 能還原自動(dòng)開(kāi)閉器接點(diǎn)接觸不良的應(yīng)用場(chǎng)景;③ 在實(shí)踐訓(xùn)練過(guò)程中,能夠保持電氣參數(shù)測(cè)試、故障原因分析及判斷等實(shí)踐訓(xùn)練方式與方法不變。