全電子自動復原道岔模塊的研究

韓思遠,梁玉琦

(蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室,蘭州　730070)

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全電子自動復原道岔模塊的研究

韓思遠,梁玉琦

(蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室,蘭州730070)

摘要：介紹一種全電子計算機聯鎖四線制道岔自動復原模塊,來取代原來安全型繼電器組成的道岔執行電路。全電子計算機聯鎖模塊主要有微控制器MCU、可編程邏輯器件CPLD、道岔驅動電路、道岔表示電路、道岔檢測電路和自動復原電路等組成。自動恢復電路包括驅動電路和繼電器等組成。計算機聯鎖系統通過定位和反位檢測單元檢測電路中是否有表示電壓,來決定微控制器MCU計時與否。道岔由定位轉向反位或由反位轉向定位時,若在規定的時間不能密貼,微控制器MCU發出繼電器Js驅動指令,驅動繼電器Js動作,通過繼電器Js的接點,控制系統發出相反的轉換指令,使道岔自動恢復到原來的位置。最后,提出了軟件設計方案,用流程圖對軟件工作原理進行了說明。

關鍵詞：四線制道岔；全電子；計算機聯鎖；自動復原

1概述

目前，四線制道岔主要是以6502電氣集中和計算機聯鎖控制為主導，但是隨著計算機時代和硬件的不斷進步，全電子計算機聯鎖道岔的控制系統得到了飛速的發展[1]。全電子道岔執行模塊已逐步投入生產，并在一些站場上得到了應用。當道岔從定位(反位)向反位(定位)轉動時，道岔尖端有異物，使道岔轉換不到密貼的位置，或者是在聯鎖試驗期間，如果沒有操作人員進行相反方向的操作，可能造成轉轍機長時間的轉動。不僅有損轉轍機的壽命，也使驅動道岔轉轍機轉動的模塊等硬件壽命受到損害，不利于鐵路運輸的高效性和安全性。

全電子計算機聯鎖具有可靠性高、體積小、功能強大、便于實現遠程控制和遠程診斷等特點[2]，是鐵路信號控制系統發展的一個必然趨勢。因此，提出了利用全電子計算機聯鎖模塊，實現四線制道岔自動復原的研究。自動復原電路的開發設計主要包括硬件電路板的設計和設備控制軟件的編寫和調試。

2道岔自動復原的轉轍機條件

轉轍機是鐵路道岔轉換設備的核心[3]，有電動機M帶動，是用來帶動道岔動作的機械裝置，轉轍機內有動作桿和表示桿兩個桿件連接到道岔上，動作桿是用來帶動道岔動作的裝置，表示桿是用來表示道岔實在定位或反位的裝置。

不論是6502電氣集中、計算機聯鎖還是全電子計算機聯鎖，室外道岔的轉轍機配線圖不會改變[4]，如圖1所示。圖1是道岔處在定位時的電路圖，動作接點11-12和31-32，表示接點13-14和33-34都在定位，此時室內DBJ處在吸起狀態。當道岔從定位轉到反位時，X2和X4通DZ220和DF220兩路電源，轉轍機M通電之后就會轉動，首先動作的接點是31-32和33-34接點斷開，41-42和43-44接點閉合。當道岔轉到反位位置達到密貼條件時，21-22和23-24接點會閉合。反位向定位轉動時，過程與上邊相反，不再贅述。

圖1　道岔定位電路

因此，全電子道岔自動復原模塊利用定位向反位轉動41-42先閉合和反位向定位轉動11-12先閉合的特點，再利用全電子模塊對X1和X2為轉轍機提供不同的電源，實現當遇到道岔轉動過程中被異物卡住等問題，不能達到密貼條件時，自動恢復到原位的目的。

3自動復原電路的設計與分析

3.1　驅動模塊設計

驅動模塊是用來發出道岔定位操作和反位操作執行命令的單元。本文設計的驅動模塊主要有兩個MCU、同步校驗單元、“與”電路和CPLD等構成。MCU是用來發出道岔操縱指令和接受反饋指令；同步校驗是用來實現兩個MCU在同一時刻發出指令；“與”電路是實現兩個MCU錯誤的診斷。

道岔自動復原全電子驅動模塊的設計，首先要滿足故障-安全[5]的基本要素。如圖2所示，驅動模塊設計了MCU1、MCU2兩個微控制器，其中MUC1接受CAN總線1傳遞來的指令，并進行運算分析；MUC2接收CAN總線2傳送來的指令[6]。CAN總線1和CAN總線2是由計算機的兩路CPU分別發出的指令，如果兩路微控制器經過“與”電路的計算結果正確，把指令傳遞給CPLD進行區分是定位操作還是反位操作。經過CPLD的邏輯運算[7]，然后把記過傳遞到I/O模塊。現代處理器處理數據的速度越來越快，即使CPU發出的是相同的軟件代碼，也不能保證CPU1和CPU2運算過程完全同步，因此全電子道岔自動復原模塊設計采用了同步控制器。

圖2　驅動模塊硬件原理

采用2條CAN總線的目的是，讓兩個微控制器的輸入來自兩個CPU的相同指令，無論是CPU運算出了問題還是MUC1或MUC2出了問題，經過“與”電路判斷后，結果是低電平，電路都不會有輸出。例：當MUC1和MUC2接收到指令后發出Dw和Fw兩種指令，經過“與”電路的判斷，如果MUC1和MUC2發出的指令相同，則得到一個高電平，輸出Dw或Fw；如果MUC1或MUC2出現故障或其中一個CPU發出了錯誤指令，系統則不會發出操作指令，導向安全側。當光耦1或光耦2接收到“與”電路發來的指令后，PC817光耦導通，使+12V的電源傳到繼電器側，使繼電器1或繼電器2工作。當光耦1和光耦2同時工作時，自檢電路會向MUC1和MUC2反饋信息，停止工作并發出報警信號。由于鐵路需要壽命長、高可靠性和全電子要求抗干擾性強、體積小等問題，是PC817成為本驅動電路設計的選擇[9]。

圖3　道岔表示功能原理

四線制直流轉轍機工作需要DZ220和DF220兩種電源，如圖1所示，當X1和X4接通DZ220和DF220時，直流電會通過X1，41-42，1，4和05-06接通到X4，轉轍機向定位轉動；當X2和X4接通DZ220和DF220時，直流電會通過X2，11-12，2，4和03-04接通到X4，使轉轍機向反位轉動。當車務人員發出定位指令后，指令通過主板的輸入/輸出接口傳遞給計算機，計算機的CPU1和CPU2經過對聯鎖條件判斷，決定是否發出定位操作指令。如果條件滿足，指令會通過CAN總線1和CAN總線2分別把指令傳遞給MUC1和MUC2，經過“與”運算、強弱電壓的隔離等，使繼電器1吸起。如圖2所示，當繼電器1吸起后，圖4中的J1的接點閉合，X1和X4分別帶有DZ220和DF220兩種電，轉轍機M向定位轉動。同理，當車務人員發出反位操作指令時，J2閉合，轉轍機M向反位轉動。

3.2　表示和自動復原模塊設計

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判斷是否執行下一步操作提供依據。

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，輸出到室外轉轍機的原理，如圖3所示。表示變壓器(BB)不僅能把電源和現場設備進行隔離，而且完成了一次變壓的轉換；電阻R是為了防止電壓過大，對檢測單元造成燒毀等嚴重后果，起到限壓保護檢測單元的目的。定位檢測單元或反位檢測單元用來檢測道岔是處在定位狀態還是反位狀態，無論道岔被檢測到是處在定位狀態還是反位狀態，兩個檢測單元都實時的向MCU1和MCU2反饋信息。MCU1和MCU2又實時的傳遞他們接收到的信息，當兩個檢測單元同時采集到道岔表示的信息，會向計算機聯鎖系統發出聯鎖條件不成立的信息，進路不會被建立，并發出報警，保證了鐵路運營的安全性。

圖4　自動復原功能原理

四線制道岔定/反位轉換的時間一般在10 s以內[8]，這里假定道岔轉換時間為10 s。當MCU1和MCU2都采集不到表示信息，兩個微控制器同時進行計時，計時時間到達10 s，MUC1和MUC2還是采集不到道岔的表示信息，他們同時發出繼電器Js的驅動指令。兩條指令通過安全“與”電路的運算，如果兩條指令相同，同為高電平“1”，則輸出對Js驅動的指令；如果兩條指令不相同，經過“與”電路后，輸出一個低電平“0”，不對Js進行驅動，確保了輸出安全，也達到了故障-安全的原則。自動復原電路的實現，是基于圖3和圖4兩張原理圖完成的。繼電器Js被驅動后，圖4中的Js接點就會吸起，把X1和X2的兩路DZ220電源進行交換方向。例如，道岔從定位轉到反位，如果道岔中有道砟卡住，不能達到密貼，轉轍機運轉到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、轉轍機M和X4這條通路，使轉轍機在轉回到定位狀態，實現在無人工操作的條件下自動復原的目的。圖4中，Js處在落下狀態，當繼電器Js吸起后，Js接點同時斷開了X1和X2兩路電源，達到了兩路電源互不影響的目的，因此轉轍機不會出現錯誤動作。

4全電子四線制自動復原道岔模塊的軟件設計

軟件部分實現了硬件電路與安全技術要求，如果MCU正常接受命令信號，對控制命令進行邏輯運算和校驗，發出對轉轍機的控制指令，同時對道岔的表示信息進行采集，判斷道岔所處的位置，保證了邏輯控制的可靠性。

圖5　自動復原模塊軟件設計

道岔自動復原模塊的主控軟件流程如圖5所示。程序在上電時，首先對模塊進行初始化和自檢，當MCU1和MCU2反饋的數據正確一致后，對輸入的指令進行處理，輸出道岔的控制命令，與此同時定/反位檢測單元不斷檢測，是否有表示電源反饋回來，如果10 s內沒有表示電源反饋，程序驅動繼電器Js，接通道岔復原電路；如果有表示信息被傳遞回來，并且是正確的狀態，模塊會把信息傳遞給聯鎖機，執行進路的其他聯鎖關系。

5全電子道岔自動復原模塊與繼電計算機聯鎖的比較

全電子模塊與傳統的繼電聯鎖相比，有以下諸多優點。

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

(2)能夠實現自動復原的功能。目前現場使用的道岔聯鎖關系不能實現自動復原的功能。當值班人員疏忽時，可能造成轉轍機燒毀，給運營安全帶來很大的危險。

(3)占地面積明顯減少。對于一個16組道岔的車站，電氣集中需要9個組合架，而全電子系統僅需要2個機柜。電氣集中安裝道岔繼電器的組合架，現在只需要2個道岔執行模塊的位置，1個主機1個備機的位置。

(4)在不中斷運營的情況下，便于安裝、更換。當道岔模塊出現問題時，模塊會發出報警，值班人員非常容易找到故障具體位置，及時進行更換，不用再去非常繁瑣地查找繼電器聯鎖電路故障點，判斷故障點，節省時間。

6自動復原模塊的可靠性分析

鐵路控制系統對安全有著非常嚴格的要求，有效精確地分析道岔自動復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其可靠性進行分析。

圖6　馬爾科夫模型

根據以上對驅動模塊、表示采集模塊和自動復原模塊的分析，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個部分：Ⅰ包括表示模塊、MCU1、通信電路及檢測單元；Ⅱ包括表示模塊、MCU2及檢測單元；Ⅲ包括驅動模塊、道岔動作電源控制電路、通信部分；Ⅳ包括晶振電路、自動復原電路及復位電路。

6.1　4個部分的可靠性和平均故障間隔時間

(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)，平均故障間隔時間MTBF1。

經過計算，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

驅動模塊、道岔動作電源控制電路、通信部分及Ⅰ驅動電路故障率為λ31、λ32、λ33、λ15，則其可靠度

(3)

(3)Ⅳ模塊可靠性

晶振電路、自動復原電路及復位電路故障率為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、設備的工作環境、元器件質量等有密切關系。根據《電子設備可靠性預計手冊》(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)，根據表1的數據可以得到整個道岔模塊的平均故障時間間隔為

系統故障率為

表1　各元器件失效率

7結語

全電子四線制道岔自動復原模塊采用了安全防護技術、冗余技術和全電子化技術等，以安全便捷的方式實現了道岔的自動復原功能。當道岔復原后，計算機

軟件會對道岔進行標記，以便工務人員及時處理。模塊采用了雙機熱備技術，當主機模塊出現故障，備機馬上接替任務，不會出現運營中斷，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一，是未來發展的必然趨勢。

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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：U284

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.028

文章編號：1004-2954(2016)02-0136-04

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

基金項目：蘭州交通大學青年基金(2014031)

收稿日期：2015-06-04； 修回日期：2015-06-15