進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路模擬系統(tǒng)

張立東，呂坤鵬

(山東交通學(xué)院 軌道交通學(xué)院，山東 濟(jì)南　250357)

圖1　進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路圖

聯(lián)鎖邏輯是車站信號控制的核心，也是確保鐵路信號系統(tǒng)安全的核心內(nèi)容之一[1-2]。用仿真方法分析聯(lián)鎖邏輯的原理和功能，能夠提前定位系統(tǒng)的潛在缺點(diǎn)[3]，如有色Petri網(wǎng)的模擬方法[4-5]、基于微機(jī)聯(lián)鎖的鐵路信號仿真方法[6-7]等。鐵路信號聯(lián)鎖邏輯正確性的校驗(yàn)也是確保系統(tǒng)安全的重要手段[8]，如基于CAD模型的鐵路信號聯(lián)鎖邏輯規(guī)則自動(dòng)驗(yàn)證方法[9]、基于信號設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的驗(yàn)證方法[10]、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法[11]、模塊診斷法[12]、基于CAN總線的診斷方法[13]、基于RAMS的診斷方法[14]和模糊灰度聚類分析法[15]等，均提供了有益的研究思路，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[16]、能源問題[17]、車地一體化[18]等技術(shù)也得到了相關(guān)研究。分析現(xiàn)有研究成果可知，信號系統(tǒng)仿真方法和故障校驗(yàn)方法是研究的重點(diǎn)方向之一。基于此，本文在Proteus中將單片機(jī)與信號繼電器相結(jié)合，模擬鐵路信號中進(jìn)站機(jī)信號點(diǎn)燈電路，針對單片機(jī)控制進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路進(jìn)行研究，通過模擬系統(tǒng)的控制邏輯實(shí)現(xiàn)進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路原有功能，并滿足鐵路信號系統(tǒng)中的故障-安全原則。

1　進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路原理

進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路是車站信號控制的主要電路之一[19]，其組成及原理如圖1所示。電路主要由列車信號繼電器LXJ、正線信號繼電器ZXJ、通過信號繼電器TXJ、綠黃信號繼電器LUXJ、引導(dǎo)信號繼電器YXJ、側(cè)線通過信號繼電器CTXJ和閃光繼電器SNJ組成，實(shí)現(xiàn)7種信號顯示。

模擬進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路，需根據(jù)上述繼電器之間的邏輯關(guān)系選擇器件并合理設(shè)置其邏輯關(guān)系。

2　模擬系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1　模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2　模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模擬系統(tǒng)的組成主要包括控制開關(guān)、AT89C51單片機(jī)模塊、繼電器模塊、顯示模塊四部分組成。控制開關(guān)模擬6502控制臺(tái)上的按鈕，用于辦理進(jìn)路；AT89C51單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，用于模擬15條網(wǎng)絡(luò)線的工作過程，進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯的判別；繼電器模塊對應(yīng)室外電路，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燈電路等邏輯；顯示模塊包括光帶表示燈和按鈕表示燈。系統(tǒng)如圖2所示。

2.2　控制器設(shè)計(jì)方案

單片機(jī)控制電路圖如圖3所示。由圖3可知，AT89C51單片機(jī)為核心器件，根據(jù)車站站場圖設(shè)置進(jìn)路辦理按鈕，原則上每個(gè)信號點(diǎn)設(shè)置一個(gè)按鈕。根據(jù)AT89C51單片機(jī)引腳特點(diǎn)，選擇P1和P3端口為按鈕信號輸入點(diǎn)，結(jié)合軟件邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)路辦理和信號機(jī)點(diǎn)燈。P0和P2端口為繼電器電路接口，根據(jù)功能需要共接有15個(gè)繼電器。在單片機(jī)和繼電器之間串接放大器，實(shí)現(xiàn)電流的放大，驅(qū)動(dòng)繼電器工作。

圖3　單片機(jī)控制電路圖

2.3　繼電器模塊設(shè)計(jì)

繼電器模塊主要包括點(diǎn)燈電路繼電器、進(jìn)路辦理繼電器和點(diǎn)燈電路模塊三部分。

2.3.1點(diǎn)燈電路繼電器模塊

點(diǎn)燈電路的繼電器模塊電路圖如圖4所示，繼電器模塊電路主要包括PNP三極管和各類繼電器，單片機(jī)控制電路輸出引腳與放大器的基極連接，+5 V電源與放大器的發(fā)射極相連接，繼電器的線圈與集電極相連，構(gòu)成線圈勵(lì)磁電路，放大器將單片機(jī)引腳傳輸?shù)碾娦盘柗糯蠛螅估^電器勵(lì)磁吸起。+20 V電源與繼電器的中接點(diǎn)相連接，其前接點(diǎn)分別連接點(diǎn)燈電路中的LXJ、YXJ、ZXJ、TXJ、LUXJ等繼電器的線圈電路，構(gòu)成信號輔助繼電器的勵(lì)磁電路。

2.3.2進(jìn)路辦理繼電器模塊

圖5為進(jìn)路辦理繼電器模塊的部分電路圖。電路中放大器Q6～Q15依次控制RELAY6～RELAY15共10個(gè)繼電器，其中放大器發(fā)射極接高電平(+5 V),繼電器的高電平為+20 V。RELAY6和RELAY7分別控制XLAJ、LJJ和SILAJ，通過這3個(gè)繼電器勵(lì)磁吸起接通IG接車進(jìn)路白光帶；RELAY8和RELAY9分別控制XLAJ1、LJJ1和SIIILAJ，通過這3個(gè)繼電器勵(lì)磁吸起接通IIIG接車進(jìn)路白光帶；RELAY10和RELAY11分別控制XLAJ2、LJJ2和S5LAJ，由此3個(gè)繼電器吸起接通5G接車進(jìn)路白光帶；RELAY12和RELAY13分別控制XLAJ3、LTJ和TXAJ，通過這3個(gè)繼電器吸起接通IG通過進(jìn)路白光帶；RELAY14和RELAY15分別控制XLAJ4、LJJ4和LUXAJ，此3個(gè)繼電器吸起接通IG開放綠黃信號的接車進(jìn)路白光帶。

圖4　點(diǎn)燈電路繼電器模塊圖　　　　　　　　　圖5　部分進(jìn)路辦理繼電器模塊圖

2.4　點(diǎn)燈電路模塊

圖6為進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路圖。進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路模擬系統(tǒng)由LXJ、LXJF、ZXJ、TXJ、YXJ、LUXJ、2DJ以及各個(gè)信號燈的燈絲轉(zhuǎn)換繼電器構(gòu)成進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路仿真電路。

電路中，每個(gè)信號輔助繼電器的線圈電路均與點(diǎn)燈電路繼電器模塊相連接，通過繼電器模塊對其進(jìn)行控制。各個(gè)信號輔助繼電器接點(diǎn)的連接與進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路的連接原理相同，1U、L、H燈電路均由電源(+75 V)通過RD1為其相應(yīng)的信號輔助繼電器的繼電供電，而2U和YB則是由電源(+75 V)通過RD3為與之相連的信號輔助繼電器的繼電供電，后經(jīng)RD2接地，構(gòu)成點(diǎn)燈電路回路。

2.5　控制開關(guān)組合邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)單片機(jī)電路特點(diǎn)，控制開關(guān)組合采用雙按鈕組合邏輯，即設(shè)定區(qū)分列車進(jìn)路和調(diào)車進(jìn)路的總按鈕，然后在進(jìn)路的始終端信號點(diǎn)和變通按鈕信號點(diǎn)位置分別設(shè)置對應(yīng)的開關(guān)。辦理進(jìn)路時(shí)，只需按下進(jìn)路對應(yīng)的控制開關(guān)即可。如辦理IG接車進(jìn)路時(shí)，先按下K10(LXA)再依次按下K1(XLA)、K2(SIXA)則可完成IG接車進(jìn)路的辦理，同時(shí)開放一個(gè)黃燈信號。

2.6　電路“故障-安全”技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

在模擬系統(tǒng)中通過控制邏輯使初始狀態(tài)下LXJ落下，接通紅燈電路，并保證取消進(jìn)路時(shí)電路回到初始狀態(tài)，點(diǎn)亮紅燈，開放禁止信號。電路中采用2個(gè)LED燈分別代替信號燈的主、副燈絲，并將主燈絲電路與DZJ串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)主燈絲故障時(shí)，DZJ落下，接通副燈絲電路，保證信號仍在開放狀態(tài)。

電路中利用燈絲繼電器監(jiān)督各點(diǎn)燈電路信號燈的燈絲狀態(tài)，若信號燈主、副燈絲均斷絲故障時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，保證行車安全。電路中將2DJ的接點(diǎn)連接在1U和L的點(diǎn)燈電路中，保證在開放雙黃燈或綠黃燈的時(shí)候2U故障不會(huì)開放錯(cuò)誤信號。在模擬系統(tǒng)中通過控制邏輯，保證在某種信號開放的同時(shí)無法辦理其他進(jìn)路，保證信號顯示與進(jìn)路辦理同步，保證行車安全。

圖6　進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路仿真圖

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1　站場電路實(shí)例

為驗(yàn)證上述模擬系統(tǒng)的正確性，以典型車站下行進(jìn)站信號機(jī)(X)點(diǎn)燈電路為例，模擬控制臺(tái)的操作功能。將多個(gè)白熾燈串聯(lián)在一起組成白光帶，并通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號與進(jìn)路辦理的控制電路相連接，通過控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)對不同進(jìn)路的控制，其中IG接車進(jìn)路中白光帶的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號連接順序?yàn)椋篖AMP111-112-116-117-118；IIIG接車進(jìn)路中白光帶的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號連接順序：LAMP111-112-113-114-115；5G接車進(jìn)路中白光帶的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號連接順序?yàn)椋篖AMP111-112-113-114-119-120；IG通過進(jìn)路中白光帶的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號連接順序?yàn)椋篖AMP111-112-116-117-118-123-124；開放綠黃信號辦理IG接車進(jìn)路中白光帶的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號連接順序?yàn)椋篖AMP111-112-116-117-118-123。仿真結(jié)果如圖7所示。

3.2　開關(guān)邏輯設(shè)計(jì)

在分析站場圖的基礎(chǔ)上，基于進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路邏輯，設(shè)計(jì)開關(guān)組合如表1。進(jìn)路始端按鈕固定為K1(XLA)，K9(ZQXA)為總?cè)∠粹o。

圖7　車站站場仿真結(jié)果

控制開關(guān)按鈕名稱繼電器模塊信號繼電器進(jìn)路辦理開放信號K1XLAK9ZQXAK10LXAK2SIXARELAY1LXJURELAY2ZXJRELAY6XLAJIG接車進(jìn)路RELAY7SILAJK3SIIIXARELAY1LXJU、URELAY8XLAJ1IIIG接車進(jìn)路RELAY9SIIILAJK4S5XARELAY1LXJU、URELAY10XLAJ25G接車進(jìn)路RELAY11S5LAJK5TGXARELAY1LXJRELAY3ZXJLRELAY4TXJRELAY12XLAJ3IG通過進(jìn)路RELAY13TXAJK6LUXARELAY1LXJRELAY3ZXJLURELAY5LUXJRELAY14XLAJ4IG進(jìn)站隨時(shí)RELAY15LUXAJ準(zhǔn)備停車K7YDXARELAY2YXJHB

3.3　初始狀態(tài)開放紅燈信號

在仿真電路連接完成后，對進(jìn)站信號機(jī)點(diǎn)燈電路模擬系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試以及仿真分析。模擬系統(tǒng)在初始運(yùn)行狀態(tài)下，所有開關(guān)均處于彈起狀態(tài)，開放紅燈即禁止信號。接通電路為：+75 V—RD1—LXJ41-43—HDZJ1-2—LXJ63-61—RD2—接地。進(jìn)站信號機(jī)顯示紅燈仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8　進(jìn)站信號機(jī)顯示紅燈仿真結(jié)果

3.4　辦理IG接車進(jìn)路并開放黃燈信號

圖9　進(jìn)站信號機(jī)顯示黃燈仿真結(jié)果

進(jìn)路辦理過程中依次按下XLA和SIXA后，單片機(jī)引腳P0.5和P0.6供出電信號，使繼電器模塊RELAY6和RELAY7勵(lì)磁，進(jìn)而控制按鈕繼電器勵(lì)磁，開放單黃燈信號,如圖9所示。接通電路為：P0.5—Q6基極且+5 V—Q6發(fā)射極—Q6集電極—RELAY61-2—接地；P0.6—Q7基極且+5 V—Q7發(fā)射極→Q7集電極—RELAY71-2—接地；+20 V—RELAY611-12—XLAJ1-2—接地；+20 V—RELAY711-12—SILAJ1-2—接地；+20 V—XLAJ11-12—LJJ1-2—接地。同時(shí)，點(diǎn)亮IG接車進(jìn)路白光帶接通電路為： +75 V—LJJ11-12—LAMP111-112-116-117-118—SILAJ12-11—接地。

4　結(jié)語

應(yīng)用結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)路辦理、信號聯(lián)鎖邏輯判別、光帶顯示、信號點(diǎn)燈等核心功能，達(dá)到了預(yù)期仿真目的，與文獻(xiàn)[20]提出的硬件實(shí)現(xiàn)方法相比靈活性較好。同時(shí)表明通過合理設(shè)置單片機(jī)邏輯，能夠達(dá)到模擬信號機(jī)點(diǎn)燈電路的功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)故障-安全的模擬。研究結(jié)果對開發(fā)鐵路信號仿真以及實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品提供了思路。

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