數字化轉轍機控制器研究

但春華 馬 力 朱紅崗

（昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明650200）

1 概述

目前，城市軌道車站轉轍機控制器由繼電器組合而成，體積大（每個轉轍機控制器由數十個鐵路信號繼電器組成），制造及維護成本高。通過該項目研究提出一型數字化轉轍機控制器設計方法，同時樣機滿足學院城市軌道交通實訓基地轉轍機自動控制教學需要。

2 樣機設計

為節約開發時間，降低開發成本，樣機控制板選用市購開發板，接口板采用2.54mm 間距萬能試驗板焊接，驅動電路采用底座加壓接方式安裝。

2.1 技術指標

轉轍機控制器原理樣機主要技術指標如下：2.1.1 2 路數字量輸出：分別控制DCJ（定位操縱繼電器）、FCJ（反位操縱繼電器）；輸出量采用光耦隔離+直流繼電器驅動方式，直流繼電器電平為24V，電流不小于100mA（HH54P 繼電器線圈阻抗約為576Ω）；2.1.2 3 路數字量輸入：分別為IN_DB（定位操縱到位：定標）、IN_FB（反位操縱到位：反標），BHJH（缺相保護信號），輸入量均采用光耦隔離；2.1.3 能通RS-485 總線與主控計算機進行通訊，轉轍機控制器通過RS-485 總線接收軌道交通綜合仿真培訓系統（以下簡稱仿真系統）發送的選岔命令，并通過RS-485 總線將定標及反標狀態發送給主控計算機；2.1.4 具有三相異步電機缺相保護功能；2.1.5 具有道岔故障時，電機30s后停止及報警功能。

2.2 樣機控制板選擇

轉轍機控制器采用STM32F407VET6 開發板卡。該開發板內置高速串行通信接口，只需在開發板上實現RS-485 串口通訊（開發板自帶RS-485 驅動接口電路）及I/O 功能，便可與仿真系統RS-485 總線通訊，從而實現仿真系統通過總線控制轉轍機按指令動作，并且轉轍機控制器通過RS-485 總線將定位操縱到位、反位操縱到位及缺相保護等3 狀態傳送給仿真操控臺。STM32F407VET6 是一款基于ARM CORTEX-M4 系列具有高性價比控制器開發板。STM32F407 集成了新的DSP 和FPU 指令，時鐘頻率168MHz。210DMIPS@168MHz ，1MB FLASH，192Kb SRAM：128KB 在總線矩陣上，64KB 在專為CPU 使用的數據總線上，USB OTG 高速 480Mbit/s ，IEEE1588，以太網 MAC 10/100 ，PWM高速定時器：168MHz 最大頻率，低電壓：1.8V到3.6V VDD，全雙工I2C，12 位 ADC：0.41us 轉換/2.4Msps（7.2Msps 在交替模式），高速USART，可達10.5Mbits/s ，高速SPI，可達37.5Mbits/s。開發板上集成了項目控制器所需的所有硬件資源，無需外擴內存、通信接口及I/O 接口。

2.3 外圍驅動接口電路設計

2.3.1 轉轍機控制器采用STM32F407VET6 開發板卡+自制驅動接口板方式實現。2.3.2 數字量輸出由開發板I/O 口+光耦隔離+電磁繼電器(HH54P)隔離輸出；2.3.3 數字量輸入經光耦MOCD213-M隔離后與單片機I/O 口相連。2.3.4 斷相保護采用DBQ-S 型限時斷相保護器實現，該斷相保護器技術特征如下：a.輸入電壓:AC380V 50HZ 三相；b.輸入電流 AC1.0～5.0A；c.輸出電壓 DC24V±1V；d.缺相輸出電壓≤0.1V；e.限時動作30s±0.5S（30s 后輸出直流電壓小于0.1V）。2.3.5 電源系統:開發板及外擴I/O 供電通過AC/DC 模塊實現，AC/DC 模塊輸出+24V,2.5A；DC/DC 模塊輸出+5V，1A。

轉轍機控制器驅動板原理圖如圖1-2 所示。

圖1 斷相保護器及電動機控制原理圖

圖2 定/反標到位控制原理圖

樣機硬件設計說明：a.DBQ11/DBQ21 斷相保護器、當三相電出現斷相情況時，1、2 腳無電平輸出，繼電器K13 失電，光耦B1不導通，信號（24VGBH）送控制板采集，控制板及時發出斷轉轍機供電指令；此外，該斷相保護器具有30s 限時動作及報警功能。b.繼電器K11 控制電機正轉，繼電器K12 控制轉轍機反轉，動作過程中控制板發出指令保持低電平，當控制板輸出指令轉換為高電平時，轉轍機電動機斷電。c.ZD（J）9 電動轉轍機12 腳與W 相控制反轉到位，42 腳與W 相控制反轉到位[1-2]，交流繼電器K4/K5 用于表示轉轍機定/反操到位時斷開定/反操控制指令，進而使轉轍機斷電；B2/B3 起光電隔離作用，用于隔離定/反操到位信號。d.光轉轍機正/反轉（定/反操）采用控制板輸出指令控制，經光耦隔離后驅動直流電磁繼電器控制方式。e.控制器采用AC/DC 模塊，將外部交流220V 轉為直流24V，作為控制器外部輸入電源。f.采用直流24V 轉5V DC/DC 模塊為控制板供電。

2.4 安全性設計

轉轍機控制器樣機采用了以下安全保護措施：2.4.1 三相電接入采用10A 空開保護；2.4.2 每相線路均串入5A 熔斷器進行過流保護；2.4.3 采用斷相保護器進行缺相保護, 具備30s 限時動作保護及報警功能；2.4.4 控制板輸入輸出均采用光耦隔離；2.4.5 控制器軟件具備定/反位操縱互鎖功能。

3 軟件流程設計

轉轍機軟件操作流程：

3.1 轉轍機軟件初始化，初始化RS-485 通訊串口，數字量輸出指令置高電平，數字量輸入指令置高電平。

3.2 轉轍機控制器通過RS-485 總線接收到仿真系統發出的轉轍機動作指令；

3.3 轉轍機控制器隨即發出定/反位操縱動作指令，且動作指令一直保持低電平有效，直至定/反操到位或缺相保護狀態發生；

3.4 當轉轍機動作到位時，轉轍機控制器采集到定/反標到位信號，轉轍機控制器隨即撤銷定/反操動作指令，定/反操繼電器失電，轉轍機電動機隨即停止轉動；

3.5 當轉轍機動作過程中出現斷相情況時，轉轍機控制器采集到缺相保護指令，轉轍機控制器隨即撤銷定/反操動作指令，定/反操繼電器失電，轉轍機電動機隨即停止轉動，斷三相電源后手動操作轉轍機動作。

4 優化設計

4.1 斷相保護電路

樣機設計過程中，保留了原轉轍機控制器所使用的斷相保護器，其外形尺寸：165mm×49mm×163mm，與現有鐵道信號轉轍機控制器信號繼電器的體積等同；重量：1.2Kg，體積大，重量重。優化設計擬采用三只小型電流互感器代替斷相保護器，如DL-CT1010A，其體積為24.5mm×12.5mm×25mm，采用三路12bit A/D 采集（如控制板A/D 通道不夠，采用模擬開關切換方式，只需一路12bit A/D 即可實現8 路模擬量采集），該方式可有效替換現有斷相保護器功能，此技術方案在變頻器中廣泛應用，在此不再贅述。

4.2 轉轍機動作到位采集電路

現有ZD（J）9 電動轉轍機定/反標到位觸點帶AC 380V 交流電[1-2]。采用數字化轉轍機控制器后，定/反標到位觸點供24V直流電，用于表示位置轉換到位后標志狀態采集，并且現有電動轉轍機內電路均可刪減，僅保留電動機接線及位置轉換行程開關即可。至于道岔進路信號邏輯，只需給每個轉轍機控制器分配固定ID,再由車站調度軟件對轉轍機控制器進行邏輯組合控制，即可完成各種道岔進路信號邏輯表示。

4.3 電磁兼容性設計

數字化轉轍機控制器內部集成了380V 交流，因此需對控制板進行電磁兼容性設計，擬采用的電磁兼容性設計方法有：4.3.1將控制板弱電部分與電動機驅動板強電部分分開布置；4.3.2 控制板與電機驅動板之間增加電磁屏蔽層；4.3.3 電機驅動板布局時控制信號線盡量遠離交流強電線；4.3.4 RS-485 總線采用屏蔽雙絞線或光纖電纜；4.3.5 采用鋁合金外殼。

4.4 控制板設計

基于數字化轉轍機控制器信號處理容量較小，控制器處理芯片只需滿足以下幾個基本要求即可：

4.4.1 具有UART 接口；4.4.2 具有12bit A/D 接口；4.4.3 數字量I/O 口不少于8 路；4.4.4 片上flash 不小于64k，RAM 不小于256K，運算能力不小于10DMIPS；4.4.5 具有休眠模式，以提高控制器使用壽命。此外，控制器采用雙處理器互為熱備份，以提高系統可靠性。整個轉轍機控制器優化后體積大概為120mm×120mm×90mm，其中控制板高度約20mm，兩塊電機驅動板每塊高度約35mm，大約等同于現有鐵路轉轍機控制器一個信號繼電器的體積；數字化轉轍機控制器選用商用現貨器件(COTS)，整個數字化轉轍機控制器成本約估等同于一個信號繼電器價格，即數字化轉轍機控制器成本與體積均為現有轉轍機控制器的幾十分之一。

5 結論

本文主要論述了數字化轉轍機控制器樣機硬件及軟件流程設計，同時從安全性、電磁兼容性及小型化低成本等方面對轉轍機控制器進行了優化論證。由于本人水平有限，本文僅從技術實現角度論證數字化轉轍機控制器小型化、低成本的可行性，不足之處請行業專家批評指正！