直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)

丁 倩 王曉靜 米 恒 徐萬(wàn)俊

（陜西長(zhǎng)嶺特種設(shè)備股份有限公司，陜西 寶雞 721006）

轉(zhuǎn)轍機(jī)是重要的信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備，對(duì)于保障行車(chē)安全，提高運(yùn)輸效率，減輕行車(chē)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度具有非常重要的作用。目前，市面上的轉(zhuǎn)轍機(jī)種類(lèi)有很多，可按動(dòng)作能源和傳動(dòng)方式、供電電源種類(lèi)、動(dòng)作速度以及閉鎖方式等進(jìn)行分類(lèi)，按供電電源種類(lèi)分又分為直流轉(zhuǎn)轍機(jī)和交流轉(zhuǎn)轍機(jī)。直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)保護(hù)主要用來(lái)解決直流轉(zhuǎn)轍機(jī)的保護(hù)問(wèn)題，當(dāng)?shù)啦磉M(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到達(dá)設(shè)定的時(shí)間停止計(jì)時(shí)，限時(shí)時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，道岔控制繼電器應(yīng)落下。當(dāng)發(fā)生故障道岔長(zhǎng)時(shí)間不能轉(zhuǎn)換到位，保護(hù)機(jī)構(gòu)會(huì)切斷道岔轉(zhuǎn)換回路，到達(dá)保護(hù)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)直流電機(jī)不會(huì)被燒毀的目的。

直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用在直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路中，直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)報(bào)警系統(tǒng)由直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)報(bào)警總機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)總機(jī)）和直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)報(bào)警分機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)分機(jī)）兩部分構(gòu)成。在道岔工作過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)受影響不能轉(zhuǎn)換到位時(shí)，保護(hù)器會(huì)在限定時(shí)間內(nèi)切斷轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電源，同時(shí)，通過(guò)報(bào)警端子輸出報(bào)警信號(hào)至分機(jī)進(jìn)行匯總，然后上傳給總機(jī)進(jìn)行處理，一般分機(jī)可以同時(shí)支持處理8 路保護(hù)報(bào)警信息。

1 系統(tǒng)功能

直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)具備以下功能：

1.1 室外的監(jiān)測(cè)分機(jī)與室內(nèi)的監(jiān)測(cè)總機(jī)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，總機(jī)顯示分機(jī)的狀態(tài)。

1.2 報(bào)警總機(jī)連接微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)兩者間通信。

1.3 可存儲(chǔ)報(bào)警信息，并提供報(bào)警信息查詢(xún)功能。

1.4 具有人機(jī)界面，通過(guò)該界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。

1.5 報(bào)警信息可通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)由兩部分組成：分別為位于室外的監(jiān)測(cè)分機(jī)和位于室內(nèi)的監(jiān)測(cè)總機(jī)。監(jiān)測(cè)分機(jī)由電源部分、單片機(jī)控制部分和通信部分組成，電源部分為單片機(jī)和通信電路提供合適、穩(wěn)定的工作電源，通信部分則分為兩個(gè)方面通信，分別是：第一方面防護(hù)器與分機(jī)的通信，主要是通過(guò)光耦合器將防護(hù)器狀態(tài)信息傳給單片機(jī)；第二方面是分機(jī)將狀態(tài)信息通過(guò)通信總線(xiàn)發(fā)送給總機(jī)。一個(gè)監(jiān)測(cè)分機(jī)可監(jiān)測(cè)8 路防護(hù)器的工作狀態(tài)，主要功能是監(jiān)測(cè)防護(hù)器的工作狀態(tài)，并把防護(hù)器的狀態(tài)信息發(fā)送給主機(jī)。分機(jī)整個(gè)電路所使用的元器件均集中安裝到分機(jī)結(jié)構(gòu)殼體中，對(duì)外預(yù)留直流24V 電源接口、8 路防護(hù)器接口及通信接口。

監(jiān)測(cè)總機(jī)有2 路檢測(cè)通道，每路檢測(cè)通道最多設(shè)置100 個(gè)監(jiān)測(cè)分機(jī)的尋址地址,2 路通道共計(jì)連接200 個(gè)監(jiān)測(cè)分機(jī)，每一個(gè)監(jiān)測(cè)分機(jī)監(jiān)測(cè)8 路防護(hù)器的工作狀態(tài).總機(jī)能夠顯示每個(gè)檢測(cè)分機(jī)的故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位報(bào)警。主機(jī)整個(gè)電路所使用的元器件均集中安裝到主機(jī)結(jié)構(gòu)殼體中，對(duì)外預(yù)留220V 電源接口和通信接口。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1 分機(jī)硬件設(shè)計(jì)

2.4.3 浸出物檢測(cè) 采用熱浸法測(cè)定，直接粉碎得到的枸杞子粉末與經(jīng)上述3種預(yù)處理方法得到的枸杞子粉末，其浸出物量分別為75.4%、75.6%、72.6%、72.5%，均未少于55.0%。

a.電源電路

電源電路如圖1 所示，電源可直接利用防護(hù)器的直流電源，輸入端KZ 和KF 則為從防護(hù)器獲得的直流24V電壓。分機(jī)系統(tǒng)需要5V 和3.3.V 電源電壓，直接利用輸入電源經(jīng)過(guò)降壓后取得。設(shè)計(jì)中電源電壓經(jīng)過(guò)防雷電路和濾波電路后輸入到LM2576-12 穩(wěn)壓器輸出12V 電壓，經(jīng)過(guò)濾波進(jìn)而通過(guò)LM7805 轉(zhuǎn)換成5V 電壓。單片機(jī)供電電源3.3V 通過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換芯片即可完成。

圖1 電源電路

b.MCU 電路

單片機(jī)硬件電路如圖 2 所示，MCU 采用STM32F103RBT6 是由法意半導(dǎo)體公司（ST）開(kāi)發(fā)的以ARM Cortex-M 為內(nèi)核的32 位嵌入式微控制器，具有運(yùn)算速度快、體積小、功耗低、豐富外圍接口等優(yōu)點(diǎn)。最高工作頻率72MHz，128KbFlash 程序存儲(chǔ)器，提供功能強(qiáng)大的庫(kù)函數(shù)，編程簡(jiǎn)單。單片機(jī)最小系統(tǒng)使用外部晶振，SWD 作為編程口，使用撥碼盤(pán)進(jìn)行地址設(shè)置，通過(guò)LED0顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖2 單片機(jī)硬件圖

c.通信電路

通信電路采用MAX487 進(jìn)行分機(jī)和總機(jī)之間的通信，MAX487 是美國(guó)MAXIM 公司生產(chǎn)的新型光電隔離新接口轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)單端或差分信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，并可有效的防止雷擊和共地干擾。總機(jī)允許最多100個(gè)MAX487 收發(fā)器接在總線(xiàn)上，在最后一個(gè)連接的分機(jī)上加上120 歐姆的匹配電阻。由于MAX487 收發(fā)器工作電壓為5V，而單片機(jī)工作電壓為3.3V，因此設(shè)計(jì)中使用EL3H7 光耦隔離解決電平匹配問(wèn)題。在A、B 信號(hào)線(xiàn)上加上了TVS 和電阻防止信號(hào)浪涌沖擊。如圖3 所示。

圖3 通信電路圖

2.1.2 總機(jī)硬件設(shè)計(jì)

a.電源電路

電源電路分為兩部分功能，第一部分將交流220V 電壓轉(zhuǎn)成直流24V 電壓，設(shè)計(jì)中采用的是金升陽(yáng)LH05-10B24 型的電源模塊，該模塊具有穩(wěn)壓輸出、低紋波噪聲、輸出短路、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能，并且轉(zhuǎn)換效率高達(dá)84%原理如圖4（a）所示。然后將24V 電壓經(jīng)過(guò)濾波，通過(guò) PWB4805 轉(zhuǎn) 換 成 5V 給 MCU 最 小 系 統(tǒng) 和MAX487CSA 通信電路提供工作電源電壓。原理如圖4（b）所示。

圖4

b.MCU 電路

總機(jī)的MCU 電路和分機(jī)的MCU 電路相同，根據(jù)外圍電路不同配置不同的IO 口即可，具體詳情參見(jiàn)2.2.1節(jié)第2 項(xiàng)內(nèi)容。

c.通信電路

總機(jī)的通信電路和分機(jī)通信電路相同，具體詳情參見(jiàn)2.2.1 節(jié)第3 項(xiàng)內(nèi)容。

d.時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路的原理如圖5 所示。時(shí)鐘芯片采用美國(guó)ALLAS 公司推出的DS1302，該芯片具有涓細(xì)電流充電能力，采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電供電功能，也可實(shí)現(xiàn)關(guān)閉充電功能。電路外接普通的32.768kHz 晶振。

圖5 時(shí)鐘電路圖

e.CAN 通信電路通信電路采用CAN 的通信方式，原理如圖6 所示。電路使用的主要芯片為MCP2551， 該芯片是MACROSHIP 生產(chǎn)一款高速CAN 收發(fā)器，具有容錯(cuò)功能，可作為CAN 協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)接口，可為CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力。它的工作效率高達(dá)1Mb/s，可連接節(jié)點(diǎn)高達(dá)112 個(gè)。

圖6 CAN 通信電路圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 檢測(cè)分機(jī)程序設(shè)計(jì)

直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)采用主機(jī)輪詢(xún)的方式進(jìn)行通信，即主機(jī)向分機(jī)發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送狀態(tài)命令，當(dāng)分機(jī)匹配到自己的地址后向主機(jī)發(fā)送狀態(tài)消息，如果沒(méi)有匹配到自身的地址，則處于等待狀態(tài)。檢測(cè)分機(jī)程序流程圖如圖7 所示。

圖7 檢測(cè)分機(jī)程序流程圖

2.2.2 檢測(cè)總機(jī)

顯示程序用來(lái)顯示監(jiān)測(cè)分機(jī)監(jiān)測(cè)的保護(hù)器工作狀態(tài)。顯示界面主要有故障記錄，分機(jī)狀態(tài)，時(shí)間設(shè)置，分機(jī)設(shè)置。分機(jī)設(shè)置界面可以設(shè)置連接了的分機(jī)，主機(jī)會(huì)給這些分機(jī)發(fā)送請(qǐng)求命令。分機(jī)狀態(tài)用來(lái)顯示分機(jī)狀態(tài)，分機(jī)狀態(tài)共有三種，當(dāng)分機(jī)工作正常時(shí)，在對(duì)應(yīng)的分機(jī)框中顯示“√”，對(duì)應(yīng)的主界面右下角顯示“系統(tǒng)正常”字樣；當(dāng)分機(jī)發(fā)生故障時(shí)，在對(duì)應(yīng)的分機(jī)框中顯示“×”，對(duì)應(yīng)的主界面右下角顯示“分機(jī)故障”字樣；當(dāng)分機(jī)未連接時(shí)，會(huì)默認(rèn)顯示“-”。顯示程序流程圖如圖8 所示。

圖8 顯示程序流程圖

2.2.3 通信

通訊程序用于支持直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)與室外監(jiān)測(cè)分機(jī)的通信。為了避免多臺(tái)分機(jī)同時(shí)報(bào)警造成總線(xiàn)上數(shù)據(jù)沖突，故采用輪詢(xún)方式進(jìn)行通信，確保不會(huì)總線(xiàn)同時(shí)被占用導(dǎo)致通信線(xiàn)上的數(shù)據(jù)沖突。

通信協(xié)議的原理如下：分機(jī)在平時(shí)保持監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)接收到報(bào)警線(xiàn)上總機(jī)發(fā)送的請(qǐng)求發(fā)送狀態(tài)信息時(shí)，將接收到的信息解碼得到地址碼。分機(jī)識(shí)別到與自身地址碼相同時(shí)，分機(jī)發(fā)送自身狀態(tài)信息，否則不會(huì)發(fā)送，處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，避免了總線(xiàn)上數(shù)據(jù)沖突。通信軟件流程圖如圖9所示。

圖9 通信軟件流程圖

3 解決技術(shù)問(wèn)題

本文提供了一種直流轉(zhuǎn)轍機(jī)限時(shí)保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。實(shí)現(xiàn)了分機(jī)與總機(jī)實(shí)時(shí)通信、顯示分機(jī)狀態(tài)、可查詢(xún)報(bào)警信息、可通過(guò)人機(jī)界面系統(tǒng)配置以及可同通過(guò)人機(jī)界面對(duì)報(bào)警信息的顯示功能。實(shí)用性強(qiáng)，便于推廣使用。