聯鎖道岔電子控制模塊的電路設計

王坤 翟嘉豪 鄧詩云

摘要：文章基于我國軌道交通現狀，重點介紹了道岔以及進路中道岔的作用，并對鐵路道岔的控制模塊進行了結構設計與分析。其中，主要針對道岔控制模塊中的轉轍機的驅動電路、啟動電路、表示電路、監控與故障報警電路進行了設計分析，同時符合鐵路運輸“故障安全”的基本原則，最終實現對道岔的安全控制。

關鍵詞：軌道交通；道岔；轉轍機

中圖法分類號：U284 文獻標識碼：A

１ 研究的背景及意義

隨著我國經濟的快速發展和國家在鐵路建設上投入的不斷加大，鐵路已逐漸成為一種常態化、大眾化的交通方式，在我國的運輸業中占有較大比重。與此同時，由于鐵路向高效、舒適的方向發展，從而對鐵路的高效性、安全性以及可靠性的要求也越來越高。

道岔控制模塊是道岔切換過程中重要的控制部分，其運行是否正常直接影響整個鐵路線路運輸的安全。

但在軌道交通信號設備中，道岔控制電路的故障發生率是最高的，并且難以發現，是制約鐵路安全發展的重要因素。

本文基于我國軌道交通現狀，重點介紹了道岔以及進路中道岔的作用，并對鐵路道岔的控制模塊進行了結構設計與分析。其中，主要針對道岔控制模塊中的轉轍機的驅動電路、啟動電路、表示電路、監控與故障報警電路進行了設計分析，同時符合鐵路運輸“故障?安全”的基本原則，最終實現對道岔的安全控制。

２ 控制模塊電路

２．１ 驅動電路

本文針對轉轍機道岔控制系統的特殊性，以及道岔動作電路時鐘受計算機監控，在無動作命令時，轉轍機不能進行任何動作命令，分析設計了對應驅動電路。該控制模塊轉換道岔的驅動是連續驅動多個固定寬度脈沖，并且在確定是否滿足高、低、穩脈沖寬度要求的脈沖之后，該脈沖被作為一個有效的脈沖驅動，受到加密鎖定電路所生成的許可狀態的控制。獨立控制線如下：（１）定控（ＤＫ）或反控（ＦＫ）；（２）控制回線（ＫＨ）；（３）道岔動作正電源（ＤＺ）；（４）道岔動作負電源（ＤＦ）［１］ 。

模塊驅動電路示意圖如圖１ 所示。

道岔定位的動態開出組合是“ＤＫ＋ＫＨ＋ＤＺ＋ＤＦ”，即在４ 個以上的開關全開的情況下，才能將道岔轉向位置。道岔反位的動力開出組合是“ＦＫ＋ＫＨ＋ＤＺ＋ＤＦ”，即在４ 個以上的開關全開的情況下，才能實現反向切換。開關的位置和反向動作應在４ 個開孔的狀態下同時開啟，在一條控制線路貫通時不會出現差錯。

２．２ 啟動電路

道岔控制模塊的受控對象是四線制電動轉轍機，本文以Ｓ７００Ｋ 型轉轍機作為研究對象。其最大的特征是無觸點控制電路，可完成對道岔操作指令的控制，以及對道岔信號的采集。該系統在滿足計算機聯鎖技術規范規定的功能的同時，還具有定位和發現故障的能力。該道岔控制模塊充分考慮了容錯和“故障?安全”２ 個方面：采用“二取二”的冗余結構，以增強系統的可靠性和容錯能力；為保證道岔控制的安全性，采用“敵對信號”探測技術和快速反饋的硬件保護技術。

道岔控制模塊是整個電子計算機聯鎖系統的核心部分，主要完成道岔位置的切換和狀態數據采集。

該模塊從聯鎖主機接收道岔操作指令，并能將道岔準確、可靠地切換至對應位置；還可以實時、準確地獲取道岔的位置表達信息和目前的狀態信息；能夠實現故障檢測、定位、診斷和報警等輔助功能［２］ 。

啟動電路動作順序道岔控制電路包括啟動電路和表示電路２ 個部分，啟動是轉轍器在切換和閉合過程中的運行，目的在于實現轉轍器的正常切換［３～４］ 。

根據電路組成，啟動電路可劃分為１ ＤＱＪ 勵磁和自閉、２ ＤＱＪ 轉極電路。根據繼電器的工作邏輯，可以將其劃分為２ 種類型：室內電路和電機控制電路。ＺＦＡ與ＣＡ 被同時按壓時，其時序邏輯關系表示如圖２所示。

以道岔從反位轉為定位為例，當反位第二接點和四排接點閉合，與啟動電路的工作流程進行比較，分析過程如下。

在１ ＤＱＪ 的勵磁作用下，對應的１ ＤＱＪＦ 也會被吸引。在２ ＤＱＪ 完成轉極后，三相操作電源通過斷相保護ＤＢＱ 和繼電器１ ＤＱＪ，１ ＤＱＪＦ，２ ＤＱＪ 的接點由Ｘ１，Ｘ２，Ｘ５ 線發送到戶外。當轉轍器的二列接頭斷開時，轉轍機的電動機開始旋轉，并切斷反向顯示電路，使第一行接頭接通。這時，ＢＨＪ 開始吸入，打開１ ＤＱＪ的閉合電路。當道岔動作至位置時，第四行接頭斷開，道岔動作回路斷開， ＢＨＪ 失磁下降，１ ＤＱＪ 和１ ＤＱＪＦ依次落下，接通位置顯示電路。

圖３ 為（反位?定位）啟動電路。

道岔由定位向反位動作時，原理同上，區別在于道岔向反位轉換時使用Ｘ１，Ｘ３，Ｘ４ 溝通電路。圖４ 為（定位?反位）啟動電路。

２．３ 表示電路

道岔表示電路是將道岔變換后的狀態和位置映射到電路中，最終通過計算機界面傳輸至站場值班人員。值班人員通過表示電路來判斷道岔是否符合指定的要求，即道岔是否處于規定位置。定位表示電路如圖５ 所示。

其工作原理如下：若ＡＣ 電流在正弦的上半周時，則代表變壓器ＢＢ 的次級端４ 是正電極，而３ 是負電極。此時，當電流經過定位表示繼電器分支時，它的流動方向是Ⅱ４ →１ ＤＱＪ 觸點（１３?１１）→Ｘ１ →電動機Ａ 線圈→電動機Ｃ 線圈→觸點（１２?１１）→Ｘ４→ＤＢＪ（１?４）→２ ＤＱＪ（１３２?１３１）→１ ＤＱＪ（２１?２３）→Ｒ１→Ⅱ３。同時，由于二極管的逆斷特性，半波整流二極管的電流幾乎為０。若交流電處于正向下半周時，則表示變壓器ＢＢ 次級側３ 是正電極，４ 是負電極，電流經過半波整流二極管分支時，電流流到Ⅱ３ →Ｒ１ →１ ＤＱＪ 觸點（２３?２１）→２ ＤＱＪ 觸點（１３１?１３２）→１ ＤＱＪＦ 觸點（１３?１１）→２ ＤＱＪ 觸點（１１１?１１２）→Ｘ２ 觸點（３１?３２，１５?１６）→Ｚ→Ｒ→Ｘ２ 觸點（３４?３３）→Ｚ→Ｒ→Ｘ２ 觸點（３４?３３）→馬達Ｂ 線圈→Ｘ１ →馬達Ａ 線圈→Ｘ１ →Ｘ１ →１ ＤＱＪ觸點（１１?１３）→Ⅱ４。另外，在位置指示的繼電器分支上，ＤＢＪ 仍有勵磁作用，由于電流主要經過半波整流二極管分支，但是ＤＢＪ 線圈具有較高的感抗，使得它與二極管的正向接通形成一個閉環回路，自感應電流的方向與偏置繼電器的吸流方向相同，因此它仍處于吸起狀態。反位表示電路如圖６ 所示。

其工作原理如下： 若ＡＣ 電流在正弦的上半周，則表示變壓器ＢＢ 次級端４ 是正電極，而３ 是負電極。

當電流經過半波整流二極管分支時，它的流動方向是Ⅱ４→１ ＤＱＪ（１３?１１）→Ｘ１→電動機Ａ 繞組→電動機Ｂ繞組→Ｘ３ 觸點→Ｚ→Ｒ→Ｘ３ （４６?４５，２２?２１） →Ｘ３ →２ ＤＱＪ（１２３?１２１）→１ ＤＱＪＦ（２１?２３）→２ ＤＱＪ（１３３?１３１）→１ ＤＱＪ（２１?２３）→Ｒ１ →Ⅱ３。二極管此時正向接通。

同時，在定位表示繼電器的繼電器分支上，ＦＢＪ 仍勵磁吸起，由于電流主要經過半波整流二極管分支，但ＦＢＪ 線圈具有較高的感抗，它會和二極管正向接通并形成一個閉環，進而形成一種自感應電流，這種自感應電流的方向和偏置保護裝置的吸力方向是一致的，因此它一直處于吸起狀態。若ＡＣ 電流處于正弦的下半周，則表示變壓器ＢＢ 次級側３ 是正電極，而４ 是負電極。當電流經過指示繼電器分支時，電流的流動方向是Ⅱ３ →Ｒ１ →１ ＤＱＪ 觸點（２３?２１） →２ ＤＱＪ 觸點（１３１?１３３）→ＦＢＪ 觸點（１?４）→Ｘ５→Ｘ５ 觸點（４１?４２）→電動機Ｃ 繞組→電動機Ａ 繞組→Ｘ１→１ ＤＱＪ（１１?１３）→Ⅱ４。另外，由于二極管的反向截至特性，半波整流二極管的電流幾乎為０。反向位顯示電路的工作原理與位置顯示電路基本一致，不同之處是用Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４構成定位表示電路，相反的位置用Ｘ１，Ｘ３，Ｘ５ 構成反位表示電路。

３ 道岔控制模塊的性能分析

３．１ 道岔控制模塊的功能需求

根據鐵路道岔基礎設備的功能需要，結合我國有軌道交通道岔控制系統的實際情況，道岔控制模塊應具備以下功能：（１）根據道岔轉轍器在現場的實際控制狀況，必須對其進行適當的表達；（２）該模塊應具備自動監測、自我診斷、異常報警、故障定位、故障報警等功能；（３）道岔控制模塊接受的控制命令，必須對現場的動作設施進行適當的控制；（４）道岔控制模塊能夠為其他監控維護裝置、系統傳輸相應的資料。

３．２ 道岔控制模塊的安全性

為確保線路的安全性和可靠性，在道岔控制系統中，采用了冗余技術。通過將２ 個模塊的信號結合，形成一種故障辨識的控制轉換開關，即雙機切換開關。該方法是以故障自檢為基礎，實現了２ 個模塊之間無需進行嚴格的同步。二模塊冗余系統要具備以下功能：能夠識別出哪些模塊出現故障；在發現故障后，能夠及時啟動２ 臺機器的切換功能，從而將故障模塊的輸出與系統的輸出隔離。根據不同的故障檢測手段，采用不同的動態冗余系統。

參考文獻：

［１］ 王家剛．聯鎖道岔電子控制模塊的研制［Ｄ］．北京．清華大學，２００９．

［２］ 黃祥．基于繼電電路的計算機聯鎖控制邏輯研究［Ｄ］．成都：西南交通大學，２０１８．

［３］ 崔艷萍，莊河．國內外鐵路調度集中系統的差異性分析［Ｊ］．鐵道運輸與經濟，２０１３，３５（４）：１６?２１．

［４］ 黃曉暉．分散自律調度集中系統（ＣＴＣ）實訓仿真平臺設計與實現［Ｄ］．南昌：華東交通大學，２０１９．

作者簡介：王坤（１９９９—），本科，研究方向：軌道交通信號與控制。