摘? 要: 介紹了一種自行設(shè)計的新型的基于總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路裝置。著重從工作原理、可靠性及故障—安全設(shè)計等方面進行了闡述。
關(guān)鍵詞: RS-485總線? 軌道電路? 狀態(tài)檢測? 故障—安全
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目前在電氣集中或計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中普遍采用圖1所示的交流軌道檢測電路。其基本原理是:軌道受電變壓器B2檢測軌道線路電壓V1out并進行升壓，通過橋式整流器將V1out轉(zhuǎn)換成滿足一定負載要求的直流電壓V2out，進而驅(qū)動JZXC-480重力式安全型繼電器，通過JZXC-480繼電器的觸點吸起或落下狀態(tài)反映鐵路站場線路的空閑與占用狀態(tài)。鐵路信號聯(lián)鎖與監(jiān)測系統(tǒng)等通過采集繼電器的觸點狀態(tài)進行相應(yīng)的聯(lián)鎖運算或顯示。
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這種檢測方法單純從聯(lián)鎖控制需求來講是可靠與安全的，而從系統(tǒng)整體功能擴展、提高可維護性與可用性等方面來考慮，則存在一定的不足。首先，由于繼電器的觸點吸合與離開時間一般在20ms左右，難以滿足現(xiàn)代鐵路運輸高密、重載與高速等特點所提出的高實時性要求;其次，該電路僅提供了反映線路狀態(tài)的觸點(電平)信息，相關(guān)系統(tǒng)不能在線讀入線路電壓的實際變化情況，也就無法有效地監(jiān)視設(shè)備工作狀況;再者，由于鐵路各站場線路狀態(tài)不同、隨季節(jié)氣候變化、元器件老化等原因，致使線路電壓產(chǎn)生波動，而直接反映線路狀態(tài)的軌道繼電器對線路輸入電壓又有著一定的閾值要求，因而需要經(jīng)常性地在現(xiàn)場調(diào)整軌道電路的送電電壓(調(diào)整變壓器抽頭或串聯(lián)電阻R)，維護工作量很大。久而久之還會造成滑線變阻器、變壓器抽頭等的失效。
1 設(shè)計目的與需要解決的技術(shù)任務(wù)
1.1 設(shè)計目的
如前所述，軌道繼電器電路不可避免地對使用該電路的系統(tǒng)造成了一定的影響，因而我們設(shè)計了基于RS-485總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路。
1.2 設(shè)計要求
(1)要能向下兼容原480軌道繼電器的外型、插座、引腳等安裝工藝結(jié)構(gòu)以及阻抗特性。
(2)必須具備故障—安全特性，確保電路在軟、硬件故障情況下(包括停電等外部環(huán)境影響)能導向安全側(cè)信號輸出。
(3)電路能輸出反映軌道占用狀況的邏輯信號供相關(guān)連接系統(tǒng)進行聯(lián)鎖運算與顯示，同時還能輸出數(shù)字電壓值供相關(guān)連接系統(tǒng)判斷軌道電路工作狀態(tài)，以便維護人員進行檢修與管理。
(4)邏輯信號的閾值可由軟件設(shè)定，便于在線調(diào)整。
(5)邏輯信號可受外部同步源控制輸出，便于相關(guān)連接系統(tǒng)動態(tài)讀入。
(6)數(shù)字信號通過總線傳輸。
(7)電路具有熱拔插維護特性，方便檢修與更換。
(8)電路不設(shè)內(nèi)部地址編碼，由其安裝位置確定編號，更換上電時由相關(guān)連接系統(tǒng)自動讀入，不需進行任何設(shè)定。
2 技術(shù)方案及實現(xiàn)手段
2.1 工作原理
設(shè)計的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路原理框圖見圖2。
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在該電路中，使用一片89C2051單片機及外圍電路組成數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路。該電路提供兩種不同類型的輸出，其中之一是經(jīng)89C2051內(nèi)部運算輸出并受系統(tǒng)同步源控制的脈沖信號與穩(wěn)態(tài)電平信號，它反映軌道線路電壓整流值的危險狀態(tài)與安全側(cè)狀態(tài)，由系統(tǒng)檢測輸入并參與聯(lián)鎖運算;另一輸出是串行數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)RS-485總線傳送給系統(tǒng)管理機，監(jiān)測站場軌道電路電壓變化情況。
微處理器是檢測電路的核心，由其讀入A/D變換后的電壓值進行閾值運算，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)定義表(可通過管理機進行在線閾值設(shè)置)輸出符合故障—安全原則的脈沖或電平信號，控制電路整體自檢與外圍電路的工作。
軌道電壓調(diào)理輸入模塊將來自站場軌線上的交流0～30V電壓調(diào)理成直流0～5V供A/D電路進行變換，其輸入特性通過變壓器隔離與阻抗變換達到原480繼電器的輸入要求，從而維持了站場軌道電路的輸出特性不變。
為使相關(guān)連接系統(tǒng)方便、有效地讀入該電路輸出的脈沖狀態(tài)邏輯值，電路接收來自相關(guān)連接系統(tǒng)的同步觸發(fā)控制脈沖，中斷響應(yīng)后再根據(jù)實際讀入的線路電壓與內(nèi)部閾值決定是否輸出與觸發(fā)控制脈沖同步、代表軌道危險側(cè)狀態(tài)的脈動電平。在一些規(guī)模較大的站場需要分為上、下行方面同時控制(多終端控制)，因此同步觸發(fā)控制脈沖可以是一路輸入或多路相關(guān)的脈沖輸入。
由于采用總線結(jié)構(gòu)，需要識別電路位號，數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路的地址編碼為小位，其有效識別范圍為0~255，必要時地址編碼可擴展到10位，從而使大型站場的控制需求也可以滿足。在該電路設(shè)計中，為了解決電路的互換性問題，采用了在插座上預先設(shè)定編碼信息的方式來使插入的電路獲取位號，當電路插入插座并通電運行后，CPU自動讀入該電路的地址編碼。
監(jiān)測模塊用于監(jiān)測電路的工作異常情況，本電路是通過軟件結(jié)合看門狗電路予以實現(xiàn)的;通過一片專用的RS-485通訊芯片實現(xiàn)相關(guān)連接系統(tǒng)與電路之間的數(shù)據(jù)通信，這種芯片的最大負載適應(yīng)能力為256片并行使用，不僅可以滿足系統(tǒng)容量要求，還可有效地防范電磁干擾與實現(xiàn)故障隔離。
2.2 可靠性與故障—安全設(shè)計
2.2.1 實時性
該電路通過中斷輸入方式來檢測相關(guān)連接系統(tǒng)的觸發(fā)控制同步脈沖區(qū)上沿，以此啟動電路的輸出，串行A/D芯片的轉(zhuǎn)換速率可達17μs/bit。即使考慮電路自檢延時等因素的影響，整體電路延時輸出也不超過0.1ms，遠遠低于原繼電器觸點吸合所需的約20ms，可大大改善軌道狀態(tài)檢測的實時性。
2.2.2 可用性
該電路參照原480軌道電路繼電器的外殼與引線方式，通過對內(nèi)部電路的信號、電源、地進行合理規(guī)劃，可以實現(xiàn)熱拔插維護目標;A/D參考電壓用軟件方法進行校準，降低了對器件的性能要求;該電路邏輯信號閾值可以實現(xiàn)在線調(diào)整與配置，改善了操作維護人員的勞動強度。
2.2.3 故障—安全設(shè)計
用單片機與電子電路構(gòu)成數(shù)字化故障—安全軌道狀態(tài)檢測電路的主要難度在于電子電路的故障是對稱類型的，因而也就無法保證在電路故障時能將電路的輸出導向確定的電平狀態(tài)，因此在該電路設(shè)計中采取了以下若干技術(shù)措施:
(1)實現(xiàn)檢測電路與現(xiàn)場信號的有效隔離。在該檢測電路中，采用輸入阻抗為480Ω的信號采集變壓器對檢測電路與現(xiàn)場信號進行隔離，同時在變壓器前級采用PTV、PTR等防高壓、防過流自恢復保護元件以防止外電路故障造成電路損壞;檢測電路與相關(guān)連接系統(tǒng)之間采用初次級耐壓達1500V以上的光耦進行隔離，兼顧了部分鐵路站場采用直流電動機車的保護需求;電源線、現(xiàn)場信號輸入線、數(shù)據(jù)總線均采用雙絞線以減少干擾，所用元器件均經(jīng)過精心篩選與老化，從而使電路故障率降到最低。
(2)對檢測電路內(nèi)流通的信號邏輯表達形式進行變換。用脈沖信號表達代表“線路空閑”的危險側(cè)狀態(tài)，用靜態(tài)電平表達代表“線路占用”的安全側(cè)狀態(tài)。由于脈沖信號在電路故障時導向靜態(tài)的概率極大，因而可有效解決固定邏輯型的“0”或“1”故障給檢測電路帶來的不安全影響。
(3)對檢測電路的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端口進行定時自檢。受系統(tǒng)輸入的同步源觸發(fā)脈沖控制，檢測電路定時對A/D輸入端口進行自檢，尤其是檢查現(xiàn)場輸入信號為0V時A/D輸出的對應(yīng)情況，確保危險側(cè)輸入信號的安全性;同時電路中還使用了看門狗電路以監(jiān)測程序運行情況，出現(xiàn)故障立即發(fā)出危險信號，以使電路輸出導向安全。
(4)用上位管理機對檢測電路進行監(jiān)測。上位管理機與數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路進行定時通訊，發(fā)現(xiàn)異常后及時報警，提醒維護人員進行檢查。
3 優(yōu)點和效應(yīng)
基于總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路裝置由于采用單片機技術(shù)結(jié)合容錯、避錯技術(shù)進行綜合設(shè)計，因而其可靠性、安全性、先進性、可用性、可維護性較原繼電器觸點檢測方式都有了很大的提升。具體表現(xiàn)在以下幾方面:
(1)提供信息的多樣性。該檢測電路不僅可以向相關(guān)連接系統(tǒng)提供用于聯(lián)鎖運算、顯示的邏輯運算信號，還可以提供軌線實際電壓的數(shù)字量，使得維護人員可以一目了然地了解線路工作狀況，動態(tài)監(jiān)測與維護軌道電路。
(2)提升信息的實時性。采用單片機檢測方式，使得電路整體的檢測效率大為提高。數(shù)據(jù)刷新的周期低于1ms，遠小于原繼電檢測方式所需的20ms。這對于鐵路運輸事業(yè)正朝著高速發(fā)展而提出的實時性要求有著特殊的實用意義。
(3)提高信息的安全性與可靠性。結(jié)合故障檢測技術(shù)與故障—安全導向技術(shù)設(shè)計，取消了觸點的檢測，電路的安全性與可靠性較原繼電器檢測電路有了很大的提高。由于可以動態(tài)監(jiān)測線路電壓變化情況，因而在季節(jié)變化、鐵軌生銹等情況下，維護人員可根據(jù)歷史記錄曲線進行預防性維護，使得電路與相關(guān)連接系統(tǒng)的可用性得以提高。
(4)降低了維護人員勞動強度。操作人員不再需要經(jīng)常性地到現(xiàn)場進行調(diào)整，而是根據(jù)不同的軌線情況自動或手動下發(fā)閾值。同時，因減少了對軌道電路變壓器、變阻器的調(diào)整，延長了這些調(diào)整部件的使用壽命。
實踐證明，本系統(tǒng)可靠性與安全性都達到了鐵路信號聯(lián)鎖系統(tǒng)的要求，取得了預期的效果。此項技術(shù)已經(jīng)獲取國家專利(ZL002 19917.3)。
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參考文獻
1 杜雪芳等.新型微機聯(lián)鎖系統(tǒng)中的軌道狀態(tài)檢測電路.鐵路通信信號，1997(12)
2 袁志國，文傳源. 故障系統(tǒng)的狀態(tài)估計.信息與控制，1991;20(2):19～25