基于總線(xiàn)結構的數字階級安全軌道狀態(tài)檢測裝置
加入技術(shù)交流群
摘要：介紹了一種自行設計的新型的基于總線(xiàn)結構的數字化軌道狀態(tài)檢測電路裝置。著(zhù)重從工作原理、可靠性及故障-安全設計等方面進(jìn)行了闡述。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/255586.htm關(guān)鍵詞：RS-485總線(xiàn) 軌道電路 狀態(tài)檢測 故障-安全
目前在電氣集中或計算機聯(lián)鎖系統中普遍采用圖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(xiàn)路電壓V1out并進(jìn)行升壓，通過(guò)橋式整流器將V1out轉換滿(mǎn)足一定負載要求的直流電壓V2out，進(jìn)而驅動(dòng)JZXC-480重力式安全型繼電器，通過(guò)JZXC-480繼電器的觸點(diǎn)吸起或落下?tīng)顟B(tài)反映鐵路站場(chǎng)線(xiàn)路的這閑與占用狀態(tài)。鐵路信號聯(lián)鎖與監測系統等通過(guò)采集繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行相應的聯(lián)鎖運算或顯示。
這種檢測方法單純從聯(lián)鎖控制需求來(lái)講是可靠與安全的，而從系統整體功能擴展、提高可維護性與可用性等方面來(lái)考慮，則存在一定的不足。首先，由于繼電器的觸點(diǎn)吸合與離開(kāi)時(shí)間一般在20ms左右，難以滿(mǎn)足現代鐵路運輸高密、重載與高速等特點(diǎn)所提出的高實(shí)時(shí)性要求；其次，該電路僅提供了反映線(xiàn)路狀態(tài)的觸點(diǎn)（電平）信息，相關(guān)系統不能在線(xiàn)讀入線(xiàn)路電壓的實(shí)際變化情況，也就無(wú)法有效地監視設備工作狀態(tài)；再者，由于鐵路各部場(chǎng)線(xiàn)路狀態(tài)不同、隨季節氣候變化、元器件老化等原因，致使線(xiàn)路電壓產(chǎn)生波動(dòng)，而直接反映線(xiàn)路狀態(tài)的軌道繼電器對線(xiàn)路輸入電壓又有著(zhù)一定的閾值要求，因而要求經(jīng)常性地在現場(chǎng)調整軌道電路的送電電壓（調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(huì )造成滑線(xiàn)變阻呂、變壓器抽頭等的失效。
1 設計目的與需要解決的技術(shù)任務(wù)
1.1 設計目的
如前所述，軌道繼軍器電路不可避免地對使用該電路的系統造成了一定的影響，因而我們設計了基于RS-485總線(xiàn)結構的數字化軌道狀態(tài)檢測電路。
1.2 設計要求
（1）要能向下兼容原480軌道繼電器的外型、插座、引腳等安裝工藝結構以及阻抗特性。
（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)連接系統進(jìn)行聯(lián)鎖運算與顯示，同時(shí)還能輸出數字電壓值供相關(guān)連接系統判斷軌道電路工作狀態(tài)，以便維護人員進(jìn)行檢修與管理。
（4）邏輯信號的閾值可由軟件設定，便于在線(xiàn)調整。
（5）邏輯信號可受外部同步源控制輸出，便于相關(guān)連接系統動(dòng)態(tài)讀入。
（6）數字信號通過(guò)總線(xiàn)傳輸。
（7）電路具有熱拔插維護特性，方便檢修與更換。
（8）電路不設內部地址編碼，由其安裝位置確定編號，更換上電時(shí)由相關(guān)連接系統自動(dòng)讀入，不需進(jìn)行任何設定。
2 技術(shù)方案及實(shí)現手段
2.1 工作原理
設計的數字化軌道狀態(tài)檢測電路原理框圖見(jiàn)圖2。
在該電路中，使用一片89C2051單片機及外圍電路組成數字化軌道狀態(tài)檢測電路。該電路提供兩種不同類(lèi)型的輸出，其中定一是經(jīng)89C2051內部運算輸出并受系統同步源控制的脈沖信號與穩態(tài)電平信號，它反映軌道線(xiàn)路電壓整流值的危險狀態(tài)與安全側狀態(tài)，由系統檢測輸入并參與聯(lián)鎖運算；另一輸出是串行數據輸出，經(jīng)RS-485總線(xiàn)傳送給系統管理機，監測站場(chǎng)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(jìn)行閾值運算，根據內部狀態(tài)定義表（可通過(guò)管理機進(jìn)行在線(xiàn)閾值設置）輸出符合故障一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。
軌道電壓調理輸入模塊將來(lái)自站場(chǎng)軌線(xiàn)上的交流0～30V電壓調理成直流0～5V供A/D電路進(jìn)行變換，其輸入特性通過(guò)變壓器隔離與阻抗換達到原480繼電器的輸入要求，從而維持了站場(chǎng)軌道電路的輸出特性不變。
為使相關(guān)連接系統方便、有效地讀入該電路輸出的脈沖狀態(tài)邏輯值，電路接收來(lái)自相關(guān)連接系統的同步觸發(fā)控制脈沖，中斷響應后再根據實(shí)際讀入的線(xiàn)路電壓與內部閾值決定是否輸出與觸發(fā)控制脈沖同步、代表軌道危險側狀態(tài)的脈動(dòng)電平。在一些規模大的站場(chǎng)需要分為上、下行方面同時(shí)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(xiàn)結構，需要識別電路位號，數字化軌道狀態(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(shí)地址編碼可擴展到10位，從而使大型站場(chǎng)的控制需求也可以滿(mǎn)足。在該電路設計中，為了解決互換性問(wèn)題，采用了在插座上預選設定編碼信息的方式來(lái)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(dòng)讀入該電路的地址編碼。
監測模塊用于監測電路的工作異常情況，本電路是通過(guò)軟件結合看門(mén)狗電路予以實(shí)現的；通過(guò)一片專(zhuān)用的RS-485通訊芯片實(shí)現相關(guān)連接系統與電路之間的數據通信，這種芯片的最大負載適應能力為256片并行使用，不僅可以滿(mǎn)足系統容量要求，還可有效地防范電磁干擾與實(shí)現故障隔離。
2.2 可靠性與故障—安全設計
2.2.1 實(shí)時(shí)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(xiàn)方式，通過(guò)對內部電路的信號、電源、地進(jìn)行合理規劃，可以實(shí)現熱拔插維護目標；A/D參考電壓用軟件方法進(jìn)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(shí)現在線(xiàn)調整與配置，改善了操作維護人員的勞動(dòng)強度。
2.2.3 故障—安全設計
用單片機與電子電路構成數字化故障—安全軌道狀態(tài)檢測電路主要難度在于電子電路的故障是對稱(chēng)類(lèi)型的，因而也就無(wú)法保證在電路故障時(shí)能將電路輸出導向確定的電平狀態(tài)，因此在該電路設計中采用了以下若干技術(shù)措施：
（1）測電路與現場(chǎng)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場(chǎng)信號進(jìn)行隔離，同時(shí)在變壓器前級采用PTV、PTR等防高壓、防過(guò)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)連接系統之間采用初次級耐壓達1500V以上的光耦進(jìn)行隔離，兼顧了部分鐵路站場(chǎng)采用直流電動(dòng)機車(chē)的保護需求；電源線(xiàn)、現場(chǎng)信號輸入線(xiàn)、數據總線(xiàn)均采用雙絞線(xiàn)以減少干擾，所用元器件均經(jīng)過(guò)精心篩選與老化，從而使電路故障率除到最低。
（2）對檢測電路內流通的信號邏輯表達形式進(jìn)行變換。用脈沖信號表達代表“線(xiàn)路空閑”的危險側狀態(tài)，用靜態(tài)電平表達代表“線(xiàn)路占用”的安全側狀態(tài)。由于脈沖信號在電路故障時(shí)導向靜態(tài)的概率極大，因而可有效解決固定邏輯型垢“0”或“1”故障給檢測電路帶來(lái)的不安全影響。
（3）對檢測電路的A/D轉換模塊輸入端口進(jìn)行定時(shí)自檢。受系統輸入的同步源觸發(fā)脈沖控制，檢測電路定時(shí)對A/D輸入端口進(jìn)行自檢，尤其是檢查現場(chǎng)輸入信號為0V時(shí)A/D輸出的對應情況，確保危險側輸入信號的安全性；同時(shí)電路中還使用了看門(mén)狗電路以監測程序運行情況，出現故障立即發(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(jìn)行監測。上位管理機與數字化軌道狀態(tài)檢測電路進(jìn)行定時(shí)通訊，發(fā)現異常后及時(shí)報警，提醒維護人員進(jìn)行檢查。
3 優(yōu)點(diǎn)和效應
基于總線(xiàn)結構的數字化軌道狀態(tài)檢測電路裝置由于采用單片機技術(shù)結合容錯、避錯技術(shù)進(jìn)行綜合設計，因而其可靠性、安全性、先進(jìn)性、可用性、可維護性較原繼電器觸點(diǎn)檢測方式都有了很大的提升。具體表現在以下幾方面：
（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(xiàn)實(shí)際電壓的數字量，使得維護人員可以一目了然地了解線(xiàn)路工作狀態(tài)，狀態(tài)監測與維護軌道電路。
（2）提升信號的實(shí)時(shí)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。數據刷新的周期低于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(zhù)高速發(fā)展而提出的實(shí)時(shí)性要求有著(zhù)特殊的實(shí)用意義。
（3）提高信息的安全性與可靠性。結合故障檢測技術(shù)與故障—安全導向技術(shù)設計，取消了觸點(diǎn)的檢測，電路的安全性可靠性較原繼電器檢測電路有了很魘提高。由于可以動(dòng)態(tài)監測線(xiàn)路電壓變化情況，因而在季節變化、鐵軌生銹等情況下，維護人員可根據歷史記錄曲線(xiàn)進(jìn)行預防性維護，使得電路與相關(guān)連接系統的可用性得以提高。
（4）降低了維護人員勞動(dòng)強度。操作人員不再需要經(jīng)常性地到現場(chǎng)進(jìn)行調整，而是根據不同的軌線(xiàn)情況自動(dòng)或手動(dòng)下發(fā)閾值。同時(shí)，因減少了對軌道電路變壓器、變阻器的調整，延長(cháng)了這些調整部件的使用壽命。
實(shí)踐證明，本系統可靠性與安全性都達到了鐵路信號聯(lián)鎖系統的要求，取得了預期的效果。此項技術(shù)已經(jīng)獲取國家專(zhuān)利（ZL002 19917.3）。
評論