現(xiàn)代有軌電車單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊研究

陶玉鳳 何 濤 張 銳 朱 劍

隨著城市軌道交通及其多元化交通工具的飛速發(fā)展，現(xiàn)代有軌電車已經(jīng)得到國內(nèi)外許多城市的關(guān)注和推廣?，F(xiàn)代有軌電車的興起，不僅能夠解決交通擁堵的問題，而且?guī)砹司薮蟮纳虡I(yè)契機(jī)。因此，研究開發(fā)與現(xiàn)代有軌電車相關(guān)的產(chǎn)品，對解決我國大多數(shù)城市目前面臨的交通擁堵等問題具有十分積極的作用。

現(xiàn)代有軌電車單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊隸屬于現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)軌旁執(zhí)行單元，是關(guān)系行車安全和效率的重要環(huán)節(jié)。采用單相交流電機(jī)做動力的轉(zhuǎn)轍機(jī)，與直流電動轉(zhuǎn)轍機(jī)相比，具有動作可靠、電機(jī)故障率低、維修工作量小等特點(diǎn)。在可靠性要求高、道岔動作頻繁、不便于維護(hù)的使用環(huán)境中具有更明顯的優(yōu)勢。因此，著手開發(fā)現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)具有重要意義。本次信號系統(tǒng)的研發(fā)主要涉及轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊、信號機(jī)控制模塊等，整個(gè)開發(fā)設(shè)計(jì)過程主要包括硬件電路板設(shè)計(jì)及控制軟件的編寫調(diào)試。本文主要針對單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊，來論述其驅(qū)動采集一體化的設(shè)計(jì)過程。

1 控制模塊功能及結(jié)構(gòu)

1.1 主要功能

1.與通信模塊通信，完成與軌旁控制器聯(lián)鎖主機(jī)的信息交互。

2.能夠根據(jù)聯(lián)鎖命令，控制四線制交流轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)動到定位或反位。

3.能夠?qū)崟r(shí)采集道岔狀態(tài)信息，并將狀態(tài)信息發(fā)送到聯(lián)鎖主機(jī)。

4.監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)動作情況，具有過流和短路自動保護(hù)功能。當(dāng)電機(jī)過載或外線路短路時(shí)，該模塊能夠切斷控制電路和電動機(jī)電路，可以省去繼電器道岔控制電路中的熔斷器。這樣不僅能使電路得到簡化，而且還能提高設(shè)備利用率(避免了由于更換熔絲不及時(shí)造成的設(shè)備局部停用)。

5.具有實(shí)時(shí)監(jiān)測功能?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)測道岔位置;進(jìn)行模塊元器件的自動檢測;轉(zhuǎn)轍機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未轉(zhuǎn)換到底的擠岔報(bào)警;沒有操作命令時(shí)，表示失去時(shí)間超過2 s自動報(bào)警。

1.2 硬件架構(gòu)

根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊功能需求，設(shè)計(jì)出如圖1所示的四線制道岔控制模塊硬件結(jié)構(gòu)。其核心是由2個(gè)微處理器MCUA和MCUB組成的雙MCU控制器。雙MCU控制器接收來自聯(lián)鎖主機(jī)的道岔控制命令，并通過邏輯“與”運(yùn)算，輸出控制四線制道岔模塊的動作驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)定位與反位之間的轉(zhuǎn)換。來自檢測電路A和B的道岔表示信息，經(jīng)過雙MCU控制器的邏輯“與”運(yùn)算后，發(fā)送給聯(lián)鎖主機(jī)。此外，雙MCU控制器還能夠?qū)崿F(xiàn)對電路中的關(guān)鍵電路，以及重要元器件等的監(jiān)測。如果雙MCU控制器的“與”運(yùn)算結(jié)果不一致，那么判定轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊電路中存在故障，控制器發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信息或者切斷動作過程，并將此結(jié)果通過總線上傳給微機(jī)監(jiān)測機(jī)。

此外，四線制道岔控制模塊的主要電路還有通信電路、驅(qū)動電路、微控制器電路、檢測電路和區(qū)段鎖閉電路等。2路冗余通信總線用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊與軌旁控制器聯(lián)鎖主機(jī)之間的安全通信功能;控制微控制器電路負(fù)責(zé)聯(lián)鎖信息的邏輯運(yùn)算以及電路故障的診斷;區(qū)段鎖閉電路與區(qū)段鎖閉繼電器連接，實(shí)現(xiàn)道岔區(qū)段是否鎖閉的采集功能;檢測電路用來檢測和監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)的動作電流，一方面在轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動后，檢測電路檢測到電流，便進(jìn)入自閉功能，當(dāng)動作到位后，電流消失，則斷開控制主回路;另一方面，它還包括道岔表示信號采集電路，用于采集轉(zhuǎn)轍機(jī)位置，并將位置信息傳遞給雙MCU控制器。轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動電路通過控制主回路通斷，完成對四線制交流轉(zhuǎn)轍機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的控制。

圖1 四線制道岔控制模塊硬件結(jié)構(gòu)

2 主電路設(shè)計(jì)及分析

2.1 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路主要完成對單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)定操和反操的控制，根據(jù)既有四線制道岔控制電路設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路模型如圖2所示，它主要由微控制器電路、隔離驅(qū)動電路、動作開關(guān)電路和電流檢測電路等組成。動作開關(guān)電路主要實(shí)現(xiàn)對定、反操電路的通斷控制;電流檢測電路完成對驅(qū)動電路動作電流的檢測;微控制器電路負(fù)責(zé)根據(jù)聯(lián)鎖主機(jī)命令發(fā)出動作指令;隔離驅(qū)動電路采用光電隔離電路，主要是用來防護(hù)微控制器與動作電路的干擾;換相開關(guān)用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。電源開關(guān)的設(shè)計(jì)目的在于轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換過程中故障時(shí)，能及時(shí)切斷動作電源以保護(hù)電路。

圖2 四線制道岔模塊驅(qū)動電路原理圖

當(dāng)單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)由定位向反位轉(zhuǎn)動時(shí)，來自微處理器的控制信息，首先通過隔離驅(qū)動電路，操作電源開關(guān)K1閉合，接著控制換向開關(guān)中的K2閉合。由于轉(zhuǎn)轍機(jī)處在定位時(shí)，其第1組接點(diǎn)和第3組接點(diǎn)是閉合的，所以來自電源屏的220 V交流電經(jīng)電源開關(guān)、電流檢測單元和換相開關(guān)K2以及電纜線X2和X4傳遞到電動機(jī)，轉(zhuǎn)轍機(jī)開始轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動后，電流檢測電路檢測到電流進(jìn)入自閉功能。電動機(jī)轉(zhuǎn)動過程中，首先斷開轉(zhuǎn)轍機(jī)的第3組定位表示接點(diǎn)，同時(shí)接通轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的第4組反位動作接點(diǎn)。電動機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動，待其轉(zhuǎn)換到底的時(shí)候，瞬間接通轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部第2組定位表示接點(diǎn)，同時(shí)斷開第2組反位動作接點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)轍機(jī)第2組接點(diǎn)斷開，同時(shí)斷開了電動機(jī)的動作電路，電路中的電流為零。電流檢測電路檢測到電流消失，關(guān)閉動作電源。轉(zhuǎn)轍機(jī)由反位向定位轉(zhuǎn)動時(shí)，原理和向反位轉(zhuǎn)動差不多，不同的是使用的電纜線不同，閉合的換相開關(guān)變?yōu)镵3。轉(zhuǎn)轍機(jī)無論是向反位轉(zhuǎn)動還是向定位轉(zhuǎn)動，都是首先閉合電源開關(guān)。

2.2 表示采集電路

根據(jù)原有的繼電控制電路，可以設(shè)計(jì)如圖3所示的表示信號采集電路模型。定位由X1和X3兩根線確定，反位由X2和X3確定。表示采集電路主要由表示變壓器BB、電阻R1、電阻R2、定位表示檢測電路、反位表示檢測電路等組成。表示變壓器將AC220 V降壓為表示采集電源，R1、R2分別為模擬繼電表示電路中FBJ、DBJ線圈阻抗的電阻，定位表示檢測電路和反位表示檢測電路送入微控制器。

二極管D為轉(zhuǎn)轍機(jī)終端電纜盒中的二極管，當(dāng)?shù)啦硖幱诙ㄎ粫r(shí)X1與A連接、X3與B連接;反位時(shí)X2與B連接、X3與A連接。

分析圖3所示表示采集電路原理圖，當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊驅(qū)動道岔向定位轉(zhuǎn)動時(shí)，待動作完畢，道岔啟動電路切斷，此時(shí)檢測表示信號，定位和反位表示檢測電路同時(shí)檢測道岔位置信息。若有定位表示信號而無反位表示信號時(shí)，定位表示檢測電路A和B分別將檢測到的信息傳給雙MCU控制器進(jìn)行校核，如果結(jié)果一致，則給出定位表示，如果不一致，則顯示四開狀態(tài)并上傳報(bào)警信息。

圖3 四線制道岔模塊表示采集電路原理圖

3 模塊軟件實(shí)現(xiàn)

模塊軟件嚴(yán)格遵循模塊功能需求以及硬件電路原理，并結(jié)合相關(guān)安全技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)微控制器正常接收命令信號，并通過分析命令來進(jìn)行邏輯運(yùn)算及校驗(yàn)。若命令有效，則發(fā)出控制信號，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制，同時(shí)完成對表示信息的采集校驗(yàn)，判斷道岔是否轉(zhuǎn)動到位，保證控制的可靠性。其主程序軟件流程圖如圖4所示。

該模塊主要實(shí)現(xiàn)對各個(gè)子功能模塊的調(diào)度運(yùn)行功能。上電后調(diào)用上電初始化模塊，完成各個(gè)寄存器配置以及系統(tǒng)上電自檢功能。檢查無故障后，調(diào)用開關(guān)量檢測模塊，檢測繼電器開關(guān)量信息。接下來調(diào)用通信處理模塊，接收聯(lián)鎖主機(jī)下發(fā)的命令。然后調(diào)用同步信息處理模塊，對2個(gè)微控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果同步信息一致，則表示收到信息正確。然后調(diào)用表示信息檢測模塊，對表示結(jié)果進(jìn)行分析處理。經(jīng)過對控制命令的判斷，以及綜合了道岔位置狀態(tài)信息后，調(diào)用道岔動作模塊對轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作處理。

4 結(jié)論

圖4 主程序軟件流程圖

單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊主要用于控制四線制交流轉(zhuǎn)轍機(jī)，是現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)軌旁控制器的重要組成部分。模塊按照故障-安全原則設(shè)計(jì)，采用動態(tài)控制和動態(tài)采集等安全技術(shù)，具有自檢以及故障定位等功能。現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)采用這種軌旁全電子道岔執(zhí)行模塊，能夠顯著減少設(shè)備用房需求，減輕維護(hù)人員的工作量，大幅縮短故障排除時(shí)間。隨著我國現(xiàn)代有軌電車及其他軌道交通形式的快速發(fā)展，全電子單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊將得到越來越廣泛的應(yīng)用。該模塊已在試驗(yàn)基地帶動轉(zhuǎn)轍機(jī)及道岔設(shè)備進(jìn)行了測試，試驗(yàn)證明，該模塊性能穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，希望未來在有軌電車運(yùn)營中得到廣泛推廣。

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