自動閉塞系統實訓考核裝置的設計

于維佳+潘羽+梁韜+吳凌

【摘 要】為了實現自動閉塞系統實訓中高效地對斷線故障點進行設置與恢復，研制了一種用于自動閉塞系統的實訓考核裝置;上位機考核軟件具備故障設置、修復、自動記錄成績等功能，下位機以C8051F410單片機為主控單元，并使用繼電器模擬線路通斷。

【關鍵詞】自動閉塞系統 實訓考核裝置 C8051F410 考核軟件

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）02C-0191-02

各鐵道類高職院校在鐵道信號相關專業的人才培養、課程設置當中，自動閉塞實訓系統的應用已經越來越廣泛。自動閉塞實訓系統的硬件構成與鐵道系統實際使用的信號設備完全一致，信號設備可分為室內設備、室外設備與系統防雷三部分，在ZPW-2000A自動閉塞系統實訓中最重要的技能考核點是室內設備的維修。而在實際使用過程中，室內設備的故障類型通常是斷路故障，因此教師在對學生進行考核時，必須模擬實際故障場景中的斷線故障，以此方法來評價學生對技能點的掌握。

在實訓教學中，室內設備部分使用“區間信號零散組合1”進行配線與檢修實訓，該組合至少包括超過100個配線端子，教師在進行室內設備維修技能考核時，人為設置配線斷路故障點需要耗費大量時間與精力，存在實訓效率低下的問題;而且在考核中，難以對學生維修技能的過程進行評價，學生無法真正掌握實際工作中室內設備故障檢修的方法，不能適應信號工的崗位需求。現有設備已無法滿足教學的要求。

針對上述問題，研制了一種用于ZPW-2000A型自動閉塞系統實訓的考核裝置，提供了一種在實訓中模擬室內設備斷路故障維修的智能化考核方法。這是一種可通過上位機考核軟件出題、評分的軌道交通信號控制系統實訓考核裝置，能快速設置斷路點，并對學生維修過程進行公正的評價。

一、硬件電路設計

（一）設計方案

裝置包括上位機考核軟件與下位機控制器，上、下位機之間通過串口RS232連接。上位機考核軟件采用VC開發，要求能夠設置包含故障點信息的考核試題，并能根據學生維修情況自動評分。考核被激活后，數據與指令通過串口通信發送至下位機;下位機接收完畢后自動應答，并根據實時指令對相應的繼電器進行控制，達到還原斷路故障維修場景的目的。

下位機包括RS232電路、微控制單元電路、繼電器驅動電路、繼電器接口電路。采用單片機設計微控制單元電路，通過RS232通信接收上位機發送的數據，并執行相關指令，同時單片機還負責采集兩路反饋信號。

將自動閉塞系統通過繼電器驅動電路來設置繼電器接口電路的斷路故障點，達到模擬室內設備故障的目的。繼電器驅動電路須要能夠對超過100個配線進行通斷控制。

下位機利用單片機對兩路燈絲繼電器的通斷狀態進行監控，并將監控數據通過RS232電路反饋至上位機，考核軟件根據該燈絲繼電器狀態信息在界面中實時地轉換顯示信號燈的亮、滅狀態。

（二）微控制單元與RS232電路設計

微控制單元電路采用C8051F410單片機作為核心。這是一款集成高速51內核的混合信號單片機，共有24路IO口資源，并內建多路12位逐次逼近型ADC，可以用于信號燈絲繼電器的工作狀態進行數據采集。為便于與上位機進行串口通信，RS232電路選用MAX3232電平轉換芯片搭建。微控制單元電路、RS232電路原理圖如圖2所示。

（三）繼電器驅動電路設計

繼電器驅動電路要求能對數量較多的繼電器進行驅動，因此使用74HC595輸出位移寄存器芯片對單片機有限的I/O口資源進行擴展。該芯片可以完成串口輸入轉換成并口輸出的功能，每片芯片只需要4個控制信號即可控制8路并口輸出數據。設計使用4片74HC595級聯，后級芯片的串行數據輸入端口連接到前級芯片的串行數據輸出端口Q7'，此時只需通過單片機的4根IO口線作為輸入，便可擴展至一組32位并行數據輸出。

用單片機控制總共四組32位并口數據輸出，這樣只需16根IO口線就可以完成128個繼電器的通/斷控制，在滿足設備研制要求的同時，也留出了一定的冗余。

同時采用ULN2803芯片直接驅動繼電器，芯片集成8路達林頓管，并內建肖特基二極管反向放電回路，無需外接二極管，每片芯片可以直接驅動8個繼電器。

圖3為繼電器驅動模塊電路原理圖（A組）。包括4片74HC595芯片級聯，用于擴展單片機的IO口線，分別編號為A1、A2、A3、A4，以上組成“A組繼電器驅動電路”;整個裝置包括A、B、C、D四組繼電器驅動電路，限于篇幅，圖中只給出A組電路原理圖。四組繼電器驅動電路構成繼電器驅動模塊，每一組驅動電路可驅動32個繼電器，四組驅動電路一共能夠驅動128個繼電器，滿足設備開發需求。

（四）繼電器接口電路設計

圖4為繼電器接口模塊電路原理圖（部分），裝置包含128路繼電器接口，篇幅所限，圖中只畫出了8路繼電器接口電路，其余繼電器接口電路采用相同結構。“排線R1”與圖3中的“排線1”用軟排線相連，用于接收圖3繼電器驅動模塊的控制信號;圖中2路燈絲繼電器接口與圖2中的單片機17、18腳相連，用于反饋ZPW-2000A實訓設備運行狀態。

電磁繼電器采用G6K-2F-Y-5V信號繼電器，其觸點容量滿足自動閉塞系統實訓的要求，并能夠有效控制PCB規模。在對ZPW-2000A實訓設備配線時將需要考查的線路與本裝置的接線端子串聯，接線端子繼電器動觸點與常閉觸點連接“接線端子”，這樣在繼電器無動作時，保證設備與ZPW-2000A實訓設備的接線無斷路故障，在接到上位機指令后，單片機控制相應繼電器吸合，產生斷路故障現象。同樣，控制繼電器釋放后，故障點得以恢復。以此模擬ZPW-2000A自動閉塞系統的斷路故障。

繼電器接口電路中使用超小型電磁繼電器，并且繼電器驅動電路與繼電器接口電路之間用排線相連。這種結構方便調試、更換，也為后期使用中的設備本身的維護檢修帶來了很大的方便。

二、軟件設計

使用VC開發上位機考核軟件，主程序流程圖如圖5。教師使用考核軟件對軌道交通信號控制系統實訓進行故障點設置、考核分值設置，學生在查找故障點后可以在軟件界面中對相應的故障點進行確認維修操作。

教師在軟件中設置考核內容，上位機將題目中的故障點信息與指令通過串口發送至下位機。學生考核時根據信號設備知識在自動閉塞系統組合配線處查找故障點。當完成訓練或考核后，只需在軟件中勾選相應的故障點圖標，軟件自動判斷學生選擇的正確性，選擇錯誤則扣分，選擇正確時，軟件通過串口通知單片機將故障點恢復完好，通過上述方法，考核軟件可自動對維修過程進行記錄、評分。

將該考核裝置用于ZPW-2000A型自動閉塞系統實訓中，經過應用證明，可以通過上位機考核軟件設置題目并自動評分，上位機與下位機建立串口通信，下位機能夠控制配線的通/斷來模擬實際工作中的斷路故障，可操作的斷路故障點數量超過100個，滿足自動閉塞系統實訓的需求。裝置能夠對2路信號燈絲繼電器狀態進行采集，反饋的狀態信號用于實時監測信號設備工作穩定與否。

教師在進行軌道交通信號控制系統實訓時，無需再花費大量的時間進行手工設置故障點，可以把精力放在故障現象的講解上，大幅提升了實訓的效率。該考核裝置功能完善，符合實際教學需求，適合推廣至鐵道通信信號專業實訓室當中，同樣地，該裝置也適合推廣至其他軌道交通類專業的實訓當中，適用于包括斷線故障維修內容的實訓場合。

【參考文獻】

[1]呂云芝，付又新，莫建國.ZPW-2000A型自動閉塞設備維護問答[M].北京：中國鐵道出版社，2012

[2]賈毓杰.鐵路信號與通信設備[M].北京：中國鐵道出版社，2012

【作者簡介】于維佳（1982— ），男，廣西柳州人，碩士，柳州鐵道職業技術學院講師，研究方向：智能檢測與控制技術。

（責編 丁 夢）