提速道岔五線制虛擬交流轉轍機的研究與設計

石彥剛,李積英,趙振翔

(1.蘭州交通大學電子與信息工程學院,蘭州　730070； 2.蘭州交通大學光電與智能控制教育部重點實驗室,蘭州　730070)

近年來，隨著我國高速鐵路技術的快速發展，三相五線制交流提速道岔廣泛應用于鐵路提速道岔的建設中，然而，偶發性電氣故障卻時時影響著鐵路系統運行安全和可靠性。傳統的故障排查只是靠人工借助萬用表等簡單設備憑借經驗進行逐步排查，不但使故障排查耗時耗力，而且嚴重影響運營效率[1]。基于此，研究并設計了一種虛擬交流轉轍機，該虛擬轉轍機可以根據傳感器采集室內道岔控制電路動作過程中X1～X5的電流及電壓數據中解析出定操與反操動作命令，模擬轉轍機的定轉、反轉動作并點亮相應的狀態指示燈，還可以判斷出室內道岔控制電路的斷線、混線和缺相等故障。另外，該虛擬轉轍機也可以將采集到的電流及電壓數據上傳到上位機，在上位機生成功率曲線，供電務維護人員實時監測室內道岔控制電路的運行狀態[2]，能夠對室內道岔控制電路的動作命令進行有效驗證。在我國鐵路建設進程中，借助于該虛擬轉轍機提前對室內道岔控制電路進行調試校驗，將會大大縮短施工周期。

1　整體設計

虛擬交流轉轍機與室內道岔控制電路連接如圖1所示，交流五線制虛擬轉轍機采用嵌入式軟硬件的設計方式，主要由硬件和軟件兩部分集成，共同實現對道岔的狀態采集和動作的模擬。

交流五線制虛擬轉轍機是基于強電和弱電分開，對外接口根據功能獨立設置，與系統外部的輸入連接線需要設有保護措施的設計方式[3]。

圖1　虛擬交流轉轍機的連接框圖

2　硬件部分

硬件設計如圖2所示，交流五線制虛擬轉轍機采用嵌入式軟硬件的設計方式，采用模塊化設計思路，如有故障，則只會對本電路板產生影響，不影響其他各模塊的正常工作。虛擬轉轍機的硬件部分主要由MCU控制電路、電源電路、RS485通信電路、調理電路、電流及電壓采集電路、動作及表示電路等部分構成。

圖2　硬件組成框圖

2.1　MCU控制電路

MCU采用Atmel公司研發的AT90CAN128微處理器獨立控制電路結構，負責整個電路板的核心邏輯運算。它具有先進的RISC結構，128KB的可重編程Flash可通過AVR核上的引導程序經SPI串口在系統重新編程，引導程序能夠將接口應用程序下載到Flash中。AT90CAN128芯片還具有可編程帶內部振蕩器的看門狗定時器，53個8位可編程的通用I/O口，1個SPI串行接口，AT90CAN128可以為很多嵌入式控制應用提供一種極為靈活且成本有效的解決方案[4]。

MCU控制模塊通過RS485通信模塊實現與上位機之間以幀指令的形式進行數據交換。與此同時，MCU能夠從電流采集電路中獲得W、U、V三相的動作電流的大小及相位差，由此判定道岔控制電路的定轉與反轉動作，并驅動繼電器動作電路完成相應的動作[5]。由采集的三相電源W、U、V及流經電阻R的電流數據，并對該數據進行一系列的處理并存儲，判斷有無缺相、過流、混線等故障。與電壓采集電路采集到的X1與X2、X1與X3、X1與X4、X1與X5電壓值運算求出功率值并上傳到上位機生成曲線，供操作人員分析判斷道岔運行狀態。

2.2　電源模塊

虛擬交流轉轍機各模塊采用不同電源模塊供電，使各部分之間獨立運行互不影響。具體如下：(1)將背板輸入的24VDC轉換成24VDC，用作繼電器K1、K2、K3的驅動電源；(2)將24VDC轉換成5VDC，用作MCU控制電路的工作電源；(3)將24V DC轉換成5VDC，用作通信電路的工作電源；④將24VDC轉換成-5VDC，用作調理電路的工作電源。

2.3　通信電路

通信電路采用半雙工通信工作模式RS485通信。由于其具有平衡發送和差分接收的特點，對共模干擾信號具有較強的抑制能力。RS485總線接口具有抗干擾能力強、傳輸速率快、傳輸距離遠、價格低廉等優點，所以在通信領域得到廣泛應用。

在RS485通信中，數據幀采用16位的CRC校驗。MCU與上位機間的通信都是以數據幀的形式進行，數據幀中包括電流有效值、電壓有效值、動作時間、功率值等信息，且對每一條幀數據都會進行CRC校驗，只有在幀數據正確時，才會執行相應操作，否則將會丟棄數據幀。

2.4　調理電路

在調理電路中設置1個參考點K，可以通過人為調節參考點值選取較為合適的AD轉換匹配信號。傳感器采集到的電流與電壓信號經調理電路放大，輸出適合于AD轉換的電流、電壓信號，在阻抗和電平上與AD轉換相匹配。然后ADC對模擬信號數字化處理，并把電流、電壓的數字信號送到MCU以便系統的數據處理。如圖3所示。

圖3　調理電路

2.5　電流及電壓采集電路

電流檢測模塊選用DVDI-001型臥式穿芯小型精密交流電壓電流通用互感器采集動作回路中的電流數據，與被測電路無任何電氣連接，只需在互感器中心孔穿入一匝母線作為輸入線圈，就可以很精確地采集到三相電源W、U、V及流經電阻R的電流信息[6]。CPU會對處理后的數字電流信息分析、處理，并判斷是否存在過流情況。

與電流檢測類似，電壓檢測采用TV0815-1微型精密交流電壓互感器來采集動作回路中X1與X2、X1與X3、X1與X4、X1與X5間的電壓數據，無需與被測電路有任何電氣連接，將模擬電壓信號經過運算放大電路進行放大處理后，傳入單片機進行AD轉換。虛擬轉轍機對AD轉換后的數字電壓信號分析、處理，并作出判斷。

2.6　動作及表示電路

動作及表示模塊主要通過繼電器K1、K2、K3和一系列指示燈來實現。其中，由繼電器K1、K2代替實際轉轍機自動開閉器的第1、2、3、4排接點，繼電器K3用于控制X1、X2、X3的接通與斷開，當遇到室內道岔控制電路斷線、混線故障時及時切斷電源[7]。

虛擬轉轍機通過檢測到控制電路的動作命令來模擬轉轍機的定位、反位和四開的狀態。繼電器的具體狀態如定位：K1↓、K2↓、K3↑；反位：K1↑、K2↑、K3↑；四開：K1↓、K2↑、K3↑。

室內道岔控制電路由X1～X5五根電纜線來驅動模擬轉轍機的定轉和反轉動作[8]。具體作用：

X1既是定轉、反轉動作共用線，又是表示共用線；

X2既是定轉啟動線，又是定位表示線；

X3既是反轉啟動線，又是反位表示線；

X4既是反轉啟動線，又是定位表示線；

X5既是定轉啟動線，又是反位表示線[9]。

因此，定位表示線為：X1、X2、X4；反位表示線為：X1、X3、X5；定位啟動線為：X1、X2、X5；反位啟動線為：X1、X3、X4。

在虛擬轉轍機上總共設置有11個指示燈，操作人員可以直觀地看到模擬轉轍機的運行狀態和一些故障問題，以便及時處理。

3　軟件部分

虛擬交流轉轍機的軟件部分采用結構化程序設計的方法。主要由主程序、AD中斷服務子程序、電流檢測子程序、動作檢測子程序和定時器中斷服務子程序等五部分組成[10]。

3.1　主程序

程序進入主程序之后，依次執行關閉全局中斷、設備初始化、開全局中斷、串口數據處理和動作檢測等操作。

為避免之前數據對后續操作產生不必要的干擾。程序在運行之前，首先要關閉全局中斷，并對設備的各個模塊單元進行初始化配置，主要完成I/O端口初始化、定時器1初始化、地址碼初始化、中斷初始化、虛擬轉轍機初始狀態設置等工作[11]。串口數據處理時，需校驗板地址和箱地址是否一致。主程序流程如圖4所示。

圖4　主程序流程

3.2　AD中斷服務子程序

AT90CAN128微處理器具有8通道單端或差分輸入的10位ADC，采用單觸發采樣模式。因此，每次只能采集一個通道的值，將采集到的值進行一次AD轉換并存儲一次。

為了能夠得到功率曲線，程序需要采集X1與X2、X1與X3、X1與X4、X1與X5之間的電壓以及三相電源W、U、V與流經電阻R的電流值。在提高程序的運行效率的前提下，對采集通道進行有選擇性的采集。如：在進行定操動作時，只需采集X1與X2、X1與X5的電壓和三相電源W、U、V及流經電阻R的電流值；在進行反操動作時，只需采集X1與X3、X1與X4的電壓和三相電源W、U、V及流經電阻R的電流值[12]。如圖5所示。

圖5　AD中斷服務子程序流程

3.3　電流檢測子程序

電流檢測子程序用于采集室內道岔控制電路電流數據信息，并分析判斷W、U、V三相電源以及流經電阻R的電流是否存在缺相和過流故障。將采集到的電流數據經AD轉換后，得到W、U、V以及R電流的瞬時值[13]。經過計算得到電流的有效值，由此可以判斷虛擬轉轍機是否存在過流和缺相故障，如果存在故障，則點亮相應的指示燈，否則繼續執行下條語句，以W相為例，程序如下

void DL_detection(void)

{

…

switch(FlagAD)//判斷開始轉換標志

{

case ADINITIAL://開始轉換標志為0

Cycle_init(); //選擇通道4，啟動AD轉換

break;

case ADSTART:

break;

case ADEND://開始轉換標志為2，AD轉換完成

FlagI=0; //電流標志初始化

…

Wi=CalCurrentValue(Wad);//計算W相的電流

if(Wi > IMIN && Wi < IMAX)

{

FlagI |=(1 << 0);//設置FlagI=1

PORTC &=～(1<

}

else

{

FlagI &=～(1 << 0);

PORTC |=(1<

}

…

break;

…

}

}

3.4　動作檢測子程序

動作檢測子程序通過W、U、V三相驅動電源的相位差，判斷模擬轉轍機的定轉與反轉操作。與此同時，由相位差可以判斷類型一和類型二，并自行切換。以反操為例：當W相與U相的相位差a和W相與V相的相位差b滿足條件(a > ADMIN) && (a < ADMAX) && (b > (360-ADMAX)) && (b < (360-ADMIN))時，判斷表示標志位是否為BsFlag==FB，若BsFlag=FB，則點亮缺相燈和混線燈，同時繼電器K3落下。若BsFlag!=FB，則判斷驅動標志位是否為QdFlag==FCTURNSTAT，若是，則繼電器K1、K2吸起，W、U、V三相電源的指示燈同時點亮，持續2 s熄滅且反位表示燈點亮，反操動作完成[14]。具體程序如下

void BSjudge(void)

{

…

switch(FlagI)

{

…

case 0x07:

a=CalXw(Wad，Uad，Wi，Ui); //計算相位差

b=CalXw(Wad，Vad，Wi，Vi);

…

if((a > ADMIN) && (a < ADMAX) && (b > (360-ADMAX)) && (b < (360-ADMIN)))

{ //反操

if(BsFlag==FB)

{ //道岔在反位時又進行反操，出現混線故障

HxError();

break;

}

if(QdFlag==FCTURNSTAT)

{

BsFlag=DCFCZ;

if(ZDTimeCount==0)

{

DZ_finish();

QdFlag=TURNENDSTAT;//轉動完畢

…

}

}

else

{

SetSK();//設置四開表示標志

…

}

…

}

…

}

3.5　定時器中斷服務子程序

定時器中斷服務子程序中包括轉轍機轉動時間計數器ZDTimeCount、延時計數器YSTimeCount、缺相計數器QxCount、R過流計數器RGLCount、檢測電流錯誤計數器DLErrCount、數組計數器g_ad_count等[15]。以缺相計數器QxCount為例，缺相計數器就是在采集電流和電壓數據信息時防止數據采集不全，以致于CPU誤判給出錯誤的表示。因此，為了保證數據能夠采集完整，定義8個定時器周期(約640 ms)用作數據采集，當QxCount大于8個周期時，就認為出現缺相故障，并點亮缺相故障指示燈。執行完定時中斷程序之后，必須再次設置TC1寄存器初值。

定時器TC1初始化程序如下：

void TC1_init(void)

{

TCNT1H=TIMEH; //設置TC1寄存器初值

TCNT1L=TIMEL;

TCCR1A=0X00;//普通端口模式

TCCR1B |=(1 << CS12)|(1 << CS10);//1024分頻TIMSK1 |=(1 << TOIE1);

}

4　虛擬轉轍機測試結果

虛擬交流轉轍機與室內道岔控制電路相連接時，若室內道岔控制電路出現配線錯誤的情況下。既可以通過虛擬轉轍機上的指示燈判斷故障，又可以通過上位機的功率曲線判斷轉轍機動作過程中的故障現象及產生原因。

轉轍機的功率變化曲線實質上反映了轉轍機動作過程中拉力的變化[16]。因此，功率曲線能夠體現轉轍機的動作過程。在模擬轉轍機帶負載的情況下，采集動作過程中的電流、電壓等信息，經過運算放大器放大處理及AD轉換之后存儲，并由虛擬轉轍機CPU根據式(1)計算出一個采樣周期內動作相電流的有效值

(1)

式中，I為電流的有效值；N為一個周期內采樣點數；ii為電流的采樣值。

根據式(2)可計算出線電壓的有效值

(2)

式中，U為線電壓的有效值；N為一個周期內采樣點數；ui為線電壓的采樣值。

由(3)式可計算出虛擬交流轉轍機的功率值

(3)

其中，U為采集到的線電壓有效值；I為采集到的相電流有效值；cosφ為功率因數。

經過RS485通信將電流、電壓和功率信息上傳到上位機，在上位機中生成功率曲線供操作人員分析出轉轍機的運行狀況。虛擬轉轍機帶負載時功率曲線如圖6所示。

圖6　帶負載時的功率曲線

由圖6可知，由該虛擬轉轍機采集的數據信息所繪制功率曲線與實際轉轍機的功率曲線一致。因此，可以用來監測轉轍機的運行情況以及故障現象分析。

此外，也可通過虛擬轉轍機上設置的指示燈將故障表示出來，以便操作人員及時檢查維修。具體如表1所示。

表1　故障判斷分析

由此可知，虛擬交流轉轍機能夠實現對室內道岔控制電路及動作電路進行有效的提前驗證，故障排查省時省力，能夠提高道岔控制電路的可靠性及運營效率。

5　結語

目前，已投入計算機聯鎖教學培訓系統中進行使用，虛擬交流轉轍機不僅能夠模擬轉轍機的定操、反操、定位表示、反位表示及四開表示，還能夠較為準確的模擬室外交流轉轍機的動作狀態，并對故障及時警示。在實際鐵路運營系統中能對道岔控制電路的動作命令事先校驗，節省故障排查時間，提高道岔控制電路的可靠性，進而提高運營效率。同時，虛擬交流轉轍機不但可用于實驗教學和相關比賽中，而且可以用一個或多個虛擬轉轍機模擬單機牽引、多機牽引，具有靈活便攜、安全可靠、成本低的優點。

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