通用全電子轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元設(shè)計(jì)探討①

陳亮

(卡斯柯信號(hào)有限公司 上海 200071)

1 全電子聯(lián)鎖背景簡(jiǎn)介

目前，主流的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與軌旁設(shè)備接口仍然以繼電器電路為主，隨著高鐵應(yīng)用的日趨廣泛，對(duì)設(shè)備可靠性要求越來(lái)越高。面對(duì)當(dāng)前鐵路信號(hào)領(lǐng)域設(shè)備高可靠、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的挑戰(zhàn)，全電子聯(lián)鎖憑借故障率低、易維護(hù)、高集成的優(yōu)點(diǎn)，逐步成為鐵路信號(hào)設(shè)備更新?lián)Q代的趨勢(shì)。在《鐵路車(chē)站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件》[1]中，已經(jīng)將電子執(zhí)行單元納入管理。目前正在規(guī)劃研究的列控-聯(lián)鎖一體化中，已經(jīng)明確要求可通過(guò)全電子執(zhí)行單元對(duì)軌旁設(shè)備進(jìn)行控制，并且對(duì)各種類(lèi)型的軌旁設(shè)備電子模塊提出了詳細(xì)的要求。在這些電子執(zhí)行單元中，使用最廣泛、最頻繁的設(shè)備，莫過(guò)于轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊了，尤其是交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊。

圖1 直流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制原理圖

2 國(guó)內(nèi)外道岔控制電路

（1）電路結(jié)構(gòu)。

道岔是軌道交通中引導(dǎo)列車(chē)按照正確的方向運(yùn)行的設(shè)備，轉(zhuǎn)轍機(jī)則是控制道岔開(kāi)向的必不可少的設(shè)備。轉(zhuǎn)轍機(jī)有很多種類(lèi)型，有國(guó)產(chǎn)設(shè)備，也有進(jìn)口設(shè)備。在我國(guó)，按照供電類(lèi)型，可以分為直流轉(zhuǎn)轍機(jī)和交流轉(zhuǎn)轍機(jī)[2]。直流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路比較簡(jiǎn)單，如圖1所示。電源為單一的直流220V，分別通過(guò)定位控制開(kāi)關(guān)和反位控制開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的方向控制和供電控制。定位控制開(kāi)關(guān)閉合則向定位轉(zhuǎn)動(dòng)，反位控制開(kāi)關(guān)閉合則向反位轉(zhuǎn)動(dòng)。

交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制相對(duì)復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)主流的交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路為驅(qū)動(dòng)和表示合并的五線(xiàn)制交流道岔控制電路，如圖2所示（此處省略了表示電路），所用電源為AC380V三相電源。

圖2 國(guó)內(nèi)五線(xiàn)三相轉(zhuǎn)轍機(jī)控制原理圖

圖3 國(guó)外三線(xiàn)三相轉(zhuǎn)轍機(jī)控制原理圖

圖4 國(guó)外三線(xiàn)兩相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制原理圖

三相電機(jī)的三個(gè)線(xiàn)圈U/V/W呈星型連接，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)在定位控制位置時(shí)，電機(jī)相序?yàn)锳/B/C，帶動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)向定位轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)在反位控制位置時(shí)，電機(jī)相序?yàn)锳/C/B，帶動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)向反位轉(zhuǎn)動(dòng)。

國(guó)外有一種和國(guó)內(nèi)五線(xiàn)制類(lèi)似的三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路，但是僅提供了3根線(xiàn)做控制（表示回路是獨(dú)立的），如圖3所示。電機(jī)仍然是星型連接方式，提供U/V/W三根控制線(xiàn)。控制電路通過(guò)定位和反位控制線(xiàn)的交換，來(lái)實(shí)現(xiàn)定位轉(zhuǎn)動(dòng)或反位轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。

另有一部分國(guó)家或地區(qū)采用了兩相的交流220V轉(zhuǎn)轍機(jī)，其控制電路如圖4所示。該電路與國(guó)內(nèi)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)十分類(lèi)似，只是所使用的電源類(lèi)型為交流。定位和反位分別由兩個(gè)線(xiàn)圈控制，根據(jù)需要閉合相應(yīng)的開(kāi)關(guān)來(lái)控制轉(zhuǎn)轍機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

（2）通用全電子轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元設(shè)計(jì)的必要性。

隨著一帶一路的飛速發(fā)展，我國(guó)高鐵已經(jīng)走出國(guó)門(mén)，在歐亞非多地落戶(hù)扎根，然而許多國(guó)家的軌旁設(shè)備都不同，尤其是轉(zhuǎn)轍機(jī)，與道岔的類(lèi)型有著密切關(guān)系，不能隨便更換型號(hào)，這就要求信號(hào)控制設(shè)備要具備較強(qiáng)的通用性和兼容性。目前，國(guó)內(nèi)全電子聯(lián)鎖剛剛起步，各廠(chǎng)家的電子模塊基本上是參照國(guó)內(nèi)的控制電路開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，不能適應(yīng)海外應(yīng)用的需要。從前面的分析可以看出，國(guó)外的轉(zhuǎn)轍機(jī)類(lèi)型多，接口也有很大差別，如按照以前針對(duì)每一種設(shè)備開(kāi)發(fā)一種模塊的思路，要開(kāi)發(fā)多種不同的模塊以適應(yīng)這些應(yīng)用需求，一方面要投入很大的開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本，另一方面這些模塊從開(kāi)發(fā)到取得SIL4的安全證書(shū)需要經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。因此，開(kāi)發(fā)一個(gè)通用的轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊的需求顯得十分迫切。

3 通用全電子轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元方案設(shè)計(jì)

（1）通用全電子轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)的可行性分析。

通過(guò)對(duì)前面介紹的國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路的分析，可以得出一個(gè)結(jié)論：受控設(shè)備為三相電機(jī)或者兩相電機(jī)，控制電路可以歸納為開(kāi)關(guān)電路。基于這兩點(diǎn)，如果開(kāi)發(fā)出一個(gè)可編程的開(kāi)關(guān)控制電路，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)的控制。

電機(jī)一共有三種：

第一種：直流電機(jī)，定位和反位控制采用不同的線(xiàn)圈；

第二種：交流兩相電機(jī)，定位和反位控制采用不同的線(xiàn)圈；

第三種：交流三相電機(jī)，星型連接，定位和反位通過(guò)改變相序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)轍機(jī)接口有兩種：三端子和五端子。

電源輸入有A/B/C三相交流、單相交流、單相直流三種。

綜上，只要對(duì)模塊的輸入和輸出端進(jìn)行合并簡(jiǎn)化，通過(guò)可編程邏輯來(lái)控制模塊內(nèi)部開(kāi)關(guān)通斷，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同轉(zhuǎn)轍機(jī)的靈活控制功能。

（2）通用全電子轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊方案設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)綜合與簡(jiǎn)化，該模塊設(shè)計(jì)輸入端3個(gè)，作為電源的引入端。設(shè)計(jì)輸出端5個(gè)，作為與轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制接口。方案設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

下邊通過(guò)不同的應(yīng)用模式來(lái)說(shuō)明模塊工作過(guò)程。

①交流三相五線(xiàn)制：模塊的電源輸入端分別接入交流380V的A/B/C三相電源。轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)分別接至模塊1～5的5個(gè)端子上。不動(dòng)作時(shí)所有開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)。在定位操作時(shí)，閉合K1/K2/K4，電機(jī)UVW三個(gè)線(xiàn)圈分別得到交流380V的A/B/C相序，電機(jī)向定位轉(zhuǎn)動(dòng)。在反位操作時(shí)，閉合K1/K3/K5，電機(jī)UVW三個(gè)線(xiàn)圈分別得到交流380V的A/C/B相序，電機(jī)向反位轉(zhuǎn)動(dòng)。

②交流三相三線(xiàn)制：模塊的電源輸入端分別接入交流380V的A/B/C三相電源。轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)分別接至模塊1、2、4的3個(gè)端子上。不動(dòng)作時(shí)所有開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)。在定位操作時(shí)，閉合K1/K2/K4，電機(jī)UVW三個(gè)線(xiàn)圈分別得到交流380V的A/B/C相序，電機(jī)向定位轉(zhuǎn)動(dòng)。在反位操作時(shí)，閉合K1/K6/K7，電機(jī)UVW三個(gè)線(xiàn)圈分別得到交流380V的A/C/B相序，電機(jī)向反位轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 通用全電子可編程轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊原理圖

③交流單相三線(xiàn)制：模塊的電源輸入端分別接入交流220V的JZ220和JF220單相電源。轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)分別接至模塊1、2、4的3個(gè)端子上。不動(dòng)作時(shí)所有開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)。在定位操作時(shí)，閉合K1/K2，電機(jī)T1線(xiàn)圈得到交流220V的電源，電機(jī)向定位轉(zhuǎn)動(dòng)。在反位操作時(shí)，閉合K1/K4，電機(jī)T2線(xiàn)圈得到交流220V的電源，電機(jī)向反位轉(zhuǎn)動(dòng)。

④直流單相三線(xiàn)制：模塊的電源輸入端分別接入直流220V的DZ220和DF220單相電源。轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)分別接至模塊1、2、4的3個(gè)端子上。不動(dòng)作時(shí)所有開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)。在定位操作時(shí)，閉合K1/K2，電機(jī)T1線(xiàn)圈得到直流220V的電源，電機(jī)向定位轉(zhuǎn)動(dòng)。在反位操作時(shí)，閉合K1/K4，電機(jī)T2線(xiàn)圈得到直流220V的電源，電機(jī)向反位轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 方案設(shè)計(jì)中的主要注意事項(xiàng)

本文所設(shè)計(jì)的電路僅給出了電路控制原理圖，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中還有很多細(xì)節(jié)需要考慮，下邊簡(jiǎn)要說(shuō)明供參考。

(1)電壓：本方案由于要適應(yīng)不同的轉(zhuǎn)轍機(jī)，而這些電機(jī)特性各異，因此，應(yīng)按照最高的電壓來(lái)設(shè)計(jì)，本例中應(yīng)按照交流380V來(lái)做設(shè)計(jì)。

(2)電流：同理，為了適應(yīng)不同的轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)特性，應(yīng)按照最大的電流來(lái)設(shè)計(jì)。同樣功率要求下，電壓低時(shí)電流大，因此，應(yīng)按照220V轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)的電流值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(3)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作順序：在電路設(shè)計(jì)中，由于開(kāi)關(guān)較多，很難避免形成環(huán)路，因此，在連續(xù)動(dòng)作時(shí)，應(yīng)注意開(kāi)關(guān)的動(dòng)作順序，在下一次動(dòng)作前，應(yīng)先斷開(kāi)之前閉合的開(kāi)關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外一些關(guān)于轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制電路，通過(guò)對(duì)電機(jī)特性、接線(xiàn)端子功能分配等進(jìn)行梳理，設(shè)計(jì)了一種基于可編程開(kāi)關(guān)的全電子控制模塊。本文提及的方案業(yè)已轉(zhuǎn)化為工程化產(chǎn)品，并在老撾項(xiàng)目中得到了良好的應(yīng)用。