鐵路信號室內通用電路測試系統設計

劉春平

(中國鐵建電氣化局集團第二工程有限公司 山西太原 030023)

1 引言

在鐵路信號設備調試以及電務段驗收過程中，需要通過模擬室外信號設備(信號機、轉轍機和軌道電路)來測試室內聯鎖和列控系統，進而發現聯鎖和列控系統的邏輯錯誤和安裝問題[1－2]。目前傳統的模擬測試裝置通用性差、測試效率低[3－4]。根據現場實際需求，利用計算機技術和嵌入式技術研究調試效率高的通用模擬調試系統具有比較現實的研究意義。

2 系統總體結構設計

鐵路信號室內電路測試系統包含上位機及下位機，系統結構如圖1所示。上位機用于繪制站場圖、接受顯示狀態信息以及發送控制模擬信號設備狀態指令。下位機主要由模擬信號設備板卡與主控板卡組成。其中模擬信號設備板卡用于模擬真實室外信號設備并接入室內分線盤，執行室內聯鎖控制。主控板卡作為上位機模擬信號設備之間的溝通橋梁，一方面主控板卡通過采集室外信號設備狀態，使用無線通信的方式將數據發送給上位機，上位機根據接收到的數據進行室外信號設備狀態展示；另一方面主控板卡接收并解析上位機的指令，控制室外信號設備狀態，達到調試的目的。

圖1 鐵路信號室內電路測試系統結構

3 系統硬件設計

鐵路信號室內電路測試系統下位機硬件部分主要由主控板卡、模擬信號機板卡、模擬轉轍機板卡以及模擬軌道電路板卡組成。為使各獨立板卡能夠互相連接，設計了板卡級聯電路，可使板卡級聯擴展為不同車站拓撲。同時為對各類板卡進行區分，設計了板卡編址電路。

3.1 主控板卡設計

主控板由STM32F407最小系統以及外圍接口組成，用于連接上位機以及模擬室外信號設備。主控板一方面需接收并解析上位機發送的控制指令，通過串行控制總線將信息傳遞給各擴展模擬信號設備卡[5－7]；另一方面需通過串行總線回采各擴展模擬信號設備卡的狀態信息，并依據通信幀格式封裝成幀進行上傳[8]。主控板結構如圖2所示。

圖2 主控板結構

3.2 模擬信號機板卡設計

通過對信號機點燈電路的分析，為模擬出信號機室外部分并達到調試效果，需對模擬信號機單元電路、燈位狀態檢測電路以及燈絲斷絲電路進行設計。為使模擬信號機板卡能夠等效出各類信號機，以燈位為設計單位。一架信號機由若干個燈位組成，每個燈位的供電電壓為AC220V，為使DJ可靠吸起，須確保回路電流大于120 mA[9－10]。模擬信號機燈位電路如圖3所示，為降低功耗并減小體積，使用電容模擬信號機假負載，通過在電容上并聯電阻作為泄流回路；采用發光二極管作為燈光指示單元，通過在發光二極管上串并聯二極管以防止其被擊穿。為提高測試完整性，在主回路上接入繼電器的常閉接點，通過控制接點斷開模擬燈絲斷絲。

圖3 模擬信號機燈位電路原理

3.3 模擬轉轍機板卡設計

通過對轉轍機接口電路進行分析，為模擬出轉轍機室外部分并達到調試效果，需對電機阻抗單元、轉轍機接點單元、表示回路整流單元以及狀態檢測單元進行電路設計。電機阻抗模擬單元是轉轍機板卡設計中的難點部分，須確保三相阻抗一致、支路電流大于0.6 A，并且需確保模擬部分阻抗體積小功耗低[11]。模擬轉轍機板卡采用10 uf電容并聯470 Ω電阻模擬轉轍機線圈，通過計算，支路電流有效值為0.83 A，符合設計要求。轉轍機內部接點組是轉轍機的重要組成部分，可用于切斷啟動電路接通表示電路，并可通過轉轍機內部接點組動靜接點的位置判斷道岔所處的狀態。模擬轉轍機板卡使用磁保持繼電器對轉轍機內部接點組進行模擬。表示繼電器是偏極繼電器，需通入大于17 V的正向電壓才能保證其可靠吸起，但表示電路電源是110 V交流電源，因此需設計整流電路。模擬轉轍機板卡采用二極管串聯電阻作為整流單元，通過Mul-tisim仿真驗證，表示繼電器上電壓平均值為21 V，能夠滿足表示繼電器吸起要求。

3.4 模擬軌道電路板卡設計

通過對軌道電路接口進行分析，為模擬出軌道電路室外部分并達到調試效果，需模擬出鋼軌單元，并在鋼軌的基礎上模擬出行車以及斷軌等狀態。模擬軌道電路板卡使用集中參數對鋼軌的分布參數進行模擬[12]，將鋼軌信號傳輸矩陣與等效模型矩陣進行等價，可計算出集中參數阻抗與鋼軌一次參數的關系，通過選擇鋼軌的一次參數以及鋼軌的長度值，可得出單節鋼軌的等效電路。在調試過程中，需模擬行車以及斷軌等操作，主要通過在回路上串接繼電器接點，通過使接點斷開閉合，模擬出行車以及故障狀態。軌道區段狀態模擬模型如圖4所示。

圖4 軌道區段狀態模擬模型

3.5 板卡編址電路設計

在板卡級聯過程中，為區分各類板卡，通過74HC165級聯芯片對各類板卡進行編址。通過對74HC165并轉串級聯芯片的并行接口上接入VCC或GND，對各類板卡進行二進制編址，共有8位二進制，可進行256種編碼。主要對信號機板卡、轉轍機板卡和軌道區段板卡進行編號，編號如表1所示。

表1 模擬信號設備板卡編號

4 室內電路測試系統測試結果及分析

現場測試分為板卡功能測試以及整體聯鎖測試。在現場測試中，將分線盤的線纜與室外信號設備板卡的接口相連，現場連接如圖5所示，并通過觀察對應繼電器的狀態判斷模擬盤裝置功能是否正常。

圖5 現場調試

4.1 板卡功能測試

(1)信號機板卡測試

將信號機板卡接口與分線盤對應燈位的去線與回線相連，觀察到模擬信號機板卡指示燈點亮，室內DJ吸起，表明信號機板卡功能正常。

(2)轉轍機板卡測試

將轉轍機板卡接口與分線盤引出的X1～X5線纜相連，模擬轉轍機板卡定位指示燈點亮，同時室內道岔組合DBJ吸起，FBJ落下；對轉轍機進行反位操作，板卡上定位指示燈滅燈，反位指示燈點亮，同時室內DBJ器落下，FBJ吸起，表明轉轍機板卡功能正常。

(3)軌道電路板卡測試

將軌道電路板卡接口與分線盤引出的發送線與接收線相連，當該軌道區段未被占用時，觀察到室內GJ吸起，對該軌道區段進行占用操作時，觀察到室內GJ落下，表明軌道電路板卡功能正常。

4.2 整體聯鎖測試

根據車站信號平面圖，計算得出相應數量的各種板卡，進行級聯組合，等效出實際車站拓撲。將接口與分線盤引出線纜相連，觀察到上位機界面能夠顯示信號設備的狀態。同時按照聯鎖表進行進路辦理，觀察到道岔鎖閉并轉動到規定位置；當嘗試辦理未列出的進路以及敵對進路，發現均無法辦理。在進行室外信號設備的故障模擬時，例如進行燈絲斷絲、道岔擠岔以及鋼軌斷軌等操作時，測試結果均符合預期要求。

5 結束語

根據現場室內設備調試的實際需求，總結傳統模擬盤存在的問題與缺陷，利用計算機技術和嵌入式技術設計了具有模塊化的通用模擬盤調試系統，提高了系統的通用性、測試項目種類和現場調試效率。系統體積小，可以將控制箱接至室內組合架側面、分線盤或室外電纜方向盒任意一個位置的相應端子，便于查找各層次的電路故障。系統應用在了京雄城際鐵路雄安動車所，將聯鎖試驗的時間較傳統方法縮短了三分之二，試驗效率大幅提高。