基于單片機的道岔操縱輔助系統設計

孫樹，孟慶龍，黃子軒，張爍，梁景源

（青島地鐵運營有限公司，山東青島，266400）

0 引言

軌道交通是現代交通五種主要運輸方式之一。道岔作為使列車由一股道轉入另一股道的線路連接設備，在軌道交通線路中大量鋪設。在保證行車安全、提高運輸效率、改善行車人員勞動強度的同時，它也是軌道的薄弱環節之一[1]。作為信號專業日常檢修的重點關注對象，其檢修頻率較高。出于安全考慮，目前多數信號系統的道岔單操指令采用定操、反操相互獨立的下達方式。而進行2/4 毫米測試、摩擦力測量等檢修項目時，會造成道岔失去表示。加之測試此類項目需進行連續多次道岔操縱，易導致室內配合人員思維混亂。為減輕作業人員勞動強度，提高檢修效率，現提出一種基于單片機的道岔操縱輔助系統設計方案，以實現道岔失表狀態下操縱方式的提示、轉換狀態的顯示和操縱次數的統計，實物如圖1 所示。

圖1 道岔操縱輔助系統

1 基本原理

為了轉換道岔并返回道岔表示信息，每組單動或雙動道岔均設置有一套道岔控制電路。目前，交流轉轍機五線制道岔控制電路和直流轉轍機四（六）線制道岔控制電路廣泛應用于我國軌道交通信號系統[2]。

1.1 交流轉轍機道岔

交流轉轍機道岔均采用五線制控制電路，根據道岔關聯邏輯和牽引點數量的不同，JDF 組合個數有所增減。作為道岔控制電路的重要組成部分，JDF 組合內2DQJ 的狀態是操岔命令能否成功下達的決定因素。因2DQJ 前接點閉合時，僅可接通反操命令相關電路；后接點閉合時，僅可接通定操命令相關電路，且命令成功下達后轉極一次，故其狀態可作為道岔可用操縱方式判定及轉換次數統計的有效依據。

由于2DQJ 無空接點或半空接點可供采集，且部分線路未配備紅外探頭等狀態采集設備，故采集2DQJ 狀態這一方案不適用于部分線路。作為2DQJ 轉極的前置條件，同組合內1DQJ 及1DQJF 吸起次數與2DQJ 轉極次數一致。故可將采集1DQJ 或1DQJF 狀態并手動校正初始狀態作為替代方案，實現既定功能。

目前，多數信號系統采用DCQDJ 在道岔轉換過程中保持吸起的聯鎖邏輯，因此JDD 組合內DCQDJ 可作為判斷道岔是否正在轉換的關鍵設備。

注：由于非電路故障情況下，同一組單動或雙動道岔各JDF 組合內1DQJ、1DQJF 及2DQJ 動作次數相同，故僅需采集某一組合內的繼電器狀態即可。

1.2 直流轉轍機道岔

直流轉轍機道岔采用四線制或六線制控制電路，根據實際工程需求進行選擇。與五線制道岔控制電路相同，DC-4組合與DC-6 組合內2DQJ 的當前狀態和轉極次數決定了當前可執行的操作命令和已下達命令的次數。由于六線制道岔增設2DQJF，其與2DQJ 狀態一致，且有空閑接點，故2DQJ 狀態采集可不依賴于監測設備。未配備紅外探頭等狀態采集設備的四線制道岔項目需采集1DQJ 狀態作為替代。針對四（六）線制道岔的轉換狀態判斷原理與五線制道岔相同，不再贅述。

2 道岔操縱輔助系統

2.1 硬件設計

道岔操縱輔助系統主要由信息采集裝置（A 機）與指令顯示裝置（B 機）兩部分組成，采用RS-485 協議實現機間通信，極限距離可達800 米，系統電路結構見圖2。

圖2 道岔操縱輔助系統電路結構

信息采集裝置（A 機）用于采集信號設備室內相關繼電器的狀態，并將信息分析結果通過RS-485 接口發送給B機，主要由單片機主控電路、繼電器狀態采集電路、工作模式切換電路、TTL 轉RS-485 模塊、電源穩壓模塊組成。單片機主控電路是信息采集裝置的運算和控制核心，負責處理采集到的模式開關位置、繼電器狀態和清零請求信息，將分析所得控制命令發送至TTL 轉RS-485 模塊。本設計選用STM32F103C8T6 單片機作為核心處理器，該處理芯片數據總線為32 位，頻率為72MHz，FLASH 程序儲存器容量為64KB，RAM 容量為20KB[3]。該芯片引腳PB12 與撥動開關相連，根據開關位置的不同接通高電平或低電平，芯片根據引腳的輸入電平進行工作模式判斷。繼電器狀態采集電路是道岔操縱輔助系統與信號系統的接口，為減少對信號系統的影響、實現兩系統互相隔離，采用光耦合器進行道岔繼電器狀態采集，并于光耦合器的發光器件側（信號系統側）采集電路的共用地線處增設保險絲以防短路過載、提高設備安全性，于光敏器件側（道岔操縱輔助系統側）的各個輸出回路加設濾波電容以確保芯片所采集信息穩定可靠。TTL 轉RS-485 模塊是本系統延長數據傳輸距離的核心設備，該模塊可將兩機可靠通信距離延長至800 米，滿足實際安裝需求。為滿足不同設備情況的現場加裝需求，所選電源穩壓模塊具備DC-DC 降壓功能，可將24V/12V 轉5V 供設備使用，為電源屏或其他電源設備提供供電接口。

指令顯示裝置（B 機）安裝于車控室內，根據A 機發送的命令信息輸出操岔指令提示、轉換狀態顯示與次數統計，同時提供計數清零及指令校正功能，主要由USART HMI 智能串口屏、TTL 轉RS-485模塊、電源穩壓模塊組成。智能串口屏是本系統的人機交互接口，它處理自TTL轉RS-485 模塊接收的命令信息并發送返回信息、更新界面顯示，使用者可通過觸摸屏幕下達計數清零和指令校正命令。B機所用TTL 轉RS-485 模塊、電源穩壓模塊與A 機相同，不再贅述。

2.2 軟件設計

根據信息采集來源的不同，道岔操縱輔助系統提供主用、備用2 種工作模式以供選擇。其中，主用模式用于采集2DQJ 狀態的情況，備用模式用于采集1DQJ/1DQJF 狀態的情況，兩種模式僅繼電器狀態信息處理邏輯不同，主用模式系統程序流程見圖3。

圖3 主用模式系統程序流程圖

本系統支持A 機、B 機在各種開關機順序下進行繼電器狀態初始化和計數信息清零，現以主用模式下A 機先于B 機開機為例，介紹A 機和B 機的工作流程。A機：開機后，首先根據工作模式開關的位置選擇主用模式，之后循環檢測通信狀態，待確認與B 機通信正常后，將工作模式信息發送至B 機。隨后，進行繼電器狀態初始檢測和邏輯判定，并通過串口發送定/反操指令、轉換狀態與計數復零命令。此后，A 機循環檢測繼電器狀態和串口信息，若繼電器發生動作，則進行數據處理與發送；若收到B 機發送的清零請求命令，則將計數清零并發送回執信息。B 機：開機后，向A 機發送啟動信息，之后根據串口收到的信息更新工作模式、定/反操指令、轉換狀態與次數。若收到計數清零命令，則向A 機發送清零請求命令。

主用模式下，當前可下達操岔指令、已執行操岔次數和道岔轉換狀態分別由A 機根據采集到的2DQJ 繼電器狀態、轉極次數和DCQDJ 繼電器狀態進行判斷，B 機僅提供信息顯示與次數清零命令下達功能。備用模式的信息判斷原理略有不同，操岔次數由A 機根據1DQJ/1DQJF 繼電器的動作次數進行判斷；操岔指令由B 機根據自A 機接收的操岔次數的奇偶性進行判斷，當接收到指令校正和計數清零命令時，自動調整奇偶映射邏輯。

為保證數據可靠傳輸，兩機采用循環冗余校驗碼（CRC）進行差錯校驗，如接收方所接收信息異常，則該命令不被執行；如發送方長時間未收到接收方的返回信息，則重復發送該信息，同一信息最多發送5 次。兩機實時進行機間通信狀態檢測，如通信中斷5 秒以上，B 機將給出“通信異常”提示。

2.3 HMI 界面顯示

B 機HMI 界面可顯示當前可進行的操岔指令、道岔是否正在轉換和已進行的轉換次數，其顯示界面見圖4。本圖中P4201/P4202 當前可執行反操命令，P4203 正在轉換且已進行7 次操岔。使用者可隨時通過觸摸“次數”格實現相應道岔操岔次數清零；在備用模式（模式2）下，通過觸摸“操岔命令”格可隨時對相應道岔進行指令校正。末列選中欄用于進行人工標記，上方狀態欄顯示當前雙機通信狀態及工作模式。

圖4 HMI 顯示界面

3 系統安裝方案

道岔操縱輔助系統通過信息采集裝置（A 機）的21路采集接口獲取繼電器狀態信息。其中，1-10 路用于2DQJ/1DQJ（1DQJF）繼電器狀態采集，預設落下輸入高電平、吸起輸入低電平；11-20 路用于DCQDJ 繼電器狀態采集，預設落下輸入低電平、吸起輸入高電平；21 路用于設定低電平參考值。指令顯示裝置（B 機）采用RS-485 協議經分線柜與A 機通信。由于兩機均內置具有DC-DC 降壓功能的電源穩壓模塊，故可由電源屏供電，相關設備電纜連接見圖5。

圖5 設備安裝電纜連接圖

4 現場測試

經多次測試，本系統可在各種情況下為使用者提供道岔操縱命令提示、轉換狀態顯示和已完成操岔次數統計，設備運行穩定、顯示信息準確，圖6 為道岔P4203 于反位鎖閉和定操失表兩種狀態下，指令顯示裝置（B 機）HMI 界面的信息顯示情況。

圖6 P4203 現場測試情況

5 總結

目前，道岔檢修過程中出現的道岔失表現象常導致室內配合人員操岔指令下達時思維混亂。基于單片機的道岔操縱輔助系統可于各種情況下提供操岔輔助提示，能有效解決道岔檢修時出現的操岔命令難判斷、道岔轉換狀態難分辨、操岔次數難統計等問題，有助于減少檢修事故的發生、延長轉轍機電動機壽命、減輕操岔人員勞動強度、提高檢修效率。本系統具有安裝簡單、信息準確、易于操作、通用性強等優點，適用于各類道岔，可加裝于不同廠家的信號系統實現道岔操縱輔助功能。