基于字典算法、虛實結合的新型道岔控制電路實訓系統

陳光軍 王 勇 何源豐

(四川鐵道職業學院電信工程學院,610097,成都∥第一作者,副教授)

道岔控制電路主要用于控制道岔轉換、檢測道岔位置,是車站信號控制系統的重要組成部分。道岔位置正確是保證列車安全運行的必要條件之一。一旦道岔位置發生錯誤,輕則會導致列車擠岔、脫軌,重則會導致列車顛覆、碰撞等。可見,道岔控制電路的實踐技能訓練十分重要。

為使職業院校學生和企業職員能圍繞道岔控制電路順利開展實踐技能訓練活動,降低實訓室的建設成本和實踐訓練時的安全風險,提高實踐訓練的效率,有必要設計、研制更加高效的新型道岔控制電路實訓系統(以下簡稱“實訓系統”)。

1 實訓系統的總體方案

實訓系統采用的道岔控制電路與軌道交通運營線路上實際應用的道岔控制電路完全一致。實訓系統結合實踐訓練的實際情況,體現虛實結合的特點,確保實踐訓練能達到企業的崗位技能標準?！疤摗笔侵竿ㄟ^信息技術實現針對1組道岔聯鎖關系的仿真聯鎖系統,且通過軟故障方式來控制電路狀態,并實時動態顯示電路圖和全方位管理實踐數據?！皩崱笔侵笇嵱栂到y的設備、元器件及道岔控制電路均同實際應用的一致,并確保道岔控制電路的結構和電氣特性保持不變,實踐訓練的方式與方法保持不變。實訓系統結構如圖1所示。實訓系統主要由仿真聯鎖系統、IO(輸入/輸出)控制器和道岔控制電路三部分構成。

圖1 實訓系統結構

1.1 仿真聯鎖系統

在車站信號控制系統中,道岔動作主要受聯鎖關系中SFJ(鎖閉防護繼電器)控制。只有道岔處于解鎖狀態(SFJ勵磁)才能進行轉換操作。

仿真聯鎖系統排除了道岔與其他信號設備之間的聯鎖關系,獨立控制SFJ狀態,從而使實訓系統不會由于設備之間的聯鎖關系造成多個設備聯動,能有效地避免不同工位、工種實踐訓練的相互影響,排除了設備間聯動可能造成的安全隱患,提高了實踐訓練的安全性和實訓設備的使用效率。

仿真聯鎖系統可實現實訓人員對道岔的定位轉反位、反位轉定位、鎖閉或解鎖操作,并同步監督道岔位置(定位、反位或四開),以及道岔狀態(鎖閉或解鎖)。

1.2 IO控制器

IO控制器是仿真聯鎖系統(軟件)與道岔控制電路(硬件)之間數據轉換和交換的中心。為了提高實訓系統的可靠性和安全性,IO控制器采用雙模塊互為熱備的方案,且與仿真聯鎖系統有2個數據交互通道,其數據傳輸采用應答重發機制,同步進行CRC(循環冗余校驗),以確保數據的正確性。

IO控制器主要由2個隔離型繼電器模組構成。2個模組都實現了電源、通信總線,以及采集與驅動電路的電氣隔離。這種全隔離技術能有效阻止道岔控制電路在操縱轉轍機動作時的浪涌干擾串入上位機,從而避免由此造成的上位機死機或通信接口失效等異常情況。

1.3 道岔控制電路

實訓系統中的道岔控制電路采用實際應用的標準電路,具有工作穩定、可靠和安全的特點,能保持實踐訓練流程與企業實際的標準化作業流程一致。

道岔控制電路主要由采集電路、驅動電路、啟動電路和表示電路構成。仿真聯鎖系統通過IO控制器來控制采集與驅動電路工作,進而控制道岔的轉換,并監督道岔位置及狀態。

1.4 特色功能

特色功能一,采用軟故障方式來控制電路狀態。軟故障方式即通過仿真聯鎖系統和IO控制器來主動斷開道岔控制電路的某些電氣接點,從而模擬故障。這些斷開的電氣接點稱為故障點。故障點的選取是實訓系統的核心設計之一。應深入企業調研,搜集現場故障數據,并對數據進行統計與分析,再結合教師實踐教學經驗和學生訓練數據,才能合理確定故障點。此外,為了實現技能訓練的目標,故障點應數量足夠、類型豐富且具有典型代表意義。

實訓系統中的故障點實現分為3步:①斷開道岔控制電路中選取的故障點;②把故障點的兩端連接到IO控制器的一組常閉電磁開關上;③通過仿真聯鎖系統來控制電磁開關的通斷,從而實現對道岔控制電路狀態的控制。

軟故障方式能解決傳統實踐教學中由頻繁的拔插及焊接等操作而造成的設備易損壞問題,延長實訓系統的使用壽命,極大地降低師生勞動強度,大大縮短實踐教學時間,提升實踐教學和實踐訓練的效率。

特色功能二,數據庫管理系統對實踐信息的全方位管理。實踐信息主要包括學生實踐全過程信息、教師設置實訓任務信息和每個實訓系統使用情況等。一方面,實踐信息能幫助教師更準確、客觀、全面地評價學生的實訓情況;另一方面,實踐信息也能輔助學生更準確地進行自我評價和學習反思,以便今后更高效地進行實踐訓練。

特色功能三,道岔控制電路圖的實時動態顯示功能。根據采集信息,仿真聯鎖系統不僅能顯示道岔位置和狀態,還能實時動態刷新道岔控制電路圖中的繼電器線圈和接點圖形,使學生能直觀感知電路的動作過程,有助于學生分析問題,找出故障點,快速地提升自己實踐技能。

2 基于字典算法實現道岔信息采集與命令驅動

為了靈活地構建實訓系統,使實訓系統的軟件能更好地適應采集與驅動端口上的不同接線方式,實訓系統的軟件基于字典算法,通過修改字典中的數據來匹配硬件系統的變化,進而實現道岔信息的采集與命令驅動,從而提高實訓系統工程施工的便捷性和后期維護升級的簡易性。

字典是一種數據集合,其通過Key-Value(鍵值對)形式存儲數據。其中,Key在字典中必須是唯一的,表示采集或驅動的對象;Value主要為采集端口、采集對象狀態和驅動端口等信息。

實訓系統通過位權和狀態字典來實現對道岔信息的采集,通過驅動端口字典來實現對道岔的命令驅動。

2.1 道岔信息采集

實訓系統的道岔信息采集用于完成道岔位置及狀態信息的監測、采集和轉換。這些信息既用于實訓系統,實現道岔獨立控制的聯鎖關系,也作為實訓系統操作界面中道岔位置和狀態圖形、道岔控制電路圖的刷新依據。道岔信息采集的配線如圖2所示。采集對象有3個:DBJ22(定位表示繼電器DBJ的第2組前接點)、FBJ22(反位表示繼電器FBJ的第2組前接點)和SFJ22(鎖閉防護繼電器SFJ的第2組前接點)。三者分別通過組合(具有相同控制對象的繼電器按照定型電路環節組合在一起)側面端子02-2、02-3及02-4分別連接IO控制器的采集端口IN1、IN2和IN3,采集公共端COM與組合側面端子02-1連接。不同道岔位置或狀態下的采集端口信息情況如表1所示。

表1 不同道岔位置或狀態下的采集端口信息情況

圖2 道岔信息采集配線示意圖

實訓系統中道岔位置和狀態信息均為開關量,其狀態只有“無信息”和“有信息”兩種,分別用0和1表示。實訓系統的數據處理模塊一次讀取IO控制器中全部采集對象信息,并存入1個字節數組中。1個字節數組元素的長度為8個二進制位,每個二進制位可表示1個采集對象的狀態。

實訓系統基于字典算法來采集道岔信息的過程如下:

1) 建立1個由采集對象及其二進制位權構成的位權字典(〈采集對象,位權〉),再把每個采集對象及其二進制位權添加到位權字典中,如〈DBJ22,1〉,表示DBJ22在字節數組元素中的二進制位權是1。若后期發現DBJ22連接在其他采集端口上,則僅需修改DBJ22的二進制位權即可,這樣可使實訓系統的軟件靈活地適配硬件變化,提高工程施工的效率。

2) 建立1個由采集對象及其狀態構成的狀態字典(〈采集對象,狀態〉);再把每個采集對象及其初始狀態添加到狀態字典中,如〈DBJ22,落下〉,表示DBJ22的初始狀態是落下,從其采集的是“無信息”。

3) 遍歷位權字典,把位權字典中每個采集對象的二進制位權及其采集信息存儲的字節數組元素進行按位與運算(參與運算的兩個數,按二進制位進行與運算):若結果等于0,則表示無信息,設置狀態字典中對應采集對象狀態為落下;否則,表示有信息,設置其狀態為勵磁。

4) 遍歷狀態字典,根據采集對象狀態去實現實訓系統的各種功能。

5) 為了及時監測采集對象的狀態,需將過程3和4規劃在一個獨立線程中。

具體算法如圖3所示。由圖3可見,該算法實現過程簡潔,程序可讀性強。

圖3 道岔信息采集算法截圖

2.2 道岔命令驅動

實訓系統的道岔命令驅動主要根據操作人員意圖,通過道岔控制電路實現對道岔的控制。道岔命令驅動配線如圖4所示。圖4中:驅動對象為DCJ(定位操縱繼電器)、FCJ(反位操縱繼電器)和SFJ;三者線圈的4端子分別通過組合側面端子01-1、01-2及01-3連接IO控制器的驅動端口1-1、2-1及3-1;線圈的1端子都接向KZ(直流24 V電源正極),驅動公共端COM通過側面端子06-4接向KF(直流24 V電源負極)。

圖4 道岔命令驅動的配線示意圖

實訓系統基于字典算法實現道岔命令驅動的過程如下:

1) 建立一個由驅動對象及其驅動端口構成的驅動端口字典(〈驅動對象,驅動端口〉),再將每個驅動對象及其驅動端口添加到驅動端口字典中,如〈DCJ,1〉。

2) 在需要驅動某個對象時,只需調用含驅動對象的驅動字典元素就可獲得其驅動端口,如驅動DCJ時,調用驅動端口字典〈DCJ〉。這樣就能形象、直觀地明確驅動對象,且不易混淆驅動對象。驅動對象越多,越能突現該優點。

道岔信息采集與命令驅動的實現是研制實訓系統的關鍵環節,須仔細規劃并設計控制邏輯和工作時序等。這種基于字典算法實現的實訓系統,設計簡潔靈活,運行高效無誤,能有效地避免漏采、漏驅和聯鎖關系混亂等情況。

3 優化與改進

在實訓系統研制階段,先后生產了10套樣機,并在四川鐵道職業學院建設了1個道岔控制電路實訓室,為學生提供道岔控制電路檢修與維護技能訓練,在試運行期間,實訓系統的功能逐步得到完善,故障點的設置日趨合理。其間解決的主要問題有:

1) 實訓系統運行時偶有數據丟失現象,導致其不能采集到設備狀態信息,也不能驅動信號繼電器動作。在仔細檢查并確認程序邏輯關系正確后,通過跟蹤串口通信數據發現,數據丟失的主要原因是數據發送速度太快。主要優化措施為:①將串口類讀取數據的超時時間,從原來的5 ms調整到20 ms;②將線程的休眠時間,從原來的40 ms調整到80 ms。

2) 實訓系統操作界面上的圖像間或閃爍。查閱大量資料后獲知,圖像閃爍的主要原因是各圖元在重繪時產生了不同的時間延遲。主要改進措施是:先把圖像繪制在內存中,即內存作圖;內存作圖完成后,再最后一次性呈現到顯示器。這樣可以使圖像在刷新時不再產生時間差,解決了實訓系統操作界面圖像閃爍的問題。

目前,經過優化的實訓系統達到了預期規劃與設計的目標,能很好地完成校企雙方設定的實踐訓練任務,已為西南交通大學、成都工業學院、中國鐵路成都局集團有限公司達州電務段和中鐵八局集團電務工程有限公司等單位的學生及職員提供了實踐技能訓練服務。

4 結語

采用字典算法實現的虛實結合道岔控制電路實訓系統以標準的道岔控制電路為基礎,以雙模塊熱備冗余IO控制器為橋梁,以仿真聯鎖系統為核心,能通過操作界面來監督道岔位置和狀態,并控制道岔動作。

該實訓系統還具有如下特點:①道岔獨立控制的聯鎖關系提高了技能訓練的安全性和實訓設備的使用效率;②“軟故障”方式延長了實訓系統的使用壽命,提高了實踐技能訓練的效率;③軟硬件分離技術使實訓系統施工和后期維護升級更加高效;④保持道岔控制電路結構和電氣特性、檢修與維護作業流程標準和方法不變;⑤電路圖實時動態顯示和實踐數據全方面管理有助于提高技能訓練的效果。