摘? 要: 介紹了一種自行設(shè)計(jì)的新型的基于總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測(cè)電路裝置。著重從工作原理、可靠性及故障—安全設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了闡述。

　　關(guān)鍵詞: RS-485總線(xiàn)? 軌道電路? 狀態(tài)檢測(cè)? 故障—安全

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　　目前在電氣集中或計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中普遍采用圖1所示的交流軌道檢測(cè)電路。其基本原理是:軌道受電變壓器B2檢測(cè)軌道線(xiàn)路電壓V1out并進(jìn)行升壓，通過(guò)橋式整流器將V1out轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足一定負(fù)載要求的直流電壓V2out，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)JZXC-480重力式安全型繼電器，通過(guò)JZXC-480繼電器的觸點(diǎn)吸起或落下?tīng)顟B(tài)反映鐵路站場(chǎng)線(xiàn)路的空閑與占用狀態(tài)。鐵路信號(hào)聯(lián)鎖與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等通過(guò)采集繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)鎖運(yùn)算或顯示。

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　　這種檢測(cè)方法單純從聯(lián)鎖控制需求來(lái)講是可靠與安全的，而從系統(tǒng)整體功能擴(kuò)展、提高可維護(hù)性與可用性等方面來(lái)考慮，則存在一定的不足。首先，由于繼電器的觸點(diǎn)吸合與離開(kāi)時(shí)間一般在20ms左右，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸高密、重載與高速等特點(diǎn)所提出的高實(shí)時(shí)性要求;其次，該電路僅提供了反映線(xiàn)路狀態(tài)的觸點(diǎn)(電平)信息，相關(guān)系統(tǒng)不能在線(xiàn)讀入線(xiàn)路電壓的實(shí)際變化情況，也就無(wú)法有效地監(jiān)視設(shè)備工作狀況;再者，由于鐵路各站場(chǎng)線(xiàn)路狀態(tài)不同、隨季節(jié)氣候變化、元器件老化等原因，致使線(xiàn)路電壓產(chǎn)生波動(dòng)，而直接反映線(xiàn)路狀態(tài)的軌道繼電器對(duì)線(xiàn)路輸入電壓又有著一定的閾值要求，因而需要經(jīng)常性地在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整軌道電路的送電電壓(調(diào)整變壓器抽頭或串聯(lián)電阻R)，維護(hù)工作量很大。久而久之還會(huì)造成滑線(xiàn)變阻器、變壓器抽頭等的失效。

1 設(shè)計(jì)目的與需要解決的技術(shù)任務(wù)

1.1 設(shè)計(jì)目的

　　如前所述，軌道繼電器電路不可避免地對(duì)使用該電路的系統(tǒng)造成了一定的影響，因而我們?cè)O(shè)計(jì)了基于RS-485總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測(cè)電路。

1.2 設(shè)計(jì)要求

　　(1)要能向下兼容原480軌道繼電器的外型、插座、引腳等安裝工藝結(jié)構(gòu)以及阻抗特性。

　　(2)必須具備故障—安全特性，確保電路在軟、硬件故障情況下(包括停電等外部環(huán)境影響)能導(dǎo)向安全側(cè)信號(hào)輸出。

　　(3)電路能輸出反映軌道占用狀況的邏輯信號(hào)供相關(guān)連接系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算與顯示，同時(shí)還能輸出數(shù)字電壓值供相關(guān)連接系統(tǒng)判斷軌道電路工作狀態(tài)，以便維護(hù)人員進(jìn)行檢修與管理。

　　(4)邏輯信號(hào)的閾值可由軟件設(shè)定，便于在線(xiàn)調(diào)整。

　　(5)邏輯信號(hào)可受外部同步源控制輸出，便于相關(guān)連接系統(tǒng)動(dòng)態(tài)讀入。

　　(6)數(shù)字信號(hào)通過(guò)總線(xiàn)傳輸。

　　(7)電路具有熱拔插維護(hù)特性，方便檢修與更換。

　　(8)電路不設(shè)內(nèi)部地址編碼，由其安裝位置確定編號(hào)，更換上電時(shí)由相關(guān)連接系統(tǒng)自動(dòng)讀入，不需進(jìn)行任何設(shè)定。

2 技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)手段

2.1 工作原理

　　設(shè)計(jì)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測(cè)電路原理框圖見(jiàn)圖2。

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　　在該電路中，使用一片89C2051單片機(jī)及外圍電路組成數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測(cè)電路。該電路提供兩種不同類(lèi)型的輸出，其中之一是經(jīng)89C2051內(nèi)部運(yùn)算輸出并受系統(tǒng)同步源控制的脈沖信號(hào)與穩(wěn)態(tài)電平信號(hào)，它反映軌道線(xiàn)路電壓整流值的危險(xiǎn)狀態(tài)與安全側(cè)狀態(tài)，由系統(tǒng)檢測(cè)輸入并參與聯(lián)鎖運(yùn)算;另一輸出是串行數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)RS-485總線(xiàn)傳送給系統(tǒng)管理機(jī)，監(jiān)測(cè)站場(chǎng)軌道電路電壓變化情況。

　　微處理器是檢測(cè)電路的核心，由其讀入A/D變換后的電壓值進(jìn)行閾值運(yùn)算，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)定義表(可通過(guò)管理機(jī)進(jìn)行在線(xiàn)閾值設(shè)置)輸出符合故障—安全原則的脈沖或電平信號(hào)，控制電路整體自檢與外圍電路的工作。

軌道電壓調(diào)理輸入模塊將來(lái)自站場(chǎng)軌線(xiàn)上的交流0～30V電壓調(diào)理成直流0～5V供A/D電路進(jìn)行變換，其輸入特性通過(guò)變壓器隔離與阻抗變換達(dá)到原480繼電器的輸入要求，從而維持了站場(chǎng)軌道電路的輸出特性不變。

　　為使相關(guān)連接系統(tǒng)方便、有效地讀入該電路輸出的脈沖狀態(tài)邏輯值，電路接收來(lái)自相關(guān)連接系統(tǒng)的同步觸發(fā)控制脈沖，中斷響應(yīng)后再根據(jù)實(shí)際讀入的線(xiàn)路電壓與內(nèi)部閾值決定是否輸出與觸發(fā)控制脈沖同步、代表軌道危險(xiǎn)側(cè)狀態(tài)的脈動(dòng)電平。在一些規(guī)模較大的站場(chǎng)需要分為上、下行方面同時(shí)控制(多終端控制)，因此同步觸發(fā)控制脈沖可以是一路輸入或多路相關(guān)的脈沖輸入。

　　由于采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，需要識(shí)別電路位號(hào)，數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測(cè)電路的地址編碼為小位，其有效識(shí)別范圍為0~255，必要時(shí)地址編碼可擴(kuò)展到10位，從而使大型站場(chǎng)的控制需求也可以滿(mǎn)足。在該電路設(shè)計(jì)中，為了解決電路的互換性問(wèn)題，采用了在插座上預(yù)先設(shè)定編碼信息的方式來(lái)使插入的電路獲取位號(hào)，當(dāng)電路插入插座并通電運(yùn)行后，CPU自動(dòng)讀入該電路的地址編碼。

　　監(jiān)測(cè)模塊用于監(jiān)測(cè)電路的工作異常情況，本電路是通過(guò)軟件結(jié)合看門(mén)狗電路予以實(shí)現(xiàn)的;通過(guò)一片專(zhuān)用的RS-485通訊芯片實(shí)現(xiàn)相關(guān)連接系統(tǒng)與電路之間的數(shù)據(jù)通信，這種芯片的最大負(fù)載適應(yīng)能力為256片并行使用，不僅可以滿(mǎn)足系統(tǒng)容量要求，還可有效地防范電磁干擾與實(shí)現(xiàn)故障隔離。

2.2 可靠性與故障—安全設(shè)計(jì)

2.2.1 實(shí)時(shí)性

　　該電路通過(guò)中斷輸入方式來(lái)檢測(cè)相關(guān)連接系統(tǒng)的觸發(fā)控制同步脈沖區(qū)上沿，以此啟動(dòng)電路的輸出，串行A/D芯片的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)17μs/bit。即使考慮電路自檢延時(shí)等因素的影響，整體電路延時(shí)輸出也不超過(guò)0.1ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原繼電器觸點(diǎn)吸合所需的約20ms，可大大改善軌道狀態(tài)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

2.2.2 可用性

　　該電路參照原480軌道電路繼電器的外殼與引線(xiàn)方式，通過(guò)對(duì)內(nèi)部電路的信號(hào)、電源、地進(jìn)行合理規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)熱拔插維護(hù)目標(biāo);A/D參考電壓用軟件方法進(jìn)行校準(zhǔn)，降低了對(duì)器件的性能要求;該電路邏輯信號(hào)閾值可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)調(diào)整與配置，改善了操作維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2.3 故障—安全設(shè)計(jì)

　　用單片機(jī)與電子電路構(gòu)成數(shù)字化故障—安全軌道狀態(tài)檢測(cè)電路的主要難度在于電子電路的故障是對(duì)稱(chēng)類(lèi)型的，因而也就無(wú)法保證在電路故障時(shí)能將電路的輸出導(dǎo)向確定的電平狀態(tài)，因此在該電路設(shè)計(jì)中采取了以下若干技術(shù)措施:

　　(1)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電路與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的有效隔離。在該檢測(cè)電路中，采用輸入阻抗為480Ω的信號(hào)采集變壓器對(duì)檢測(cè)電路與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行隔離，同時(shí)在變壓器前級(jí)采用PTV、PTR等防高壓、防過(guò)流自恢復(fù)保護(hù)元件以防止外電路故障造成電路損壞;檢測(cè)電路與相關(guān)連接系統(tǒng)之間采用初次級(jí)耐壓達(dá)1500V以上的光耦進(jìn)行隔離，兼顧了部分鐵路站場(chǎng)采用直流電動(dòng)機(jī)車(chē)的保護(hù)需求;電源線(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)均采用雙絞線(xiàn)以減少干擾，所用元器件均經(jīng)過(guò)精心篩選與老化，從而使電路故障率降到最低。

　　(2)對(duì)檢測(cè)電路內(nèi)流通的信號(hào)邏輯表達(dá)形式進(jìn)行變換。用脈沖信號(hào)表達(dá)代表“線(xiàn)路空閑”的危險(xiǎn)側(cè)狀態(tài)，用靜態(tài)電平表達(dá)代表“線(xiàn)路占用”的安全側(cè)狀態(tài)。由于脈沖信號(hào)在電路故障時(shí)導(dǎo)向靜態(tài)的概率極大，因而可有效解決固定邏輯型的“0”或“1”故障給檢測(cè)電路帶來(lái)的不安全影響。

　　(3)對(duì)檢測(cè)電路的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端口進(jìn)行定時(shí)自檢。受系統(tǒng)輸入的同步源觸發(fā)脈沖控制，檢測(cè)電路定時(shí)對(duì)A/D輸入端口進(jìn)行自檢，尤其是檢查現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)為0V時(shí)A/D輸出的對(duì)應(yīng)情況，確保危險(xiǎn)側(cè)輸入信號(hào)的安全性;同時(shí)電路中還使用了看門(mén)狗電路以監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行情況，出現(xiàn)故障立即發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào)，以使電路輸出導(dǎo)向安全。

　　(4)用上位管理機(jī)對(duì)檢測(cè)電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。上位管理機(jī)與數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測(cè)電路進(jìn)行定時(shí)通訊，發(fā)現(xiàn)異常后及時(shí)報(bào)警，提醒維護(hù)人員進(jìn)行檢查。

3 優(yōu)點(diǎn)和效應(yīng)

　　基于總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測(cè)電路裝置由于采用單片機(jī)技術(shù)結(jié)合容錯(cuò)、避錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，因而其可靠性、安全性、先進(jìn)性、可用性、可維護(hù)性較原繼電器觸點(diǎn)檢測(cè)方式都有了很大的提升。具體表現(xiàn)在以下幾方面:

　　(1)提供信息的多樣性。該檢測(cè)電路不僅可以向相關(guān)連接系統(tǒng)提供用于聯(lián)鎖運(yùn)算、顯示的邏輯運(yùn)算信號(hào)，還可以提供軌線(xiàn)實(shí)際電壓的數(shù)字量，使得維護(hù)人員可以一目了然地了解線(xiàn)路工作狀況，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與維護(hù)軌道電路。

　　(2)提升信息的實(shí)時(shí)性。采用單片機(jī)檢測(cè)方式，使得電路整體的檢測(cè)效率大為提高。數(shù)據(jù)刷新的周期低于1ms，遠(yuǎn)小于原繼電檢測(cè)方式所需的20ms。這對(duì)于鐵路運(yùn)輸事業(yè)正朝著高速發(fā)展而提出的實(shí)時(shí)性要求有著特殊的實(shí)用意義。

　　(3)提高信息的安全性與可靠性。結(jié)合故障檢測(cè)技術(shù)與故障—安全導(dǎo)向技術(shù)設(shè)計(jì)，取消了觸點(diǎn)的檢測(cè)，電路的安全性與可靠性較原繼電器檢測(cè)電路有了很大的提高。由于可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)線(xiàn)路電壓變化情況，因而在季節(jié)變化、鐵軌生銹等情況下，維護(hù)人員可根據(jù)歷史記錄曲線(xiàn)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，使得電路與相關(guān)連接系統(tǒng)的可用性得以提高。

　　(4)降低了維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。操作人員不再需要經(jīng)常性地到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，而是根據(jù)不同的軌線(xiàn)情況自動(dòng)或手動(dòng)下發(fā)閾值。同時(shí)，因減少了對(duì)軌道電路變壓器、變阻器的調(diào)整，延長(zhǎng)了這些調(diào)整部件的使用壽命。

實(shí)踐證明，本系統(tǒng)可靠性與安全性都達(dá)到了鐵路信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)的要求，取得了預(yù)期的效果。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)獲取國(guó)家專(zhuān)利(ZL002 19917.3)。

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參考文獻(xiàn)

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2 袁志國(guó)，文傳源. 故障系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì).信息與控制，1991;20(2):19～25