《電子技術(shù)應(yīng)用》
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便攜式直流轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
程貴良1,何 濤1,趙長(zhǎng)財(cái)2
1.蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州730070; 2.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070
摘要: 根據(jù)6502電氣集中道岔控制電路原理,設(shè)計(jì)了一種基于Atmega16處理器和電流傳感器的便攜式四六線直流轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀。該系統(tǒng)包括道岔模擬驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采集電路、智能分析顯示電路。道岔模擬驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)通過光耦合開關(guān)控制繼電器完成對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的操作,信號(hào)采集電路主要由電流傳感器采集電流信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后,發(fā)送給上位機(jī)顯示模塊,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀態(tài)和繪制道岔動(dòng)作電流曲線。測(cè)試結(jié)果表明:該測(cè)試儀能夠完整地采集到轉(zhuǎn)轍機(jī)工作時(shí)的信息,且性能穩(wěn)定,可以幫助電務(wù)人員檢驗(yàn)配線的正確與否以及診斷道岔故障。
中圖分類號(hào): TP216
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.011
中文引用格式: 程貴良,何濤,趙長(zhǎng)財(cái). 便攜式直流轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(1):44-47.
英文引用格式: Cheng Guiliang,He Tao,Zhao Changcai. The research and design of a portable DC point machine tester[J].Application of Electronic Technique,2016,42(1):44-47.
The research and design of a portable DC point machine tester
Cheng Guiliang1,He Tao1,Zhao Changcai2
1.Key Laboratory of Opto-Technology and Intelligent Control Ministry of Education, Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China; 2.School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China
Abstract: According to the principle of switch control circuit in the 6502 electric interlocking system, a portable DC point machine tester of 4/6 wires-type based on Atmega16 processor and current sensors is designed. The system compose of switch analog driving circuit, signal acquisition circuit and intelligent analysis display circuit. The driving circuit completes the operation of point machine by SCM, which controls circuit apparatus through optical coupling switch; in the system of signal acquisition circuit, the analog signal collected by current sensor is converted to the digital one via A/D converter, which is transmitted to display module of upper computer, so that the circuit can measure and analyze the working conditions of point machine timely, as well as draw the current curves of switch action on the screen. The experimental results show that the tester can completely gather the working information of point machine, which with a stable performance can enable electrical workers to check whether the installation of wiring is correct and diagnose whether the switch fails.
Key words : switch control circuit;current sensors;point machine;switch fault diagnosis

0 引言

    轉(zhuǎn)轍機(jī)是鐵路系統(tǒng)中重要的電氣信號(hào)設(shè)備,其可靠工作直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩虼藢?duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的檢測(cè)與維護(hù)是十分必要的。對(duì)于轉(zhuǎn)轍機(jī)檢修人員來說,一種測(cè)量準(zhǔn)確、可靠耐用的轉(zhuǎn)轍機(jī)專用測(cè)試儀對(duì)他們的日常維修工作有很大幫助[1]。我國(guó)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)專用測(cè)試儀的研究開始于本世紀(jì)初期,在此方法的研究并不多。目前,對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的測(cè)試設(shè)備主要有兩類:一是由閆衛(wèi)剛[2]等研究的電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合參數(shù)測(cè)試儀,每次進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要拆卸轉(zhuǎn)轍機(jī),不適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量。二是由王安[3]等研究的便攜式轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀,雖然能實(shí)時(shí)在線檢測(cè),但是在測(cè)量時(shí)需要人工安裝夾鉗式傳感器,“人為因素”會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。但是,對(duì)于轉(zhuǎn)轍機(jī)模擬驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī),在其動(dòng)作、表示回路中接入穿心電流互感器來測(cè)試轉(zhuǎn)轍機(jī)性能的方法在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道中較少。

    本文是基于Atmega16處理器和電流傳感器的便攜式四六線直流轉(zhuǎn)轍機(jī)智能測(cè)試儀。通過光電隔離開關(guān)控制繼電器,模擬6502電氣集中四線制和六線制道岔組合電路驅(qū)動(dòng)直流轉(zhuǎn)轍,可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)牽引。通過電流傳感器來采集電流信息,將一次側(cè)的大電流按比例轉(zhuǎn)化成小電流,通過電壓轉(zhuǎn)換電路供給單片機(jī)A/D端口,經(jīng)電流循環(huán)檢測(cè)處理算法分析道岔的位置以及動(dòng)作電流曲線的繪制,使用時(shí)無需人工安裝傳感器。該系統(tǒng)由3個(gè)部分組成,分別是道岔模擬驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采集電路、智能分析顯示模塊。實(shí)驗(yàn)證明該測(cè)試儀對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的檢測(cè)效果明顯,方便于電務(wù)人員對(duì)其工作狀態(tài)的診斷。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 道岔模擬驅(qū)動(dòng)電路

    Atmega16處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為增強(qiáng)型低功耗8位CMOS微控制器,比普通的CISC微控制器數(shù)據(jù)處理能力更高,并且自身有10位逐次比較的A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換精度高,能夠?qū)Χ丝谳斎腚妷哼M(jìn)行采樣。本文在6502電氣集中四線制道岔控制電路[5-6]基礎(chǔ)上,根據(jù)其功能需求,設(shè)計(jì)了以Atmega16為處理器的道岔驅(qū)動(dòng)電路[7],硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

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1.2 道岔動(dòng)作工作原理

    當(dāng)處理器檢測(cè)到定操、反操按鈕按下時(shí),單片機(jī)通過光耦開光控制DCJ↑(吸起)、FCJ↑。DCJ、FCJ 的前接點(diǎn)接通動(dòng)作電路X1與X5、X2與X6線,X4為動(dòng)作專用線,從而接通轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)?shù)啦碓谵D(zhuǎn)動(dòng)過程中遇到異物轉(zhuǎn)換不到位時(shí),需按下急停按鈕以防止燒壞轉(zhuǎn)轍機(jī),單片機(jī)控制輸出使得DCJ↓(落下)、FCJ↓,DCJ、FCJ后接點(diǎn)閉合,斷開轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。因此可以用DCJ、FCJ的↑和↓兩個(gè)狀態(tài)來反映操作人員對(duì)道岔的操作。

    另外,在此過程中為了防止道岔沒轉(zhuǎn)到位而落下,采用軟件延時(shí)的方法來模擬其自閉電路功能,等待其可靠落下。

1.3 道岔動(dòng)作時(shí)間檢測(cè)原理

    只有在道岔動(dòng)作的時(shí)候有動(dòng)作電流,當(dāng)DCJ↑或者FCJ↑時(shí),單片機(jī)定時(shí)器開始計(jì)時(shí),說明道岔開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)DCJ↓或者FCJ↓并且檢測(cè)3個(gè)電流傳感器的電流大小來表明道岔轉(zhuǎn)換結(jié)束,此時(shí)計(jì)時(shí)停止。為了在顯示模塊中準(zhǔn)確反映道岔轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間,因此在發(fā)送該狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)只傳送產(chǎn)生中斷定時(shí)的次數(shù),實(shí)際時(shí)間是中斷次數(shù)的0.25倍(定時(shí)周期為0.25 s)。qrs5-t2.gif

1.4 道岔狀態(tài)分析原理

    道岔驅(qū)動(dòng)板取消了電氣集中電路中傳統(tǒng)的DBJ和FBJ,由電流傳感器替代。當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換完畢后,DCJ↓、FCJ↓。其后接點(diǎn)閉合接通表示電路,通過檢測(cè)道岔定位/反位傳感器電流有效值,記錄道岔位置。

    通過對(duì)采集到的電流信號(hào),CPU對(duì)道岔的工作狀態(tài)進(jìn)行反饋和判斷。為了提高所采集數(shù)據(jù)的有效性,本設(shè)計(jì)中使用了軟件電流循環(huán)檢測(cè)的算法(即在回路中循環(huán)檢測(cè)采樣周期電流的有效值)。

    對(duì)于道岔表示電路:在判斷道岔位置時(shí),加以門限電壓,其目的是防止干擾電壓。只有當(dāng)表示電流有效值大于門限電壓的時(shí)候,作為表示電流有效值。利用電流循環(huán)檢測(cè)算法判斷道岔位置。具體算法如圖2所示。

    同理在道岔動(dòng)作電路中也串入該傳感器,雖然繼電器能夠控制道岔的動(dòng)作,但是當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換到位后,需給MCU進(jìn)行到位信息的反饋。在動(dòng)作電流加以門限電流Imin和超限電流Imax,在多次采樣周期內(nèi)如果電流有效值在Imin<I<Imax之間,則說明轉(zhuǎn)轍機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,如果I<Imin,則說明轉(zhuǎn)轍機(jī)已停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

    最后表示電流信息和動(dòng)作電流信息實(shí)現(xiàn)“邏輯與”功能綜合判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)性能。

    在道岔轉(zhuǎn)動(dòng)過程中加入了限時(shí)保護(hù)功能??蓪?shí)現(xiàn)30 s道岔轉(zhuǎn)動(dòng)不到位即刻停止驅(qū)動(dòng)的保護(hù)功能。即在正常情況下道岔操動(dòng)到位后停止驅(qū)動(dòng),如果連續(xù)驅(qū)動(dòng)30 s仍然不能到位。測(cè)試儀主動(dòng)停止驅(qū)動(dòng),用以保護(hù)轉(zhuǎn)轍機(jī)。

1.5 信號(hào)采集調(diào)理電路

    在驅(qū)動(dòng)電路中的道岔動(dòng)作電路和表示電路回線中串入穿心感應(yīng)式電流傳感器,隔離采樣電流[4]。由于電流互感器輸出的雙極性電平信號(hào),感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換成電壓后,經(jīng)運(yùn)算放大,利用加法器原理將輸入電壓I·R1和參考電壓V1相加,電平移位處理成0~5 V單極性電壓,供給單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換通道。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

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    此時(shí)輸出電壓U和I的關(guān)系為:

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式中I為互感器輸出電流有效值,V1為參考電壓,U為轉(zhuǎn)換后的電壓,Vref為A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)上電后,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,然后通過命令按鈕發(fā)送相應(yīng)的指令,讓MCU完成相應(yīng)的功能。功能主要包括:驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作、采集傳感器的測(cè)試信號(hào)、緩存采集信號(hào)、將數(shù)據(jù)上傳到顯示模塊。系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

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2.1 采集數(shù)據(jù)的緩存

    根據(jù)技術(shù)要求,道岔驅(qū)動(dòng)采集模塊向上位機(jī)顯示模塊發(fā)送兩種信息,一是驅(qū)動(dòng)板每隔0.5 s向上位機(jī)傳送轉(zhuǎn)轍機(jī)工作的目前狀態(tài),其字節(jié)長(zhǎng)度為M,編碼順序依次為道岔位置和操作命令、動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作電流(高位)、動(dòng)作電流(低位)、四/六線類型以及故障信息編碼。二是當(dāng)按下顯示“曲線按鈕”開始發(fā)送所采集的道岔動(dòng)作電數(shù)據(jù)信息,其字節(jié)長(zhǎng)度N,且M<N,其中一個(gè)電流數(shù)據(jù)點(diǎn)為一個(gè)采樣周期內(nèi)的有效值。具體數(shù)據(jù)格式定義如表1所示。

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    道岔驅(qū)動(dòng)采集模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)采用周期循環(huán)檢測(cè)的方式,將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,把兩種數(shù)據(jù)暫存在存儲(chǔ)器中,向顯示模塊傳送。

2.2 采集數(shù)據(jù)的判斷原理

    由于電流互感器穿入在交流電路中,交流電信號(hào)的有效值為交流電信號(hào)瞬時(shí)值的均方根值[3],即:

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    為了能夠提高采樣數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性,根據(jù)式(3),把轉(zhuǎn)轍機(jī)整個(gè)過程分成若干個(gè)小周期進(jìn)行采樣,求其有效值。

    值得注意的是,上面返回的電流有效值只能反映動(dòng)作電流的相對(duì)大小,不能直接代替實(shí)際值。在動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)采集模塊之前串入電流表實(shí)測(cè)W值,在串口調(diào)試助手中測(cè)量有效值w值。由于為線性電路,所以轉(zhuǎn)轍機(jī)的實(shí)際值W與采集的有效值w之間基本上呈線性關(guān)系。其比例系數(shù)為k,數(shù)學(xué)關(guān)系式為W=kw0,其中w0為w轉(zhuǎn)換后的十進(jìn)制的數(shù)據(jù)。

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3 智能分析顯示模塊的設(shè)計(jì)

    顯示模塊是可編程TFT LCD模組(PS-LCD),自身具有TTL三線串口,可以與單片機(jī)異步通信接口直接連接。界面采用JavaScript腳本語言編程。本顯示模塊的主要功能為實(shí)時(shí)顯示道岔的位置、動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作方向、動(dòng)作平均電流和道岔動(dòng)作電流曲線。

    另外,作為一個(gè)測(cè)試系統(tǒng),當(dāng)驅(qū)動(dòng)板故障造成顯示分析模塊無法接收數(shù)據(jù)時(shí),為了避免顯示分析模塊對(duì)道岔工作狀態(tài)的誤判斷,必須要將驅(qū)動(dòng)板故障和道岔自身故障區(qū)別出來。因此在上位機(jī)顯示模塊中加入定時(shí)器功能,用以監(jiān)督驅(qū)動(dòng)板狀態(tài)。

4 硬件測(cè)試

    圖5為反位操動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù),通過異步通信串口上傳給該上位機(jī)顯示模塊,按照“幀頭FBFB+采集數(shù)據(jù)+幀尾FCFC”格式傳輸。從圖5 可以看出,讀回的數(shù)據(jù)符合幀結(jié)構(gòu),幀計(jì)數(shù)是連續(xù)的,沒有出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象。通過智能分析處理得出圖6和圖7。首先轉(zhuǎn)轍機(jī)在定位狀態(tài)(編碼6A)時(shí),測(cè)試為單機(jī)牽引,類型為四線(編碼6B),當(dāng)按下反操按鈕,系統(tǒng)響應(yīng)反操命令(編碼95),轉(zhuǎn)轍機(jī)到達(dá)定位后(編碼A6)測(cè)試的時(shí)間為0x0A;電流為0X003A;故障編碼為00,說明沒有故障。按下“顯示曲線”按鈕后,發(fā)送類型編碼0x42的電流數(shù)據(jù),發(fā)送完畢后,又實(shí)時(shí)地發(fā)送數(shù)據(jù)類型為0x41道岔狀態(tài)信息。由于A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)寄存器為10位,在發(fā)送一個(gè)電流數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí),需先將高2位發(fā)送,再發(fā)低8位,共占2 B。實(shí)際在上位機(jī)處理時(shí)按照“有效值等于高字節(jié)×256+低字節(jié)”處理。

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    當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換到位后,顯示屏上顯示其工作狀態(tài)。此時(shí)按下顯示曲線按鈕,上位機(jī)自動(dòng)繪制出道岔動(dòng)作電流曲線,分析出動(dòng)作時(shí)間和道岔動(dòng)作平均電流,如圖7所示。其道岔動(dòng)作電流曲線、道岔工作狀態(tài)基本符合實(shí)際情況。

    圖8是在模擬道岔被異物卡住時(shí)四開的情況。]

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5 結(jié)論

    便攜式智能四六線轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀是一種將傳統(tǒng)的道岔控制電路、道岔采集機(jī)和站機(jī)一體化的智能儀器,它能夠模擬四線制或六線制道岔組合電路的功能,驅(qū)動(dòng)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)。另外還實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流傳感器信號(hào)的采集和儲(chǔ)存,并通過上位機(jī)顯示模塊實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和分析其工作狀態(tài)。該設(shè)備具有體積小、便攜式、接線方便、操作簡(jiǎn)單和表示直觀的特點(diǎn),可以幫助電務(wù)人員提高檢驗(yàn)配線的正確性以及對(duì)道岔故障診斷的準(zhǔn)確性,提高工作效率。

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