城市軌道交通分布式智能道岔轉(zhuǎn)轍機研究*

趙夢瑤 潘 明 王龍生 劉瀟瀟

(1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司研究生部，100081，北京； 2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所，100081，北京//第一作者,研究實習(xí)員)

近年來，國內(nèi)外城市軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)均朝著基于網(wǎng)絡(luò)的分布式聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)展，能適用于分布式聯(lián)鎖系統(tǒng)并具備網(wǎng)絡(luò)接口的智能轉(zhuǎn)轍機已成為今后道岔轉(zhuǎn)轍機的發(fā)展方向[1]。智能轉(zhuǎn)轍機將全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中的控制單元直接嵌入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部，同時用智能化、數(shù)字化模塊代替部分傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)，在提高轉(zhuǎn)轍機整體性能的同時采集并上傳更多的轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部關(guān)鍵狀態(tài)信息，從而對每臺轉(zhuǎn)轍設(shè)備的運行狀況有全面的了解，為故障診斷甚至故障預(yù)測提供判斷依據(jù)。

1 分布式全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)

隨著計算機工控技術(shù)尤其是智能化嵌入技術(shù)、現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及安全相關(guān)通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)功能更加豐富、控制范圍更大、體積更小、配置更加靈活、電子化程度更高、最終可實現(xiàn)軌旁設(shè)備智能化控制的全電子計算機聯(lián)鎖已成為城市軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)的一個主要發(fā)展方向。

全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是直接面向軌旁信號設(shè)備的車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，其“邊界”直接擴展到了軌旁設(shè)備甚至設(shè)備內(nèi)部的控制電路，需要通過各類專用的執(zhí)行單元模塊直接對各種軌旁設(shè)備進行驅(qū)動控制和狀態(tài)采集。這些執(zhí)行單元普遍采用智能技術(shù)和冗余技術(shù)，以保證其控制的實時性、安全性和可靠性。

分布式全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)控制下的智能轉(zhuǎn)轍機，將執(zhí)行控制單元直接嵌入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部，執(zhí)行控制單元通過光纜與室內(nèi)的聯(lián)鎖邏輯中心處理單元/系統(tǒng)以安全相關(guān)通信的方式相連。 分布式控制方式可最大程度地簡化室內(nèi)設(shè)備，將室內(nèi)外大量的電氣(電纜)傳輸改變?yōu)樯倭客ㄐ烹娎|和光纜的電子和光傳輸，因此,不但可顯著擴展傳輸距離并顯著降低傳輸成本，還能極大地減小甚至消除電纜混線造成的安全隱患，杜絕雷電、牽引電流經(jīng)傳輸(光)纜侵入的可能，顯著提升系統(tǒng)的防雷性能。

圖1為分布式計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)(道岔控制部分)結(jié)構(gòu)圖。其中，對象控制器作為中間環(huán)節(jié)與上層聯(lián)鎖機連接，接收控制命令，同時通過光纖環(huán)網(wǎng)連接至室外；環(huán)網(wǎng)在軌旁設(shè)備附近開口，通過若干通信轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場總線，就地對相鄰的若干轉(zhuǎn)轍機進行控制。

2 智能轉(zhuǎn)轍機的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 需求分析

根據(jù)現(xiàn)場使用、安裝施工、維護維修等方面的調(diào)研和分析，確定智能轉(zhuǎn)轍機的實際需求為：

(1) 具有傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)換、鎖閉及表示等功能；

(2) 適用于分布式計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)；

(3) 具有智能控制功能和網(wǎng)絡(luò)接口，可實時提供轉(zhuǎn)轍機工作情況；

(4) 能提高可靠性和使用壽命，減少設(shè)備調(diào)試和維護。

圖1 分布式計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)(道岔控制部分)結(jié)構(gòu)圖

2.2 各型轉(zhuǎn)轍機結(jié)構(gòu)對比

要滿足轉(zhuǎn)轍機的功能需求，必須包含動力驅(qū)動、過載保護、動作桿鎖閉與解鎖機構(gòu)、表示桿鎖閉與解鎖機構(gòu)、接點組等模塊。通過歸納總結(jié)各型轉(zhuǎn)轍機的結(jié)構(gòu)特點，可進一步完善智能轉(zhuǎn)轍機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。各型轉(zhuǎn)轍機結(jié)構(gòu)對比如表1所示。

表1 各型轉(zhuǎn)轍機結(jié)構(gòu)對比表

2.3 組成結(jié)構(gòu)

2.3.1 動力驅(qū)動模塊

為適應(yīng)分布式聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)展的需求，使監(jiān)測系統(tǒng)可直接獲取更全面的轉(zhuǎn)轍機設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，智能轉(zhuǎn)轍機通過內(nèi)部控制單元與電機控制器進行通信，最終控制無刷直流電機來帶動道岔尖軌移動。轉(zhuǎn)轍機控制單元與上層對象控制器之間通過發(fā)送帶有CRC(循環(huán)冗余校驗)的正、反碼數(shù)據(jù)包來完成安全通信功能。數(shù)據(jù)包中包含控制單元地址，以及道岔定操、反操和停止命令等。

無刷直流電機是根據(jù)現(xiàn)代控制技術(shù)和電機理論而研制的新型機電一體化產(chǎn)品[2]，采用電子換向和通過電機控制器改變電機的換向頻率或PWM(脈寬調(diào)制)占空比對電機進行調(diào)速[3]，取代機械的電刷和換向器。無刷直流電機克服了傳統(tǒng)直流電機因機械換向帶來的機械摩擦、換向火花、電磁噪聲、電刷磨損及維修性差等種種弊端，從而大大延長了電機的使用壽命[3]。相比于交流電機，無刷直流電機既有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等特點，更重要的是保持了直流電機運行效率高、啟動和調(diào)速性能好等特性[4]。同時,電機轉(zhuǎn)子采用稀土永磁體材料,可大大縮小電機體積和質(zhì)量，從而進一步減小電機轉(zhuǎn)動慣量，降低機電時間常數(shù)，改善電機的動態(tài)品質(zhì)特性。另外，電樞反應(yīng)對稀土永磁體的去磁作用很小，故稀土永磁無刷直流電機更適合突然反轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)驅(qū)動等特殊運行場合的性能需要。由于無刷直流電機具有上述一系列優(yōu)點，故特別適合于對性能、體積、質(zhì)量要求更高的場合，如鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機[4]。文獻(xiàn)[2,3,5,6]驗證了無刷直流電機及其控制器性能優(yōu)良、保護措施完善，可滿足鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機的各項性能指標(biāo)要求。因此，選取無刷直流電機作為智能轉(zhuǎn)轍機的動力裝置。

2.3.2 過載保護模塊

智能轉(zhuǎn)轍機取消了摩擦連接器，通過控制單元中的CPU與無刷直流電機控制器進行通信，從而可對電機轉(zhuǎn)速采用智能控制的方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機過載保護功能。無刷直流電機控制器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，可接收啟動信號、停止信號、速度指令和速度反饋信號，以控制電動機的啟動、停止、控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速，以及提供保護和顯示等；同時,接收無刷直流電機位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用以控制逆變橋各功率管的通斷，并產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩。

通過CPU編程，可控制電機在不同階段改變轉(zhuǎn)速。電機啟動時，先以較低的轉(zhuǎn)速啟動，之后調(diào)節(jié)為較高轉(zhuǎn)速來轉(zhuǎn)換道岔，實現(xiàn)軟啟動，使得電機在獲得足夠大啟動扭矩的同時，防止啟動電流過大而降低電機使用壽命；在道岔轉(zhuǎn)換到位時，先減速再停轉(zhuǎn)，以避免電機動作電路被切斷后由于電機的轉(zhuǎn)動慣性產(chǎn)生過多剩余動力的情況發(fā)生(代替了摩擦連接器軟連接及消耗電機剩余動力的作用)。

在尖軌轉(zhuǎn)換中途遇阻時，CPU控制電機降低轉(zhuǎn)速，使之增加扭矩或自動停轉(zhuǎn)(代替了摩擦連接器在道岔遇阻無法繼續(xù)轉(zhuǎn)換時保護電機的功能)，避免電機損壞。無刷直流電機易于再次啟動，扭矩可調(diào)節(jié)，因此可大大減少由于道岔或道床問題造成的轉(zhuǎn)換不到位故障。

2.3.3 位置表示模塊

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機由于機箱體內(nèi)部環(huán)境較差而對自動開閉器的可靠性有很大的影響，進而涉及到轉(zhuǎn)轍機能否進行正確轉(zhuǎn)換與表示。智能轉(zhuǎn)轍機取消了自動開閉器，選用LVDT和智能控制單元配合表示桿來實現(xiàn)道岔位置的正確表示功能,解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機的這一問題。

LVDT是利用電磁感應(yīng)原理來測量位移量的一種傳感器，基本組成包括鐵芯、骨架、激磁繞組、2個對稱分布的輸出繞組及外殼等[7]。LVDT把直線位移轉(zhuǎn)換為模擬電壓，能進行非接觸式位移測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、分辨率高和使用壽命長等優(yōu)點[8]，已被應(yīng)用于航空、航天及眾多工業(yè)控制場合[9]。

轉(zhuǎn)轍機安全設(shè)計中最重要的一部分是能夠給出道岔正確的位置表示信息。智能轉(zhuǎn)轍機為保障采集的道岔位置信息正確，將4個LVDT分別設(shè)置在表示桿兩端，作為定位位移傳感器組和反位位移傳感器組,每組內(nèi)有2個LVDT，分別進行道岔位置數(shù)據(jù)的連續(xù)采集?？刂茊卧狢PU收到道岔位置數(shù)據(jù)后，先將每組內(nèi)的2個LVDT數(shù)據(jù)進行比較，一致后再進行定位與反位兩組數(shù)據(jù)之間的比較。兩組位移傳感器設(shè)置在表示桿的兩端，當(dāng)定位LVDT的數(shù)據(jù)為0時，反位LVDT的數(shù)據(jù)為道岔位移數(shù)據(jù)的最大值,即兩組數(shù)據(jù)相加之和始終不變。當(dāng)兩組LVDT的位移數(shù)據(jù)滿足這樣的關(guān)系，且兩組LVDT的位移數(shù)據(jù)與動作命令一致時，才能確認(rèn)4個LVDT均正常，且道岔位置正確，控制單元才會給出相應(yīng)的道岔位置表示。當(dāng)任一組LVDT校核結(jié)果不一致時，轉(zhuǎn)轍機控制單元將報錯，該道岔置無表示狀態(tài)。同時，通過道岔位移數(shù)據(jù)的連續(xù)變化，也可對LVDT進行正確性判斷。LVDT對道岔位置連續(xù)檢測的功能還可為電機在道岔轉(zhuǎn)換不同階段的調(diào)速提供依據(jù)。

2.4 工作原理

智能轉(zhuǎn)轍機主要由轉(zhuǎn)轍機控制單元、電機控制器、繼電器組、無刷直流電機、位移傳感器組、通信單元、鎖閉裝置等組成。其工作原理如圖2所示。

圖2 智能轉(zhuǎn)轍機工作原理圖

智能轉(zhuǎn)轍機工作過程為：電源接通后，轉(zhuǎn)轍機控制單元通過通信單元接收來自聯(lián)鎖系統(tǒng)下發(fā)的動作命令。其中，CPU1通過RS-485總線，將道岔動作方向、電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)速等命令生成報文發(fā)送至電機控制器；CPU2與繼電器組相連，在接收到道岔動作命令時，先檢查當(dāng)前道岔位置是否符合動作條件，若符合條件再控制繼電器組閉合，防止在CPU1或電機控制器出現(xiàn)故障時導(dǎo)致電機誤動。當(dāng)CPU1和CPU2判斷均滿足條件后，轉(zhuǎn)轍機開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)轍機控制單元接收電機控制器實時返回的電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速、電流和電壓等報文信息，實時接收位移傳感器返回的道岔位置信息，并對電機轉(zhuǎn)速進行相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)位移傳感器檢測到道岔轉(zhuǎn)到位并且密貼后，鎖閉裝置實現(xiàn)道岔鎖閉，轉(zhuǎn)轍機控制單元給出相應(yīng)的表示。

同時,轉(zhuǎn)轍機控制單元通過通信單元與監(jiān)測系統(tǒng)建立通信，將電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、電流、電壓以及道岔尖軌位置等信息上傳至監(jiān)測系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲。

3 試驗平臺的開發(fā)與驗證

根據(jù)智能轉(zhuǎn)轍機工作原理開發(fā)的試驗平臺，可驗證智能轉(zhuǎn)轍機的功能和控制邏輯。圖3所示為智能轉(zhuǎn)轍機試驗平臺，由57BL系列無刷直流電機、AQMD6010BLS型電機控制器、CPU1、CPU2、繼電器組、絲杠型道岔模型組件、LVDT、電源等組成。

圖3 智能轉(zhuǎn)轍機試驗平臺

試驗過程中,計算機模擬聯(lián)鎖系統(tǒng)直接與CPU1建立通信，發(fā)送控制轉(zhuǎn)轍機動作的報文；同時使用計算機模擬監(jiān)測系統(tǒng)接收來自CPU1返回的電機轉(zhuǎn)速、電流、電壓和道岔位置等信息，并通過界面顯示實時監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機工作狀態(tài)和道岔尖軌位置。

3.1 電機啟動電流對比

經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，將智能轉(zhuǎn)轍機中無刷直流電機的換向頻率調(diào)節(jié)為200 Hz時，轉(zhuǎn)轍機的轉(zhuǎn)換動作時間約為3.8 s，符合轉(zhuǎn)轍機要求的動作時間。因此，選取智能轉(zhuǎn)轍機在200 Hz換向頻率下得到的動作電流曲線，與傳統(tǒng)ZD6型轉(zhuǎn)轍機的電流曲線進行對比(兩者均沒有攜帶道岔)，如圖4所示?？梢钥闯?，智能轉(zhuǎn)轍機的啟動電流明顯小于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機的啟動電流[10-12]，且電流值更快地進入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 智能轉(zhuǎn)轍機與ZD6系列轉(zhuǎn)轍機電流曲線對比

3.2 變速功能驗證

為驗證智能轉(zhuǎn)轍機在動作過程中具有可變速功能，對轉(zhuǎn)轍機控制單元進行軟件編程以實現(xiàn)變速功能。圖5為智能轉(zhuǎn)轍機變速轉(zhuǎn)換時實際電流曲線和理論電流曲線對比圖,圖6為換向頻率的變化曲線。由圖5和圖6可見:換向頻率越高，電機轉(zhuǎn)速越高，電流值則越低;0 s時設(shè)置電機換向頻率為100 Hz，電機以較低的轉(zhuǎn)速啟動，可使電機獲得較大扭矩，易于啟動；電機啟動后0.3 s時設(shè)置其換向頻率為300 Hz，以正常轉(zhuǎn)速進行道岔轉(zhuǎn)換，電流值變小并趨于平穩(wěn)；在1.7 s時，給電機轉(zhuǎn)動增加阻力，模擬道岔在轉(zhuǎn)換過程中遇到障礙的情況，此時控制單元使電機換向頻率降低為50 Hz，電機轉(zhuǎn)速變低，電流值升高，扭矩變大，有利于道岔克服障礙，之后電機恢復(fù)300 Hz換向頻率；當(dāng)3.4 s道岔轉(zhuǎn)換接近終點時，設(shè)置電機換向頻率為100 Hz，電機以較低的轉(zhuǎn)速停止，可以防止道岔轉(zhuǎn)換到位時，電機因轉(zhuǎn)動慣性過大而使內(nèi)部機件受到撞擊或毀壞的情況發(fā)生。上述變速過程表明，智能轉(zhuǎn)轍機不僅實現(xiàn)了軟啟動，還可在道岔轉(zhuǎn)換過程中遇到障礙時，通過軟件編程控制電機使其降低換向頻率，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，增加電機扭矩，從而有效減少道岔轉(zhuǎn)換不到位的故障發(fā)生，進一步保障行車安全。

圖5 智能轉(zhuǎn)轍機變速電流曲線

圖6 智能轉(zhuǎn)轍機換向頻率曲線

4 結(jié)語

本文提出一種可應(yīng)用于城市軌道交通分布式聯(lián)鎖系統(tǒng)的智能轉(zhuǎn)轍機。其在設(shè)計上擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機的控制模式，增加了網(wǎng)絡(luò)接口，可實現(xiàn)對道岔動作的智能控制，以及轉(zhuǎn)轍機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)及動態(tài)特性的實時監(jiān)測和記錄。通過所開發(fā)的試驗平臺驗證了智能轉(zhuǎn)轍機啟動電流小、具有可變速功能，在轉(zhuǎn)轍機啟動和遇阻時可進一步保護設(shè)備，具有較高的可靠性和可用性。智能轉(zhuǎn)轍機不僅為以后轉(zhuǎn)轍機故障的分析和智能預(yù)測工作帶來便利，同時為正在向智能化、數(shù)字化發(fā)展的城市軌道交通信號設(shè)備提供了新的研發(fā)思路。