陳光軍 王 勇 何源豐

(四川鐵道職業(yè)學(xué)院電信工程學(xué)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(zhuǎn)換、檢測(cè)道岔位置,是車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)的重要組成部分。道岔位置正確是保證列車(chē)安全運(yùn)行的必要條件之一。一旦道岔位置發(fā)生錯(cuò)誤,輕則會(huì)導(dǎo)致列車(chē)擠岔、脫軌,重則會(huì)導(dǎo)致列車(chē)顛覆、碰撞等?？梢?jiàn),道岔控制電路的實(shí)踐技能訓(xùn)練十分重要。

為使職業(yè)院校學(xué)生和企業(yè)職員能?chē)@道岔控制電路順利開(kāi)展實(shí)踐技能訓(xùn)練活動(dòng),降低實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)成本和實(shí)踐訓(xùn)練時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn),提高實(shí)踐訓(xùn)練的效率,有必要設(shè)計(jì)、研制更加高效的新型道岔控制電路實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”)。

1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的總體方案

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用的道岔控制電路與軌道交通運(yùn)營(yíng)線路上實(shí)際應(yīng)用的道岔控制電路完全一致。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)合實(shí)踐訓(xùn)練的實(shí)際情況,體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的特點(diǎn),確保實(shí)踐訓(xùn)練能達(dá)到企業(yè)的崗位技能標(biāo)準(zhǔn)?！疤摗笔侵竿ㄟ^(guò)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)針對(duì)1組道岔聯(lián)鎖關(guān)系的仿真聯(lián)鎖系統(tǒng),且通過(guò)軟故障方式來(lái)控制電路狀態(tài),并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示電路圖和全方位管理實(shí)踐數(shù)據(jù)?！皩?shí)”是指實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)備、元器件及道岔控制電路均同實(shí)際應(yīng)用的一致,并確保道岔控制電路的結(jié)構(gòu)和電氣特性保持不變,實(shí)踐訓(xùn)練的方式與方法保持不變。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要由仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)、IO(輸入/輸出)控制器和道岔控制電路三部分構(gòu)成。

圖1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)

在車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)中,道岔動(dòng)作主要受聯(lián)鎖關(guān)系中SFJ(鎖閉防護(hù)繼電器)控制。只有道岔處于解鎖狀態(tài)(SFJ勵(lì)磁)才能進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。

仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)排除了道岔與其他信號(hào)設(shè)備之間的聯(lián)鎖關(guān)系,獨(dú)立控制SFJ狀態(tài),從而使實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)不會(huì)由于設(shè)備之間的聯(lián)鎖關(guān)系造成多個(gè)設(shè)備聯(lián)動(dòng),能有效地避免不同工位、工種實(shí)踐訓(xùn)練的相互影響,排除了設(shè)備間聯(lián)動(dòng)可能造成的安全隱患,提高了實(shí)踐訓(xùn)練的安全性和實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用效率。

仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)人員對(duì)道岔的定位轉(zhuǎn)反位、反位轉(zhuǎn)定位、鎖閉或解鎖操作,并同步監(jiān)督道岔位置(定位、反位或四開(kāi)),以及道岔狀態(tài)(鎖閉或解鎖)。

1.2 IO控制器

IO控制器是仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)(軟件)與道岔控制電路(硬件)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和交換的中心。為了提高實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)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(lián)鎖系統(tǒng)有2個(gè)數(shù)據(jù)交互通道,其數(shù)據(jù)傳輸采用應(yīng)答重發(fā)機(jī)制,同步進(jìn)行CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn)),以確保數(shù)據(jù)的正確性。

IO控制器主要由2個(gè)隔離型繼電器模組構(gòu)成。2個(gè)模組都實(shí)現(xiàn)了電源、通信總線,以及采集與驅(qū)動(dòng)電路的電氣隔離。這種全隔離技術(shù)能有效阻止道岔控制電路在操縱轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作時(shí)的浪涌干擾串入上位機(jī),從而避免由此造成的上位機(jī)死機(jī)或通信接口失效等異常情況。

1.3 道岔控制電路

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中的道岔控制電路采用實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)電路,具有工作穩(wěn)定、可靠和安全的特點(diǎn),能保持實(shí)踐訓(xùn)練流程與企業(yè)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程一致。

道岔控制電路主要由采集電路、驅(qū)動(dòng)電路、啟動(dòng)電路和表示電路構(gòu)成。仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)通過(guò)IO控制器來(lái)控制采集與驅(qū)動(dòng)電路工作,進(jìn)而控制道岔的轉(zhuǎn)換,并監(jiān)督道岔位置及狀態(tài)。

1.4 特色功能

特色功能一,采用軟故障方式來(lái)控制電路狀態(tài)。軟故障方式即通過(guò)仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)和IO控制器來(lái)主動(dòng)斷開(kāi)道岔控制電路的某些電氣接點(diǎn),從而模擬故障。這些斷開(kāi)的電氣接點(diǎn)稱為故障點(diǎn)。故障點(diǎn)的選取是實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)之一。應(yīng)深入企業(yè)調(diào)研,搜集現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析,再結(jié)合教師實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生訓(xùn)練數(shù)據(jù),才能合理確定故障點(diǎn)。此外,為了實(shí)現(xiàn)技能訓(xùn)練的目標(biāo),故障點(diǎn)應(yīng)數(shù)量足夠、類型豐富且具有典型代表意義。

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中的故障點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分為3步:①斷開(kāi)道岔控制電路中選取的故障點(diǎn);②把故障點(diǎn)的兩端連接到IO控制器的一組常閉電磁開(kāi)關(guān)上;③通過(guò)仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)來(lái)控制電磁開(kāi)關(guān)的通斷,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔控制電路狀態(tài)的控制。

軟故障方式能解決傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中由頻繁的拔插及焊接等操作而造成的設(shè)備易損壞問(wèn)題,延長(zhǎng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用壽命,極大地降低師生勞動(dòng)強(qiáng)度,大大縮短實(shí)踐教學(xué)時(shí)間,提升實(shí)踐教學(xué)和實(shí)踐訓(xùn)練的效率。

特色功能二,數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)實(shí)踐信息的全方位管理。實(shí)踐信息主要包括學(xué)生實(shí)踐全過(guò)程信息、教師設(shè)置實(shí)訓(xùn)任務(wù)信息和每個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)使用情況等。一方面,實(shí)踐信息能幫助教師更準(zhǔn)確、客觀、全面地評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)情況;另一方面,實(shí)踐信息也能輔助學(xué)生更準(zhǔn)確地進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和學(xué)習(xí)反思,以便今后更高效地進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。

特色功能三,道岔控制電路圖的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示功能。根據(jù)采集信息,仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)不僅能顯示道岔位置和狀態(tài),還能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新道岔控制電路圖中的繼電器線圈和接點(diǎn)圖形,使學(xué)生能直觀感知電路的動(dòng)作過(guò)程,有助于學(xué)生分析問(wèn)題,找出故障點(diǎn),快速地提升自己實(shí)踐技能。

2 基于字典算法實(shí)現(xiàn)道岔信息采集與命令驅(qū)動(dòng)

為了靈活地構(gòu)建實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),使實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的軟件能更好地適應(yīng)采集與驅(qū)動(dòng)端口上的不同接線方式,實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的軟件基于字典算法,通過(guò)修改字典中的數(shù)據(jù)來(lái)匹配硬件系統(tǒng)的變化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)道岔信息的采集與命令驅(qū)動(dòng),從而提高實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)工程施工的便捷性和后期維護(hù)升級(jí)的簡(jiǎn)易性。

字典是一種數(shù)據(jù)集合,其通過(guò)Key-Value(鍵值對(duì))形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。其中,Key在字典中必須是唯一的,表示采集或驅(qū)動(dòng)的對(duì)象;Value主要為采集端口、采集對(duì)象狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)端口等信息。

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過(guò)位權(quán)和狀態(tài)字典來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔信息的采集,通過(guò)驅(qū)動(dòng)端口字典來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔的命令驅(qū)動(dòng)。

2.1 道岔信息采集

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的道岔信息采集用于完成道岔位置及狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)、采集和轉(zhuǎn)換。這些信息既用于實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)道岔獨(dú)立控制的聯(lián)鎖關(guān)系,也作為實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)操作界面中道岔位置和狀態(tài)圖形、道岔控制電路圖的刷新依據(jù)。道岔信息采集的配線如圖2所示。采集對(duì)象有3個(gè):DBJ22(定位表示繼電器DBJ的第2組前接點(diǎn))、FBJ22(反位表示繼電器FBJ的第2組前接點(diǎn))和SFJ22(鎖閉防護(hù)繼電器SFJ的第2組前接點(diǎn))。三者分別通過(guò)組合(具有相同控制對(duì)象的繼電器按照定型電路環(huán)節(jié)組合在一起)側(cè)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(cè)面端子02-1連接。不同道岔位置或狀態(tài)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(tài)下的采集端口信息情況

圖2 道岔信息采集配線示意圖

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中道岔位置和狀態(tài)信息均為開(kāi)關(guān)量,其狀態(tài)只有“無(wú)信息”和“有信息”兩種,分別用0和1表示。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊一次讀取IO控制器中全部采集對(duì)象信息,并存入1個(gè)字節(jié)數(shù)組中。1個(gè)字節(jié)數(shù)組元素的長(zhǎng)度為8個(gè)二進(jìn)制位,每個(gè)二進(jìn)制位可表示1個(gè)采集對(duì)象的狀態(tài)。

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)基于字典算法來(lái)采集道岔信息的過(guò)程如下:

1) 建立1個(gè)由采集對(duì)象及其二進(jìn)制位權(quán)構(gòu)成的位權(quán)字典(〈采集對(duì)象,位權(quán)〉),再把每個(gè)采集對(duì)象及其二進(jìn)制位權(quán)添加到位權(quán)字典中,如〈DBJ22,1〉,表示DBJ22在字節(jié)數(shù)組元素中的二進(jìn)制位權(quán)是1。若后期發(fā)現(xiàn)DBJ22連接在其他采集端口上,則僅需修改DBJ22的二進(jìn)制位權(quán)即可,這樣可使實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)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(gè)由采集對(duì)象及其狀態(tài)構(gòu)成的狀態(tài)字典(〈采集對(duì)象,狀態(tài)〉);再把每個(gè)采集對(duì)象及其初始狀態(tài)添加到狀態(tài)字典中,如〈DBJ22,落下〉,表示DBJ22的初始狀態(tài)是落下,從其采集的是“無(wú)信息”。

3) 遍歷位權(quán)字典,把位權(quán)字典中每個(gè)采集對(duì)象的二進(jìn)制位權(quán)及其采集信息存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)組元素進(jìn)行按位與運(yùn)算(參與運(yùn)算的兩個(gè)數(shù),按二進(jìn)制位進(jìn)行與運(yùn)算):若結(jié)果等于0,則表示無(wú)信息,設(shè)置狀態(tài)字典中對(duì)應(yīng)采集對(duì)象狀態(tài)為落下;否則,表示有信息,設(shè)置其狀態(tài)為勵(lì)磁。

4) 遍歷狀態(tài)字典,根據(jù)采集對(duì)象狀態(tài)去實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的各種功能。

5) 為了及時(shí)監(jiān)測(cè)采集對(duì)象的狀態(tài),需將過(guò)程3和4規(guī)劃在一個(gè)獨(dú)立線程中。

具體算法如圖3所示。由圖3可見(jiàn),該算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)潔,程序可讀性強(qiáng)。

圖3 道岔信息采集算法截圖

2.2 道岔命令驅(qū)動(dòng)

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的道岔命令驅(qū)動(dòng)主要根據(jù)操作人員意圖,通過(guò)道岔控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔的控制。道岔命令驅(qū)動(dòng)配線如圖4所示。圖4中:驅(qū)動(dòng)對(duì)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(guò)組合側(cè)面端子01-1、01-2及01-3連接IO控制器的驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)公共端COM通過(guò)側(cè)面端子06-4接向KF(直流24 V電源負(fù)極)。

圖4 道岔命令驅(qū)動(dòng)的配線示意圖

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)基于字典算法實(shí)現(xiàn)道岔命令驅(qū)動(dòng)的過(guò)程如下:

1) 建立一個(gè)由驅(qū)動(dòng)對(duì)象及其驅(qū)動(dòng)端口構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)端口字典(〈驅(qū)動(dòng)對(duì)象,驅(qū)動(dòng)端口〉),再將每個(gè)驅(qū)動(dòng)對(duì)象及其驅(qū)動(dòng)端口添加到驅(qū)動(dòng)端口字典中,如〈DCJ,1〉。

2) 在需要驅(qū)動(dòng)某個(gè)對(duì)象時(shí),只需調(diào)用含驅(qū)動(dòng)對(duì)象的驅(qū)動(dòng)字典元素就可獲得其驅(qū)動(dòng)端口,如驅(qū)動(dòng)DCJ時(shí),調(diào)用驅(qū)動(dòng)端口字典〈DCJ〉。這樣就能形象、直觀地明確驅(qū)動(dòng)對(duì)象,且不易混淆驅(qū)動(dòng)對(duì)象。驅(qū)動(dòng)對(duì)象越多,越能突現(xiàn)該優(yōu)點(diǎn)。

道岔信息采集與命令驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是研制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),須仔細(xì)規(guī)劃并設(shè)計(jì)控制邏輯和工作時(shí)序等。這種基于字典算法實(shí)現(xiàn)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔靈活,運(yùn)行高效無(wú)誤,能有效地避免漏采、漏驅(qū)和聯(lián)鎖關(guān)系混亂等情況。

3 優(yōu)化與改進(jìn)

在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研制階段,先后生產(chǎn)了10套樣機(jī),并在四川鐵道職業(yè)學(xué)院建設(shè)了1個(gè)道岔控制電路實(shí)訓(xùn)室,為學(xué)生提供道岔控制電路檢修與維護(hù)技能訓(xùn)練,在試運(yùn)行期間,實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的功能逐步得到完善,故障點(diǎn)的設(shè)置日趨合理。其間解決的主要問(wèn)題有:

1) 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)偶有數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象,導(dǎo)致其不能采集到設(shè)備狀態(tài)信息,也不能驅(qū)動(dòng)信號(hào)繼電器動(dòng)作。在仔細(xì)檢查并確認(rèn)程序邏輯關(guān)系正確后,通過(guò)跟蹤串口通信數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)丟失的主要原因是數(shù)據(jù)發(fā)送速度太快。主要優(yōu)化措施為:①將串口類讀取數(shù)據(jù)的超時(shí)時(shí)間,從原來(lái)的5 ms調(diào)整到20 ms;②將線程的休眠時(shí)間,從原來(lái)的40 ms調(diào)整到80 ms。

2) 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)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(shí)產(chǎn)生了不同的時(shí)間延遲。主要改進(jìn)措施是:先把圖像繪制在內(nèi)存中,即內(nèi)存作圖;內(nèi)存作圖完成后,再最后一次性呈現(xiàn)到顯示器。這樣可以使圖像在刷新時(shí)不再產(chǎn)生時(shí)間差,解決了實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)操作界面圖像閃爍的問(wèn)題。

目前,經(jīng)過(guò)優(yōu)化的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期規(guī)劃與設(shè)計(jì)的目標(biāo),能很好地完成校企雙方設(shè)定的實(shí)踐訓(xùn)練任務(wù),已為西南交通大學(xué)、成都工業(yè)學(xué)院、中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司達(dá)州電務(wù)段和中鐵八局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司等單位的學(xué)生及職員提供了實(shí)踐技能訓(xùn)練服務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用字典算法實(shí)現(xiàn)的虛實(shí)結(jié)合道岔控制電路實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)的道岔控制電路為基礎(chǔ),以雙模塊熱備冗余IO控制器為橋梁,以仿真聯(lián)鎖系統(tǒng)為核心,能通過(guò)操作界面來(lái)監(jiān)督道岔位置和狀態(tài),并控制道岔動(dòng)作。

該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn):①道岔獨(dú)立控制的聯(lián)鎖關(guān)系提高了技能訓(xùn)練的安全性和實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用效率;②“軟故障”方式延長(zhǎng)了實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用壽命,提高了實(shí)踐技能訓(xùn)練的效率;③軟硬件分離技術(shù)使實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)施工和后期維護(hù)升級(jí)更加高效;④保持道岔控制電路結(jié)構(gòu)和電氣特性、檢修與維護(hù)作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)和方法不變;⑤電路圖實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示和實(shí)踐數(shù)據(jù)全方面管理有助于提高技能訓(xùn)練的效果。