基于虛實結(jié)合的轉(zhuǎn)轍機(jī)仿真自動開閉器

陳光軍 龔文元 王 勇

(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)

道岔是直接關(guān)系行車安全的關(guān)鍵設(shè)備,道岔密貼程度、道岔位置是否正確等因素都會影響列車的運行安全。轉(zhuǎn)轍機(jī)是控制道岔轉(zhuǎn)換的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其自動開閉器接點是道岔控制電路的重要組成部分。因此,確保自動開閉器接點接觸良好是控制道岔轉(zhuǎn)換、檢測道岔位置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在軌道交通運營線路上,常有轉(zhuǎn)轍機(jī)自動開閉器出現(xiàn)個別組接點接觸不良的情況,為了不影響列車的正常運行,對于企業(yè)信號工而言,其需要迅速找出故障位置,及時排除故障;對于職業(yè)院校而言,需要設(shè)置專項訓(xùn)練,將課程內(nèi)容充分對接這一崗位的技能需求,以提高學(xué)生的崗位競爭力及適應(yīng)力。然而,此類故障在實訓(xùn)中卻難以被完全模擬出來,即使成功設(shè)置出接觸不良的接點,其外形上也有別于其他組接點,因而無法還原崗位實際工作情形,達(dá)不到實踐訓(xùn)練的目標(biāo)。

為了解決上述問題,本文設(shè)計了一種基于自動開閉器工作原理的雙模塊IO(輸入輸出)控制器,用其電磁開關(guān)代替自動開閉器的接點系統(tǒng),上位機(jī)能獨立控制各電磁開關(guān)狀態(tài),從而能夠模擬自動開閉器接點接觸不良的應(yīng)用場景。將IO控制器以虛實結(jié)合的方法應(yīng)用于實訓(xùn)系統(tǒng)中,可模擬各種實際工作場景,以滿足實踐教學(xué)或技能培訓(xùn)的需求。本研究可為軌道交通信號虛實結(jié)合實訓(xùn)裝備研制提供工程經(jīng)驗與技術(shù)指導(dǎo)。需要指出的是,本文中的虛是指用軟件實現(xiàn)自動開閉器動接點動作的邏輯關(guān)系,以此控制電磁開關(guān)狀態(tài)的IO控制器,并實時顯示自動開閉器的接點狀態(tài);實是指IO控制器與自動開閉器并聯(lián)應(yīng)用時,能保持自動開閉器結(jié)構(gòu)和電氣特性不變。

1 總體方案規(guī)劃

1.1 自動開閉器特性

自動開閉器接點系統(tǒng)示意圖如圖1所示,有2排動接點,4排靜接點。其中,實心圓表示動接點,空心圓表示靜接點。靜接點十位數(shù)字表示排編號,個位數(shù)字表示接點編號,每排有3組靜接點(上下兩個空心圓表示一組靜接點)。動接點位于兩排靜接點之間,每個動接點控制左右對稱兩組靜接點的狀態(tài),構(gòu)成一個接點組。1排與2排、3排與4排互稱為關(guān)聯(lián)排。

圖1 自動開閉器接點系統(tǒng)示意圖

在電動機(jī)的驅(qū)動下,自動開閉器的動接點可左右變換位置,進(jìn)而使靜接點斷開或閉合。靜接點狀態(tài)不但受動接點位置控制,也受接點間壓力、表面光潔度和接點形變等因素影響。在上述情形下,靜接點看似處于閉合狀態(tài),實則處于斷開狀態(tài),這種現(xiàn)象稱之為接點接觸不良。

分析轉(zhuǎn)轍機(jī)工作原理并觀察其工作過程可以發(fā)現(xiàn),每排動接點均為同時動作,可位于兩排靜接點之間的任意位置,使一排靜接點閉合、一排關(guān)聯(lián)排靜接點斷開,或兩排靜接點均斷開。在道岔轉(zhuǎn)換結(jié)束時,動接點位置主要取決于自動開閉器檢查柱是否落入停止移動的表示桿缺口中,轉(zhuǎn)轍機(jī)的電動機(jī)并不直接帶動表示桿移動,而是直接帶動動作桿移動。在軌道交通運營線路上的轉(zhuǎn)轍機(jī)通過動作桿和表示桿連接道岔,在道岔轉(zhuǎn)換過程中,表示桿將隨道岔尖軌移動。

用于道岔控制電路實踐教學(xué)的轉(zhuǎn)轍機(jī)有兩種形式:① 連接道岔。該種形式占用空間面積大、難以提供足夠多的實踐工位,且道岔轉(zhuǎn)換時存在較大的安全隱患。② 不連接道岔。由于道岔轉(zhuǎn)換不帶動表示桿移動,轉(zhuǎn)轍機(jī)每次工作結(jié)束時,其動接點幾乎都位于兩排靜接點的中間,使兩排靜接點都處于斷開狀態(tài),即四開狀態(tài)。為避免自動開閉器的所有接點一直處于四開狀態(tài),須撤下轉(zhuǎn)轍機(jī)的表示桿。

1.2 總體方案設(shè)計

自動開閉器接點系統(tǒng)是一組由機(jī)械運動控制的開關(guān)組,仿真自動開閉器的設(shè)計原理是將驅(qū)動單元電磁開關(guān)作為自動開閉器的靜接點,將自動開閉器中未使用的靜接點作為采集對象,每個模塊根據(jù)采集信息實現(xiàn)機(jī)械運動的邏輯關(guān)系,進(jìn)而控制電磁開關(guān)狀態(tài)。仿真自動開閉器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,該系統(tǒng)是一個雙模塊互為熱備的方案。

圖2 仿真自動開閉器結(jié)構(gòu)示意圖

模塊A和模塊B分別采用哈弗和馮諾依曼架構(gòu)的控制器,其軟件均使用實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)多線程編程技術(shù),每個模塊開設(shè)兩個工作線程同時完成采集信息、執(zhí)行邏輯運算和生成驅(qū)動命令等任務(wù),再由切換單元完成驅(qū)動命令的校驗與輸出,最后通過診斷單元鑒別執(zhí)行命令的反饋信息,以確保驅(qū)動命令的正確性和執(zhí)行的準(zhǔn)確性。若一個模塊的驅(qū)動與反饋信息不一致,則將自動切換到另一模塊工作,并給出告警信息。同時,仿真自動開閉器的工作電源采用電磁隔離技術(shù),其與道岔控制電路的工作電源之間無電氣連接,能有效排除道岔控制電路工作時帶來的強(qiáng)電磁干擾。因此,仿真自動開閉器具有很高的安全性和可靠性。

上位機(jī)可根據(jù)所采集的信息動態(tài)顯示自動開閉器的接點狀態(tài),使實踐人員的觀察更為形象直觀。此外,上位機(jī)還可根據(jù)培訓(xùn)師的設(shè)置,獨立控制仿真自動開閉器每個電磁開關(guān)的狀態(tài),進(jìn)而還原軌道交通運營線路中自動開閉器接點接觸不良的應(yīng)用場景。

1.3 應(yīng)用方案設(shè)計

仿真自動開閉器可以獨立應(yīng)用,也可與自動開閉器并聯(lián)應(yīng)用,這兩種方式均不會改變道岔控制電路的電氣特性。獨立應(yīng)用仿真自動開閉器能夠使道岔控制電路的接線方式與物理結(jié)構(gòu)、實踐訓(xùn)練方式與方法有較大的變化。并聯(lián)應(yīng)用仿真自動開閉器僅需從自動開閉器的每組靜接點引出兩根導(dǎo)線接向?qū)?yīng)的電磁開關(guān),并卸下驅(qū)動電磁開關(guān)對應(yīng)接點組中動接點上的銅環(huán),這樣能最大程度地保持自動開閉器結(jié)構(gòu)和特性不變,且不改變實踐訓(xùn)練方式與方法。

為了更好地滿足企業(yè)的技能需求,優(yōu)先考慮仿真自動開閉器的并聯(lián)應(yīng)用,其方案有以下兩種:

方案1:每排選用一個未使用的靜接點作為采集對象,應(yīng)用于直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路,其配線圖如圖3所示。自動開閉器的靜接點15-16、25-26、35-36和45-46作為仿真自動開閉器的采集對象,靜接點11-12、13-14、21-22、23-24、31-32、33-34、41-42和43-44分別與驅(qū)動單元的一個電磁開關(guān)并聯(lián)。

注:IN為采集端;COM為采集公共端。

方案2: 1、2排與3、4排中各選一個未使用的靜接點作為采集對象,可用于交直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路。方案2交流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路配線圖如圖4所示,自動開閉器靜接點21-22和31-32作為仿真自動開閉器的采集對象。若用于直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路,自動開閉器的靜接點25-26、35-36或15-16、45-46作為仿真自動開閉器的采集對象,驅(qū)動單元配線與方案1相同。

圖4 方案2交流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路配線圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 驅(qū)動單元

道岔控制電路使用的轉(zhuǎn)轍機(jī)有三相交流和直流兩種類型。直流轉(zhuǎn)轍機(jī)的常用型號是ZD6系列,額定電壓為DC 160 V,工作電流不超過DC 2.0 A,故障電流不超過DC 2.9 A。交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的常用型號有S700K、ZDJ9和ZYJ7等,額定電壓為AC 380 V,工作電流不超過AC 2.0 A,故障電流不超過AC 2.3 A。

根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)電氣參數(shù)和瞬時工作(道岔轉(zhuǎn)換時間<18 s)特點,所選用的驅(qū)動單元電磁開關(guān)為歐姆龍G2RL-1A繼電器,其最大接點電壓為AC 440 V和DC 300 V,最大接點電流為12.0 A,耐沖擊電壓高達(dá)10 kV。

2.2 模塊控制器

為保證仿真自動開閉器的可靠性,其控制器采用雙模塊熱備冗余方案。模塊A選用的MCU(微處理器)為GD32E103C8T6,其是基于ARM(進(jìn)階精簡指令集機(jī)器)架構(gòu)的32位嵌入式控制器,具有超高的計算性能,主頻最高可達(dá)120 MHz,并能提供完整的DSP(數(shù)字信號處理)指令集、并行計算能力和專用FPU(浮點處理單元)以滿足高級計算需求。模塊B選用的MCU是STC32G12K128,其是具有8051內(nèi)核的超高速32位嵌入式控制器,比傳統(tǒng)8051快約70倍以上,支持49個中斷源,4級中斷優(yōu)先級,擁有128 KB FLASH 程序存儲器和12 KB SRAM數(shù)據(jù)存儲器。

2.3 診斷單元

診斷單元主要通過輸出與反饋信息之間的硬邏輯關(guān)系,判斷驅(qū)動單元對驅(qū)動命令的執(zhí)行情況,實現(xiàn)驅(qū)動命令的閉環(huán)校驗。它采用的是高性能現(xiàn)場可編程邏輯控制器XC9572XL,有72個宏單元1 600個可用門,引腳對引腳的邏輯延遲時間為5 ns,系統(tǒng)最高工作頻率可達(dá)178 MHz。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計流程

為了提高軟件的穩(wěn)定性和可靠性,在程序設(shè)計上采用了實時操作系統(tǒng)多線程編程方案,模塊A的MCU內(nèi)置RT-Thread操作系統(tǒng),模塊B的MCU內(nèi)置FreeRTOS操作系統(tǒng)。每個模塊同時開啟兩個工作線程獨立采集信號和處理上位機(jī)命令,通過兩種不同的邏輯算法生成驅(qū)動命令,并進(jìn)行相互校驗,結(jié)果一致時輸出命令,結(jié)果不一致時切換至另一模塊工作。單模塊軟件設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 單模塊軟件設(shè)計流程圖

3.2 驅(qū)動命令

驅(qū)動命令由采集信息和接點接觸情況決定,接點接觸情況在上位機(jī)上進(jìn)行設(shè)置。方案1的邏輯關(guān)系如表1所示,方案1的驅(qū)動命令真值表如表2所示。方案2的邏輯關(guān)系如表3所示,方案2的驅(qū)動命令真值表如表4所示。

表1 方案1的邏輯關(guān)系

表2 方案1的驅(qū)動命令真值表

表3 方案2的邏輯關(guān)系

表4 方案2的驅(qū)動命令真值表

由表2和表4可知:方案1的驅(qū)動命令等于采集信息取反,再與接點接觸情況進(jìn)行或運算的結(jié)果;方案2的同列驅(qū)動命令與方案1相同,關(guān)聯(lián)列驅(qū)動命令等于采集信息與接點接觸情況進(jìn)行或運算的結(jié)果。

采集程序模塊主要通過兩個字典實現(xiàn),一個是由采集靜接點編號和對應(yīng)位權(quán)構(gòu)成的字典,另一個是由采集靜接點編號和對應(yīng)狀態(tài)構(gòu)成的字典。驅(qū)動程序模塊主要通過一個由電磁開關(guān)連接的靜接點編號和驅(qū)動端口構(gòu)成的字典實現(xiàn)。基于字典的仿真自動開閉器,能修改字典中對應(yīng)靜接點的位權(quán)或驅(qū)動端口,以適配硬件系統(tǒng)的變化,其程序更為簡潔、可讀性更強(qiáng)。

4 測試與改進(jìn)

通過一年的試驗運行、5 000次左右的轉(zhuǎn)換試驗,仿真自動開閉器在ZDJ9型轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路實訓(xùn)系統(tǒng)中均能穩(wěn)定、可靠、安全地工作,所測得的ZDJ9自動開閉器工作電氣參數(shù)如表5所示。由表5可知,其與企業(yè)運營線路上ZDJ9型轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路工作的電氣參數(shù)一致。由此可知,該實訓(xùn)系統(tǒng)能夠按照現(xiàn)場作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成各項實訓(xùn)任務(wù),仿真自動開閉器達(dá)到設(shè)計目標(biāo),現(xiàn)已被學(xué)校和企業(yè)用于技能訓(xùn)練。

表5 ZDJ9自動開閉器工作電氣參數(shù)

此外,由于仿真自動開閉器的采集對象是自動開閉器未使用的靜接點,因此它不能完全獨立應(yīng)用。為了豐富仿真自動開閉器的類型,選用電動機(jī)電流、動作桿位置等物理量作為采集信息,使其能脫離自動開閉器而獨立工作,從而進(jìn)一步滿足不同場景的應(yīng)用需求。

自動開閉器動接點的動作規(guī)律為:當(dāng)?shù)啦黹_始轉(zhuǎn)換時,使第3排或第2排的靜接點斷開,閉合第4排或第1排的靜接點;當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換結(jié)束時,使第1排或第4排的靜接點斷開,閉合第2排或第3排靜接點。根據(jù)不同的牽引點,道岔轉(zhuǎn)換時長有不同的要求,通常為5～18 s。因此,改進(jìn)方案是將電動機(jī)電流作為采集對象,仿真自動開閉器一旦檢測到電動機(jī)的工作電流,就立即根據(jù)自動開閉器動接點的動作規(guī)律控制仿真自動開閉器對應(yīng)的電磁開關(guān)動作,5 s后再控制另一組電磁開關(guān)動作,使其斷開道岔控制電路的工作電源,道岔停轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

基于虛實結(jié)合的仿真自動開閉器是一個雙模塊互為熱備的IO控制器,每個模塊均由邏輯運算單元和診斷單元實現(xiàn)軟硬件雙閉環(huán)工作機(jī)制,可以保證輸入信號采集準(zhǔn)確,輸出驅(qū)動命令執(zhí)行正確,并能實現(xiàn)自動糾錯和排除干擾等功能,保證其工作穩(wěn)定、可靠,完全能夠滿足頻繁操作練習(xí)的實訓(xùn)系統(tǒng)要求。

仿真自動開閉器應(yīng)用于實踐訓(xùn)練時具有3個特點:① 保持道岔控制電路結(jié)構(gòu)和電氣特性不變;② 能還原自動開閉器接點接觸不良的應(yīng)用場景;③ 在實踐訓(xùn)練過程中,能夠保持電氣參數(shù)測試、故障原因分析及判斷等實踐訓(xùn)練方式與方法不變。