一種模擬直流道岔的實(shí)現(xiàn)方法

張 濤

（卡斯柯信號(hào)有限公司硬件技術(shù)中心，上海）

引言

在全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)中，直流道岔驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)了對(duì)四六線(xiàn)制道岔的驅(qū)動(dòng)和表示回采的基本功能。在測(cè)試驗(yàn)證環(huán)節(jié)，還需要模擬直流道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)所處的不同條件，以及在此條件下測(cè)試驗(yàn)證直流道岔驅(qū)動(dòng)單元的響應(yīng)策略等，并且在系統(tǒng)集成的時(shí)候也需要滿(mǎn)足一些自動(dòng)化測(cè)試的要求。

然而，在對(duì)直流道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行研發(fā)調(diào)試或測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，具有如下難點(diǎn)：在一定條件下需要模擬多臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作時(shí)，由于真實(shí)轉(zhuǎn)轍機(jī)重量大，配線(xiàn)復(fù)雜，需要經(jīng)常更改配線(xiàn)，容易發(fā)生錯(cuò)誤或危險(xiǎn)，所以很難實(shí)現(xiàn)多個(gè)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)增減時(shí)的靈活配置；真實(shí)轉(zhuǎn)轍機(jī)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝置，所以較難實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的精確定時(shí)；真實(shí)轉(zhuǎn)轍機(jī)的負(fù)載是電動(dòng)機(jī)，額定電壓下，線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定電流大小是較為固定的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電流；真實(shí)轉(zhuǎn)轍機(jī)的切換表示需要驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)，或者手搖道岔，所以無(wú)法快速地進(jìn)行道岔自動(dòng)切換測(cè)試。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，且滿(mǎn)足多角度的測(cè)試需求，急需一種輔助系統(tǒng)，使道岔驅(qū)動(dòng)測(cè)試驗(yàn)證和確認(rèn)更加完整。

本文旨在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本文介紹了一種模擬直流道岔模擬系統(tǒng)，為直流道岔驅(qū)動(dòng)模擬測(cè)試和驗(yàn)證提供了便利性，并提高了測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 功能結(jié)構(gòu)及概述

如圖1 所示，左邊部分是驅(qū)動(dòng)四六線(xiàn)制道岔的全電子板卡，右邊部分是本文所介紹的模擬直流道岔的PCBA 電路板。本方法包括如下幾個(gè)模塊：

圖1 模擬系統(tǒng)框圖

（1） 驅(qū)動(dòng)檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)道岔的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，并輸出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信息，是FPGA 狀態(tài)機(jī)模塊的輸入信號(hào)。

（2） 手搖道岔切換模塊，使用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)等元器件模擬真實(shí)的手搖道岔的操作，達(dá)到切換道岔位置和狀態(tài)的目的,是FPGA 狀態(tài)機(jī)模塊的輸入信號(hào)。

（3） 狀態(tài)機(jī)按制模塊，與所述驅(qū)動(dòng)檢測(cè)模塊連接，所述狀態(tài)機(jī)按制模塊用于根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信息和手搖道岔切換的信息，來(lái)設(shè)置PCBA 模擬的道岔位置狀態(tài)，輸出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)按制信號(hào)發(fā)給狀態(tài)模擬模塊。

（4） 狀態(tài)模擬模塊，與所述狀態(tài)機(jī)按制模塊連接，所述狀態(tài)模擬模塊用于根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)按制信號(hào)對(duì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)模擬，按制強(qiáng)制導(dǎo)向安全繼電器組成的“繼電器組合子模塊”。

（5） 負(fù)載模塊，用于模擬驅(qū)動(dòng)道岔的轉(zhuǎn)轍機(jī)的負(fù)載，可以擴(kuò)展接口與電子負(fù)載相連，以獲得對(duì)負(fù)載的調(diào)整能力。

（6） 通斷按制模塊，與所述狀態(tài)機(jī)按制模塊和所述負(fù)載模塊連接，所述通斷按制模塊用于根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)按制信號(hào)對(duì)所述負(fù)載模塊進(jìn)行延時(shí)通斷、保護(hù)按制，達(dá)到保護(hù)繼電器觸點(diǎn)，保護(hù)負(fù)載模塊不會(huì)過(guò)熱燒壞的目的。

2 技術(shù)方案介紹

2.1 驅(qū)動(dòng)檢測(cè)模塊

如圖2 所示，設(shè)計(jì)的電路包括4 個(gè)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)模塊，分別對(duì)應(yīng)X1 X2（定位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)）、X5 X6（反位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)）的驅(qū)動(dòng)去線(xiàn)和X4 間，如果有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生有效的信號(hào)輸出到FPGA 的狀態(tài)按制模塊中。

圖2 驅(qū)動(dòng)檢測(cè)模塊框圖

2.2 手搖道岔切換模塊

如圖3 所示，設(shè)計(jì)的電路包括2 個(gè)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)模塊，分別對(duì)應(yīng)定位手搖檢測(cè)、反位手搖檢測(cè)和GND 間，如果有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生有效的信號(hào)輸出到FPGA 的狀態(tài)按制模塊中。

圖3 手搖切換模塊框圖

2.3 FPGA 狀態(tài)機(jī)按制模塊

針對(duì)狀態(tài)機(jī)按制模塊，具體的實(shí)現(xiàn)可以基于FPGA的狀態(tài)機(jī)邏輯實(shí)現(xiàn)，如圖4 所示，定義了5 個(gè)狀態(tài)：S0_db 定位表示狀態(tài)、S1_fc 反位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)、S2_fb 反位表示狀態(tài)、S3_dc 定位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)、S4_no_bs 無(wú)表示狀態(tài)。

圖4 FPGA狀態(tài)機(jī)框圖

當(dāng)?shù)啦硖幵赟0_db 定位表示狀態(tài)時(shí)，根據(jù)反位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信息X2_X6_fc_active=1，或手搖道岔切換的有效信號(hào)switch_fc_active=1，狀態(tài)機(jī)按制模塊響應(yīng)狀態(tài)切換至S1_fc，并輸出對(duì)繼電器組合子模塊、通斷按制模塊的驅(qū)動(dòng)按制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)轉(zhuǎn)轍機(jī)的按制。

當(dāng)?shù)啦硖幵赟1_fc 反位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，狀態(tài)機(jī)按制模塊可以設(shè)置模擬系統(tǒng)的反位驅(qū)動(dòng)時(shí)間fc_time_is_up=1，當(dāng)時(shí)間到時(shí)，fc_time_is_up=0，狀態(tài)機(jī)按制模塊按制道岔切換至S2_fb 狀態(tài)即反位表示狀態(tài)。

當(dāng)?shù)啦硖幵赟2_fb 反位表示狀態(tài)時(shí)，根據(jù)定位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信息X1_X5_dc_active=1，或手搖道岔切換模塊給定的有效信號(hào)switch_dc_active=1，狀態(tài)機(jī)按制模塊響應(yīng)狀態(tài)切換至S3_dc，并輸出對(duì)繼電器組合子模塊、通斷按制模塊的驅(qū)動(dòng)按制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)轉(zhuǎn)轍機(jī)的按制。

當(dāng)?shù)啦硖幵赟3_dc 定位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以設(shè)置模擬系統(tǒng)的定位驅(qū)動(dòng)時(shí)間dc_time_is_up=1，當(dāng)時(shí)間到時(shí)，dc_time_is_up=0，狀態(tài)機(jī)按制模塊按制道岔切換至S0_db 狀態(tài)。

其中，圖4 中的S4_no_bs 是異常情況下的狀態(tài)，處在該狀態(tài)的原因是驅(qū)動(dòng)時(shí)間不足。當(dāng)處在S1_fc 反位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以設(shè)置模擬系統(tǒng)的反位驅(qū)動(dòng)時(shí)間fc_time_is_up=1，當(dāng)時(shí)間未到時(shí)，fc_time_is_up=1，但X2_X6_fc_active=0 已經(jīng)不再驅(qū)動(dòng)有效了，此時(shí)狀態(tài)機(jī)按制模塊按制切換至S4_no_bs 狀態(tài)；當(dāng)處在S3_dc 定位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以設(shè)置模擬系統(tǒng)的定位驅(qū)動(dòng)時(shí)間dc_time_is_up=1，當(dāng)時(shí)間未到時(shí)，dc_time_is_up=1，但X1_X5_dc_active=0 已經(jīng)不再驅(qū)動(dòng)有效了，此時(shí)狀態(tài)機(jī)按制模塊按制切換至S4_no_bs 狀態(tài)。

當(dāng)跳出S4_no_bs的異常狀態(tài)時(shí)，則需要重新驅(qū)動(dòng)。其中，反位驅(qū)動(dòng)X2_X6_fc_active=1 能轉(zhuǎn)換至S1_fc 狀態(tài)，或定位驅(qū)動(dòng)X1_X5_dc_active=1 能轉(zhuǎn)換至S3_dc 狀態(tài)。

當(dāng)?shù)啦硖幵赟0_db 定位表示狀態(tài)時(shí)，也可通過(guò)手搖道岔切換模塊給定有效信號(hào)switch_fc_active=1，以進(jìn)入S1_fc 即反位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)?shù)啦硖幵赟2_fb 反位表示狀態(tài)時(shí)，也可通過(guò)手搖道岔切換模塊給定有效信號(hào)switch_dc_active=1，進(jìn)入S3_dc 即定位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。

2.4 轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)模擬按制模塊

本模塊將道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的開(kāi)閉器的狀態(tài)分為3 個(gè)位置表示，如圖5 所示，對(duì)應(yīng)上章節(jié)中的5 個(gè)狀態(tài)機(jī)的關(guān)系，可以更新清楚地了解FPGA 狀態(tài)機(jī)間的轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)制導(dǎo)向安全繼電器間的位置。通過(guò)繼電器的節(jié)點(diǎn)打開(kāi)和關(guān)閉，模擬了道岔開(kāi)閉器的位置。

圖5 轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)模擬按制模塊框圖

2.5 負(fù)載模塊

用電阻模擬了轉(zhuǎn)轍機(jī)線(xiàn)圈，在驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通過(guò)，使加路中產(chǎn)生相應(yīng)的電流，按照轉(zhuǎn)轍機(jī)平穩(wěn)電流大概為2 A 左右，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為2 秒來(lái)計(jì)算，最大的升溫不能超過(guò)電阻的最高溫度限制，并適當(dāng)?shù)亟殿~?？梢圆捎么?lián)和并聯(lián)的方式來(lái)降低單個(gè)電阻的功率。

2.6 通斷按制模塊

本模塊主要用于進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，保護(hù)繼電器觸點(diǎn)防止拉弧，在繼電器觸點(diǎn)良好地閉合后，再打開(kāi)MOSFET。另一方面，當(dāng)負(fù)載電阻驅(qū)動(dòng)過(guò)一次之后，進(jìn)行保護(hù)延時(shí)，保護(hù)時(shí)間到了以后再允許再次驅(qū)動(dòng)，這樣能防止高頻率驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致電阻過(guò)溫?zé)龎摹?/p>

如圖6 所示，延時(shí)輸出或設(shè)置超時(shí)能有效地保護(hù)模擬PCBA 可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖6 通斷按制模塊模塊框圖

3 技術(shù)方案優(yōu)點(diǎn)

本文通過(guò)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)模塊檢測(cè)道岔的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，并輸出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信息，然后通過(guò)狀態(tài)機(jī)按制模塊根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信息輸出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)按制信號(hào)，再通過(guò)狀態(tài)模擬模塊根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)按制信號(hào)對(duì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)模擬，從而可完成道岔模擬系統(tǒng)的搭建，使得系統(tǒng)搭建更加簡(jiǎn)單便捷，且將該系統(tǒng)通過(guò)固定配線(xiàn)與外部直流道岔驅(qū)動(dòng)單元連接，即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)增減時(shí)的靈活配置；并且，通過(guò)外接電子負(fù)載能夠?qū)崿F(xiàn)道岔驅(qū)動(dòng)電流的可調(diào)節(jié)，以及通過(guò)負(fù)載通斷的延時(shí)按制能夠讓繼電器觸點(diǎn)在大電流通斷過(guò)程中得到滅弧保護(hù)；另外，通過(guò)驅(qū)動(dòng)按制的定時(shí)按制還能提高測(cè)試驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，以及通過(guò)手搖道岔切換模塊給定道岔切換信號(hào)，能夠避免道岔的手搖操作，從而便于能夠快速地進(jìn)行自動(dòng)切換測(cè)試。