實(shí)時(shí)斷軌檢測技術(shù)發(fā)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉鹍鵬，張友鵬，趙 斌，李軍麗

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

斷軌問題是鐵路運(yùn)輸安全關(guān)注的一個(gè)重要課題，特別是當(dāng)斷軌發(fā)生在隧道內(nèi)，將造成極其嚴(yán)重的后果［1－4］。另外，在長大隧道中，由于無縫長軌和整體道床的應(yīng)用以及其惡劣的環(huán)境，使得傳統(tǒng)軌道電路的應(yīng)用受到限制。目前我國隧道內(nèi)用計(jì)軸加環(huán)線取代了傳統(tǒng)的軌道電路，原軌道電路的實(shí)時(shí)斷軌檢測功能消失［1－2］，所以，迫切需要一種能適應(yīng)隧道環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全程實(shí)時(shí)斷軌檢測的新設(shè)備。綜合分析比較現(xiàn)有的實(shí)時(shí)斷軌檢測設(shè)備［2－3］，由于長大隧道環(huán)境的特殊性，使得現(xiàn)有的實(shí)時(shí)斷軌檢測技術(shù)設(shè)備［2－5］無法適應(yīng)。因此，研發(fā)一種能適應(yīng)復(fù)雜的隧道環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全程實(shí)時(shí)斷軌檢測的設(shè)備顯得尤為重要。文獻(xiàn)［1］提出了一種基于軌道電路原理的實(shí)時(shí)斷軌檢測方法，該方案弱化了傳統(tǒng)軌道電路的占用檢測功能，而強(qiáng)化了實(shí)時(shí)斷軌檢測功能。因此有效地解決了傳統(tǒng)的基于軌道電路原理的檢測技術(shù)受道床環(huán)境影響大的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，所以，適合環(huán)境較惡劣的長大隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)斷軌檢測。但該檢測方案還沒有分析設(shè)計(jì)具體的發(fā)送系統(tǒng)設(shè)備，本文在分析檢測系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具體的發(fā)送系統(tǒng)設(shè)備。

1 實(shí)時(shí)斷軌檢測系統(tǒng)

1．1 實(shí)時(shí)斷軌檢測系統(tǒng)的基本原理

實(shí)時(shí)斷軌檢測系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。當(dāng)檢測區(qū)段無車占用時(shí)，用檢測信號(hào)檢測。每個(gè)檢測區(qū)段兩端的1對(duì)串聯(lián)的電流傳感器(A和D，C和F)對(duì)檢測信號(hào)電流產(chǎn)生感應(yīng)電壓，若鋼軌構(gòu)成的回路中某處斷裂，則流過回路的電流將發(fā)生變化，因此，可以通過檢測感生電壓的變化判斷鋼軌是否斷裂。由于電流傳感器按照串聯(lián)的連接方式，使得每對(duì)傳感器的牽引回流感生電動(dòng)勢(shì)互相抵消，從而有效地消除了牽引回流同模信號(hào)的干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

當(dāng)檢測區(qū)段有車占用時(shí)，因列車分路作用使電流傳感器的感應(yīng)電壓降低，就會(huì)出現(xiàn)分路態(tài)和斷軌態(tài)不易區(qū)分的現(xiàn)象，所以，無法用上述方法檢測。上位機(jī)通過決策系統(tǒng)判別軌道處于分路狀態(tài)時(shí)斷開發(fā)送設(shè)備，通過檢測兩端短接線及中間的發(fā)送防護(hù)盒引接線上所加電流傳感器對(duì)不平衡牽引回流的感應(yīng)電壓變化來判斷是否發(fā)生斷軌故障。當(dāng)列車離開檢測軌道電路區(qū)段時(shí)，復(fù)位繼續(xù)用檢測信號(hào)檢測。

圖1 基于軌道電路原理的實(shí)時(shí)斷軌檢測原理圖Fig．1 Schematic of real－ time broken rail detection based on the track circuit

1．2 檢測系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析

由于鋼軌作為傳輸導(dǎo)體的特殊性，在設(shè)計(jì)發(fā)送系統(tǒng)參數(shù)時(shí)要充分考慮各種因素，所以，首先要對(duì)其傳輸模型進(jìn)行分析研究。軌道電路與通信系統(tǒng)中信息傳輸線一樣，可以用四端網(wǎng)絡(luò)和均勻傳輸線的基本理論進(jìn)行分析與計(jì)算［10－11］。

該檢測方案采用“一送兩受”式無絕緣軌道電路，使用兩端直接用短接棒短路的強(qiáng)制衰耗式隔離措施。由于檢測區(qū)段兩端直接用短接棒斷路，其阻抗近似為0。根據(jù)建立的軌道電路數(shù)學(xué)模型［1－2］，對(duì)檢測軌道電路調(diào)整態(tài)和斷軌態(tài)進(jìn)行四端網(wǎng)等效，并得出四端網(wǎng)系數(shù)計(jì)算表達(dá)式，從而用MATLAB對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的軌道電路條件下的仿真分析設(shè)計(jì)，檢測軌道電路調(diào)整態(tài)四端網(wǎng)絡(luò)等效模型如圖2所示。

圖2 調(diào)整態(tài)四端網(wǎng)絡(luò)模型Fig．2 Four－ port network model of adjustment state

則調(diào)整態(tài)四端網(wǎng)傳輸方程為:

式中:

γ為軌道電路傳播常數(shù)，1/km;Zrr為軌道電路特性阻抗，Ω;rd為道床電阻，Ω·km;La為鋼軌末端距鋼軌發(fā)送始端的距離，km;z為無砟軌道鋼軌單位阻抗，Ω/km。495 Hz時(shí)其值為 3．36∠75．88°Ω;Zrr為信號(hào)源左端的鋼軌等效輸入阻抗:

對(duì)應(yīng)于調(diào)整態(tài)的發(fā)送端輸入阻抗為:

發(fā)送端輸入阻抗隨道床電阻的變化如圖3所示。從圖可以看出，發(fā)送端輸入阻抗隨道床電阻的增大而增大，尤其在比較惡劣的道床環(huán)境下(rd=0．6～ 10 Ω·km)比較明顯。

根據(jù)電路原理［8］將圖2等效簡化可得圖4，則由于信號(hào)源等效內(nèi)阻Zs的存在，發(fā)送端軌面電壓隨道床電阻的變化如圖5所示。從圖5可以看出:發(fā)送端軌面電壓受道床電阻的影響較大。

圖3 調(diào)整態(tài)發(fā)送端輸入阻抗曲線Fig．3 Sending end input impedance of adjustment state

圖4 調(diào)整態(tài)等效簡化電路Fig．4 Equivalent circuit of adjustment state

圖5 發(fā)送端軌面電壓隨道床電阻變化曲線Fig．5 Track surface voltage of sending end change with the ballast resistance

發(fā)送端軌面電壓對(duì)檢測系統(tǒng)的可靠性和可行性及靈敏度有相當(dāng)重要的作用。若發(fā)送端檢測電壓波動(dòng)較大，則接受端電流的波動(dòng)性也較大。又因本檢測系統(tǒng)是通過電流傳感器采集接收端電流變化時(shí)所引起的感應(yīng)電壓變化來判斷是否發(fā)生斷軌故障。所以，信號(hào)發(fā)送端軌面電壓恒定，對(duì)后期數(shù)據(jù)的精確分析和處理相當(dāng)重要，故本檢測系統(tǒng)要求發(fā)送端軌面電壓幅度恒定。

2 發(fā)送端軌面電壓

方案中電流傳感器采用ZPW1－18型無絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)中的型號(hào)為WYZ1－97的傳感器，在設(shè)計(jì)中采用的檢測信號(hào)頻率為495 Hz，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)及公式可得出電流的最佳接受區(qū)間［1，7］為:

在調(diào)整態(tài)條件下，設(shè)接受端鋼軌中電流達(dá)到最佳電流接受區(qū)間的最小值，即I2n=221．4 mA時(shí)，則發(fā)送端軌面電壓與道床電阻對(duì)應(yīng)的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出，在調(diào)整態(tài)最不利條件下(rd=0．6 Ω·km)，發(fā)送端軌面電壓為2．6 V時(shí)才能滿足。所以，發(fā)送端軌面電壓應(yīng)大于2．6 V，此處其值取為3 V。

圖6 I2n=221．4 mA時(shí)發(fā)送端軌面電壓Fig．6 Track surface voltage of sending end when I2n=221．4 mA

當(dāng)軌面電壓為3 V時(shí)對(duì)應(yīng)的斷軌態(tài)最不利條件下［1，11］終端接收到的最大電流始終小于0．1 A，如圖7所示，與調(diào)整態(tài)最小電流相差121．4 mA。所以，只要檢測軌道電路接受端鋼軌電流小于電流傳感器最佳接受區(qū)間最小值221．4 mA，就可確定為鋼軌斷裂，故該檢測方案能很好的實(shí)現(xiàn)斷軌檢測。

圖7 斷軌態(tài)接收端電流隨道床電阻變化Fig．7 Receiving end current of broken rail state change with ballast resistance

3 發(fā)送系統(tǒng)組成

系統(tǒng)框圖如圖8所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由正弦信號(hào)發(fā)生功能模塊、幅值控制電路模塊、防護(hù)和檢測模塊、濾波電路模塊、上位機(jī)與信息傳輸模塊5部分組成。

3．1 信號(hào)發(fā)生模塊

圖8 發(fā)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．8 Structure diagram of transmission system

DDS(Direct Digital Synthesis)技術(shù)［12，13］是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)，其基本原理如圖9所示。其系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由1個(gè)加法器和1個(gè)N位相位寄存器構(gòu)成。每來1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)fclk，相位累加器的輸出就增加1個(gè)步長K的相位增加量，相位增加量的大小由頻率控制字確定，相位累加器的溢出頻率就是輸出的信號(hào)頻率。正弦查詢表包含1個(gè)周期正弦波的數(shù)字幅度信息，相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢表地址上，從查詢表中讀出對(duì)應(yīng)的幅度數(shù)據(jù)，通過DAC將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需的模擬信號(hào)波形輸出。與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，DDS技術(shù)具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)變速度快、輸出相位連續(xù)、相位噪聲低、可編程和全數(shù)字化、便于集成等突出優(yōu)點(diǎn)，越來越得到廣泛應(yīng)用。

設(shè)相位累加器的位數(shù)為N，頻率控制字內(nèi)的相位量為K，參考時(shí)鐘頻率為fclk，則DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率fout為:

輸出信號(hào)的頻率分辨率Δfout為:

AD9850是AD公司生產(chǎn)的一款DDS芯片，有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠控制，2位用于選擇工作方式。并行輸入方式下，在W_CLK的上升沿裝入8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，連續(xù)5個(gè)W_CLK上升沿后，W_CLK的邊沿不再起作用，直到復(fù)位信號(hào)或FQ_UD上升沿把地址指針復(fù)位到第一個(gè)寄存器。在FQ_UD的上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器(更新DDS輸出頻率和相位)。表1所示為AD9850模塊頻率輸出測試數(shù)據(jù)。由表1可以看出:模塊輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10－4，滿足系統(tǒng)對(duì)高精度信號(hào)源的要求。

表1 頻率測試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of frequency

3．2 幅度控制模塊

正弦信號(hào)的幅度控制是通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832和LM358運(yùn)算放大器構(gòu)成的程控基本放大電路實(shí)現(xiàn)的［14］，使用DAC0832內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)算放大器的反饋電阻。通過采樣將軌面電壓的實(shí)際幅度值輸入到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行比較調(diào)整，控制對(duì)DAC0832的數(shù)字量輸出，實(shí)現(xiàn)幅度的AGC(Automatic Gain Control)功能。使用數(shù)字控制與采樣反饋調(diào)整控制技術(shù)，使系統(tǒng)可靠性和精度更高。

AD9850輸出的正弦信號(hào)經(jīng)濾波處理后接在DAC0832的參考電壓引腳VREF上。DAC0832的八位數(shù)據(jù)輸人引腳與單片機(jī)的P0口相連。由圖10可知:DAC0832工作在直通寄存器方式。

圖10 DAC0832幅度控制電路Fig．10 Amplitude control circuit of DAC0832

根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換的工作原理，有:

第一級(jí)運(yùn)算放大器將電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出，則有:

將式(13)代入(14)得:

第二級(jí)運(yùn)算放大器起反向放大作用，它的輸入和輸出電壓的關(guān)系為:

將式(15)代入(16)，最后得到如下關(guān)系:

由于 (D02－1+D12－2+ … +D72－8)＜ 1，所以，輸入電壓通過該電路后，其輸出受到由數(shù)字控制的衰減，在第一級(jí)最大輸出電壓接近于輸入電壓，最小輸出電壓等于輸入電壓的1/256。單片機(jī)通過采樣檢測到發(fā)送端軌面電壓信號(hào)發(fā)生改變后進(jìn)行比較調(diào)整，改變D0～D7，從而使輸出電壓恢復(fù)到恒定值。圖11所示為在Proteus中對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)增益控制的仿真效果圖。從圖11可以看出:當(dāng)某時(shí)刻道床電阻變化使發(fā)送端軌面電壓發(fā)生突變，系統(tǒng)采集到幅值發(fā)生改變后進(jìn)行比較調(diào)整，使其在26．25 ms內(nèi)恢復(fù)正常。

圖11 系統(tǒng)發(fā)送端電壓控制效果圖Fig．11 Figure of system voltage control effect

3．3 防護(hù)和檢測模塊

在電氣化區(qū)段，將會(huì)有大至上千安的牽引回流流過鋼軌，檢測設(shè)備必將受其影響，所以，在信號(hào)源發(fā)送端并接了防護(hù)盒，防護(hù)盒采用串并聯(lián)諧振的方式。主要作用為對(duì)牽引回流呈現(xiàn)低阻抗，近似于短路，起到平衡牽引回流的作用，從而降低牽引回流對(duì)信號(hào)發(fā)送設(shè)備的干擾。而對(duì)檢測信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗，通過其將檢測信號(hào)發(fā)送到鋼軌上。檢測設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)發(fā)送設(shè)備的故障自檢能力，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

3．4 濾波模塊

AD9850內(nèi)部無低通濾波器，內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)時(shí)鐘等可能產(chǎn)生高頻噪聲，為了提高輸出信號(hào)的質(zhì)量，必須對(duì)AD9850所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。由于該發(fā)送盒對(duì)正弦信號(hào)的頻率要求為495 Hz，所以，選用MAX262來構(gòu)成1個(gè)中心頻率為495 Hz的帶通濾波器。MAX262有3個(gè)可程控參數(shù):中心頻率f0和Q和工作模式。所有程控參數(shù)都通過數(shù)據(jù)引腳D0和D1輸入，地址引腳A3～A0控制輸入數(shù)據(jù)進(jìn)入不同的寄存器。AD9850硬件電路輸出的正弦波濾波后的波形如圖12所示，由圖12可見:濾波后的波形比較好，有效地濾除了高頻的噪聲信號(hào)。

圖12 濾波后輸出波形圖Fig．12 The filtered output waveform

3．5 上位機(jī)與信息傳輸模塊

在PC機(jī)上用C++Builder軟件開發(fā)上位機(jī)發(fā)送和接收界面，上位機(jī)通過RS232通信單元實(shí)時(shí)接收并顯示判斷發(fā)送盒和接收盒傳輸?shù)男畔ⅰＩ衔粰C(jī)和下位機(jī)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)軌道信號(hào)信息的形象顯示及其可視化。并對(duì)分路態(tài)和斷軌態(tài)進(jìn)行判斷，分路態(tài)時(shí)給發(fā)送盒發(fā)送切斷命令，系統(tǒng)通過檢測不平衡牽引回流判斷是否發(fā)生斷軌。若發(fā)送盒和接收盒有故障信息時(shí)，上位機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警電路和故障顯示電路，保證系統(tǒng)能滿足鐵路系統(tǒng)故障－安全的要求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用匯編語言與C語言相結(jié)合來編寫程序，這樣不但提高程序?qū)﹄娐酚布目煽刂菩?，同時(shí)也增加了程序的可讀性和可移植性。軟件部分主要由初始化子程序(AT89S52初始化、AD9850初始化、MAX262初始化、DAC0832初始化)、信號(hào)發(fā)生與控制子程序、頻率檢測子程序、幅度控制子程序等4部分組成。發(fā)送系統(tǒng)主程序流程如圖13所示。

圖13 發(fā)送系統(tǒng)主程序流程圖Fig．13 The main program flow chart of transmission system

5 結(jié)論

(1)結(jié)合DDS和AGC技術(shù)，設(shè)計(jì)了適應(yīng)長大隧道惡劣道床環(huán)境的實(shí)時(shí)斷軌檢測發(fā)送系統(tǒng)。

(2)該發(fā)送系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度高，有助于檢測系統(tǒng)終端對(duì)數(shù)據(jù)的精確處理與分析，提高了系統(tǒng)的檢測精度和可靠性。

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