現(xiàn)代有軌電車三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊

彭 毅，張 銳，陶玉鳳，何 濤

（蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070）

現(xiàn)代有軌電車三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制模塊

彭 毅，張 銳，陶玉鳳，何 濤

（蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070）

根據(jù)現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營特點(diǎn)，借鑒鐵路運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，研究了現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套適合我國城市軌道交通發(fā)展的現(xiàn)代有軌電車道岔控制模塊。重點(diǎn)分析了模塊的可靠性和安全性。通過實(shí)地測(cè)試證明，該模塊具有體積小、功能完整、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

交通工程；道岔控制模塊；信號(hào)系統(tǒng)；現(xiàn)代有軌電車；可靠性；安全性

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的加快，現(xiàn)代有軌電車以其投資小、綠色環(huán)保和高效等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來城市交通發(fā)展的重要趨勢(shì)[1]?，F(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)代化技術(shù)的改造之后，具有良好的封閉性、靈活性和適應(yīng)性，客運(yùn)能力和速度得到大幅度提高[2]。現(xiàn)代有軌電車道岔控制子系統(tǒng)作為有軌電車從一股軌道轉(zhuǎn)入或越過另一股軌道的線路設(shè)備，是現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的重要組成部分[2]。如何設(shè)計(jì)道岔控制子系統(tǒng)以滿足現(xiàn)代有軌電車安全運(yùn)營的需要，已成為目前一個(gè)亟待研究的問題。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展以及可靠性和容錯(cuò)技術(shù)的提高，使用全電子執(zhí)行單元來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖執(zhí)行層中安全型繼電器的功能，已成為我國鐵路信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，近年來隨著人們對(duì)鐵路運(yùn)輸能力要求的不斷提高，三相交流轉(zhuǎn)轍設(shè)備以其動(dòng)力充足、動(dòng)作可靠、電機(jī)故障率低、維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通工程應(yīng)用中已被大量采用[3]～[4]。故在現(xiàn)代有軌電車的道岔控制子系統(tǒng)中選擇使用三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)作為動(dòng)力，更符合實(shí)際應(yīng)用的需求。通過分析現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營特點(diǎn)和信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，論述了用五線制道岔全電子驅(qū)動(dòng)采集一體化模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代有軌電車三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制的方法與原理，并重點(diǎn)分析了基于全電子技術(shù)模塊的可靠性和安全性。

1 模塊整體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代有軌電車由無線通信子系統(tǒng)、運(yùn)行調(diào)度子系統(tǒng)、電子導(dǎo)航子系統(tǒng)、車輛段子系統(tǒng)、正線道岔控制子系統(tǒng)、路口信號(hào)優(yōu)先控制子系統(tǒng)和乘客信息服務(wù)子系統(tǒng)組成[1]。正線道岔控制子系統(tǒng)的核心是道岔控制模塊，通過該模塊控制道岔的定反位轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)有軌電車的轉(zhuǎn)線或折返作業(yè)。

傳統(tǒng)6502電氣集中執(zhí)行層電路由于體積大、動(dòng)作過程緩慢、故障點(diǎn)多而且需要定期檢修等缺點(diǎn)，已經(jīng)無法滿足軌道交通控制系統(tǒng)的需求。全電子道岔模塊采用微處理器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電子開關(guān)技術(shù)，替代了傳統(tǒng)6502電氣集中以安全型繼電器作為控制單元的電路形式，與聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)相結(jié)合，完成了計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的末級(jí)控制和采集功能。該模塊采用監(jiān)測(cè)、控制一體化的方式，具有采集道岔位置狀態(tài)、動(dòng)作電流等模擬量的功能，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、調(diào)理與處理功能；模塊具有電源檢測(cè)、過流過載保護(hù)、負(fù)載短路自動(dòng)保護(hù)、故障診斷等多項(xiàng)綜合功能；模塊采用無觸點(diǎn)式控制技術(shù)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，取消了電路熔絲，故障排除后自動(dòng)恢復(fù)，不需要人工干預(yù)；模塊還具有配線簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，運(yùn)營成本較低等特點(diǎn)。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)五線制三相交流電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的執(zhí)行單元，主要用于控制道岔的轉(zhuǎn)換和采集道岔的狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)符合計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的技術(shù)要求。模塊整體按照閉環(huán)控制和控制電路雙斷的安全技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用完全獨(dú)立的“二取二”冗余結(jié)構(gòu)來確保安全。同時(shí)應(yīng)用避錯(cuò)和容錯(cuò)技術(shù)以及獨(dú)立于微處理器的快速硬件反饋保護(hù)等一系列的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)“故障-安全”，模塊主要能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

（1）控制三相交流電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行定反位操作，道岔轉(zhuǎn)換到位后自動(dòng)切斷驅(qū)動(dòng)電路；

（2）在沒動(dòng)作的過程中隨時(shí)采集道岔狀態(tài)信息，并進(jìn)行道岔狀態(tài)的顯示和上傳；

（3）能夠檢測(cè)自身軟硬件故障、室外二極管短接或反接、轉(zhuǎn)轍機(jī)線間混線以及混電等故障；

（4）能夠自動(dòng)檢測(cè)三相動(dòng)作電源是否正常，道岔區(qū)段是否處于鎖閉狀態(tài)，并將信息進(jìn)行顯示和上傳。

模塊由邏輯微處理器、檢測(cè)電路、動(dòng)作驅(qū)動(dòng)電路、通信電路、電源電路、道岔區(qū)段鎖閉采集電路和地址碼/配置類型采集電路等組成，其硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 模塊硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電路實(shí)現(xiàn)功能

1.2.1 邏輯微處理器

為完全硬件級(jí)二取二冗余結(jié)構(gòu)，以單個(gè)處理器為核心構(gòu)成獨(dú)立的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。在邏輯控制中采用二取二邏輯“與”的方式判斷道岔位置狀態(tài)，處理定反位操作命令及控制輸出。微處理器接口信號(hào)均經(jīng)過光電隔離，且關(guān)鍵器件的驅(qū)動(dòng)輸出采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式。

1.2.2 檢測(cè)電路

電路由霍爾互感器、運(yùn)算放大電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)采集道岔位置狀態(tài)和動(dòng)作狀態(tài)的電流反饋信息的功能。此功能為安全功能，電路采用二取二模式進(jìn)行相互校核。

1.2.3 驅(qū)動(dòng)電路

電路通過開關(guān)電路和微處理器相互配合完成三相電源的正常輸出，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行定反位操作。此功能為安全功能，電路采用二取二模式進(jìn)行相互校核。

1.2.4 電源電路

電路提供電路板的工作電源和道岔表示回路和動(dòng)作回路的電源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三相電源完整性（斷相、相序）的檢測(cè)功能。

1.2.5 地址碼/配置類型采集電路

電路實(shí)現(xiàn)讀取模塊地址和配置類型信息的功能。此功能為安全功能，電路采用二取二模式進(jìn)行相互校核。

1.2.6 道岔區(qū)段鎖閉狀態(tài)采集電路

電路與道岔區(qū)段鎖閉繼電器連接，實(shí)現(xiàn)采集道岔區(qū)段是否鎖閉的功能。此功能為安全功能，電路采用二取二模式進(jìn)行相互校核。

1.3 工作原理

通過霍爾互感器采集表示回路和動(dòng)作回路中的電流，利用數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道岔的工作狀態(tài)（表示狀態(tài)和動(dòng)作狀態(tài)）的功能。模塊采用的是非接觸式互感器，與被監(jiān)測(cè)設(shè)備沒有任何電氣連接，采集設(shè)備發(fā)生斷路和短路故障均不會(huì)對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生不良的影響。

互感型霍爾傳感器工作原理如圖2所示，其技術(shù)比較成熟，不影響既有的定性電路，測(cè)試精度可達(dá)0.1%，可測(cè)量任意波形的電流，如直流、交流和脈沖波形等，副邊電路可以真實(shí)地反映原邊電流的波形[5]。

圖2 霍爾元件工作原理示意圖

2 模塊軟件設(shè)計(jì)

模塊軟件的主要功能是完成信息的編碼、發(fā)送、接收、校驗(yàn)，并控制硬件完成表示信息的采集校驗(yàn)和控制信號(hào)的輸出[3]。除了硬件嚴(yán)格按照“二取二”安全設(shè)計(jì)以外，微處理器的軟件設(shè)計(jì)也嚴(yán)格按照“二取二”結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，符合安全標(biāo)準(zhǔn)的要求?，F(xiàn)代有軌電車的正線道岔區(qū)段的轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)采用電動(dòng)控制方式。為了保證有軌電車在道岔區(qū)段安全運(yùn)行，信號(hào)系統(tǒng)配置聯(lián)鎖“道岔區(qū)段占用檢查設(shè)備”檢測(cè)道岔區(qū)段是否被車占用，從而確保了道岔的安全轉(zhuǎn)換。道岔所在進(jìn)路處于解鎖狀態(tài)且道岔區(qū)域無車占用時(shí)才能進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)換[6]。

以模塊進(jìn)行定位操作輸出的軟件設(shè)計(jì)為例，如圖3所示。模塊在接收到動(dòng)作命令，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路輸出之前，需要進(jìn)行一系列的安全檢測(cè)，例如：三相電源完整性檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)電路狀態(tài)檢測(cè)以及道岔區(qū)段鎖閉狀態(tài)檢測(cè)等。因?yàn)槿囹?qū)動(dòng)電源如果缺相會(huì)導(dǎo)致燒壞電機(jī)的嚴(yán)重后果，直接影響到運(yùn)輸安全和效率。

圖3 定位操作流程圖

3 模塊可靠性和安全性分析

道岔控制模塊作為保證行車安全的重要基礎(chǔ)設(shè)備，其可靠性與安全性的高低直接影響運(yùn)輸效率和行車安全。安全性是指系統(tǒng)或設(shè)備在工作時(shí)發(fā)生故障不會(huì)產(chǎn)生危及行車安全的能力[6]～[7]?？煽啃允侵冈O(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[6]～[7]。然而，設(shè)備的可靠性和安全性又和各元器件的工作失效率直接相關(guān)。所以，在對(duì)本模塊進(jìn)行可靠性和安全性分析之前，需要對(duì)各個(gè)元器件的失效率進(jìn)行計(jì)算，然后逐級(jí)向上對(duì)整個(gè)模塊的失效率進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，元器件的工作失效率與元器件的基本失效率、工作環(huán)境溫度、電應(yīng)力比、設(shè)備的工作環(huán)境類別、元器件的質(zhì)量等級(jí)等因素有關(guān)[8]～[9]。以微處理器為例，其失效率計(jì)算方法如下。

圖4 模塊的可靠性等效框圖

微處理器選用AT90CAN128，屬于進(jìn)口單片集成電路，則參考手冊(cè)附錄A，其工作失效率預(yù)計(jì)模型如式（1）所示：

式（1）中：

3.1 可靠性分析

道岔全電子控制模塊由微處理器、光電隔離元件、安全繼電器、電源開關(guān)、霍爾互感器等元器件組成。模塊邏輯微處理器采用二取二“與”的邏輯比較控制輸出。模塊的道岔區(qū)段鎖閉狀態(tài)采集電路和地址碼/配置類型采集電路均采用二取二模式進(jìn)行設(shè)計(jì)?；倦娐钒◤?fù)位電路、基準(zhǔn)電路以及晶振電路。根據(jù)模塊的設(shè)計(jì)原理，可以得到模塊的可靠性等效框圖，如圖4所示。

運(yùn)用比較成熟的馬爾可夫模型（Markov Model）方法對(duì)模塊可靠性進(jìn)行分析[9]～[10]。通過分析計(jì)算得到a模塊的故障率為，可靠度為：由于a模塊和b模塊采用“二取二”結(jié)構(gòu)，故其平均故障間隔時(shí)間為可靠度為模塊的故障率為可靠度為：d模塊的故障率為可靠度為故道岔模塊的可靠性指標(biāo)為：

3.2 安全性分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，再結(jié)合現(xiàn)代有軌電車的正線道岔控制特點(diǎn)，對(duì)于五線制道岔控制模塊最擔(dān)心的是在道岔區(qū)段未鎖閉的條件下轉(zhuǎn)轍機(jī)錯(cuò)誤動(dòng)作。采用故障樹分析法（FTA）[11]～[12]對(duì)模塊的安全性進(jìn)行分析，可建立如圖5所示的故障樹。

圖5 轉(zhuǎn)轍機(jī)錯(cuò)誤動(dòng)作的故障樹分析

圖5中的基本事件發(fā)生概率如表1所示。通過計(jì)算可知，模塊滿足軌道交通信號(hào)系統(tǒng)對(duì)高安全性的要求，在道岔區(qū)段未鎖閉條件下轉(zhuǎn)轍機(jī)錯(cuò)誤動(dòng)作的基本事件發(fā)生概率為：

表1 轉(zhuǎn)轍機(jī)錯(cuò)誤動(dòng)作的基本事件發(fā)生概率

4 結(jié)束語

現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)采用全電子驅(qū)動(dòng)采集一體化執(zhí)行模塊，可明顯減少設(shè)備占地面積，減輕維護(hù)工作人員的工作量，大幅縮短故障排除時(shí)間。道岔控制模塊可以很好地實(shí)現(xiàn)ZDJ6-CG型轉(zhuǎn)轍機(jī)（專門應(yīng)用于現(xiàn)代有軌電車的三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)）的控制功能，能較好地滿足現(xiàn)代有軌電車正線道岔轉(zhuǎn)換的需求。該模塊已在現(xiàn)代有軌電車示范線上進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。測(cè)試證明，該模塊功能完整，性能穩(wěn)定，運(yùn)行效果良好，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，適合推廣。

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責(zé)任編輯 方 圓

Control module of three-phase AC switches for modern tram car

PENG Yi, ZHANG Rui, TAO Yufeng, HE Tao
( Key Laboratory of Opto-Technology and Intelligent Control Ministry of Education, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China )

Combined with the characteristics and key technologies of railway transit, the paper studied on the main structure of Signal System for modern tram car at home and abroad, designed a suit of switch control module of modern tram car which was suitable for our country, analyzed the reliability and security of the module. Through fi eld tests, it was fully proved that the module was with advantage characteristics of small volume, fully functional, and stable performance etc, and with strong promotional practical value.

traff i c engineering; switch control module; Signal System; modern tram car; reliability; security

U231.7∶TP39

A

1005-8451（2015）04-0032-05

2014-09-25

甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1212RJZA046）。

彭 毅，在讀碩士研究生；張 銳，在讀碩士研究生。