直流轉(zhuǎn)轍機(jī)智能故障測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)

王福源，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)

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直流轉(zhuǎn)轍機(jī)智能故障測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)

王福源，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)

信號(hào)設(shè)備故障中道岔故障遠(yuǎn)多于其他設(shè)備故障，是鐵路信號(hào)設(shè)備故障多發(fā)點(diǎn);而轉(zhuǎn)轍機(jī)是道岔控制電路的關(guān)鍵部分;針對(duì)我國(guó)鐵路系統(tǒng)道岔中直流電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)計(jì)了一套操作簡(jiǎn)單、攜帶方便的智能故障測(cè)試儀;可以單獨(dú)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行全方位智能測(cè)試，使維護(hù)人員能清楚的知道轉(zhuǎn)轍機(jī)的可靠狀態(tài)，增加鐵路運(yùn)營(yíng)安全性，也便于轉(zhuǎn)轍機(jī)初期現(xiàn)場(chǎng)的安裝測(cè)試和后期運(yùn)營(yíng)的常規(guī)檢測(cè)。

道岔控制模塊；故障診斷；轉(zhuǎn)轍機(jī)

0　引言

鐵路道岔是鐵路信號(hào)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于鐵路行車安全至關(guān)重要，而轉(zhuǎn)轍機(jī)作為電氣集中站場(chǎng)的主要信號(hào)控制設(shè)備之一，在全路得到廣泛的應(yīng)用。目前，我國(guó)鐵路系統(tǒng)使用最廣泛的電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)仍然是直流電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)。

在現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)用一定時(shí)間后，由于轉(zhuǎn)動(dòng)部分的磨損及電氣元部件的老化等一系列物理變化，會(huì)引起器材的某些機(jī)械特性和電氣特性變化，引發(fā)器材故障，造成轉(zhuǎn)轍機(jī)損壞或者牽引力變小，轉(zhuǎn)動(dòng)不到位等故障，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜靶熊嚢踩?。針?duì)這種情況，就目前車站實(shí)時(shí)使用的轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)計(jì)了一套智能測(cè)試儀，可以讓維護(hù)人員通過(guò)簡(jiǎn)單的操作單獨(dú)的對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行全方位智能的測(cè)試。通過(guò)測(cè)試，維護(hù)人員可清楚的知道轉(zhuǎn)轍機(jī)是否處于正常狀態(tài)。如果不正常，可能出現(xiàn)的故障原因。此外該測(cè)試儀設(shè)計(jì)體積小，攜帶方便，操作簡(jiǎn)單易懂。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

測(cè)試儀是針對(duì)四六線直流電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的執(zhí)行單元，可用于控制道岔的轉(zhuǎn)換和采集道岔的狀態(tài)信息。智能測(cè)試儀需要能夠模擬四六線制道岔執(zhí)行組電路用于驅(qū)動(dòng)各種型號(hào)直流四六線制轉(zhuǎn)轍機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)及室內(nèi)外電纜配線的試驗(yàn)校核。此外，由于要實(shí)現(xiàn)故障診斷的功能，需要增加電流電壓數(shù)據(jù)采集、分析等功能模塊。硬件MCU采用具有AD采集功能的AVR單片機(jī)。軟件的調(diào)試通過(guò)串口通信接口，可方便的完成模塊軟件的編寫(xiě)與調(diào)試。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

主要功能設(shè)計(jì)分析：

1)實(shí)現(xiàn)對(duì)四/六線制直流轉(zhuǎn)轍機(jī)的操縱。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)和轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路的分析，需要用到繼電器、整流元器件等模擬直流道岔控制電路，還需設(shè)計(jì)四/六線轉(zhuǎn)換電路，使模塊適用四線制和六線制的所有轉(zhuǎn)轍機(jī)。

2)對(duì)室外表示電路的檢測(cè)功能。通過(guò)對(duì)道岔表示功能的分析，要實(shí)現(xiàn)表示電路的檢測(cè)功能，需要在表示線路設(shè)置電流傳感器，使用微處理器中AD采集功能，采集電流，分析電流的大小與常態(tài)值比對(duì)，以此獲得表示狀態(tài)信息。此外，還需使用變壓器將交流220 V變成110 V標(biāo)準(zhǔn)表示電壓。用以驅(qū)動(dòng)表示電路。

3)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行智能故障診斷功能。對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行故障診斷，需要當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)發(fā)生故障時(shí)，首先給出故障報(bào)警，并給出可能的故障原因。該功能的設(shè)計(jì)主要通過(guò)采集的電流電壓狀態(tài)、數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算之后，根據(jù)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的常規(guī)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，得出轉(zhuǎn)轍機(jī)故障狀態(tài)和故障的原因。該功能的完成主要在于軟件的設(shè)計(jì)和后期現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試。

圖1　模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4)給測(cè)試終端上傳動(dòng)作電壓值、動(dòng)作電流值、功率值和動(dòng)作時(shí)間等數(shù)據(jù)信息。電壓、電流采集電路采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微處理器分析、計(jì)算，通過(guò)RS485串口通信上傳到上位機(jī)。

2　模塊硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括MCU控制電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)2轍機(jī)表示回路、電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、對(duì)外接口電路、通信電路、電源電路等。其硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　模塊硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.1MCU控制電路

MCU控制電路是以單片機(jī)為核心的單處理器控制電路，單片機(jī)采用AT90CAN128芯片。AT90CAN128是一種基于AVR增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS 8位單片機(jī)。通過(guò)執(zhí)行以一個(gè)單時(shí)鐘周期的高效指令，AT90CAN128每MHz能達(dá)1MIPS，可讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將功率損耗與處理速度優(yōu)化。此外，MCU控制電路通過(guò)I/O對(duì)電路的控制采用光電隔離器，使控制電路與執(zhí)行電路完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離，增強(qiáng)電路的抗干擾能力，保證模塊的可靠性。

2.2轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路

轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路包括轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)表示回路、四線/六線轉(zhuǎn)換電路。實(shí)際上是等效于現(xiàn)場(chǎng)的道岔控制電路。轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行定位操作、反位操作等操作的模擬，定位、反位的操作這要通過(guò)開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn)，另將交流220 V轉(zhuǎn)成直流電，以此驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)。而表示電路則采集、顯示轉(zhuǎn)轍機(jī)的表示狀態(tài)，包括定位表示、反位表示、四開(kāi)等。使用變壓器將220 V交流電變?yōu)?10 V標(biāo)準(zhǔn)表示電。而四/六線轉(zhuǎn)換電路對(duì)四線制轉(zhuǎn)轍機(jī)和六線制轉(zhuǎn)轍機(jī)都能適用。

2.3電流電壓檢測(cè)電路

電流電壓檢測(cè)電路把電壓互感器、電流互感器分別接入動(dòng)作電路，將互感器輸出電信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大電路送入處理器AD采集接口。在實(shí)現(xiàn)電壓電流檢測(cè)的同時(shí)，模塊與處理器也實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。

2.4對(duì)外接口及RS485通信電路

對(duì)外接口主要設(shè)置了X1～X6共6條等效電路線，使用時(shí)直接與轉(zhuǎn)轍機(jī)接口相連。設(shè)置和一般道岔控制電路相同，X1為定位表示線，X2為反位表示線，X3為表示共用線，X4為操作共用線，X5、X6分別為六線制定位操作，反位操作專用線。連接轉(zhuǎn)轍機(jī)時(shí)，如果是四線制轉(zhuǎn)轍機(jī)，只用到X1～X4四根線，5、6線懸空。六線制轉(zhuǎn)轍機(jī)，將X1～X6全部對(duì)應(yīng)相連。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和下發(fā)驅(qū)動(dòng)控制命令，測(cè)試儀設(shè)置了RS485通信電路。通過(guò)通信接口直接對(duì)模塊下發(fā)操作命令，此外，將采集、整理后的電流、電壓、功率、動(dòng)作時(shí)間、故障狀態(tài)等數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。上位機(jī)可根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的變化曲線，供測(cè)試員直觀分析。

3　模塊軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)需要完成道岔邏輯控制，地址配置采集，轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)采集，表示電流采集，動(dòng)作電流電壓采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，功率、有效值計(jì)算，串口通信，校驗(yàn)，故障分析與處理等功能。所以，測(cè)試儀的軟件編寫(xiě)使用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，將程序劃分為幾個(gè)功能塊。主要有主控邏輯程序，初始化子程序，AD采集處理子程序，通信中斷子程序，命令處理子程序幾個(gè)模塊。

主控邏輯程序完成程序流程邏輯、道岔控制邏輯。主要通過(guò)芯片I/O口輸入輸出確定各個(gè)電路工作狀態(tài)。初始化子程序包括地址配置采集、程序初始化等。AD采集處理子程序包括表示電流采集、動(dòng)作電流電壓采集，功率、有效值計(jì)算等。其中將動(dòng)作電流、電壓、功率連續(xù)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(需要時(shí)上傳至上位機(jī))，以便上位機(jī)作出準(zhǔn)確的狀態(tài)曲線。AD采集子程序還包括了一定的故障診斷功能，在采集、處理了轉(zhuǎn)轍機(jī)各項(xiàng)工作參數(shù)后，與測(cè)試的正常值比對(duì)，并根據(jù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的位置，范圍值，即可獲得相應(yīng)的故障信息并發(fā)出警報(bào)。然后將所得信息上傳到上位機(jī)。例如表示電流不正常即可定為表示模塊故障，動(dòng)作電流、電壓不正常即為動(dòng)作模塊故障，還包括混線，擠岔等等。

模塊軟件基本流程圖如圖3所示。

圖3　模塊軟件基本流程圖

4　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析

最后對(duì)測(cè)試儀功能進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，設(shè)計(jì)的可測(cè)試電流范圍0～5 A，電壓范圍0～300 V。測(cè)試轉(zhuǎn)轍機(jī)型號(hào)：ZD6型直流轉(zhuǎn)轍機(jī)。

首先，對(duì)模塊進(jìn)行基本功能測(cè)試。功能測(cè)試包括通信功能，表示檢測(cè)功能，道岔驅(qū)動(dòng)功能，擠岔報(bào)警功能，切斷功能等。

按照通信協(xié)議，利用串口調(diào)試工具對(duì)模塊下發(fā)對(duì)應(yīng)地址碼和要狀態(tài)數(shù)據(jù)有效指令，模塊返回轉(zhuǎn)轍機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)(定位)，并且其余地址碼模塊均不響應(yīng)。反復(fù)測(cè)試結(jié)果一致，模塊通信正常。手動(dòng)將轉(zhuǎn)轍機(jī)在定反位來(lái)回切換，對(duì)模塊下發(fā)要狀態(tài)數(shù)據(jù)指令，返回表示狀態(tài)與轉(zhuǎn)轍機(jī)一致，證明表示檢測(cè)功能正常。對(duì)模塊道岔驅(qū)動(dòng)功能進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)轍機(jī)處于定位狀態(tài)，下發(fā)反操命令，反操繼電器吸起，轉(zhuǎn)轍機(jī)開(kāi)始動(dòng)作，待轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到位，動(dòng)作電流消失，繼電器落下，反位操作完成。同樣，轉(zhuǎn)轍機(jī)處于反位狀態(tài)，下發(fā)定操命令，反復(fù)測(cè)試結(jié)果一致，道岔驅(qū)動(dòng)功能正常。此外，對(duì)模塊的異常狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試，如30秒擠岔報(bào)警、切斷功能、轉(zhuǎn)轍機(jī)表示故障、外部設(shè)備異常等測(cè)試。另模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)故障狀態(tài)測(cè)試模塊故障診斷功能，部分通信代碼如表1所示。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，該模塊各項(xiàng)功能均能達(dá)到預(yù)期效果。

表1　故障通信代碼表

之后，對(duì)模塊數(shù)據(jù)采集功能校準(zhǔn)，利用單相交流電參數(shù)測(cè)試儀，實(shí)時(shí)測(cè)量動(dòng)作中電流、電壓、功率等值并記錄。同時(shí)將模塊測(cè)試到的數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口傳至計(jì)算機(jī)，接收并保存。將兩組數(shù)據(jù)比對(duì)、處理、計(jì)算得到相應(yīng)的電流、功率系數(shù)，多次測(cè)試得到有效的平均值Ki，Kp。

最后，將轉(zhuǎn)轍機(jī)正常動(dòng)作時(shí)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB仿真，作出動(dòng)作電流、動(dòng)作功率變化曲線，如圖所示。其中，圖3為動(dòng)作電流變化曲線，圖4為實(shí)時(shí)功率變化曲線。

圖3　模塊動(dòng)作電流測(cè)試數(shù)據(jù)曲線圖

圖4　模塊實(shí)時(shí)功率測(cè)試數(shù)據(jù)曲線圖

從圖中可以看出，首先，滿足解鎖轉(zhuǎn)動(dòng)條件，轉(zhuǎn)轍機(jī)解鎖，動(dòng)作電流較大。緊接著完成解鎖，轉(zhuǎn)轍機(jī)帶動(dòng)設(shè)備動(dòng)作，電流趨于平穩(wěn)。之后，轉(zhuǎn)動(dòng)到位，啟動(dòng)電路斷開(kāi)，道岔鎖閉，電流變小。最后經(jīng)過(guò)1DQJ緩放操作完成。由此看來(lái)，結(jié)果與預(yù)期的一致。可以此作為轉(zhuǎn)轍機(jī)數(shù)據(jù)檢測(cè)是否正常之參考。

5　結(jié)語(yǔ)

本文研制的直流轉(zhuǎn)轍機(jī)智能測(cè)試儀，設(shè)備輕便，僅有普通工具箱大小。操作簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試安裝簡(jiǎn)單。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，證明了該智能測(cè)試儀的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，符合設(shè)計(jì)要求。完全滿足鐵路工作人員對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的需要，適于推廣。

[1]顧健.幾種常見(jiàn)道岔故障動(dòng)作電流曲線分析及處理方法[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù),2014,1:14-17.

[2] 王鐵軍.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的道岔智能故障診斷方法的研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2011.

[3] 翟永強(qiáng).貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在道岔控制電路故障診斷中的應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2012.

[4] 何攸旻.高速鐵路道岔故障診斷方法研究[D].北京：北京交通大學(xué),2014.

[5] 鄧頔.鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)集中器及上位機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[6] 錢曉亮.基于μC/OS-Ⅱ的ARM嵌入式轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2007.

[7] 趙德鑫.淺談直流轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引道岔的動(dòng)作電流曲線分析技巧[J].河南鐵道，2011(6).

[8] 岳春華.鐵路信號(hào)監(jiān)測(cè)故障分析與診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2010.

Research and Design of Direct Current Switch Machine Intelligent Fault Diagnostic Device

Wang Fuyuan,He Tao

(Ministerial Key Laboratory of Opto-Technology and Intelligent Control ，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou730070，China)

The faults of turnout are far more than other equipment in railway signal system, and fault-prone points of railway signal equipment. And switch machine is the key of turnout control circuit. Aim to direct current switch machine of railway, a kind of intelligent fault diagnostic device is designed.The working state of switch machine for a full range of intelligent test, the maintenance personnel can clearly know switch machine is reliable and increase the safety of railway operation. The intelligent fault diagnostic device is easy to operate, carry. The intelligent fault diagnostic device is used for switch test of installation in initial stage and operation in late stage.

switch control module; analysis error; point switch

2015-07-22

2015-09-17。

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題(2014X008-D);甘肅省高?？蒲许?xiàng)目(2013A-050)。

王福源(1990-)，男，蘭州交通大學(xué)，碩士研究生，主要從事鐵路交通信息工程與控制方向的研究。

何濤(1978-)，男，蘭州交通大學(xué)，教授，主要從事鐵路交通信息工程與控制方向的研究。

1671-4598(2016)01-0064-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.017

U284

A