TW-2系統(tǒng)雷達(dá)踏板接口改進(jìn)的研究

許鴻飛 李茲生

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

TW-2型駝峰控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱TW-2系統(tǒng)）是自動(dòng)化駝峰場(chǎng)實(shí)現(xiàn)駝峰溜放進(jìn)路及車(chē)輛調(diào)速自動(dòng)控制的設(shè)備。駝峰測(cè)速雷達(dá)、計(jì)軸踏板作為T(mén)W-2系統(tǒng)調(diào)速自動(dòng)控制的核心設(shè)備。通過(guò)駝峰測(cè)速雷達(dá)可實(shí)時(shí)測(cè)量鉤車(chē)在減速器上的實(shí)時(shí)速度，通過(guò)雷達(dá)積分距離確定鉤車(chē)較為準(zhǔn)確的物理位置，為間隔調(diào)速及途停判斷等提供速度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鉤車(chē)減速器上全程速度跟蹤等重要功能。通過(guò)踏板的計(jì)軸信息準(zhǔn)確掌握輛數(shù)及相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)摘錯(cuò)鉤判斷及減速器放頭攔尾控制等功能。

1 現(xiàn)有雷達(dá)踏板接口

1.1 雷達(dá)測(cè)速原理及接口描述

當(dāng)駝峰測(cè)速雷達(dá)以一個(gè)固定的頻率向在減速器上運(yùn)行的車(chē)輛發(fā)射連續(xù)信號(hào)時(shí)，如果目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)運(yùn)動(dòng)（接近或遠(yuǎn)離），則雷達(dá)收到的反射波會(huì)發(fā)生頻率變化，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度越快，接收頻率相對(duì)于發(fā)射頻率的變化量越大，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。引起的頻率變化量稱為多普勒頻率。

TW-2系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置在減速器前方或后方的駝峰測(cè)速雷達(dá)進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)采集，雷達(dá)接口電路如圖1所示，系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量雷達(dá)多普勒脈沖周期，進(jìn)而實(shí)時(shí)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)中的車(chē)輛在減速器上的走行速度。

1.2 計(jì)軸踏板原理及接口描述

TW-2系統(tǒng)的計(jì)軸踏板是駝峰自動(dòng)控制系統(tǒng)必要的基礎(chǔ)設(shè)備，用于計(jì)量鉤車(chē)軸數(shù)信息，一般選用無(wú)源車(chē)輪傳感器。

計(jì)軸踏板的基本工作原理就是電磁感應(yīng)。計(jì)軸踏板主體由感應(yīng)線圈和永磁鐵氧體構(gòu)成，感應(yīng)線圈處于永磁鐵氧體恒定磁場(chǎng)中，計(jì)軸踏板的感應(yīng)線圈兩端分別連接系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)板卡引出的DC 12 V電源。計(jì)軸踏板安裝在鋼軌的內(nèi)側(cè)，當(dāng)車(chē)輪經(jīng)過(guò)時(shí)，永磁鐵氧體恒定的磁場(chǎng)被擾動(dòng)，感應(yīng)線圈瞬間產(chǎn)生電流，感應(yīng)信號(hào)形式為正弦波，幅值為0.5～3 V，計(jì)軸踏板每經(jīng)過(guò)一個(gè)車(chē)輪就發(fā)給駝峰系統(tǒng)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)系統(tǒng)檢測(cè)處理后，就可以計(jì)算出鉤車(chē)輛數(shù)。系統(tǒng)踏板接口電路如圖1所示。

2 現(xiàn)有雷達(dá)踏板接口存在的問(wèn)題

TW-2系統(tǒng)雷達(dá)常規(guī)接口方式為：全場(chǎng)雷達(dá)的工作電源為DC 12 V，安裝在室外的駝峰測(cè)速雷達(dá)的信號(hào)電源采用機(jī)柜電流環(huán)的供電方式。全場(chǎng)駝峰測(cè)速雷達(dá)的DC 12 V的Z12為共用。TW-2駝峰測(cè)速雷達(dá)的采集原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖中前級(jí)光耦為雷達(dá)輸出光耦，由機(jī)柜直流開(kāi)關(guān)電源供電，雷達(dá)信號(hào)通過(guò)電纜傳輸?shù)綑C(jī)柜光耦，形成一個(gè)完整的電流環(huán)的環(huán)路。

TW-2系統(tǒng)踏板接口采集原理如圖3所示，其方式為機(jī)柜直流開(kāi)關(guān)電源為踏板信號(hào)供電，踏板感應(yīng)信號(hào)通過(guò)電纜傳輸?shù)綑C(jī)柜內(nèi)，形成一個(gè)完整的閉合回路。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程的實(shí)際使用，目前TW-2系統(tǒng)駝峰雷達(dá)測(cè)速和踏板計(jì)軸中存在以下問(wèn)題。

1）雷達(dá)電源共用問(wèn)題

雷達(dá)信號(hào)輸出的兩根芯線，其中一根為共用線，即DC 12 V的Z12，另一根線為獨(dú)立芯線，當(dāng)站場(chǎng)干擾信號(hào)較大時(shí)，每臺(tái)雷達(dá)兩根芯線上感應(yīng)的干擾信號(hào)的幅值不盡相同。機(jī)柜輸入光耦發(fā)光管的正負(fù)極輸入幅值不同的干擾信號(hào)，由于直流開(kāi)關(guān)電源DC 12 V的內(nèi)阻極小，正負(fù)極交流信號(hào)阻抗幾乎為零，易形成了雷達(dá)干擾，且這種干擾是一種差模干擾，難以消除。

2）機(jī)柜電源直接出樓的不隔離問(wèn)題

由于雷達(dá)信號(hào)機(jī)柜供電電流環(huán)的特點(diǎn)，并且雷達(dá)和踏板都需要共用電源，形成的機(jī)柜直流開(kāi)關(guān)電源出樓，易引起雷達(dá)和踏板的干擾。信號(hào)傳輸通道上發(fā)生異常接地，或者踏板絕緣層損壞造成的接地，都可能對(duì)雷達(dá)和踏板的采集造成影響。

3）峰上踏板丟軸問(wèn)題

TW-2型系統(tǒng)的峰上踏板采集為A、B機(jī)并聯(lián)方式。由于踏板工作電源與板卡直接連接，且感應(yīng)信號(hào)未經(jīng)處理直接并聯(lián)兩路采集電路，在踏板接地、性能下降和信號(hào)干擾等條件下，峰上踏板采集易出現(xiàn)丟軸問(wèn)題。

3 雷達(dá)踏板接口改進(jìn)方法

3.1 雷達(dá)采用獨(dú)立供電和光耦隔離

T.CL-2A型雷達(dá)可以通過(guò)雷達(dá)工作電源（AC 220 V）變換提供雷達(dá)信號(hào)供電的DC 12 V電源，信號(hào)供電電源可更改為雷達(dá)供電電流環(huán)方式，按照電源分散的原則將雷達(dá)信號(hào)供電由機(jī)柜供電電流環(huán)改為雷達(dá)供電電流環(huán)。雷達(dá)信號(hào)周期通斷信息的輸出由新增光耦完成，變化后的接口采集示意電路如圖4所示。

圖4中前級(jí)光耦為新增光耦，后級(jí)光耦為機(jī)柜光耦，在前級(jí)光耦的輸入端由于沒(méi)有共用線，兩根線上的干擾信號(hào)的幅值基本相等，實(shí)現(xiàn)差模干擾變?yōu)楣材８蓴_，而光耦前級(jí)對(duì)共模干擾有較強(qiáng)的抑制作用，可較大程度改善控制系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的接收條件。

3.2 采集工作電源和室外工作電源相互獨(dú)立、相互隔離

雷達(dá)接口電路改進(jìn)后，控制系統(tǒng)采集使用的DC 12 V經(jīng)雷達(dá)采集通道已不需出樓，而常用的無(wú)源踏板則需要信號(hào)電源。對(duì)此，為每臺(tái)踏板設(shè)計(jì)獨(dú)立的室外工作電源，該電源采用DC-DC變換器，將電源屏DC 24 V電源變換為DC 12 V踏板工作電源。同時(shí)，為減少峰上踏板丟軸問(wèn)題，對(duì)踏板信號(hào)增加一次信號(hào)濾波整形放大電路處理，通過(guò)運(yùn)算放大器比較后經(jīng)兩路新增光耦實(shí)現(xiàn)踏板信號(hào)雙輸出，解決峰上踏板信號(hào)未經(jīng)相關(guān)處理前并聯(lián)采集易丟軸的問(wèn)題。

3.3 采用獨(dú)立的雷達(dá)踏板接口單元盒

基于電源分散、光耦隔離的思路設(shè)計(jì)雷達(dá)踏板接口單元盒，雷達(dá)信號(hào)采集由機(jī)柜供電電流環(huán)更改為室外雷達(dá)自身供電電流環(huán)方式，實(shí)現(xiàn)每臺(tái)雷達(dá)電源獨(dú)立，針對(duì)踏板設(shè)置獨(dú)立電源經(jīng)雷達(dá)踏板接口盒變換后供室外踏板信號(hào)感應(yīng)使用，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)雷達(dá)、踏板信號(hào)采集工作電源和室外雷達(dá)、踏板工作電源相互獨(dú)立。同時(shí)對(duì)雷達(dá)踏板信號(hào)增加光耦隔離，且在雷達(dá)和踏板的輸入電路均增加低壓壓敏電阻，進(jìn)一步增加了室外信號(hào)的防雷效果。雷達(dá)踏板接口盒電路原理如圖5所示。

雷達(dá)踏板接口盒主要由運(yùn)放、光耦、DC-DC變換器、壓敏電阻等組成，全部器件安裝在一塊印制板上，放入安全型繼電器盒內(nèi)，設(shè)計(jì)電路如圖6所示。

通過(guò)光耦隔離方式完成保護(hù)功能，雷達(dá)踏板輸入信號(hào)與輸出信號(hào)占空比相同，頻率也相同，幅值則沒(méi)有比例關(guān)系。當(dāng)輸入電壓信號(hào)經(jīng)比較器輸出到光耦器件，光耦導(dǎo)通，模塊輸出高電平信號(hào)；當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，光耦關(guān)斷，模塊輸出低電平信號(hào)，輸入與輸出電源隔離。

當(dāng)輸入出現(xiàn)超高壓信號(hào)時(shí)，首先經(jīng)過(guò)防雷器件，同時(shí)隔離光耦也起保護(hù)作用，不會(huì)影響到輸出端的設(shè)備，從而保障了駝峰室內(nèi)設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。

4 工程應(yīng)用

4.1 雷達(dá)踏板接口電路工程設(shè)計(jì)修改

TW-2系統(tǒng)雷達(dá)踏板接口改進(jìn)后，需對(duì)工程設(shè)計(jì)電路圖進(jìn)行同步修改，雷達(dá)輸入接口電路圖和踏板接口電路圖分別如圖7所示。駝峰測(cè)速雷達(dá)需經(jīng)供電改造，同時(shí)為雷達(dá)踏板盒提供電源屏DC 24 V供電。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

改進(jìn)后的方案已經(jīng)在白羊墅、德州上行、臨沂、蘇家屯下行駝峰等站場(chǎng)使用。雷達(dá)踏板接口更改后，有效解決了駝峰場(chǎng)速度控制過(guò)程中雷達(dá)測(cè)速、踏板計(jì)軸的干擾問(wèn)題，接口改進(jìn)站場(chǎng)雷達(dá)曲線平滑，均未再發(fā)生雷達(dá)干擾問(wèn)題，接口改進(jìn)前后典型雷達(dá)曲線對(duì)比如圖8所示。

雷達(dá)踏板接口盒設(shè)置的信號(hào)LED顯示燈設(shè)置規(guī)范直觀，踏板脈沖計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，各路信號(hào)采集明晰，便于現(xiàn)場(chǎng)日常維護(hù)和故障判斷，現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于電源分散、光耦隔離設(shè)計(jì)的雷達(dá)踏板接口盒通過(guò)工程實(shí)踐應(yīng)用，有效解決了TW-2型駝峰控制系統(tǒng)測(cè)速設(shè)備雷達(dá)踏板信號(hào)干擾的問(wèn)題，可在后續(xù)的自動(dòng)化駝峰場(chǎng)中可進(jìn)一步推廣使用。