鐵路ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

李水明 邵長春 馮云智 黃鶯

摘要：針對軌道交通的轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路故障檢修訓(xùn)練難問題，文章設(shè)計了一款ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)的智能綜合實(shí)訓(xùn)平臺，介紹了該實(shí)訓(xùn)平臺的組成和工作原理，并論述了系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計方案，包括上位機(jī)和下位機(jī)故障設(shè)置設(shè)計方案。該實(shí)訓(xùn)平臺能快速設(shè)置電路故障，模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路故障現(xiàn)場。學(xué)生根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行檢測，然后在上位機(jī)作答并提交答卷。經(jīng)實(shí)踐驗證，該實(shí)訓(xùn)平臺有效解決了轉(zhuǎn)轍機(jī)的故障檢修訓(xùn)練和考核評分問題，大大提高了實(shí)訓(xùn)效率。

關(guān)鍵詞：軌道交通;轉(zhuǎn)轍機(jī);故障;實(shí)訓(xùn)平臺

中圖分類號：U284.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 039

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0145 - 04

0 引言

隨著我國城市軌道交通的飛速發(fā)展，對掌握軌道專業(yè)知識技能人才的需求越來越大。轉(zhuǎn)轍機(jī)是轉(zhuǎn)換道岔的重要設(shè)備，其是否正常工作關(guān)系到鐵路行車安全，轉(zhuǎn)轍機(jī)的正常運(yùn)行需要大量的專業(yè)技術(shù)人才進(jìn)行維修維護(hù)[1]。目前鐵路相關(guān)單位和職業(yè)院校對ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路的技能培訓(xùn)，通常只單獨(dú)使用ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)作為學(xué)員的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，學(xué)生在學(xué)習(xí)時只能查看設(shè)備，但對設(shè)備的故障現(xiàn)象和故障電路的狀態(tài)及故障的排查，很難得到訓(xùn)練。ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)是以380 V的三相交流電動機(jī)作為動力，帶動油泵轉(zhuǎn)動，以液壓方式驅(qū)動道岔轉(zhuǎn)換的機(jī)械[2]。轉(zhuǎn)轍機(jī)的日常故障往往由其控制電線或繼電器設(shè)備的斷路造成[3]。學(xué)生若要訓(xùn)練針對ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)的故障處理技能，教師需要斷開某個電路進(jìn)行故障設(shè)置，具體的方法是斷開某個線路或替換一個有故障的繼電器，人為設(shè)置故障。若要設(shè)置多個故障進(jìn)行訓(xùn)練，則非常繁瑣，工作量也非常巨大。學(xué)生對故障點(diǎn)的檢測完成后，教師對電路的故障進(jìn)行恢復(fù)又需要消耗大量的人力。

針對以上問題，本文研究設(shè)計了一套ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合考核實(shí)訓(xùn)平臺，提出采用PC端上位機(jī)控制下位機(jī)快速地設(shè)置ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制電路故障和對故障進(jìn)行恢復(fù)，同時系統(tǒng)能夠?qū)W(xué)生的故障檢測答題情況進(jìn)行評分。該實(shí)訓(xùn)平臺不僅能夠有效提高學(xué)生對ZYJ7型轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路系統(tǒng)的訓(xùn)練水平，而且能夠大大減輕教師的工作量。

1 轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)平臺的總體設(shè)計

本ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)平臺由上位機(jī)應(yīng)用程序和下位機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。上位機(jī)應(yīng)用程序主要由ZYJ7型轉(zhuǎn)轍機(jī)故障檢測與處理考核模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)控制和狀態(tài)表示模塊組成。下位機(jī)主要由STM32微處理控制模塊、通信電路模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)故障設(shè)置與恢復(fù)電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)檢測表示電路組成。上位機(jī)與下位機(jī)通信方式采用串口通信方式。轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)平臺的原理如圖1所示。

2 轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)平臺的硬件電路設(shè)計

2.1 STM32微處理器控制模塊硬件設(shè)計

本綜合實(shí)訓(xùn)平臺的下位機(jī)使用高性能、低功耗的STM32F103VET6微處理器作為控制核心。該處理器包含ARM Cortex - M3內(nèi)核，5個UART接口，主頻為72 MHz，80個通用1/0，工作電壓為3.3 V。下位機(jī)通過串口RS232的通信方式與上位機(jī)連接。

2.2 轉(zhuǎn)轍機(jī)故障設(shè)置與恢復(fù)電路設(shè)計

本故障設(shè)置與恢復(fù)電路模塊主要負(fù)責(zé)使轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路斷開或接通。轉(zhuǎn)轍機(jī)故障設(shè)置點(diǎn)部分電路如圖2所示，圓圈為可以設(shè)置故障點(diǎn)的位置。若需要設(shè)置圖中圓圈位置的故障點(diǎn)，由上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送指令，STM32處理器通過1/0口控制繼電器斷開轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制狀態(tài)，則產(chǎn)生故障。若需要恢復(fù)電路正常通路，STM32處理器通過1/0口控制繼電器閉合轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制狀態(tài)，則故障點(diǎn)消除，恢復(fù)正常通路。

該模塊主要由三極管、繼電器、光耦元件組成。STM32微處理器的1/0通過電阻R1與光耦U2連接，Q6為繼電器驅(qū)動三極管。如需要設(shè)置故障點(diǎn)時，STM32微處理器1/0口輸出低電平，光耦U2導(dǎo)通，Q1三極管導(dǎo)通驅(qū)動繼電器K1使ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制電路斷開，ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路故障形成。若需要恢復(fù)故障點(diǎn)時，STM32微處理器輸出高電平，Q1三極管截止，繼電器Kl閉合，故障點(diǎn)恢復(fù)。單個故障設(shè)置與恢復(fù)電路如圖3所示。

2.3 轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)檢測表示電路設(shè)計

本模塊主要向上位機(jī)實(shí)時提供ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)信息，包括定位、反位、四開狀態(tài)信息。STM32微處理器通過1/0口實(shí)時讀取轉(zhuǎn)轍機(jī)的表示繼電器的電平，判斷道岔在定位、反位或四開狀態(tài)，通過檢測DBJ道岔定位表示繼電器和FBJ道岔反位表示繼電器是否吸起，判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)信息。下位機(jī)STM32處理器通過PJ0 1/0口讀取定位表示繼電器DBJ是否吸起，若定位表示繼電器吸起，則輸出低電平。由于轉(zhuǎn)轍機(jī)表示電路的電壓為24 V，需要利用EL357光耦進(jìn)行隔離電平，轉(zhuǎn)換為3.3 V。轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)采集電路如圖4所示。

3 轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合考核實(shí)訓(xùn)平臺的軟件設(shè)計

本綜合考核實(shí)訓(xùn)平臺的上位機(jī)應(yīng)用程序在PC端運(yùn)行，下位機(jī)應(yīng)用程序在STM32微處理器中運(yùn)行。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

本實(shí)訓(xùn)平臺的下位機(jī)采用嵌入式FreeRTOS實(shí)時系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)。FreeRTOS系統(tǒng)是一個可裁剪、輕量級、多任務(wù)、開源免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng)?；贔reeRTOS操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)考核實(shí)訓(xùn)平臺下位機(jī)的要求需要建立5個主要任務(wù)：創(chuàng)建初始化任務(wù)、故障設(shè)置與恢復(fù)控制任務(wù)、ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)檢測任務(wù)、轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換控制任務(wù)和上位機(jī)通信任務(wù)。通過使用FreeRTOS操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度器高效處理各個任務(wù)。

（1）初始化任務(wù)主要是完成串口通信、定時器、配置1/0口、系統(tǒng)時鐘、開始任務(wù)的調(diào)度初始化和創(chuàng)建其他任務(wù)。

（2）故障設(shè)置與恢復(fù)控制任務(wù)主要是負(fù)責(zé)識別上位機(jī)指令，通過繼電器將轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路開路設(shè)置故障和將繼電器閉合恢復(fù)電路正常。

（3）ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)檢測任務(wù)主要是負(fù)責(zé)實(shí)時采集ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)的定位表示繼電器和反位表示繼電器電平發(fā)送到上位機(jī)。

（4）轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換控制任務(wù)主要是負(fù)責(zé)接收上位機(jī)控制轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換的指令，驅(qū)動轉(zhuǎn)轍機(jī)定位或反位。

（5）和上位機(jī)通信任務(wù)主要是負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信。任務(wù)4轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)動時，接收到反向運(yùn)動轉(zhuǎn)換指令，等待轉(zhuǎn)換完成再執(zhí)行。

3.2 上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計

上位機(jī)應(yīng)用程序是轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的控制核心，它需要完成轉(zhuǎn)轍機(jī)電路的故障點(diǎn)設(shè)置、故障點(diǎn)的恢復(fù)、轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)檢測顯示、學(xué)生實(shí)訓(xùn)考核答題情況分?jǐn)?shù)統(tǒng)計等。為了軟件界面友好和提高可移植性，采用基于WPF技術(shù)構(gòu)建上位機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)[12-13]。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖6所示。

綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)建在Windows操作系統(tǒng)之上，由于工控電腦集成了串行通信接口，上位機(jī)通過UART串口很方便地與下位機(jī)進(jìn)行通信。

（1）控制電路的故障點(diǎn)設(shè)置與恢復(fù)模塊的主要功能為對電路故障的設(shè)置與恢復(fù)。本實(shí)訓(xùn)平臺上位機(jī)端為每一個電路故障點(diǎn)的位置進(jìn)行了編號，若需要設(shè)置轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路的故障，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送需要設(shè)置故障點(diǎn)的編號指令，下位機(jī)接收到命令后，斷開指定編號的電路，產(chǎn)生故障。若需要實(shí)訓(xùn)考核，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后即可設(shè)置電路故障開始實(shí)訓(xùn)考核。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示。學(xué)生在考核答題時，首先使用儀表對轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路故障點(diǎn)進(jìn)行檢測，確定故障點(diǎn)位置，然后在PC端上位機(jī)軟件的電路圖上選中認(rèn)為是故障點(diǎn)的編號，并提交。本實(shí)訓(xùn)平臺可以同時設(shè)置多個故障點(diǎn)，考核結(jié)束后上位機(jī)根據(jù)學(xué)生作答的情況進(jìn)行評分。上位機(jī)故障檢測與處理考核作答界面如圖8所示。

（2）轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換和狀態(tài)檢測顯示模塊負(fù)責(zé)實(shí)時向下位機(jī)讀取ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)并顯示。如果在轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換電路沒有故障的情況下，學(xué)生可以通過該模塊控制轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)轍機(jī)的位置。轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)顯示及控制界面如圖9所示。

（3）實(shí)訓(xùn)考核答題模塊負(fù)責(zé)設(shè)定考核參數(shù)，包括考核時長、總分、單個錯誤修復(fù)扣分、單個漏查故障點(diǎn)扣分等。學(xué)生先檢測故障點(diǎn)的位置，然后在上位機(jī)軟件上的電路圖選擇認(rèn)為故障點(diǎn)的編號。考核結(jié)束后，軟件根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行評分并指出錯誤的地方。

4 ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)故障設(shè)置設(shè)計

學(xué)生對ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路的故障檢測與處理，主要通過萬用表的電壓測量法來檢測判別故障點(diǎn)的位置。故障點(diǎn)設(shè)置主要分為定位、反位表示和轉(zhuǎn)轍機(jī)不能轉(zhuǎn)換三大類。

5 實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合考核實(shí)訓(xùn)平臺在進(jìn)行考核前，教師提前輸入考核的時長、總分、單個故障點(diǎn)錯誤修復(fù)扣分、單個漏查故障點(diǎn)扣分、故障點(diǎn)設(shè)置信息等。學(xué)生點(diǎn)擊開始考核按鍵?？己藢?shí)訓(xùn)平臺根據(jù)設(shè)置的故障點(diǎn)，在轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制電路中產(chǎn)生電路故障，學(xué)生利用儀表對照控制電路的電路圖進(jìn)行查找，并確定故障點(diǎn)的位置，然后在上位機(jī)軟件上選中查找到的故障點(diǎn)編號，最后提交答案。在考核結(jié)束后，上位機(jī)軟件根據(jù)教師設(shè)置的分值和故障點(diǎn)編號與學(xué)生作答的選擇故障點(diǎn)編號進(jìn)行評分并恢復(fù)電路正常。ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合考核實(shí)訓(xùn)平臺上位機(jī)界面如圖10所示，實(shí)訓(xùn)平臺現(xiàn)場如圖11所示。

經(jīng)過大量的師生考核實(shí)訓(xùn)測試，該綜合實(shí)訓(xùn)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)故障點(diǎn)的設(shè)置、恢復(fù)、評分考核功能。

6 結(jié)語

實(shí)踐表明，ZYJ7轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合考核實(shí)訓(xùn)平臺能根據(jù)需求設(shè)置轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制電路故障，并在故障檢測與處理完成后能夠迅速對故障進(jìn)行恢復(fù)。學(xué)生可利用實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行反復(fù)的故障模擬、故障排查訓(xùn)練。實(shí)訓(xùn)平臺在模擬故障時，不需要破壞轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路，同時能根據(jù)答題情況進(jìn)行評分和指出故障排查的錯誤點(diǎn)。本綜合考核實(shí)訓(xùn)平臺在教學(xué)中能有效提高鐵路設(shè)備維修實(shí)操的效率。

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作者簡介：李水明（1983- ），碩士，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、軌道交通。

基金項目：2017年校級課題項目（201 7 - A03）;2018年校級課題項目（2018 - KJAlO）;2018年廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊及卓越學(xué)者計劃資助（桂教人[201814號）