聯(lián)鎖道岔電子控制模塊的電路設(shè)計(jì)

王坤 翟嘉豪 鄧詩云

摘要：文章基于我國軌道交通現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了道岔以及進(jìn)路中道岔的作用，并對鐵路道岔的控制模塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。其中，主要針對道岔控制模塊中的轉(zhuǎn)轍機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、啟動(dòng)電路、表示電路、監(jiān)控與故障報(bào)警電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，同時(shí)符合鐵路運(yùn)輸“故障安全”的基本原則，最終實(shí)現(xiàn)對道岔的安全控制。

關(guān)鍵詞：軌道交通；道岔；轉(zhuǎn)轍機(jī)

中圖法分類號(hào)：U284 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

１ 研究的背景及意義

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國家在鐵路建設(shè)上投入的不斷加大，鐵路已逐漸成為一種常態(tài)化、大眾化的交通方式，在我國的運(yùn)輸業(yè)中占有較大比重。與此同時(shí)，由于鐵路向高效、舒適的方向發(fā)展，從而對鐵路的高效性、安全性以及可靠性的要求也越來越高。

道岔控制模塊是道岔切換過程中重要的控制部分，其運(yùn)行是否正常直接影響整個(gè)鐵路線路運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

但在軌道交通信號(hào)設(shè)備中，道岔控制電路的故障發(fā)生率是最高的，并且難以發(fā)現(xiàn)，是制約鐵路安全發(fā)展的重要因素。

本文基于我國軌道交通現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了道岔以及進(jìn)路中道岔的作用，并對鐵路道岔的控制模塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。其中，主要針對道岔控制模塊中的轉(zhuǎn)轍機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、啟動(dòng)電路、表示電路、監(jiān)控與故障報(bào)警電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，同時(shí)符合鐵路運(yùn)輸“故障?安全”的基本原則，最終實(shí)現(xiàn)對道岔的安全控制。

２ 控制模塊電路

２．１ 驅(qū)動(dòng)電路

本文針對轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制系統(tǒng)的特殊性，以及道岔動(dòng)作電路時(shí)鐘受計(jì)算機(jī)監(jiān)控，在無動(dòng)作命令時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)不能進(jìn)行任何動(dòng)作命令，分析設(shè)計(jì)了對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路。該控制模塊轉(zhuǎn)換道岔的驅(qū)動(dòng)是連續(xù)驅(qū)動(dòng)多個(gè)固定寬度脈沖，并且在確定是否滿足高、低、穩(wěn)脈沖寬度要求的脈沖之后，該脈沖被作為一個(gè)有效的脈沖驅(qū)動(dòng)，受到加密鎖定電路所生成的許可狀態(tài)的控制。獨(dú)立控制線如下：（１）定控（ＤＫ）或反控（ＦＫ）；（２）控制回線（ＫＨ）；（３）道岔動(dòng)作正電源（ＤＺ）；（４）道岔動(dòng)作負(fù)電源（ＤＦ）［１］ 。

模塊驅(qū)動(dòng)電路示意圖如圖１ 所示。

道岔定位的動(dòng)態(tài)開出組合是“ＤＫ＋ＫＨ＋ＤＺ＋ＤＦ”，即在４ 個(gè)以上的開關(guān)全開的情況下，才能將道岔轉(zhuǎn)向位置。道岔反位的動(dòng)力開出組合是“ＦＫ＋ＫＨ＋ＤＺ＋ＤＦ”，即在４ 個(gè)以上的開關(guān)全開的情況下，才能實(shí)現(xiàn)反向切換。開關(guān)的位置和反向動(dòng)作應(yīng)在４ 個(gè)開孔的狀態(tài)下同時(shí)開啟，在一條控制線路貫通時(shí)不會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。

２．２ 啟動(dòng)電路

道岔控制模塊的受控對象是四線制電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)，本文以Ｓ７００Ｋ 型轉(zhuǎn)轍機(jī)作為研究對象。其最大的特征是無觸點(diǎn)控制電路，可完成對道岔操作指令的控制，以及對道岔信號(hào)的采集。該系統(tǒng)在滿足計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)規(guī)范規(guī)定的功能的同時(shí)，還具有定位和發(fā)現(xiàn)故障的能力。該道岔控制模塊充分考慮了容錯(cuò)和“故障?安全”２ 個(gè)方面：采用“二取二”的冗余結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力；為保證道岔控制的安全性，采用“敵對信號(hào)”探測技術(shù)和快速反饋的硬件保護(hù)技術(shù)。

道岔控制模塊是整個(gè)電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心部分，主要完成道岔位置的切換和狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。

該模塊從聯(lián)鎖主機(jī)接收道岔操作指令，并能將道岔準(zhǔn)確、可靠地切換至對應(yīng)位置；還可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取道岔的位置表達(dá)信息和目前的狀態(tài)信息；能夠?qū)崿F(xiàn)故障檢測、定位、診斷和報(bào)警等輔助功能［２］ 。

啟動(dòng)電路動(dòng)作順序道岔控制電路包括啟動(dòng)電路和表示電路２ 個(gè)部分，啟動(dòng)是轉(zhuǎn)轍器在切換和閉合過程中的運(yùn)行，目的在于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍器的正常切換［３～４］ 。

根據(jù)電路組成，啟動(dòng)電路可劃分為１ ＤＱＪ 勵(lì)磁和自閉、２ ＤＱＪ 轉(zhuǎn)極電路。根據(jù)繼電器的工作邏輯，可以將其劃分為２ 種類型：室內(nèi)電路和電機(jī)控制電路。ＺＦＡ與ＣＡ 被同時(shí)按壓時(shí)，其時(shí)序邏輯關(guān)系表示如圖２所示。

以道岔從反位轉(zhuǎn)為定位為例，當(dāng)反位第二接點(diǎn)和四排接點(diǎn)閉合，與啟動(dòng)電路的工作流程進(jìn)行比較，分析過程如下。

在１ ＤＱＪ 的勵(lì)磁作用下，對應(yīng)的１ ＤＱＪＦ 也會(huì)被吸引。在２ ＤＱＪ 完成轉(zhuǎn)極后，三相操作電源通過斷相保護(hù)ＤＢＱ 和繼電器１ ＤＱＪ，１ ＤＱＪＦ，２ ＤＱＪ 的接點(diǎn)由Ｘ１，Ｘ２，Ｘ５ 線發(fā)送到戶外。當(dāng)轉(zhuǎn)轍器的二列接頭斷開時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)的電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，并切斷反向顯示電路，使第一行接頭接通。這時(shí)，ＢＨＪ 開始吸入，打開１ ＤＱＪ的閉合電路。當(dāng)?shù)啦韯?dòng)作至位置時(shí)，第四行接頭斷開，道岔動(dòng)作回路斷開， ＢＨＪ 失磁下降，１ ＤＱＪ 和１ ＤＱＪＦ依次落下，接通位置顯示電路。

圖３ 為（反位?定位）啟動(dòng)電路。

道岔由定位向反位動(dòng)作時(shí)，原理同上，區(qū)別在于道岔向反位轉(zhuǎn)換時(shí)使用Ｘ１，Ｘ３，Ｘ４ 溝通電路。圖４ 為（定位?反位）啟動(dòng)電路。

２．３ 表示電路

道岔表示電路是將道岔變換后的狀態(tài)和位置映射到電路中，最終通過計(jì)算機(jī)界面?zhèn)鬏斨琳緢鲋蛋嗳藛T。值班人員通過表示電路來判斷道岔是否符合指定的要求，即道岔是否處于規(guī)定位置。定位表示電路如圖５ 所示。

其工作原理如下：若ＡＣ 電流在正弦的上半周時(shí)，則代表變壓器ＢＢ 的次級端４ 是正電極，而３ 是負(fù)電極。此時(shí)，當(dāng)電流經(jīng)過定位表示繼電器分支時(shí)，它的流動(dòng)方向是Ⅱ４ →１ ＤＱＪ 觸點(diǎn)（１３?１１）→Ｘ１ →電動(dòng)機(jī)Ａ 線圈→電動(dòng)機(jī)Ｃ 線圈→觸點(diǎn)（１２?１１）→Ｘ４→ＤＢＪ（１?４）→２ ＤＱＪ（１３２?１３１）→１ ＤＱＪ（２１?２３）→Ｒ１→Ⅱ３。同時(shí)，由于二極管的逆斷特性，半波整流二極管的電流幾乎為０。若交流電處于正向下半周時(shí)，則表示變壓器ＢＢ 次級側(cè)３ 是正電極，４ 是負(fù)電極，電流經(jīng)過半波整流二極管分支時(shí)，電流流到Ⅱ３ →Ｒ１ →１ ＤＱＪ 觸點(diǎn)（２３?２１）→２ ＤＱＪ 觸點(diǎn)（１３１?１３２）→１ ＤＱＪＦ 觸點(diǎn)（１３?１１）→２ ＤＱＪ 觸點(diǎn)（１１１?１１２）→Ｘ２ 觸點(diǎn)（３１?３２，１５?１６）→Ｚ→Ｒ→Ｘ２ 觸點(diǎn)（３４?３３）→Ｚ→Ｒ→Ｘ２ 觸點(diǎn)（３４?３３）→馬達(dá)Ｂ 線圈→Ｘ１ →馬達(dá)Ａ 線圈→Ｘ１ →Ｘ１ →１ ＤＱＪ觸點(diǎn)（１１?１３）→Ⅱ４。另外，在位置指示的繼電器分支上，ＤＢＪ 仍有勵(lì)磁作用，由于電流主要經(jīng)過半波整流二極管分支，但是ＤＢＪ 線圈具有較高的感抗，使得它與二極管的正向接通形成一個(gè)閉環(huán)回路，自感應(yīng)電流的方向與偏置繼電器的吸流方向相同，因此它仍處于吸起狀態(tài)。反位表示電路如圖６ 所示。

其工作原理如下： 若ＡＣ 電流在正弦的上半周，則表示變壓器ＢＢ 次級端４ 是正電極，而３ 是負(fù)電極。

當(dāng)電流經(jīng)過半波整流二極管分支時(shí)，它的流動(dòng)方向是Ⅱ４→１ ＤＱＪ（１３?１１）→Ｘ１→電動(dòng)機(jī)Ａ 繞組→電動(dòng)機(jī)Ｂ繞組→Ｘ３ 觸點(diǎn)→Ｚ→Ｒ→Ｘ３ （４６?４５，２２?２１） →Ｘ３ →２ ＤＱＪ（１２３?１２１）→１ ＤＱＪＦ（２１?２３）→２ ＤＱＪ（１３３?１３１）→１ ＤＱＪ（２１?２３）→Ｒ１ →Ⅱ３。二極管此時(shí)正向接通。

同時(shí)，在定位表示繼電器的繼電器分支上，ＦＢＪ 仍勵(lì)磁吸起，由于電流主要經(jīng)過半波整流二極管分支，但ＦＢＪ 線圈具有較高的感抗，它會(huì)和二極管正向接通并形成一個(gè)閉環(huán)，進(jìn)而形成一種自感應(yīng)電流，這種自感應(yīng)電流的方向和偏置保護(hù)裝置的吸力方向是一致的，因此它一直處于吸起狀態(tài)。若ＡＣ 電流處于正弦的下半周，則表示變壓器ＢＢ 次級側(cè)３ 是正電極，而４ 是負(fù)電極。當(dāng)電流經(jīng)過指示繼電器分支時(shí)，電流的流動(dòng)方向是Ⅱ３ →Ｒ１ →１ ＤＱＪ 觸點(diǎn)（２３?２１） →２ ＤＱＪ 觸點(diǎn)（１３１?１３３）→ＦＢＪ 觸點(diǎn)（１?４）→Ｘ５→Ｘ５ 觸點(diǎn)（４１?４２）→電動(dòng)機(jī)Ｃ 繞組→電動(dòng)機(jī)Ａ 繞組→Ｘ１→１ ＤＱＪ（１１?１３）→Ⅱ４。另外，由于二極管的反向截至特性，半波整流二極管的電流幾乎為０。反向位顯示電路的工作原理與位置顯示電路基本一致，不同之處是用Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４構(gòu)成定位表示電路，相反的位置用Ｘ１，Ｘ３，Ｘ５ 構(gòu)成反位表示電路。

３ 道岔控制模塊的性能分析

３．１ 道岔控制模塊的功能需求

根據(jù)鐵路道岔基礎(chǔ)設(shè)備的功能需要，結(jié)合我國有軌道交通道岔控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，道岔控制模塊應(yīng)具備以下功能：（１）根據(jù)道岔轉(zhuǎn)轍器在現(xiàn)場的實(shí)際控制狀況，必須對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)；（２）該模塊應(yīng)具備自動(dòng)監(jiān)測、自我診斷、異常報(bào)警、故障定位、故障報(bào)警等功能；（３）道岔控制模塊接受的控制命令，必須對現(xiàn)場的動(dòng)作設(shè)施進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?；（４）道岔控制模塊能夠?yàn)槠渌O(jiān)控維護(hù)裝置、系統(tǒng)傳輸相應(yīng)的資料。

３．２ 道岔控制模塊的安全性

為確保線路的安全性和可靠性，在道岔控制系統(tǒng)中，采用了冗余技術(shù)。通過將２ 個(gè)模塊的信號(hào)結(jié)合，形成一種故障辨識(shí)的控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，即雙機(jī)切換開關(guān)。該方法是以故障自檢為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了２ 個(gè)模塊之間無需進(jìn)行嚴(yán)格的同步。二模塊冗余系統(tǒng)要具備以下功能：能夠識(shí)別出哪些模塊出現(xiàn)故障；在發(fā)現(xiàn)故障后，能夠及時(shí)啟動(dòng)２ 臺(tái)機(jī)器的切換功能，從而將故障模塊的輸出與系統(tǒng)的輸出隔離。根據(jù)不同的故障檢測手段，采用不同的動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：王坤（１９９９—），本科，研究方向：軌道交通信號(hào)與控制。