數(shù)字化轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器研究

但春華 馬 力 朱紅崗

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明650200）

1 概述

目前，城市軌道車站轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器由繼電器組合而成，體積大（每個(gè)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器由數(shù)十個(gè)鐵路信號(hào)繼電器組成），制造及維護(hù)成本高。通過該項(xiàng)目研究提出一型數(shù)字化轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器設(shè)計(jì)方法，同時(shí)樣機(jī)滿足學(xué)院城市軌道交通實(shí)訓(xùn)基地轉(zhuǎn)轍機(jī)自動(dòng)控制教學(xué)需要。

2 樣機(jī)設(shè)計(jì)

為節(jié)約開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)成本，樣機(jī)控制板選用市購開發(fā)板，接口板采用2.54mm 間距萬能試驗(yàn)板焊接，驅(qū)動(dòng)電路采用底座加壓接方式安裝。

2.1 技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器原理樣機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：2.1.1 2 路數(shù)字量輸出：分別控制DCJ（定位操縱繼電器）、FCJ（反位操縱繼電器）；輸出量采用光耦隔離+直流繼電器驅(qū)動(dòng)方式，直流繼電器電平為24V，電流不小于100mA（HH54P 繼電器線圈阻抗約為576Ω）；2.1.2 3 路數(shù)字量輸入：分別為IN_DB（定位操縱到位：定標(biāo)）、IN_FB（反位操縱到位：反標(biāo)），BHJH（缺相保護(hù)信號(hào)），輸入量均采用光耦隔離；2.1.3 能通RS-485 總線與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器通過RS-485 總線接收軌道交通綜合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)（以下簡稱仿真系統(tǒng)）發(fā)送的選岔命令，并通過RS-485 總線將定標(biāo)及反標(biāo)狀態(tài)發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)；2.1.4 具有三相異步電機(jī)缺相保護(hù)功能；2.1.5 具有道岔故障時(shí)，電機(jī)30s后停止及報(bào)警功能。

2.2 樣機(jī)控制板選擇

轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器采用STM32F407VET6 開發(fā)板卡。該開發(fā)板內(nèi)置高速串行通信接口，只需在開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)RS-485 串口通訊（開發(fā)板自帶RS-485 驅(qū)動(dòng)接口電路）及I/O 功能，便可與仿真系統(tǒng)RS-485 總線通訊，從而實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)通過總線控制轉(zhuǎn)轍機(jī)按指令動(dòng)作，并且轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器通過RS-485 總線將定位操縱到位、反位操縱到位及缺相保護(hù)等3 狀態(tài)傳送給仿真操控臺(tái)。STM32F407VET6 是一款基于ARM CORTEX-M4 系列具有高性價(jià)比控制器開發(fā)板。STM32F407 集成了新的DSP 和FPU 指令，時(shí)鐘頻率168MHz。210DMIPS@168MHz ，1MB FLASH，192Kb SRAM：128KB 在總線矩陣上，64KB 在專為CPU 使用的數(shù)據(jù)總線上，USB OTG 高速 480Mbit/s ，IEEE1588，以太網(wǎng) MAC 10/100 ，PWM高速定時(shí)器：168MHz 最大頻率，低電壓：1.8V到3.6V VDD，全雙工I2C，12 位 ADC：0.41us 轉(zhuǎn)換/2.4Msps（7.2Msps 在交替模式），高速USART，可達(dá)10.5Mbits/s ，高速SPI，可達(dá)37.5Mbits/s。開發(fā)板上集成了項(xiàng)目控制器所需的所有硬件資源，無需外擴(kuò)內(nèi)存、通信接口及I/O 接口。

2.3 外圍驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)

2.3.1 轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器采用STM32F407VET6 開發(fā)板卡+自制驅(qū)動(dòng)接口板方式實(shí)現(xiàn)。2.3.2 數(shù)字量輸出由開發(fā)板I/O 口+光耦隔離+電磁繼電器(HH54P)隔離輸出；2.3.3 數(shù)字量輸入經(jīng)光耦MOCD213-M隔離后與單片機(jī)I/O 口相連。2.3.4 斷相保護(hù)采用DBQ-S 型限時(shí)斷相保護(hù)器實(shí)現(xiàn)，該斷相保護(hù)器技術(shù)特征如下：a.輸入電壓:AC380V 50HZ 三相；b.輸入電流 AC1.0～5.0A；c.輸出電壓 DC24V±1V；d.缺相輸出電壓≤0.1V；e.限時(shí)動(dòng)作30s±0.5S（30s 后輸出直流電壓小于0.1V）。2.3.5 電源系統(tǒng):開發(fā)板及外擴(kuò)I/O 供電通過AC/DC 模塊實(shí)現(xiàn)，AC/DC 模塊輸出+24V,2.5A；DC/DC 模塊輸出+5V，1A。

轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)板原理圖如圖1-2 所示。

圖1 斷相保護(hù)器及電動(dòng)機(jī)控制原理圖

圖2 定/反標(biāo)到位控制原理圖

樣機(jī)硬件設(shè)計(jì)說明：a.DBQ11/DBQ21 斷相保護(hù)器、當(dāng)三相電出現(xiàn)斷相情況時(shí)，1、2 腳無電平輸出，繼電器K13 失電，光耦B1不導(dǎo)通，信號(hào)（24VGBH）送控制板采集，控制板及時(shí)發(fā)出斷轉(zhuǎn)轍機(jī)供電指令；此外，該斷相保護(hù)器具有30s 限時(shí)動(dòng)作及報(bào)警功能。b.繼電器K11 控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，繼電器K12 控制轉(zhuǎn)轍機(jī)反轉(zhuǎn)，動(dòng)作過程中控制板發(fā)出指令保持低電平，當(dāng)控制板輸出指令轉(zhuǎn)換為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)電動(dòng)機(jī)斷電。c.ZD（J）9 電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)12 腳與W 相控制反轉(zhuǎn)到位，42 腳與W 相控制反轉(zhuǎn)到位[1-2]，交流繼電器K4/K5 用于表示轉(zhuǎn)轍機(jī)定/反操到位時(shí)斷開定/反操控制指令，進(jìn)而使轉(zhuǎn)轍機(jī)斷電；B2/B3 起光電隔離作用，用于隔離定/反操到位信號(hào)。d.光轉(zhuǎn)轍機(jī)正/反轉(zhuǎn)（定/反操）采用控制板輸出指令控制，經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動(dòng)直流電磁繼電器控制方式。e.控制器采用AC/DC 模塊，將外部交流220V 轉(zhuǎn)為直流24V，作為控制器外部輸入電源。f.采用直流24V 轉(zhuǎn)5V DC/DC 模塊為控制板供電。

2.4 安全性設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器樣機(jī)采用了以下安全保護(hù)措施：2.4.1 三相電接入采用10A 空開保護(hù)；2.4.2 每相線路均串入5A 熔斷器進(jìn)行過流保護(hù)；2.4.3 采用斷相保護(hù)器進(jìn)行缺相保護(hù), 具備30s 限時(shí)動(dòng)作保護(hù)及報(bào)警功能；2.4.4 控制板輸入輸出均采用光耦隔離；2.4.5 控制器軟件具備定/反位操縱互鎖功能。

3 軟件流程設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)轍機(jī)軟件操作流程：

3.1 轉(zhuǎn)轍機(jī)軟件初始化，初始化RS-485 通訊串口，數(shù)字量輸出指令置高電平，數(shù)字量輸入指令置高電平。

3.2 轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器通過RS-485 總線接收到仿真系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作指令；

3.3 轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器隨即發(fā)出定/反位操縱動(dòng)作指令，且動(dòng)作指令一直保持低電平有效，直至定/反操到位或缺相保護(hù)狀態(tài)發(fā)生；

3.4 當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作到位時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器采集到定/反標(biāo)到位信號(hào)，轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器隨即撤銷定/反操動(dòng)作指令，定/反操繼電器失電，轉(zhuǎn)轍機(jī)電動(dòng)機(jī)隨即停止轉(zhuǎn)動(dòng)；

3.5 當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作過程中出現(xiàn)斷相情況時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器采集到缺相保護(hù)指令，轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器隨即撤銷定/反操動(dòng)作指令，定/反操繼電器失電，轉(zhuǎn)轍機(jī)電動(dòng)機(jī)隨即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，斷三相電源后手動(dòng)操作轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 斷相保護(hù)電路

樣機(jī)設(shè)計(jì)過程中，保留了原轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器所使用的斷相保護(hù)器，其外形尺寸：165mm×49mm×163mm，與現(xiàn)有鐵道信號(hào)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器信號(hào)繼電器的體積等同；重量：1.2Kg，體積大，重量重。優(yōu)化設(shè)計(jì)擬采用三只小型電流互感器代替斷相保護(hù)器，如DL-CT1010A，其體積為24.5mm×12.5mm×25mm，采用三路12bit A/D 采集（如控制板A/D 通道不夠，采用模擬開關(guān)切換方式，只需一路12bit A/D 即可實(shí)現(xiàn)8 路模擬量采集），該方式可有效替換現(xiàn)有斷相保護(hù)器功能，此技術(shù)方案在變頻器中廣泛應(yīng)用，在此不再贅述。

4.2 轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作到位采集電路

現(xiàn)有ZD（J）9 電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)定/反標(biāo)到位觸點(diǎn)帶AC 380V 交流電[1-2]。采用數(shù)字化轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器后，定/反標(biāo)到位觸點(diǎn)供24V直流電，用于表示位置轉(zhuǎn)換到位后標(biāo)志狀態(tài)采集，并且現(xiàn)有電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)電路均可刪減，僅保留電動(dòng)機(jī)接線及位置轉(zhuǎn)換行程開關(guān)即可。至于道岔進(jìn)路信號(hào)邏輯，只需給每個(gè)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器分配固定ID,再由車站調(diào)度軟件對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器進(jìn)行邏輯組合控制，即可完成各種道岔進(jìn)路信號(hào)邏輯表示。

4.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

數(shù)字化轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器內(nèi)部集成了380V 交流，因此需對(duì)控制板進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，擬采用的電磁兼容性設(shè)計(jì)方法有：4.3.1將控制板弱電部分與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板強(qiáng)電部分分開布置；4.3.2 控制板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)板之間增加電磁屏蔽層；4.3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板布局時(shí)控制信號(hào)線盡量遠(yuǎn)離交流強(qiáng)電線；4.3.4 RS-485 總線采用屏蔽雙絞線或光纖電纜；4.3.5 采用鋁合金外殼。

4.4 控制板設(shè)計(jì)

基于數(shù)字化轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器信號(hào)處理容量較小，控制器處理芯片只需滿足以下幾個(gè)基本要求即可：

4.4.1 具有UART 接口；4.4.2 具有12bit A/D 接口；4.4.3 數(shù)字量I/O 口不少于8 路；4.4.4 片上flash 不小于64k，RAM 不小于256K，運(yùn)算能力不小于10DMIPS；4.4.5 具有休眠模式，以提高控制器使用壽命。此外，控制器采用雙處理器互為熱備份，以提高系統(tǒng)可靠性。整個(gè)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器優(yōu)化后體積大概為120mm×120mm×90mm，其中控制板高度約20mm，兩塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)板每塊高度約35mm，大約等同于現(xiàn)有鐵路轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器一個(gè)信號(hào)繼電器的體積；數(shù)字化轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器選用商用現(xiàn)貨器件(COTS)，整個(gè)數(shù)字化轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器成本約估等同于一個(gè)信號(hào)繼電器價(jià)格，即數(shù)字化轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器成本與體積均為現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器的幾十分之一。

5 結(jié)論

本文主要論述了數(shù)字化轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器樣機(jī)硬件及軟件流程設(shè)計(jì)，同時(shí)從安全性、電磁兼容性及小型化低成本等方面對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器進(jìn)行了優(yōu)化論證。由于本人水平有限，本文僅從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度論證數(shù)字化轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器小型化、低成本的可行性，不足之處請(qǐng)行業(yè)專家批評(píng)指正！