鐵路信號室內(nèi)通用電路測試系統(tǒng)設(shè)計

劉春平

(中國鐵建電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030023)

1 引言

在鐵路信號設(shè)備調(diào)試以及電務(wù)段驗收過程中，需要通過模擬室外信號設(shè)備(信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)和軌道電路)來測試室內(nèi)聯(lián)鎖和列控系統(tǒng)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)聯(lián)鎖和列控系統(tǒng)的邏輯錯誤和安裝問題[1－2]。目前傳統(tǒng)的模擬測試裝置通用性差、測試效率低[3－4]。根據(jù)現(xiàn)場實際需求，利用計算機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù)研究調(diào)試效率高的通用模擬調(diào)試系統(tǒng)具有比較現(xiàn)實的研究意義。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

鐵路信號室內(nèi)電路測試系統(tǒng)包含上位機(jī)及下位機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)用于繪制站場圖、接受顯示狀態(tài)信息以及發(fā)送控制模擬信號設(shè)備狀態(tài)指令。下位機(jī)主要由模擬信號設(shè)備板卡與主控板卡組成。其中模擬信號設(shè)備板卡用于模擬真實室外信號設(shè)備并接入室內(nèi)分線盤，執(zhí)行室內(nèi)聯(lián)鎖控制。主控板卡作為上位機(jī)模擬信號設(shè)備之間的溝通橋梁，一方面主控板卡通過采集室外信號設(shè)備狀態(tài)，使用無線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行室外信號設(shè)備狀態(tài)展示；另一方面主控板卡接收并解析上位機(jī)的指令，控制室外信號設(shè)備狀態(tài)，達(dá)到調(diào)試的目的。

圖1 鐵路信號室內(nèi)電路測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

鐵路信號室內(nèi)電路測試系統(tǒng)下位機(jī)硬件部分主要由主控板卡、模擬信號機(jī)板卡、模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡以及模擬軌道電路板卡組成。為使各獨立板卡能夠互相連接，設(shè)計了板卡級聯(lián)電路，可使板卡級聯(lián)擴(kuò)展為不同車站拓?fù)?。同時為對各類板卡進(jìn)行區(qū)分，設(shè)計了板卡編址電路。

3.1 主控板卡設(shè)計

主控板由STM32F407最小系統(tǒng)以及外圍接口組成，用于連接上位機(jī)以及模擬室外信號設(shè)備。主控板一方面需接收并解析上位機(jī)發(fā)送的控制指令，通過串行控制總線將信息傳遞給各擴(kuò)展模擬信號設(shè)備卡[5－7]；另一方面需通過串行總線回采各擴(kuò)展模擬信號設(shè)備卡的狀態(tài)信息，并依據(jù)通信幀格式封裝成幀進(jìn)行上傳[8]。主控板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主控板結(jié)構(gòu)

3.2 模擬信號機(jī)板卡設(shè)計

通過對信號機(jī)點燈電路的分析，為模擬出信號機(jī)室外部分并達(dá)到調(diào)試效果，需對模擬信號機(jī)單元電路、燈位狀態(tài)檢測電路以及燈絲斷絲電路進(jìn)行設(shè)計。為使模擬信號機(jī)板卡能夠等效出各類信號機(jī)，以燈位為設(shè)計單位。一架信號機(jī)由若干個燈位組成，每個燈位的供電電壓為AC220V，為使DJ可靠吸起，須確保回路電流大于120 mA[9－10]。模擬信號機(jī)燈位電路如圖3所示，為降低功耗并減小體積，使用電容模擬信號機(jī)假負(fù)載，通過在電容上并聯(lián)電阻作為泄流回路；采用發(fā)光二極管作為燈光指示單元，通過在發(fā)光二極管上串并聯(lián)二極管以防止其被擊穿。為提高測試完整性，在主回路上接入繼電器的常閉接點，通過控制接點斷開模擬燈絲斷絲。

圖3 模擬信號機(jī)燈位電路原理

3.3 模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡設(shè)計

通過對轉(zhuǎn)轍機(jī)接口電路進(jìn)行分析，為模擬出轉(zhuǎn)轍機(jī)室外部分并達(dá)到調(diào)試效果，需對電機(jī)阻抗單元、轉(zhuǎn)轍機(jī)接點單元、表示回路整流單元以及狀態(tài)檢測單元進(jìn)行電路設(shè)計。電機(jī)阻抗模擬單元是轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡設(shè)計中的難點部分，須確保三相阻抗一致、支路電流大于0.6 A，并且需確保模擬部分阻抗體積小功耗低[11]。模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡采用10 uf電容并聯(lián)470 Ω電阻模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)線圈，通過計算，支路電流有效值為0.83 A，符合設(shè)計要求。轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部接點組是轉(zhuǎn)轍機(jī)的重要組成部分，可用于切斷啟動電路接通表示電路，并可通過轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部接點組動靜接點的位置判斷道岔所處的狀態(tài)。模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡使用磁保持繼電器對轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部接點組進(jìn)行模擬。表示繼電器是偏極繼電器，需通入大于17 V的正向電壓才能保證其可靠吸起，但表示電路電源是110 V交流電源，因此需設(shè)計整流電路。模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡采用二極管串聯(lián)電阻作為整流單元，通過Mul-tisim仿真驗證，表示繼電器上電壓平均值為21 V，能夠滿足表示繼電器吸起要求。

3.4 模擬軌道電路板卡設(shè)計

通過對軌道電路接口進(jìn)行分析，為模擬出軌道電路室外部分并達(dá)到調(diào)試效果，需模擬出鋼軌單元，并在鋼軌的基礎(chǔ)上模擬出行車以及斷軌等狀態(tài)。模擬軌道電路板卡使用集中參數(shù)對鋼軌的分布參數(shù)進(jìn)行模擬[12]，將鋼軌信號傳輸矩陣與等效模型矩陣進(jìn)行等價，可計算出集中參數(shù)阻抗與鋼軌一次參數(shù)的關(guān)系，通過選擇鋼軌的一次參數(shù)以及鋼軌的長度值，可得出單節(jié)鋼軌的等效電路。在調(diào)試過程中，需模擬行車以及斷軌等操作，主要通過在回路上串接繼電器接點，通過使接點斷開閉合，模擬出行車以及故障狀態(tài)。軌道區(qū)段狀態(tài)模擬模型如圖4所示。

圖4 軌道區(qū)段狀態(tài)模擬模型

3.5 板卡編址電路設(shè)計

在板卡級聯(lián)過程中，為區(qū)分各類板卡，通過74HC165級聯(lián)芯片對各類板卡進(jìn)行編址。通過對74HC165并轉(zhuǎn)串級聯(lián)芯片的并行接口上接入VCC或GND，對各類板卡進(jìn)行二進(jìn)制編址，共有8位二進(jìn)制，可進(jìn)行256種編碼。主要對信號機(jī)板卡、轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡和軌道區(qū)段板卡進(jìn)行編號，編號如表1所示。

表1 模擬信號設(shè)備板卡編號

4 室內(nèi)電路測試系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

現(xiàn)場測試分為板卡功能測試以及整體聯(lián)鎖測試。在現(xiàn)場測試中，將分線盤的線纜與室外信號設(shè)備板卡的接口相連，現(xiàn)場連接如圖5所示，并通過觀察對應(yīng)繼電器的狀態(tài)判斷模擬盤裝置功能是否正常。

圖5 現(xiàn)場調(diào)試

4.1 板卡功能測試

(1)信號機(jī)板卡測試

將信號機(jī)板卡接口與分線盤對應(yīng)燈位的去線與回線相連，觀察到模擬信號機(jī)板卡指示燈點亮，室內(nèi)DJ吸起，表明信號機(jī)板卡功能正常。

(2)轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡測試

將轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡接口與分線盤引出的X1～X5線纜相連，模擬轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡定位指示燈點亮，同時室內(nèi)道岔組合DBJ吸起，F(xiàn)BJ落下；對轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行反位操作，板卡上定位指示燈滅燈，反位指示燈點亮，同時室內(nèi)DBJ器落下，F(xiàn)BJ吸起，表明轉(zhuǎn)轍機(jī)板卡功能正常。

(3)軌道電路板卡測試

將軌道電路板卡接口與分線盤引出的發(fā)送線與接收線相連，當(dāng)該軌道區(qū)段未被占用時，觀察到室內(nèi)GJ吸起，對該軌道區(qū)段進(jìn)行占用操作時，觀察到室內(nèi)GJ落下，表明軌道電路板卡功能正常。

4.2 整體聯(lián)鎖測試

根據(jù)車站信號平面圖，計算得出相應(yīng)數(shù)量的各種板卡，進(jìn)行級聯(lián)組合，等效出實際車站拓?fù)?。將接口與分線盤引出線纜相連，觀察到上位機(jī)界面能夠顯示信號設(shè)備的狀態(tài)。同時按照聯(lián)鎖表進(jìn)行進(jìn)路辦理，觀察到道岔鎖閉并轉(zhuǎn)動到規(guī)定位置；當(dāng)嘗試辦理未列出的進(jìn)路以及敵對進(jìn)路，發(fā)現(xiàn)均無法辦理。在進(jìn)行室外信號設(shè)備的故障模擬時，例如進(jìn)行燈絲斷絲、道岔擠岔以及鋼軌斷軌等操作時，測試結(jié)果均符合預(yù)期要求。

5 結(jié)束語

根據(jù)現(xiàn)場室內(nèi)設(shè)備調(diào)試的實際需求，總結(jié)傳統(tǒng)模擬盤存在的問題與缺陷，利用計算機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù)設(shè)計了具有模塊化的通用模擬盤調(diào)試系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的通用性、測試項目種類和現(xiàn)場調(diào)試效率。系統(tǒng)體積小，可以將控制箱接至室內(nèi)組合架側(cè)面、分線盤或室外電纜方向盒任意一個位置的相應(yīng)端子，便于查找各層次的電路故障。系統(tǒng)應(yīng)用在了京雄城際鐵路雄安動車所，將聯(lián)鎖試驗的時間較傳統(tǒng)方法縮短了三分之二，試驗效率大幅提高。