直流轉轍機限時保護報警系統(tǒng)

丁 倩 王曉靜 米 恒 徐萬俊

（陜西長嶺特種設備股份有限公司，陜西 寶雞 721006）

轉轍機是重要的信號基礎設備，對于保障行車安全，提高運輸效率，減輕行車人員的勞動強度具有非常重要的作用。目前，市面上的轉轍機種類有很多，可按動作能源和傳動方式、供電電源種類、動作速度以及閉鎖方式等進行分類，按供電電源種類分又分為直流轉轍機和交流轉轍機。直流轉轍機限時保護主要用來解決直流轉轍機的保護問題，當?shù)啦磉M入轉換狀態(tài)時開始計時，到達設定的時間停止計時，限時時間達到設定時間時，道岔控制繼電器應落下。當發(fā)生故障道岔長時間不能轉換到位，保護機構會切斷道岔轉換回路，到達保護直流轉轍機直流電機不會被燒毀的目的。

直流轉轍機限時保護報警系統(tǒng)應用在直流轉轍機道岔控制電路中，直流轉轍機限時報警系統(tǒng)由直流轉轍機限時報警總機（以下簡稱總機）和直流轉轍機限時報警分機（以下簡稱分機）兩部分構成。在道岔工作過程中，當轉轍機受影響不能轉換到位時，保護器會在限定時間內切斷轉轍機動作電源，同時，通過報警端子輸出報警信號至分機進行匯總，然后上傳給總機進行處理，一般分機可以同時支持處理8 路保護報警信息。

1 系統(tǒng)功能

直流轉轍機限時保護報警系統(tǒng)具備以下功能：

1.1 室外的監(jiān)測分機與室內的監(jiān)測總機能夠進行實時通信，總機顯示分機的狀態(tài)。

1.2 報警總機連接微機監(jiān)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)兩者間通信。

1.3 可存儲報警信息，并提供報警信息查詢功能。

1.4 具有人機界面，通過該界面對系統(tǒng)進行配置。

1.5 報警信息可通過人機界面進行顯示。

2 系統(tǒng)設計

直流轉轍機限時保護報警系統(tǒng)由兩部分組成：分別為位于室外的監(jiān)測分機和位于室內的監(jiān)測總機。監(jiān)測分機由電源部分、單片機控制部分和通信部分組成，電源部分為單片機和通信電路提供合適、穩(wěn)定的工作電源，通信部分則分為兩個方面通信，分別是：第一方面防護器與分機的通信，主要是通過光耦合器將防護器狀態(tài)信息傳給單片機；第二方面是分機將狀態(tài)信息通過通信總線發(fā)送給總機。一個監(jiān)測分機可監(jiān)測8 路防護器的工作狀態(tài)，主要功能是監(jiān)測防護器的工作狀態(tài)，并把防護器的狀態(tài)信息發(fā)送給主機。分機整個電路所使用的元器件均集中安裝到分機結構殼體中，對外預留直流24V 電源接口、8 路防護器接口及通信接口。

監(jiān)測總機有2 路檢測通道，每路檢測通道最多設置100 個監(jiān)測分機的尋址地址,2 路通道共計連接200 個監(jiān)測分機，每一個監(jiān)測分機監(jiān)測8 路防護器的工作狀態(tài).總機能夠顯示每個檢測分機的故障狀態(tài)，實現(xiàn)實時定位報警。主機整個電路所使用的元器件均集中安裝到主機結構殼體中，對外預留220V 電源接口和通信接口。

2.1 硬件電路設計

2.1.1 分機硬件設計

2.4.3 浸出物檢測 采用熱浸法測定，直接粉碎得到的枸杞子粉末與經上述3種預處理方法得到的枸杞子粉末，其浸出物量分別為75.4%、75.6%、72.6%、72.5%，均未少于55.0%。

a.電源電路

電源電路如圖1 所示，電源可直接利用防護器的直流電源，輸入端KZ 和KF 則為從防護器獲得的直流24V電壓。分機系統(tǒng)需要5V 和3.3.V 電源電壓，直接利用輸入電源經過降壓后取得。設計中電源電壓經過防雷電路和濾波電路后輸入到LM2576-12 穩(wěn)壓器輸出12V 電壓，經過濾波進而通過LM7805 轉換成5V 電壓。單片機供電電源3.3V 通過簡單的轉換芯片即可完成。

圖1 電源電路

b.MCU 電路

單片機硬件電路如圖 2 所示，MCU 采用STM32F103RBT6 是由法意半導體公司（ST）開發(fā)的以ARM Cortex-M 為內核的32 位嵌入式微控制器，具有運算速度快、體積小、功耗低、豐富外圍接口等優(yōu)點。最高工作頻率72MHz，128KbFlash 程序存儲器，提供功能強大的庫函數(shù)，編程簡單。單片機最小系統(tǒng)使用外部晶振，SWD 作為編程口，使用撥碼盤進行地址設置，通過LED0顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖2 單片機硬件圖

c.通信電路

通信電路采用MAX487 進行分機和總機之間的通信，MAX487 是美國MAXIM 公司生產的新型光電隔離新接口轉換器，可實現(xiàn)單端或差分信號之間的相互轉換，并可有效的防止雷擊和共地干擾。總機允許最多100個MAX487 收發(fā)器接在總線上，在最后一個連接的分機上加上120 歐姆的匹配電阻。由于MAX487 收發(fā)器工作電壓為5V，而單片機工作電壓為3.3V，因此設計中使用EL3H7 光耦隔離解決電平匹配問題。在A、B 信號線上加上了TVS 和電阻防止信號浪涌沖擊。如圖3 所示。

圖3 通信電路圖

2.1.2 總機硬件設計

a.電源電路

電源電路分為兩部分功能，第一部分將交流220V 電壓轉成直流24V 電壓，設計中采用的是金升陽LH05-10B24 型的電源模塊，該模塊具有穩(wěn)壓輸出、低紋波噪聲、輸出短路、過流過壓保護功能，并且轉換效率高達84%原理如圖4（a）所示。然后將24V 電壓經過濾波，通過 PWB4805 轉 換 成 5V 給 MCU 最 小 系 統(tǒng) 和MAX487CSA 通信電路提供工作電源電壓。原理如圖4（b）所示。

圖4

b.MCU 電路

總機的MCU 電路和分機的MCU 電路相同，根據(jù)外圍電路不同配置不同的IO 口即可，具體詳情參見2.2.1節(jié)第2 項內容。

c.通信電路

總機的通信電路和分機通信電路相同，具體詳情參見2.2.1 節(jié)第3 項內容。

d.時鐘電路

時鐘電路的原理如圖5 所示。時鐘芯片采用美國ALLAS 公司推出的DS1302，該芯片具有涓細電流充電能力，采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電供電功能，也可實現(xiàn)關閉充電功能。電路外接普通的32.768kHz 晶振。

圖5 時鐘電路圖

e.CAN 通信電路通信電路采用CAN 的通信方式，原理如圖6 所示。電路使用的主要芯片為MCP2551， 該芯片是MACROSHIP 生產一款高速CAN 收發(fā)器，具有容錯功能，可作為CAN 協(xié)議控制器和物理總線接口，可為CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力。它的工作效率高達1Mb/s，可連接節(jié)點高達112 個。

圖6 CAN 通信電路圖

2.2 軟件設計

2.2.1 檢測分機程序設計

直流轉轍機限時保護報警系統(tǒng)采用主機輪詢的方式進行通信，即主機向分機發(fā)送請求發(fā)送狀態(tài)命令，當分機匹配到自己的地址后向主機發(fā)送狀態(tài)消息，如果沒有匹配到自身的地址，則處于等待狀態(tài)。檢測分機程序流程圖如圖7 所示。

圖7 檢測分機程序流程圖

2.2.2 檢測總機

顯示程序用來顯示監(jiān)測分機監(jiān)測的保護器工作狀態(tài)。顯示界面主要有故障記錄，分機狀態(tài)，時間設置，分機設置。分機設置界面可以設置連接了的分機，主機會給這些分機發(fā)送請求命令。分機狀態(tài)用來顯示分機狀態(tài)，分機狀態(tài)共有三種，當分機工作正常時，在對應的分機框中顯示“√”，對應的主界面右下角顯示“系統(tǒng)正?！弊謽?；當分機發(fā)生故障時，在對應的分機框中顯示“×”，對應的主界面右下角顯示“分機故障”字樣；當分機未連接時，會默認顯示“-”。顯示程序流程圖如圖8 所示。

圖8 顯示程序流程圖

2.2.3 通信

通訊程序用于支持直流轉轍機限時保護報警系統(tǒng)監(jiān)測主機與室外監(jiān)測分機的通信。為了避免多臺分機同時報警造成總線上數(shù)據(jù)沖突，故采用輪詢方式進行通信，確保不會總線同時被占用導致通信線上的數(shù)據(jù)沖突。

通信協(xié)議的原理如下：分機在平時保持監(jiān)聽狀態(tài)，當接收到報警線上總機發(fā)送的請求發(fā)送狀態(tài)信息時，將接收到的信息解碼得到地址碼。分機識別到與自身地址碼相同時，分機發(fā)送自身狀態(tài)信息，否則不會發(fā)送，處于監(jiān)聽狀態(tài)，避免了總線上數(shù)據(jù)沖突。通信軟件流程圖如圖9所示。

圖9 通信軟件流程圖

3 解決技術問題

本文提供了一種直流轉轍機限時保護報警系統(tǒng)的設計方法。實現(xiàn)了分機與總機實時通信、顯示分機狀態(tài)、可查詢報警信息、可通過人機界面系統(tǒng)配置以及可同通過人機界面對報警信息的顯示功能。實用性強，便于推廣使用。