基于單片機(jī)的道岔操縱輔助系統(tǒng)設(shè)計

孫樹，孟慶龍，黃子軒，張爍，梁景源

（青島地鐵運(yùn)營有限公司，山東青島，266400）

0 引言

軌道交通是現(xiàn)代交通五種主要運(yùn)輸方式之一。道岔作為使列車由一股道轉(zhuǎn)入另一股道的線路連接設(shè)備，在軌道交通線路中大量鋪設(shè)。在保證行車安全、提高運(yùn)輸效率、改善行車人員勞動強(qiáng)度的同時，它也是軌道的薄弱環(huán)節(jié)之一[1]。作為信號專業(yè)日常檢修的重點關(guān)注對象，其檢修頻率較高。出于安全考慮，目前多數(shù)信號系統(tǒng)的道岔單操指令采用定操、反操相互獨(dú)立的下達(dá)方式。而進(jìn)行2/4 毫米測試、摩擦力測量等檢修項目時，會造成道岔失去表示。加之測試此類項目需進(jìn)行連續(xù)多次道岔操縱，易導(dǎo)致室內(nèi)配合人員思維混亂。為減輕作業(yè)人員勞動強(qiáng)度，提高檢修效率，現(xiàn)提出一種基于單片機(jī)的道岔操縱輔助系統(tǒng)設(shè)計方案，以實現(xiàn)道岔失表狀態(tài)下操縱方式的提示、轉(zhuǎn)換狀態(tài)的顯示和操縱次數(shù)的統(tǒng)計，實物如圖1 所示。

圖1 道岔操縱輔助系統(tǒng)

1 基本原理

為了轉(zhuǎn)換道岔并返回道岔表示信息，每組單動或雙動道岔均設(shè)置有一套道岔控制電路。目前，交流轉(zhuǎn)轍機(jī)五線制道岔控制電路和直流轉(zhuǎn)轍機(jī)四（六）線制道岔控制電路廣泛應(yīng)用于我國軌道交通信號系統(tǒng)[2]。

1.1 交流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔

交流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔均采用五線制控制電路，根據(jù)道岔關(guān)聯(lián)邏輯和牽引點數(shù)量的不同，JDF 組合個數(shù)有所增減。作為道岔控制電路的重要組成部分，JDF 組合內(nèi)2DQJ 的狀態(tài)是操岔命令能否成功下達(dá)的決定因素。因2DQJ 前接點閉合時，僅可接通反操命令相關(guān)電路；后接點閉合時，僅可接通定操命令相關(guān)電路，且命令成功下達(dá)后轉(zhuǎn)極一次，故其狀態(tài)可作為道岔可用操縱方式判定及轉(zhuǎn)換次數(shù)統(tǒng)計的有效依據(jù)。

由于2DQJ 無空接點或半空接點可供采集，且部分線路未配備紅外探頭等狀態(tài)采集設(shè)備，故采集2DQJ 狀態(tài)這一方案不適用于部分線路。作為2DQJ 轉(zhuǎn)極的前置條件，同組合內(nèi)1DQJ 及1DQJF 吸起次數(shù)與2DQJ 轉(zhuǎn)極次數(shù)一致。故可將采集1DQJ 或1DQJF 狀態(tài)并手動校正初始狀態(tài)作為替代方案，實現(xiàn)既定功能。

目前，多數(shù)信號系統(tǒng)采用DCQDJ 在道岔轉(zhuǎn)換過程中保持吸起的聯(lián)鎖邏輯，因此JDD 組合內(nèi)DCQDJ 可作為判斷道岔是否正在轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備。

注：由于非電路故障情況下，同一組單動或雙動道岔各JDF 組合內(nèi)1DQJ、1DQJF 及2DQJ 動作次數(shù)相同，故僅需采集某一組合內(nèi)的繼電器狀態(tài)即可。

1.2 直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔

直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔采用四線制或六線制控制電路，根據(jù)實際工程需求進(jìn)行選擇。與五線制道岔控制電路相同，DC-4組合與DC-6 組合內(nèi)2DQJ 的當(dāng)前狀態(tài)和轉(zhuǎn)極次數(shù)決定了當(dāng)前可執(zhí)行的操作命令和已下達(dá)命令的次數(shù)。由于六線制道岔增設(shè)2DQJF，其與2DQJ 狀態(tài)一致，且有空閑接點，故2DQJ 狀態(tài)采集可不依賴于監(jiān)測設(shè)備。未配備紅外探頭等狀態(tài)采集設(shè)備的四線制道岔項目需采集1DQJ 狀態(tài)作為替代。針對四（六）線制道岔的轉(zhuǎn)換狀態(tài)判斷原理與五線制道岔相同，不再贅述。

2 道岔操縱輔助系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計

道岔操縱輔助系統(tǒng)主要由信息采集裝置（A 機(jī)）與指令顯示裝置（B 機(jī)）兩部分組成，采用RS-485 協(xié)議實現(xiàn)機(jī)間通信，極限距離可達(dá)800 米，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 道岔操縱輔助系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

信息采集裝置（A 機(jī)）用于采集信號設(shè)備室內(nèi)相關(guān)繼電器的狀態(tài)，并將信息分析結(jié)果通過RS-485 接口發(fā)送給B機(jī)，主要由單片機(jī)主控電路、繼電器狀態(tài)采集電路、工作模式切換電路、TTL 轉(zhuǎn)RS-485 模塊、電源穩(wěn)壓模塊組成。單片機(jī)主控電路是信息采集裝置的運(yùn)算和控制核心，負(fù)責(zé)處理采集到的模式開關(guān)位置、繼電器狀態(tài)和清零請求信息，將分析所得控制命令發(fā)送至TTL 轉(zhuǎn)RS-485 模塊。本設(shè)計選用STM32F103C8T6 單片機(jī)作為核心處理器，該處理芯片數(shù)據(jù)總線為32 位，頻率為72MHz，F(xiàn)LASH 程序儲存器容量為64KB，RAM 容量為20KB[3]。該芯片引腳PB12 與撥動開關(guān)相連，根據(jù)開關(guān)位置的不同接通高電平或低電平，芯片根據(jù)引腳的輸入電平進(jìn)行工作模式判斷。繼電器狀態(tài)采集電路是道岔操縱輔助系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的接口，為減少對信號系統(tǒng)的影響、實現(xiàn)兩系統(tǒng)互相隔離，采用光耦合器進(jìn)行道岔繼電器狀態(tài)采集，并于光耦合器的發(fā)光器件側(cè)（信號系統(tǒng)側(cè)）采集電路的共用地線處增設(shè)保險絲以防短路過載、提高設(shè)備安全性，于光敏器件側(cè)（道岔操縱輔助系統(tǒng)側(cè)）的各個輸出回路加設(shè)濾波電容以確保芯片所采集信息穩(wěn)定可靠。TTL 轉(zhuǎn)RS-485 模塊是本系統(tǒng)延長數(shù)據(jù)傳輸距離的核心設(shè)備，該模塊可將兩機(jī)可靠通信距離延長至800 米，滿足實際安裝需求。為滿足不同設(shè)備情況的現(xiàn)場加裝需求，所選電源穩(wěn)壓模塊具備DC-DC 降壓功能，可將24V/12V 轉(zhuǎn)5V 供設(shè)備使用，為電源屏或其他電源設(shè)備提供供電接口。

指令顯示裝置（B 機(jī)）安裝于車控室內(nèi)，根據(jù)A 機(jī)發(fā)送的命令信息輸出操岔指令提示、轉(zhuǎn)換狀態(tài)顯示與次數(shù)統(tǒng)計，同時提供計數(shù)清零及指令校正功能，主要由USART HMI 智能串口屏、TTL 轉(zhuǎn)RS-485模塊、電源穩(wěn)壓模塊組成。智能串口屏是本系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，它處理自TTL轉(zhuǎn)RS-485 模塊接收的命令信息并發(fā)送返回信息、更新界面顯示，使用者可通過觸摸屏幕下達(dá)計數(shù)清零和指令校正命令。B機(jī)所用TTL 轉(zhuǎn)RS-485 模塊、電源穩(wěn)壓模塊與A 機(jī)相同，不再贅述。

2.2 軟件設(shè)計

根據(jù)信息采集來源的不同，道岔操縱輔助系統(tǒng)提供主用、備用2 種工作模式以供選擇。其中，主用模式用于采集2DQJ 狀態(tài)的情況，備用模式用于采集1DQJ/1DQJF 狀態(tài)的情況，兩種模式僅繼電器狀態(tài)信息處理邏輯不同，主用模式系統(tǒng)程序流程見圖3。

圖3 主用模式系統(tǒng)程序流程圖

本系統(tǒng)支持A 機(jī)、B 機(jī)在各種開關(guān)機(jī)順序下進(jìn)行繼電器狀態(tài)初始化和計數(shù)信息清零，現(xiàn)以主用模式下A 機(jī)先于B 機(jī)開機(jī)為例，介紹A 機(jī)和B 機(jī)的工作流程。A機(jī)：開機(jī)后，首先根據(jù)工作模式開關(guān)的位置選擇主用模式，之后循環(huán)檢測通信狀態(tài)，待確認(rèn)與B 機(jī)通信正常后，將工作模式信息發(fā)送至B 機(jī)。隨后，進(jìn)行繼電器狀態(tài)初始檢測和邏輯判定，并通過串口發(fā)送定/反操指令、轉(zhuǎn)換狀態(tài)與計數(shù)復(fù)零命令。此后，A 機(jī)循環(huán)檢測繼電器狀態(tài)和串口信息，若繼電器發(fā)生動作，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與發(fā)送；若收到B 機(jī)發(fā)送的清零請求命令，則將計數(shù)清零并發(fā)送回執(zhí)信息。B 機(jī)：開機(jī)后，向A 機(jī)發(fā)送啟動信息，之后根據(jù)串口收到的信息更新工作模式、定/反操指令、轉(zhuǎn)換狀態(tài)與次數(shù)。若收到計數(shù)清零命令，則向A 機(jī)發(fā)送清零請求命令。

主用模式下，當(dāng)前可下達(dá)操岔指令、已執(zhí)行操岔次數(shù)和道岔轉(zhuǎn)換狀態(tài)分別由A 機(jī)根據(jù)采集到的2DQJ 繼電器狀態(tài)、轉(zhuǎn)極次數(shù)和DCQDJ 繼電器狀態(tài)進(jìn)行判斷，B 機(jī)僅提供信息顯示與次數(shù)清零命令下達(dá)功能。備用模式的信息判斷原理略有不同，操岔次數(shù)由A 機(jī)根據(jù)1DQJ/1DQJF 繼電器的動作次數(shù)進(jìn)行判斷；操岔指令由B 機(jī)根據(jù)自A 機(jī)接收的操岔次數(shù)的奇偶性進(jìn)行判斷，當(dāng)接收到指令校正和計數(shù)清零命令時，自動調(diào)整奇偶映射邏輯。

為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，兩機(jī)采用循環(huán)冗余校驗碼（CRC）進(jìn)行差錯校驗，如接收方所接收信息異常，則該命令不被執(zhí)行；如發(fā)送方長時間未收到接收方的返回信息，則重復(fù)發(fā)送該信息，同一信息最多發(fā)送5 次。兩機(jī)實時進(jìn)行機(jī)間通信狀態(tài)檢測，如通信中斷5 秒以上，B 機(jī)將給出“通信異?！碧崾?。

2.3 HMI 界面顯示

B 機(jī)HMI 界面可顯示當(dāng)前可進(jìn)行的操岔指令、道岔是否正在轉(zhuǎn)換和已進(jìn)行的轉(zhuǎn)換次數(shù)，其顯示界面見圖4。本圖中P4201/P4202 當(dāng)前可執(zhí)行反操命令，P4203 正在轉(zhuǎn)換且已進(jìn)行7 次操岔。使用者可隨時通過觸摸“次數(shù)”格實現(xiàn)相應(yīng)道岔操岔次數(shù)清零；在備用模式（模式2）下，通過觸摸“操岔命令”格可隨時對相應(yīng)道岔進(jìn)行指令校正。末列選中欄用于進(jìn)行人工標(biāo)記，上方狀態(tài)欄顯示當(dāng)前雙機(jī)通信狀態(tài)及工作模式。

圖4 HMI 顯示界面

3 系統(tǒng)安裝方案

道岔操縱輔助系統(tǒng)通過信息采集裝置（A 機(jī)）的21路采集接口獲取繼電器狀態(tài)信息。其中，1-10 路用于2DQJ/1DQJ（1DQJF）繼電器狀態(tài)采集，預(yù)設(shè)落下輸入高電平、吸起輸入低電平；11-20 路用于DCQDJ 繼電器狀態(tài)采集，預(yù)設(shè)落下輸入低電平、吸起輸入高電平；21 路用于設(shè)定低電平參考值。指令顯示裝置（B 機(jī)）采用RS-485 協(xié)議經(jīng)分線柜與A 機(jī)通信。由于兩機(jī)均內(nèi)置具有DC-DC 降壓功能的電源穩(wěn)壓模塊，故可由電源屏供電，相關(guān)設(shè)備電纜連接見圖5。

圖5 設(shè)備安裝電纜連接圖

4 現(xiàn)場測試

經(jīng)多次測試，本系統(tǒng)可在各種情況下為使用者提供道岔操縱命令提示、轉(zhuǎn)換狀態(tài)顯示和已完成操岔次數(shù)統(tǒng)計，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、顯示信息準(zhǔn)確，圖6 為道岔P4203 于反位鎖閉和定操失表兩種狀態(tài)下，指令顯示裝置（B 機(jī)）HMI 界面的信息顯示情況。

圖6 P4203 現(xiàn)場測試情況

5 總結(jié)

目前，道岔檢修過程中出現(xiàn)的道岔失表現(xiàn)象常導(dǎo)致室內(nèi)配合人員操岔指令下達(dá)時思維混亂?；趩纹瑱C(jī)的道岔操縱輔助系統(tǒng)可于各種情況下提供操岔輔助提示，能有效解決道岔檢修時出現(xiàn)的操岔命令難判斷、道岔轉(zhuǎn)換狀態(tài)難分辨、操岔次數(shù)難統(tǒng)計等問題，有助于減少檢修事故的發(fā)生、延長轉(zhuǎn)轍機(jī)電動機(jī)壽命、減輕操岔人員勞動強(qiáng)度、提高檢修效率。本系統(tǒng)具有安裝簡單、信息準(zhǔn)確、易于操作、通用性強(qiáng)等優(yōu)點，適用于各類道岔，可加裝于不同廠家的信號系統(tǒng)實現(xiàn)道岔操縱輔助功能。