基于總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字階級安全軌道狀態(tài)檢測裝置

摘要：介紹了一種自行設(shè)計(jì)的新型的基于總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路裝置。著重從工作原理、可靠性及故障-安全設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：RS-485總線 軌道電路 狀態(tài)檢測 故障-安全

目前在電氣集中或計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中普遍采用圖1所示的交流軌道檢測電路。其基本原理是：軌道受電變壓器B2檢測軌道線路電壓V1out并進(jìn)行升壓，通過橋式整流器將V1out轉(zhuǎn)換滿足一定負(fù)載要求的直流電壓V2out，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)JZXC-480重力式安全型繼電器，通過JZXC-480繼電器的觸點(diǎn)吸起或落下狀態(tài)反映鐵路站場線路的這閑與占用狀態(tài)。鐵路信號聯(lián)鎖與監(jiān)測系統(tǒng)等通過采集繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)鎖運(yùn)算或顯示。

這種檢測方法單純從聯(lián)鎖控制需求來講是可靠與安全的，而從系統(tǒng)整體功能擴(kuò)展、提高可維護(hù)性與可用性等方面來考慮，則存在一定的不足。首先，由于繼電器的觸點(diǎn)吸合與離開時(shí)間一般在20ms左右，難以滿足現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸高密、重載與高速等特點(diǎn)所提出的高實(shí)時(shí)性要求；其次，該電路僅提供了反映線路狀態(tài)的觸點(diǎn)（電平）信息，相關(guān)系統(tǒng)不能在線讀入線路電壓的實(shí)際變化情況，也就無法有效地監(jiān)視設(shè)備工作狀態(tài)；再者，由于鐵路各部場線路狀態(tài)不同、隨季節(jié)氣候變化、元器件老化等原因，致使線路電壓產(chǎn)生波動(dòng)，而直接反映線路狀態(tài)的軌道繼電器對線路輸入電壓又有著一定的閾值要求，因而要求經(jīng)常性地在現(xiàn)場調(diào)整軌道電路的送電電壓（調(diào)整變壓器抽頭或串聯(lián)電阻R），維護(hù)工作量很大。久而久之還會(huì)造成滑線變阻呂、變壓器抽頭等的失效。

1 設(shè)計(jì)目的與需要解決的技術(shù)任務(wù)

1.1 設(shè)計(jì)目的

如前所述，軌道繼軍器電路不可避免地對使用該電路的系統(tǒng)造成了一定的影響，因而我們設(shè)計(jì)了基于RS-485總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路。

1.2 設(shè)計(jì)要求

（1）要能向下兼容原480軌道繼電器的外型、插座、引腳等安裝工藝結(jié)構(gòu)以及阻抗特性。

（2）必須具備故障—安全特性，確保電路在軟、硬件故障情況下（包括停電等外部環(huán)境影響）能導(dǎo)向安全側(cè)信號輸出。

（3）電路能輸出反映軌道占用狀況的邏輯信號供相關(guān)連接系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算與顯示，同時(shí)還能輸出數(shù)字電壓值供相關(guān)連接系統(tǒng)判斷軌道電路工作狀態(tài)，以便維護(hù)人員進(jìn)行檢修與管理。

（4）邏輯信號的閾值可由軟件設(shè)定，便于在線調(diào)整。

（5）邏輯信號可受外部同步源控制輸出，便于相關(guān)連接系統(tǒng)動(dòng)態(tài)讀入。

（6）數(shù)字信號通過總線傳輸。

（7）電路具有熱拔插維護(hù)特性，方便檢修與更換。

（8）電路不設(shè)內(nèi)部地址編碼，由其安裝位置確定編號，更換上電時(shí)由相關(guān)連接系統(tǒng)自動(dòng)讀入，不需進(jìn)行任何設(shè)定。

2 技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)手段

2.1 工作原理

設(shè)計(jì)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路原理框圖見圖2。

在該電路中，使用一片89C2051單片機(jī)及外圍電路組成數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路。該電路提供兩種不同類型的輸出，其中定一是經(jīng)89C2051內(nèi)部運(yùn)算輸出并受系統(tǒng)同步源控制的脈沖信號與穩(wěn)態(tài)電平信號，它反映軌道線路電壓整流值的危險(xiǎn)狀態(tài)與安全側(cè)狀態(tài)，由系統(tǒng)檢測輸入并參與聯(lián)鎖運(yùn)算；另一輸出是串行數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)RS-485總線傳送給系統(tǒng)管理機(jī)，監(jiān)測站場軌道電路電壓變化情況。

微處理器是檢測電路的核心，由其讀入A/D變換后的電壓值進(jìn)行閾值運(yùn)算，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)定義表（可通過管理機(jī)進(jìn)行在線閾值設(shè)置）輸出符合故障一安全原則的脈沖或電平信號，控制電路整體自檢與外圍電路的工作。

軌道電壓調(diào)理輸入模塊將來自站場軌線上的交流0～30V電壓調(diào)理成直流0～5V供A/D電路進(jìn)行變換，其輸入特性通過變壓器隔離與阻抗換達(dá)到原480繼電器的輸入要求，從而維持了站場軌道電路的輸出特性不變。

為使相關(guān)連接系統(tǒng)方便、有效地讀入該電路輸出的脈沖狀態(tài)邏輯值，電路接收來自相關(guān)連接系統(tǒng)的同步觸發(fā)控制脈沖，中斷響應(yīng)后再根據(jù)實(shí)際讀入的線路電壓與內(nèi)部閾值決定是否輸出與觸發(fā)控制脈沖同步、代表軌道危險(xiǎn)側(cè)狀態(tài)的脈動(dòng)電平。在一些規(guī)模大的站場需要分為上、下行方面同時(shí)控制（多終端控制），因此同步觸發(fā)控制脈沖可以是一路輸入或多路相關(guān)的脈沖輸入。

由于采用總線結(jié)構(gòu)，需要識別電路位號，數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路的地址編碼為小位，其有效識別范圍為0～255，必要時(shí)地址編碼可擴(kuò)展到10位，從而使大型站場的控制需求也可以滿足。在該電路設(shè)計(jì)中，為了解決互換性問題，采用了在插座上預(yù)選設(shè)定編碼信息的方式來使插入的電路獲取位號，當(dāng)電路插入插座并通電運(yùn)行后，CPU自動(dòng)讀入該電路的地址編碼。

監(jiān)測模塊用于監(jiān)測電路的工作異常情況，本電路是通過軟件結(jié)合看門狗電路予以實(shí)現(xiàn)的；通過一片專用的RS-485通訊芯片實(shí)現(xiàn)相關(guān)連接系統(tǒng)與電路之間的數(shù)據(jù)通信，這種芯片的最大負(fù)載適應(yīng)能力為256片并行使用，不僅可以滿足系統(tǒng)容量要求，還可有效地防范電磁干擾與實(shí)現(xiàn)故障隔離。

2.2 可靠性與故障—安全設(shè)計(jì)

2.2.1 實(shí)時(shí)性

該電路通過中斷輸入方式來檢測相關(guān)連接系統(tǒng)的觸發(fā)控制同步脈沖區(qū)上沿，以此啟動(dòng)電路的輸出，串行A/D芯片的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)17μs/bit。即使考慮電路自檢延時(shí)等因素的影響，整體電路延時(shí)輸出也不超過0.1ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原繼電器觸點(diǎn)吸合所需的約20ms，可大大改善軌道狀態(tài)檢測的實(shí)時(shí)性。

2.2.2 可用性

該電路參照原480軌道電路繼電器的外殼與引線方式，通過對內(nèi)部電路的信號、電源、地進(jìn)行合理規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)熱拔插維護(hù)目標(biāo)；A/D參考電壓用軟件方法進(jìn)行校準(zhǔn)，降低了對器件的性能要求；該電路邏輯信號閾值可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整與配置，改善了操作維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2.3 故障—安全設(shè)計(jì)

用單片機(jī)與電子電路構(gòu)成數(shù)字化故障—安全軌道狀態(tài)檢測電路主要難度在于電子電路的故障是對稱類型的，因而也就無法保證在電路故障時(shí)能將電路輸出導(dǎo)向確定的電平狀態(tài)，因此在該電路設(shè)計(jì)中采用了以下若干技術(shù)措施：

（1）測電路與現(xiàn)場信號的有效隔離。在該檢測電路中，采用輸入阻抗為480Ω的信號采集變壓器對檢測電路與現(xiàn)場信號進(jìn)行隔離，同時(shí)在變壓器前級采用PTV、PTR等防高壓、防過流自恢復(fù)保護(hù)元件以防止外電路故障造成電路損壞；檢測電路與相關(guān)連接系統(tǒng)之間采用初次級耐壓達(dá)1500V以上的光耦進(jìn)行隔離，兼顧了部分鐵路站場采用直流電動(dòng)機(jī)車的保護(hù)需求；電源線、現(xiàn)場信號輸入線、數(shù)據(jù)總線均采用雙絞線以減少干擾，所用元器件均經(jīng)過精心篩選與老化，從而使電路故障率除到最低。

（2）對檢測電路內(nèi)流通的信號邏輯表達(dá)形式進(jìn)行變換。用脈沖信號表達(dá)代表“線路空閑”的危險(xiǎn)側(cè)狀態(tài)，用靜態(tài)電平表達(dá)代表“線路占用”的安全側(cè)狀態(tài)。由于脈沖信號在電路故障時(shí)導(dǎo)向靜態(tài)的概率極大，因而可有效解決固定邏輯型垢“0”或“1”故障給檢測電路帶來的不安全影響。

（3）對檢測電路的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端口進(jìn)行定時(shí)自檢。受系統(tǒng)輸入的同步源觸發(fā)脈沖控制，檢測電路定時(shí)對A/D輸入端口進(jìn)行自檢，尤其是檢查現(xiàn)場輸入信號為0V時(shí)A/D輸出的對應(yīng)情況，確保危險(xiǎn)側(cè)輸入信號的安全性；同時(shí)電路中還使用了看門狗電路以監(jiān)測程序運(yùn)行情況，出現(xiàn)故障立即發(fā)出危險(xiǎn)信號，以使電路輸出導(dǎo)向安全。

（4）用上位管理機(jī)對檢測電路進(jìn)行監(jiān)測。上位管理機(jī)與數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路進(jìn)行定時(shí)通訊，發(fā)現(xiàn)異常后及時(shí)報(bào)警，提醒維護(hù)人員進(jìn)行檢查。

3 優(yōu)點(diǎn)和效應(yīng)

基于總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字化軌道狀態(tài)檢測電路裝置由于采用單片機(jī)技術(shù)結(jié)合容錯(cuò)、避錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，因而其可靠性、安全性、先進(jìn)性、可用性、可維護(hù)性較原繼電器觸點(diǎn)檢測方式都有了很大的提升。具體表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）提供信息的多樣性。該檢測電路不僅可以向相關(guān)連接系統(tǒng)提供用于聯(lián)鎖運(yùn)算、顯示的邏輯運(yùn)算信號，還可以提供軌線實(shí)際電壓的數(shù)字量，使得維護(hù)人員可以一目了然地了解線路工作狀態(tài)，狀態(tài)監(jiān)測與維護(hù)軌道電路。

（2）提升信號的實(shí)時(shí)性。采用單片機(jī)檢測方式，使得電路整體的檢測效率大為提高。數(shù)據(jù)刷新的周期低于1ms，遠(yuǎn)小于原繼電檢測方式所需的20ms。這對于鐵路運(yùn)輸事業(yè)正朝著高速發(fā)展而提出的實(shí)時(shí)性要求有著特殊的實(shí)用意義。

（3）提高信息的安全性與可靠性。結(jié)合故障檢測技術(shù)與故障—安全導(dǎo)向技術(shù)設(shè)計(jì)，取消了觸點(diǎn)的檢測，電路的安全性可靠性較原繼電器檢測電路有了很魘提高。由于可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測線路電壓變化情況，因而在季節(jié)變化、鐵軌生銹等情況下，維護(hù)人員可根據(jù)歷史記錄曲線進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，使得電路與相關(guān)連接系統(tǒng)的可用性得以提高。

（4）降低了維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。操作人員不再需要經(jīng)常性地到現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整，而是根據(jù)不同的軌線情況自動(dòng)或手動(dòng)下發(fā)閾值。同時(shí)，因減少了對軌道電路變壓器、變阻器的調(diào)整，延長了這些調(diào)整部件的使用壽命。

實(shí)踐證明，本系統(tǒng)可靠性與安全性都達(dá)到了鐵路信號聯(lián)鎖系統(tǒng)的要求，取得了預(yù)期的效果。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)獲取國家專利（ZL002 19917.3）。