现代有轨电车全电子道岔模块设计

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摘 要
为配合我国有轨电车发展要求，有轨电车正线岔区控制系统需要一种高可靠性、高安全性且体积小便于安装更换的道岔控制模块。本文以四线制直流转辙机为例详细描述了道岔控制模块电路的控制原理以及软硬件设计过程。
【关键词】全电子 转辙机 道岔模块
近些年，我国城市轨道交通发展迅速，轻轨、地铁等传统城市轨道交通已经在各大城市如火如荼的建设中，而现代有轨电车这种新兴的轨道交通方式也在国内得到了井喷式的发展。现代有轨电车一般采用公交式站台，现场控制设备统一放置于轨旁的信号设备控制箱中，安装空间有限，要求各设备尽量减少体积。
目前国内常用的信号控制系统是计算机联锁控制系统，为三层架构：人机对话层、联锁运算层、执行层。前两个层次由于采用了工业控制计算机或者安全型冗余计算机能够满足目前铁路发展的要求。但是执行层电路基本是沿用6502电气集中执行电路，由重力型安全继电器组合构成。安全型重力继电器为机械式结构，体积大、动作过程缓慢、故障点多而且需要定期检修，无法满足目前现代有轨电车控制系统的需求。而进口的全电子设备一般都须配合进口的控制系统使用，从而造成了工程造价的提高。因此，开发具有我国自主知识产权的智能化、电子化、网络化道岔控制模块是十分必要的。
1 全电子模块系统结构
现代有轨电车岔区控制系统的全电子模块大致可分为道岔、信号、通信、监测四种模块。道岔模块用于完成交、直流道岔转辙机的动作控制和状态采集，每个模块控制一组道岔。信号模块用于控制各种类型的信号机。现代有轨电车道岔区控制系统如图1所示。
有轨电车岔区控制系统中逻辑控制单元与道岔控制模块、信号控制模块和通信网关模块之间通过CAN总线通信。通信网关模块与应答器主机、感应环轨旁主机、应急通信主机和调度通信主机之间通过串行总线通信，如图所示。道岔控制模块、信号控制模块和通信网关模块将命令信息或状态信号上传至逻辑控制单元进行联锁逻辑判断，逻辑控制单元判断完成后将命令信息输出至各个模块，道岔控制模块和信号控制模块再驱动现场设备执行相应的操作。应答器主机和感应环轨旁主机分别采集应答器和感应环的状态信息，应急通信电台用于突发情况时的与车载设备的通信，调度通信主机用于轨旁设备与调度中心的通信。在此基础上增加了环境监测功能，如温度监测和湿度监测等。
由以上可以看出，有轨电车岔区控制系统中与计算机联锁系统的道岔控制模块功能及结构上是基本一致的，因此，全电子执行模块既可用于现代有轨电车的道岔控制，也可通过少量改动用于一般计算机联锁系统。以ZD6四线制转辙机道岔模块的软硬件设计为例，介绍全电子模块的设计思路和具体技术。
2 四线制交直流全电子道岔模块设计
全电子道岔模块是针对四线制交、直流电动转辙机的无触点控制单元电路，主要用于控制道岔动作和采集道岔表示位置，设计符合计算机联锁技术条件要求；除此之外，模块具备符合监测2010标准要求的道岔动作电流和表示电压的采集功能，并具备完整的故障诊断功能。道岔模块电路为独立性冗余“二取二”结构，综合应用避错技术和容错技术，通过可信测量、“敌对信号”检测以及独立于处理器的快速硬件反馈保护等一系列的技术手段，确保道岔控制安全，实现故障-安全。模块具备CAN和PLC双套接口，即实现了和既有系统的无缝连接，同时通过通信接口实现了和外系统的开放式连接。模块中，道岔控制电路和监测电路完全电气隔离，杜绝了监测故障对联锁系统的干扰。
道岔模块需要满足的安全功能有：
（1）控制交、直流电动转辙机定、反操，道岔转动到位后自动切断启动电路。
（2）道岔位置表示，转辙机动作时断开表示线路。
（3）当道岔因故障不能转换到底时，可以单独操纵转回原位。
（4）道岔在任何一种锁闭状态下不会启动。
（5）道岔转换设备的动作，须与值班员的操纵意图一致
道岔模块需要满足的非安全功能有：
（6）状态监测：按照监测2010标准采样道岔动作回线的电流和道岔动作时间；表示回线的电压。
（7）故障诊断功能，包括自身软、硬件故障，室外二极管短接、反接，转辙机线间混线以及混电等
3 硬件电路设计
道岔模块的硬件电路结构如图2所示。
道岔电路结构由执行处理器、逻辑保护单元、动作控制单元、道岔状态表示单元、监测单元组成，详细的单元功能描述如下：
（1）执行处理器单元：在控制电路中双ARM以“逻辑与“的方式处理定反操命令及控制输出、道岔位置表示采集和故障-安全逻辑判断，在道岔动作时切断道岔表示回路。模块为完全硬件级二取二冗余结构，以单个处理器为核心构成独立的闭环控制结构。所有进入处理器的接口信号，必须经过光电隔离。关键器件的驱动输出采用动态驱动方式。
（2）逻辑反馈保护单元：逻辑防护单元逻辑防护单元由选路开关和机械触点型安全继电器构成，对执行硬件健康状态实时检测，实时处理执行处理器发布的故障情况、检测处理器工作状态以及硬件反馈通道健康状态，对模块硬件是否出现故障进行准确判断，对突发的严重故障，先于执行子系统进行故障-安全处理，同时，执行处理器对后级防护继电器的控制也通过选路开关完成。
（3）动作控制单元：和处理器单元配合完成转辙机定、反操动作控制。由动态驱动电路、电子开关电路、信号测量反馈通道构成。进行转岔操作时，处理器输出动态脉冲信号，驱动功率电子开关动作，动作过程中检测反馈信号，转到位后停止动态脉冲输出，关闭电子开关。
（4）道岔位置表示单元：用于道岔状态采集，并监控室外二极管的健康状态。表示电路由定反位表示采集单元，定反位表示检测单元和道岔表示变压器构成。
（5） 监测单元：监测单元由监测处理器、采集传感器、CAN通信电路构成。监测单元完成铁标监测2006标准规定的相关数据采集，接收执行处理器和逻辑防护单元发送的工作状态信息和故障信息，并将以上提到的信息发送到监测机。监测处理器通过光耦组合编码，获取两个执行ARM和逻辑保护单元的信息，实现监测单元电路和执行电路之间的电气隔离，避免监测故障导致的执行系统故障。
4 道岔控制模块软件设计
道岔软件配合其硬件完成执行层功能，功能包括：
（1）初始化功能：上电或复位启动时对系统硬件资源、软件资源初始化，使模块具备正常工作的条件。
（2）驱动道岔动作功能：在道岔动作条件具备的情况下，驱动道岔转位，并实时闭环监控道岔动作过程，监测到异常反馈信号出现时及时切断条件电源，进行故障-安全处理。
（3）采集道岔表示功能：接通道岔表示电路时，对道岔表示的反馈信号进行综合判断。必须能够识别道岔表示的三种正常表示状态：定位表示、反位表示和无表示；除此之外，必须能够判断室外二极管反接、短接以及其它表示电路故障。
（4）反饋信息采集功能：对道岔表示回路及道岔动作回路的反馈信息进行实时采集，必须对反馈信号进行防抖动处理并准确计算脉宽。防抖动处理时间至少应保持三毫秒，必须对反馈信号的有效性做出准确判断。
（5）数据接收发处理功能：接收并校验解析网关转发的联锁命令数据包，每联锁周期执行一次。
（6）故障检测报警功能：能及时检测到系统运行中产生的各种故障并报警，连续运行。对于严重故障及时进行故障-安全处理。
（7）双ARM同步功能：本设计中，软件运行无固定工作周期，且两个ARM之间无时钟同步，所有功能模块依靠（定时器定时+查询）方式或者（外部中断+查询）方式调用。为保证控制、采集的实时性和安全需求的实现，各功能被划分为若干不同优先等级的模块来实现。调用方式为实时多任务的大循环方式；ARM机时划分为不定长，以模块为单位；调用原则以模块优先级为顺序，如图3 。
5 结束语
全电子模块可以很好的实现执行电路的智能化、网络化和小型化，可较好的满足现代有轨电车正线道岔的控制的需求，同时经一定改进后还可应用于计算机联锁系统执行层。采用全电子执行模块，可显著减少设备用房需求，减轻维护工作人员的工作量，大幅缩短故障排除时间。随着我国现代有轨电车及其它轨道交通形式的快速发展，全电子道岔控制模块将得到越来越的应用。
参考文献
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作者单位
1.中交城市轨道交通设计研究院 湖北省武汉市 430056
2.郑州铁路职业技术学院 河南省郑州市 450052