电子模块化道岔表示电路的研制应用探讨
【摘要】本文针对传统道岔表示电路的原理及故障易发点，提出了由电子控制模块代替继电器的电子模块化道岔表示电路的研制方案和实施思路。克服了继电电路的诸多缺陷，从根本上解决了电缆混线、配线错误等造成道岔无表示或错表示，现场维护人员维修故障时盲目颠倒半波整流器方向和“封连线”违章操作造成室内外道岔表示的不一致的难题，实现了真正意义上的信号设备状态修，提高了列车运输效率，减少了行车安全隐患。
【关键词】模块化；电子控制；道岔；表示
1 概述
传统道岔表示电路需室外、室内同时进行人工校核，结果正确与否无其它技水手段进行控制，全靠技术人员的素质及责任心，极易出现室内外道岔表示不一致导致铁路行车安全事故的发生。科学技术的飞速发展以及微电子技术在控制领域的广泛应用为微电子技术进入铁道信号基础设备的控制领域提供了必要的技术基础，因此，针对铁道信号领域中最薄弱而又关键的基础设备的控制，采用电子化执行单元是必然趋势。
2 原有电路原理及故障易发点
目前各种类型转辙机的表示电路基本是定型电路，原理大同小异，本文以四线制道岔控制电路为例阐述电子模块化道岔表示电路方案。
2.1 原有电路原理
假设需要将道岔由反位转向定位。同时按下道岔按钮CA和道岔总定位按钮ZDA后，道岔按钮继电器CAJ和道岔定位操纵继电器DCJ励磁吸起。于是第一道岔启动继电器1DQJ接通，随后第二道岔启动继电器2DQJ接通。1DQJ转极，使得第三级电机电路接通。电机通过由X1和X4构成的回路转极，使道岔由反位转向定位。转到定位以后，电机电路断开。如图1所示，通过X1和X3定位表示继电器DBJ的励磁电路接通。DBJ吸起以后，给出定位表示。同理，如果需要将道岔由定位转向反位，在反位操纵继电器FCJ励磁吸起后，lDQJ接通，随后2DQJ也接通。1DQJ电路断开，第三级电机电路接通。电机通过由X2和X4构成的回路转极，使道岔由定位转向反位。转到反位以后，电机电路断开，通过X2和X3，FBJ的励磁电路接通。FBJ吸起后，给出反位表示。
2.2 道岔表示电路故障易发点
目前使用的道岔转辙机，其定位或反位的位置状态：是根据转辙机在道岔处设置的位置要求而确定的；是通过人为的Xl与X2的倒接和表示二极管的极性倒接而实施的。
尽管铁道部明文规定不能使用“封连线”，但在以往的施工和维修作业中，电务工作人员有时还会采用“封连线”的维修方法。道岔“封连线”维修方法是：如道岔在定位位置，则采用短路线封接道岔的定位表示接点，其目的是在维修中手摇道岔调整时（四开或摇到反位均可），使该道岔的定位表示继电器维持吸起（此时继电控制电路没动，2DQJ保持在定位吸起状态）。尤其是对于多动道岔来说，可以避免维修一点影响一片，这也是现场维修为什么采用该方法的一个原因。
采用短路线封接道岔的定位表示接点后，在维修中又手摇道岔到反位时，道岔实际上是处于与电路表示状态相反的位置。该故障继电电路是无法检查和防护的，原因就是2DQJ保持在定位吸起状态，通过封接线条件接通定位表示继电器电路，而同样因为2DQJ保持在定位吸起状态，切断了道岔真实的反位表示继电器电路，造成室内、室外道岔表示不一致情况的发生。
3电子模块化道岔表示电路设计方案
电子模块化道岔表示电路方案原理是研制一种道岔表示电子模块，从技术手段上实现室内外道岔表示不一致检查，并具有外线短路自动保护、有封连线自动报警等功能，并能够对外部设备和自身设备进行实时监测，有故障时及时报警，从而杜绝人工校核的错误。一种道岔控制线制对应一种道岔表示电子模块，本文选用四线制道岔控制对应的道岔表示电子模块为例进行闸述。
图2道岔表示电子模块化电路框图
电子模块化道岔表示电路方案基本技术思想是将道岔室内控制及表示电路采用室内道岔表示电子模块控制，根据室内组台柜的尺寸确定室内道岔表示电子模块的规格尺寸，便于在组合柜上安装。室外转辙机增设室外道岔表示电子模块，根据转辙机的尺寸确定室外道岔表示电子模块的规格尺寸，便于在室外转辙机安装。室外道岔表示电子模块与室内道岔表示电子模块采用CAN总线方式通信。室外道岔表示电子模块利用编码电路在道岔表示信息上加入特定的道岔识别号，进行数据编码传输，室内道岔表示电子模块将室外传来的道岔表示信息进行解码，这种数字编码和解码的方式有效防止混线造成的道岔室内、室外表示不一致情况的发生。
3.1 室外道岔表示电子模块
室外道岔表示模块与室外转辙机采用插接式连接，室外转辙机留有与外界联系的标准输入输出接口；室外转辙机接口处设置有供道岔表示模块插入并固定的槽口，道岔表示模块的接口处设置有根据上述槽口设计的相对应的凹槽，槽口与凹槽形成连接对应关系；室外道岔表示模块通过表示测试电路采集道岔表示信息，并通过室外道岔表示模块上的编码电路在每一个采集到的道岔表示信息上加入特定的道岔识别号，并对道岔表示信息和道岔识别号进行数据编码传输；编码后的数据通过CAN传输至室内道岔表示模块。室外道岔表示模块按插接方式的工厂化加工组装，并进行严格的系统调试，室外设备就位后，仅须将模块插到室外转辙机对应插座插接就可完成现场施工，简单快捷。当室外道岔表示模块故障后，只须从转辙机对应插座拔下更换新的模块，这样既减少维修工作量，也缩短了维修处理时间。故障模块返厂进行工厂化维修，实现信号设备的状态维修。
图3 室外道岔表示电子模块示意图
3.2 室内道岔表示电子模块
室内道岔表示电子模块同室外道岔表示电子模块一样，与室内组合柜采用插接式连接。室内道岔表示电子模块按照道岔转换运营技术要求设计，采用双模块冗余方式，和联锁机以双CAN网通讯，第三个CAN网与监测机通讯，即2×3。热备的模块同时接收联锁机信息和信号设备信息，并上报联锁机，经比较、分析、判断，决定热备的哪一个模块作为值班机。热备的两个控制模块通过CAN局域网（A、B）同时和联锁机进行实时通信，通过第三CAN局域网（C网）与微机监测系统进行实时通信。对室外设备的控制则通过电缆经防雷设备控制道岔转辙机等设备。室内两个道岔表示模块同时接收联锁主机的命令，同时采集设备状态信息以及对室外设备和模块自身进行监视、监测，经比较分析判断，工作模块故障时可自动切换至热备模块，实现故障一安全，同时向联锁机和微机监测系统送出报警信息。
图4 室内道岔表示电子模块示意图
4 电子模块化道岔表示电路功能和优点
电子模块化道岔表示电路由电子控制模块代替继电器，实现动作电路以及表示电路的功能，因其加入了智能控制芯片，使其具有了继电器所不能达到的功能和优点：
（1）电子模块化道岔表示电路实现的道岔控制，配线更为简单明了，只保留了对室外现场设备接口简单配线，很大程度上减少了因电缆而造成的故障率。
（2）电子模块化道岔表示电路具有外线短路保护功能，全部取消了传统联锁执行层中易于老化的熔断器，解决了占信号故障比例最高的难题。
（3）电子模块化道岔表示电路解决了传统继电器执行电路对于封连线不能识别，因而容易造成表示错误导致的联锁失效，具有对道岔封连线的判断功能，发现后能够及时报警。
（4）电子模块化道岔表示电路采用了“控制、监督、监测一体化”的设计思想，模块同时对室外设备、模块自身进行实时监督、监测，有故障时及时报警。模块自身发生故障能够及时切换到备用模块，系统结构更加优化。
（5）电子模块化道岔表示电路的设计易于实现区域联锁和无人值守。模块与控制主机间的通信是通过CAN总线实现的，所以很容易实现远程控制和区域联锁控制。
（6）电子模块化道岔表示电路为执行层的控制系统，其设备占地面积显著减少，即适用于既有的线路改造和大修，也可以节省房屋投资。
（7）工程设计简捷方便，避免了继电器繁锁的配线图设计，从源头上大大减少了故障率。
5 电子模块功能以及实现故障-安全
5.1 软件功能实现
5.1.1道岔动作处理
电子模块化道岔表示电路实时接收联锁机的动作信息，当收到定位（反位）动作命令时，模块进行连续三次比较，保证接收命令的正确性。当命令有效时，调用动作判断函数，两套动作判断函数均根据自身的变量进行独立的判断，当两套程序均判断达到有效动作的条件时，再通过各自的动作函数发出动作命令。
5.1.2 道岔表示采集处理
采用动态采集，定、反位状态相互校核，只有在判断位置状态唯一、道岔命令、控制与位置一致时，才向联锁机回执道岔位置状态的信息。道岔表示采集的码子具有严格的专一性。
当室外转辙机上的二极管接反时，模块可根据采到的表示码子进行自动识别，并作报警处理，上报联锁机。当二极管击穿时，表示回路上的电平由于交流信号的进入会出现脉冲信号，经测试程序测到回线上有脉冲时，进行报警处理。
5.1.3 封接点问题的解决方案
采用电子模块化道岔表示电路，取消了2DQJ等继电器，模块对表示的采集进行了定、反位动态校核和状态唯一条件判定，因此对封接点问题进行了有效的保护。
5.1.4 道岔转换电流的处理
电子模块化道岔表示电路启动转换后，每50毫秒采集一次电流值，并将电流值暂时保存，待转换完毕后，将电流值按协议通过CAN网络上报微机监测系统。当采集电流值连续小于停电机电流值500毫秒后，模块发出停电机指令。电机停止200毫秒后，再加表示电源测表示。
5.2 自身监视及异常处理
电子模块化道岔表示电路采用了“控制、监督、监测一体化”的设计思想，模块在进行正常工作的同时，对室外设备、模块自身状态、开出口及功率驱动模块工作状态、工作电源、进行实时监督、监测，有故障时及时报警，导向安全。
5.3 故障报警
电子模块化道岔表示电路通过对室外设备、自身状态的实时监视及测试，及时发现故障，并能够做到故障时导向安全。
故障报警类别主要分为外故障、内故障、表示故障和电源故障。外故障主要包括对控制外线的防护和道岔转换过程中的故障防护。内故障主要包括开出口反馈故障、功率驱动模块反馈故障、开出口及功率驱动模块监视电路故障以及道岔表示采集、电流采集模块故障等。
5.4 通信安全实现
（1）通信采用安全编码方式。数据帧中包含一位CRC校验位，模块收到数据后进行CRC校验，校验有效则认为此帧数据有效，CRC校验无效，则认为此帧数据无效。
（2）道岔表示电子模块对数据进行多次校验，即当连续采集到三次有效数据时才进行处理。如联锁系统发送道岔定位动作命令，模块必须连续收到三帧有效动作命令才进行动作处理，否则认为数据无效。
（3）双CAN采用并行工作方式，当其中一路CAN线受干扰或不能正常工作时，另一路仍能正常工作。
（4）联锁系统与防错型道岔表示模块进行实时通信，通信周期为250ms，实时校核命令信息及道岔状态信息。
5.5 双机冗余及切换
道岔表示的电子模块采用双套动态冗余技术，平时工作模块处于工作状态，备用模块并行工作。工作模块实时接收主机命令、经逻辑判断发出动作命令、采集道岔表示，备用模块只进行实时接收主机命令，不发出动作命令。当通过故障检测和诊断技术发现故障模块后，及时以备用模块进行替换（即重组），并使系统恢复正常工作。重组可以自动完成，也可由维修人员完成。道岔表示的电子模块不设计双机切换按钮，当关掉工作模块电源或按下其复位按钮时，自动切换到备用模块。
结束语
电子模块化道岔表示电路采用先进的电子技术，性能优良的集成化组件和大功率驱动模块，替代传统的继电器，完成对道岔转辙机的控制，克服了继电电路的诸多缺陷，从根本上解决了电缆混线、配线错误等造成道岔无表示、错表示，现场维护人员维修故障时盲目颠倒半波整流器方向和“封连线”违章操作造成室内外道岔表示的不一致等难题，实现了真正意义上的信号设备状态修，提高了列车通过能力和运输效率，减少了行车安全隐患，适应我国新时期铁路提速安全和运营的需要。
参考文献
[1] 刘国振，赵伯荣.道岔表示电路采用防错半波整流器[J].铁道通信信号，1999（8）：21-22.
[2] 鲁恩斌.一起高速铁路道岔表示电路故障引起的冗余思考[J].铁路通信信号工程技术，2013（6）：81-83.