基于总线结构的数字阶级安全轨道状态检测装置

    摘要：介绍了一种自行设计的新型的基于总线结构的数字化轨道状态检测电路装置。着重从工作原理、可靠性及故障-安全设计等方面进行了阐述。

    关键词：RS-485总线 轨道电路 状态检测 故障-安全

目前在电气集中或计算机联锁系统中普遍采用图1所示的交流轨道检测电路。其基本原理是：轨道受电变压器B2检测轨道线路电压V1out并进行升压，通过桥式整流器将V1out转换满足一定负载要求的直流电压V2out，进而驱动JZXC-480重力式安全型继电器，通过JZXC-480继电器的触点吸起或落下状态反映铁路站场线路的这闲与占用状态。铁路信号联锁与监测系统等通过采集继电器的触点状态进行相应的联锁运算或显示。

这种检测方法单纯从联锁控制需求来讲是可靠与安全的，而从系统整体功能扩展、提高可维护性与可用性等方面来考虑，则存在一定的不足。首先，由于继电器的触点吸合与离开时间一般在20ms左右，难以满足现代铁路运输高密、重载与高速等特点所提出的高实时性要求；其次，该电路仅提供了反映线路状态的触点（电平）信息，相关系统不能在线读入线路电压的实际变化情况，也就无法有效地监视设备工作状态；再者，由于铁路各部场线路状态不同、随季节气候变化、元器件老化等原因，致使线路电压产生波动，而直接反映线路状态的轨道继电器对线路输入电压又有着一定的阈值要求，因而要求经常性地在现场调整轨道电路的送电电压（调整变压器抽头或串联电阻R），维护工作量很大。久而久之还会造成滑线变阻吕、变压器抽头等的失效。

1 设计目的与需要解决的技术任务

1.1 设计目的

如前所述，轨道继军器电路不可避免地对使用该电路的系统造成了一定的影响，因而我们设计了基于RS-485总线结构的数字化轨道状态检测电路。

1.2 设计要求

（1）要能向下兼容原480轨道继电器的外型、插座、引脚等安装工艺结构以及阻抗特性。

（2）必须具备故障—安全特性，确保电路在软、硬件故障情况下（包括停电等外部环境影响）能导向安全侧信号输出。

（3）电路能输出反映轨道占用状况的逻辑信号供相关连接系统进行联锁运算与显示，同时还能输出数字电压值供相关连接系统判断轨道电路工作状态，以便维护人员进行检修与管理。

（4）逻辑信号的阈值可由软件设定，便于在线调整。

（5）逻辑信号可受外部同步源控制输出，便于相关连接系统动态读入。

（6）数字信号通过总线传输。

（7）电路具有热拔插维护特性，方便检修与更换。

（8）电路不设内部地址编码，由其安装位置确定编号，更换上电时由相关连接系统自动读入，不需进行任何设定。

2 技术方案及实现手段

2.1 工作原理

设计的数字化轨道状态检测电路原理框图见图2。

在该电路中，使用一片89C2051单片机及外围电路组成数字化轨道状态检测电路。该电路提供两种不同类型的输出，其中定一是经89C2051内部运算输出并受系统同步源控制的脉冲信号与稳态电平信号，它反映轨道线路电压整流值的危险状态与安全侧状态，由系统检测输入并参与联锁运算；另一输出是串行数据输出，经RS-485总线传送给系统管理机，监测站场轨道电路电压变化情况。

微处理器是检测电路的核心，由其读入A/D变换后的电压值进行阈值运算，根据内部状态定义表（可通过管理机进行在线阈值设置）输出符合故障一安全原则的脉冲或电平信号，控制电路整体自检与外围电路的工作。

轨道电压调理输入模块将来自站场轨线上的交流0～30V电压调理成直流0～5V供A/D电路进行变换，其输入特性通过变压器隔离与阻抗换达到原480继电器的输入要求，从而维持了站场轨道电路的输出特性不变。

为使相关连接系统方便、有效地读入该电路输出的脉冲状态逻辑值，电路接收来自相关连接系统的同步触发控制脉冲，中断响应后再根据实际读入的线路电压与内部阈值决定是否输出与触发控制脉冲同步、代表轨道危险侧状态的脉动电平。在一些规模大的站场需要分为上、下行方面同时控制（多终端控制），因此同步触发控制脉冲可以是一路输入或多路相关的脉冲输入。

由于采用总线结构，需要识别电路位号，数字化轨道状态检测电路的地址编码为小位，其有效识别范围为0～255，必要时地址编码可扩展到10位，从而使大型站场的控制需求也可以满足。在该电路设计中，为了解决互换性问题，采用了在插座上预选设定编码信息的方式来使插入的电路获取位号，当电路插入插座并通电运行后，CPU自动读入该电路的地址编码。

监测模块用于监测电路的工作异常情况，本电路是通过软件结合看门狗电路予以实现的；通过一片专用的RS-485通讯芯片实现相关连接系统与电路之间的数据通信，这种芯片的最大负载适应能力为256片并行使用，不仅可以满足系统容量要求，还可有效地防范电磁干扰与实现故障隔离。

2.2 可靠性与故障—安全设计

    2.2.1 实时性

    该电路通过中断输入方式来检测相关连接系统的触发控制同步脉冲区上沿，以此启动电路的输出，串行A/D芯片的转换速率可达17μs/bit。即使考虑电路自检延时等因素的影响，整体电路延时输出也不超过0.1ms，远远低于原继电器触点吸合所需的约20ms，可大大改善轨道状态检测的实时性。

2.2.2 可用性

该电路参照原480轨道电路继电器的外壳与引线方式，通过对内部电路的信号、电源、地进行合理规划，可以实现热拔插维护目标；A/D参考电压用软件方法进行校准，降低了对器件的性能要求；该电路逻辑信号阈值可以实现在线调整与配置，改善了操作维护人员的劳动强度。

2.2.3 故障—安全设计

用单片机与电子电路构成数字化故障—安全轨道状态检测电路主要难度在于电子电路的故障是对称类型的，因而也就无法保证在电路故障时能将电路输出导向确定的电平状态，因此在该电路设计中采用了以下若干技术措施：

（1）测电路与现场信号的有效隔离。在该检测电路中，采用输入阻抗为480Ω的信号采集变压器对检测电路与现场信号进行隔离，同时在变压器前级采用PTV、PTR等防高压、防过流自恢复保护元件以防止外电路故障造成电路损坏；检测电路与相关连接系统之间采用初次级耐压达1500V以上的光耦进行隔离，兼顾了部分铁路站场采用直流电动机车的保护需求；电源线、现场信号输入线、数据总线均采用双绞线以减少干扰，所用元器件均经过精心筛选与老化，从而使电路故障率除到最低。

（2）对检测电路内流通的信号逻辑表达形式进行变换。用脉冲信号表达代表“线路空闲”的危险侧状态，用静态电平表达代表“线路占用”的安全侧状态。由于脉冲信号在电路故障时导向静态的概率极大，因而可有效解决固定逻辑型垢“0”或“1”故障给检测电路带来的不安全影响。

（3）对检测电路的A/D转换模块输入端口进行定时自检。受系统输入的同步源触发脉冲控制，检测电路定时对A/D输入端口进行自检，尤其是检查现场输入信号为0V时A/D输出的对应情况，确保危险侧输入信号的安全性；同时电路中还使用了看门狗电路以监测程序运行情况，出现故障立即发出危险信号，以使电路输出导向安全。

（4）用上位管理机对检测电路进行监测。上位管理机与数字化轨道状态检测电路进行定时通讯，发现异常后及时报警，提醒维护人员进行检查。

3 优点和效应

基于总线结构的数字化轨道状态检测电路装置由于采用单片机技术结合容错、避错技术进行综合设计，因而其可靠性、安全性、先进性、可用性、可维护性较原继电器触点检测方式都有了很大的提升。具体表现在以下几方面：

（1）提供信息的多样性。该检测电路不仅可以向相关连接系统提供用于联锁运算、显示的逻辑运算信号，还可以提供轨线实际电压的数字量，使得维护人员可以一目了然地了解线路工作状态，状态监测与维护轨道电路。

（2）提升信号的实时性。采用单片机检测方式，使得电路整体的检测效率大为提高。数据刷新的周期低于1ms，远小于原继电检测方式所需的20ms。这对于铁路运输事业正朝着高速发展而提出的实时性要求有着特殊的实用意义。

（3）提高信息的安全性与可靠性。结合故障检测技术与故障—安全导向技术设计，取消了触点的检测，电路的安全性可靠性较原继电器检测电路有了很魇提高。由于可以动态监测线路电压变化情况，因而在季节变化、铁轨生锈等情况下，维护人员可根据历史记录曲线进行预防性维护，使得电路与相关连接系统的可用性得以提高。

（4）降低了维护人员劳动强度。操作人员不再需要经常性地到现场进行调整，而是根据不同的轨线情况自动或手动下发阈值。同时，因减少了对轨道电路变压器、变阻器的调整，延长了这些调整部件的使用寿命。