鐵路信號基礎設備智能無接點控制裝置的製作方法
2023-10-05 23:32:04 2
專利名稱：鐵路信號基礎設備智能無接點控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵路信號控制裝置，特別是一種鐵路信號基礎設備智能無接點控制裝置。
背景技術：
現有的鐵路信號基礎設備-轉轍機、信號機、軌道電路都是延用傳統的繼電式控制電路。由於繼電器的輸入控制是靠動作指令的電平信號接入繼電器線包，而驅動基礎設備(如轉轍機、信號機)的動作是通過繼電器觸點的通斷實施其控制操作的。從控制角度來說，這只是一種電氣信號控制，從輸出控制來說，是通過觸點的通斷實現的。很明顯這就需要計劃維修和日常維護，以保證繼電器的觸點的可靠接觸。此外，6～8個繼電器，組合接線繁雜，施工困難，且不易查找故障，還存在壽命短，體積大，轉換速度慢，故障定位困難的固有缺陷。顯然這制約了鐵路的運營安全和運輸能力的提高。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的上述不足，提供一種採用微電子功率器件取代繼電器，通過計算機實現鐵路信號基礎設備的直接控制的鐵路信號基礎設備智能無接點控制裝置。
為實現上述目的，本發明的一種鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是設有指令輸入隔離電路和工業現場總線通訊電路，上位機下達的指令經由指令輸入隔離電路和工業現場總線通訊電路進入計算機；基礎設備狀態隔離電路，用於將基礎設備狀態的信號送計算機；軌道電路及隔離電路，軌道電路用於檢測軌道的佔車或軌道的空閒情況，並通過隔離電路將信息送計算機；計算機，該計算機的輸入口分別連接上述指令輸入隔離電路、工業現場總線通訊電路、和基礎設備狀態隔離電路、軌道電路的隔離電路，並根據輸入指令和通訊信號進行邏輯判斷，由輸出口輸出指令，控制無接點控制裝置；
無接點控制裝置，其輸入端連接計算機的輸出口，其輸出接鐵路信號基礎設備，根據計算機的指令控制鐵路信號基礎設備工作。
所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是該無接點控制裝置是由驅動輸出和電平轉換電路和功率輸出電路所組成。
所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是該無接點控制裝置中的驅動輸出是由多個光電隔離電路所組成，其輸入端分別接計算機的對應輸出口，多個光電隔離電路的輸出分別接功率輸出電路的對應輸入端；該功率輸出電路是由多個無接點電子開關所組成，各無接點電子開關的控制端作為功率輸出電路的輸入端接通過上述光電隔離電路接計算機的對應輸出口，各個無接點電子開關接鐵路信號基礎設備的對應輸入端，根據計算機不同輸出端的指令使不同無接點電子開關接通或斷開，進一步控制鐵路信號基礎設備動作，轉轍機的正轉或反轉，不同信號燈(紅、黃、綠)的通斷。
所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是所述的電子開關是電晶體，或場效應管、或IGBT管，或可控矽管。
所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是於該無接點控制裝置中進一步還設有模擬電流處理電路和功率管在線檢測電路，該模擬電流處理電路是串接在功率管發射極或漏極上的電流變送器，如分流器、霍爾放大器，用以檢測鐵路信號基礎設備的工作電流其輸出接計算機；該功率管在線檢測電路是通過電阻並接於功率管兩端的隔離電路，用於檢測功率管是否完好，其輸出接計算機。
所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是該軌道電路是由兩路恆流源所組成，其中一路恆流源的輸出端並接於軌道區段上的採樣電阻，該採樣電阻的兩端經由有源濾波器接另一路恆流源的輸入，該另一路恆流源將檢測的上述採樣電阻兩端的電壓經V-I變換器變換成電流量，再經由隔離電路送計算機。
所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是所述恆流源是由基準電壓源、運算放大器及功率電晶體所組成。
本發明的優點在於由於本發明的鐵路信號基礎設備是由嵌入式計算機完成通訊、數字通道和模擬通道的數據採集、處理和邏輯判斷，輸出控制基礎設備由功率微電子開關的通斷代替繼電器控制，具有功耗低、體積小、壽命長、動作快的優點，因此不需要像繼電器組件的日常維護和維修，大大節省了人力，減小了機房面積。同時其遠程通訊功能，為鐵路系統的全計算機化，網絡化奠定了基礎。
該裝置集指令接收、信息採集、邏輯判斷、輸出控制、遠程通訊、故障定位為一體，達到無須維護，工作穩定可靠，提高了鐵路運營安全和運輸能力。
為對本發明的結構、特徵及其功效有進一步了解，茲列舉具體實施例並結合附圖詳細說明如下。
圖1是本發明的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置的方框圖；圖2是無接點控制裝置的具體電路圖；圖3是存儲在圖1鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置的計算機中的指令流程圖；圖4是本發明的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置中的軌道電路的具體電路圖。
具體實施例方式
參照附圖，圖1是本發明用於鐵路信號基礎設備(道岔轉轍機、信號機)的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置(以下簡稱控制裝置)的電路結構方框圖。由圖可見，本發明的控制裝置主要包括指令輸入隔離電路1和工業現場總線通訊電路9，所述的指令輸入隔離電路1是光電隔離電路，所述的工業現場總線通訊電路9是型號為SJA1000的CAN電路；基礎設備狀態隔離電路2，所述的隔離電路是光電隔離電路，用於將基礎設備狀態的信號隔離後送計算機；軌道電路及隔離電路11，軌道電路用於檢測軌道的佔車或軌道的空閒情況，並通過隔離電路將信息送計算機4；該計算機(ECU)的輸入口分別連接上述指令輸入隔離電路1、工業現場總線通訊電路9、基礎設備狀態隔離電路2、軌道電路及隔離電路11，並根據輸入指令和通訊信號進行邏輯判斷，由輸出口輸出指令，控制無接點控制裝置12；該無接點控制裝置12，其輸入端連接計算機4的輸出口，其輸出接鐵路信號基礎設備7，所述的鐵路信號基礎設備7是指道岔轉轍機和信號機，根據計算機的指令控制鐵路信號基礎設備工作，為方便說明，以下以轉轍機為例進行說明。
其中，計算機ECU是由嵌入式8或16位單片機，或帶有JTAG接口的SOC單片機所組成，其型號可為80C592，或80C196或C8051F040等，最佳構成為帶有JTAG接口的SOC單片機組成的計算機系統ECU。上位機下達的指令經指令輸入和隔離電路1及工業現場總線CAN通訊電路9進入計算機ECU，計算機ECU對這兩種指令進行異性判定。現場道岔轉轍機的狀態信息，如位置表示等經道岔狀態及隔離電路2也進入ECU，同時軌道的佔車或軌道空閒信息經軌道電路及隔離電路11進入ECU進行狀態識別。上位機下達的轉轍機動作指令是否執行，是由轉轍機狀態和軌道電路空閒與否決定。只有轉轍機正常，軌道電路送出空閒信息時，才允許執行道岔動作指令。這些條件經ECU的指令冗餘接收，信息採集，和邏輯判斷最終輸出指令給無接點控制裝置12，該無接點控制裝置12主要是由驅動輸出和電平轉換電路5和功率輸出電路6所組成(圖2所示)，驅動輸出和電平轉換電路5是由多個光電隔離電路所組成，其輸入端分別接計算機的對應輸出口，多個光電隔離電路的輸出分別接功率輸出電路的對應輸入端；對於轉轍機而言，該驅動輸出和電平轉換電路5是由二個光電隔離電路所組成，這是由於轉轍機的驅動信號只有兩個，即正轉和反轉，對於信號機而言，則應該有多個輸出分別控制紅、黃、綠、白信號燈或其組合。其輸入端分別接計算機的對應輸出口，多個光電隔離電路的輸出分別接功率輸出電路的對應輸入端；該功率輸出電路是由多個無接點電子開關所組成，同樣，對於轉轍機而言，該無接點電子開關也是有二組，各無接點電子開關的控制端作為功率輸出電路的輸入端通過上述驅動輸出和電平轉換電路5(即光電隔離電路)接計算機的對應輸出口，各個無接點電子開關接鐵路信號基礎設備的對應輸入端，根據計算機不同輸出端的指令使不同無接點電子開關接通或斷開，進一步控制鐵路信號基礎設備動作，轉轍機的正轉或反轉，不同信號燈(紅、黃、綠、白)的通斷。所述的電子開關是電晶體開關電路，或場效應管開關電路、或IGBT管或可控矽管開關。
該無接點控制裝置12進一步還設有檢測保護電路，其中包括模擬電流處理電路8和功率管在線檢測電路8』，該模擬電流處理電路8是串接在功率管主電路(發射極、集電極、漏極、源極)上的電流變送器，如分流器、電流互感器、霍爾放大器，用以檢測鐵路信號基礎設備的工作電流，其輸出接計算機；該功率管在線檢測電路是通過電阻並接於功率管兩端的隔離電路，用於檢測功率管是否完好，其輸出接計算機，所述隔離電路是光電隔離電路。
上述驅動輸出和電平轉換電路5隔離差動輸出(有時為脈衝輸出)至標號6的功率輸出電路，該功率輸出電路的輸出經電線接至現場鐵路信號基礎設備一轉轍機7。同時，在轉轍機運行和靜止中轉轍機的位置表示狀態及功率管的是否正常經道岔狀態及隔離電路2及功率管在線檢測電路8』送至計算機ECU。而轉轍機7的工作電流經模擬電流處理及隔離電路8，進行模擬量動態採集，並送計算機ECU，由此可以描繪出轉轍機的運行曲線。通過道岔狀態、設備狀態及隔離電路2和模擬電流處理及隔離電路8和功率管在線檢測電路8』形成閉環，ECU就能隨機檢測轉轍機的工況和外線狀態。例如，ECU沒有發出轉轍機的動作指令，而此時ECU檢測到了電流信息，就立刻確定出功率輸出管損壞擊穿，ECU就立即報警，並切斷功率管的驅動電源，使該控制裝置進入故障一安全狀態，如計算機ECU檢測到轉轍機狀態發生變化，就能判斷出回線斷線或人為使轉轍機動作。當ECU發出了轉轍機動作指令，而ECU檢測不到電流或轉轍機的位置表示沒有變化，則說明驅動轉轍機外線開路或發生故障，此時立即報警，進行故障處理。
本發明的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置中還具有看門狗電路10，計算機ECU動態地檢測各路電源和程序的運行，如程序跑飛，則經看門狗電路10使系統復活。
由上面分析可知，本發明解決了鐵路信號基礎設備由繼電式組合控制的諸多缺點，實現了鐵路基礎設備的智能化無接點直接控制，通過少檢多測，使該裝置符合鐵路系統的故障一安全原則。由於本發明的控制裝置具有工業現場總線遠程通訊功能，為鐵路系統的全計算機化、網絡化奠定了技術基礎。
本發明的智能無接點控制裝置控制鐵路信號基礎設備，取代了傳統的繼電器，解決了繼電器組合的固有缺點功能單一，體積龐大，故障防護能力差，處理故障時間長，維修工作量大的缺點。
圖2為該無接點控制裝置12的具體電路圖，其中包括驅動輸出和電平轉換電路5、功率輸出電路6、轉轍機7、模擬電流處理及隔離電路8和功率管在線檢測電路8』。下面對無接點控制裝置12進行詳細說明。
計算機ECU4發出的轉轍機動作指令1或2(轉轍機正轉或反轉)，進入輸出驅動和電平轉換電路5，它由二個光電耦合器D1、D2、相應電阻和或門D3組成。輸出驅動和電平轉換電路5的輸出驅動功率輸出電路6的功率電子開關IGBT組件BG1-BG3的控制極，相應地BG1、BG3或BG2、BG3導通，經電纜接至轉轍機的正轉或反轉電機的線包，進行差動輸出使轉轍機運行。串接在BG3的漏極上的模擬電流及隔離電路8為電流變送器SEN(如分流器、電流互感器、霍爾放大器)，由它來監測轉轍機的工作電流，通過模擬量處理及隔離電路8回採至ECU進行處理。而並接在BG1-BG3的漏極和源極間的D10-D12的瞬變管進行續流保護。工作原理如下由ECU經邏輯判斷發出的轉轍機動作指令1(正轉)或動作指令2(反轉)，經輸出驅動和電平轉換電路5輸出至功率輸出電路6中IGBT管的控制極，使BG1、BG3或BG2、BG3導通或截止，從而為轉轍機7提供受控的工作電流，該工作電流經模擬量處理及隔離電路8進入ECU監測處理；形成閉環監測控制轉轍機的運行狀態。功率管在線檢測電路8』是通過電阻並接於功率管兩端的光電隔離器D4、D5、D6，用於檢測功率管是否完好。當計算機未輸出動作指令1和動作指令2時，BG1～BG3均截止，此時光電隔離器D4～D6不導通，其輸出FKJC、DKJC和KHJC為高電平。若此時功率開關管損壞導通，如BG1導通，電源DZ經D4回到DF，使D4導通，其輸出其輸出為低電平，ECU立即報警。當有指令使轉轍機轉動時，如有動作指令1(正轉)就使BG1和BG3導通，這時D4和D6均導通，使DKJC和KHJC為低電平，如果此時DKJC和KHJC為高電平，就表明BG1或BG3不導通損壞。由上所述，ECU就能在線檢測功率開關管的工作狀態。本發明的功率開關器件除採用IGBT器件外，還可由功率MOS管、控矽組件或功率電晶體構成。
上述的驅動輸出和電平轉換電路5是由光電耦合器，或者DC-DC轉換器，或者運算放大器構成。
圖3是本發明的道岔轉轍機的控制流程圖。流程圖表示的程序運作是由預裝在計算機ECU中的PSD晶片中的Flash或EPOM中的編程指令完成的。在流程圖中的每一步驟在實際執行的程序中可包含一個或多個函數。
參照圖3，它公開了本發明用於道岔轉轍機控制裝置的一個程序主流程。該程序主要完成三個任務一是實時採集各類信息，如圖1中指令輸入及隔離電路1、道岔狀態、設備狀態及隔離電路2、電源和檢測電路3、模擬電流處理及隔離電路8、功率管在線檢測電路8』、工業現場總線通訊電路9和軌道電路及隔離電路11進入ECU的信息；二是啟動或停止運行轉轍機實現無接點控制；三是實時判斷靜態和動態的各類故障信息，並遠傳至上位機的人-機對話界面，同時使轉轍機進入故障-安全狀態。
圖3的流程圖指示在開始步驟100之後，步驟101進行資源和文件初始化。步驟102定時採集各類信息，以便判斷轉轍機是否正常，判斷為否定則進入故障處理，即進入步驟104，切斷功率輸出管電源，繼而進入步驟105報警處理，通過通訊把故障信息傳輸至上位機的人-機對話畫面，並發出聲音報警，通知有關人員進行排除故障處理。若無故障，則進入步驟106或108，進行轉轍機的動作指令判定，而這種指令判定是基於數字通道和通訊通道的指令相互校核決定。同時判斷步驟107或109的轉轍機運作的必要條件如系統解鎖閉和軌道空閒時才進入步驟115或110，啟動轉轍機運行。步驟116-120和步驟111-114和121是轉轍機運行中停機判斷條件。當然這也是本發明用於轉轍機控制的主要程序，其程序步驟完全是按照鐵道部的相關技術標準和技術要求進行處理，特別是故障-安全程序尤為重要。
由上所述，對鐵路信號基礎設備-轉轍機、信號機的控制由智能無接點控制裝置代替繼電式控制，但是這些設備的運行都和軌道電路密切相關，而現在使用的軌道電路是由一個電壓源經串聯一個軌道繼電器線包組成，線包得電吸起為軌道空閒，失電落下使其觸點接通電壓信號被判為軌道區段佔車。但由於聯線長，道床洩漏而使軌道繼電器錯誤失電落下而佔車，此時需調整供電電壓，有時因雨雪天道床洩漏太大，使整場癱瘓。針對這些缺點，本發明圖1中的軌道電路及隔離電路11是一種新型電子軌道電路，它解決了雙區段和因道床洩漏能夠在線自動調整的電子軌道電路，完成軌道電路的狀態識別，並具有遠程通訊功能。圖4詳細提供了這種新型軌道電路的原理圖。
本發明的這種軌道電路主要是應用恆流源原理，恆定電流饋送至軌道區段鋼軌上，這有別於繼電式軌道電路使用的是電壓源，因此饋送線的長短不再是一個主要因素。在軌道區段上串接雙區段兩個電阻形成電流迴路，通過軌道區段上的車廂輪對分別短接這兩個區段電阻而產生不同的電壓，即產生軌道DG、DG1和空閒電壓，此電壓經V-I變換器，對應狀態的電流經長線送至控制室內的採樣電阻產生對應的電壓，經模擬隔離進入ECU處理，完成對軌道電路狀態的識別。
圖4是本發明的新型軌道電路的原理圖。交流市電經防雷器件進入電源處理電路20，它產生兩路直流電壓源一路通過基準電壓源21得到的基準電壓，並通過電阻器23的大小調整或調整基準電壓源21的基準電壓，使運算放大器22及擴流電路產生所需的恆定電流，經串接穩壓管24饋送至軌道區段25上。對於雙區段的軌道電路，在絕緣的兩段鋼軌上串接大功率電阻器33、34。車廂輪對行進在軌道區段25上時，會分別短接電阻33或34而產生兩段電壓源，還可通過產生兩段電壓的時間與軌道區段的長度計算車廂的行進速度，為車輛減速器提供一種測速條件，無車廂通過該軌道區段時，恆流流經電阻器33和34上產生空閒電壓值。其電壓大小經標號26的有源濾波器標號27的V--I變換器，而上述兩種電路的電源為標號20產生的另一路直流電壓源。調整標號28的電阻器的值即可獲得軌道區段上佔車狀態和空閒時的電流大小，該電流經串接標號為29的穩壓管隔離送至標號30的採樣電阻產生對應的電壓值，經標號31的隔離電路和標號32的濾波電路送入ECU，進行軌道區段佔車和空閒的邏輯判斷。隨著道床洩漏而分流，只需經通訊通道在線修改判斷軌道區段佔車、空閒的基淮值。這種動態採樣判定有效地解決了軌道區段使用中狀態變化而引起的錯誤判斷。若標號25中標號33電阻器短路，則變成單區段佔車和空閒的軌道電路。
上述的標號22的恆流產生電路和標號26、27的濾波和V-I變換電路由運算放大器構成，其點流輸出由功率三級管、或者功率MOS管構成，而標號24和標號29由穩壓管或二極體構成。
總之，本發明是一個採用嵌入式計算機和無接點直接控制鐵路信號基礎設備的控制裝置，它集指令接收、信息採集、邏輯判斷、控制輸出、故障定位、遠程通訊為一體，有效解決現行鐵路基礎設備繼電式控制的諸多缺點，大大提高了鐵路的運營安全和運輸能力。
權利要求
1.一種鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是設有指令輸入隔離電路和工業現場總線通訊電路，上位機下達的指令經由指令輸入隔離電路和工業現場總線通訊電路進入計算機；基礎設備狀態隔離電路，用於將基礎設備狀態的信號送計算機；軌道電路及隔離電路，軌道電路用於檢測軌道的佔車或軌道的空閒情況，並通過隔離電路將信息送計算機；計算機，該計算機的輸入口分別連接上述指令輸入隔離電路、工業現場總線通訊電路、基礎設備狀態隔離電路、軌道電路的隔離電路，並根據輸入指令和通訊信號進行邏輯判斷，由輸出口輸出指令，控制無接點控制裝置；無接點控制裝置，其輸入端連接計算機的輸出口，其輸出接鐵路信號基礎設備，根據計算機的指令控制鐵路信號基礎設備工作。
2.根據權利要求1所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是該無接點控制裝置是由驅動輸出和電平轉換電路和功率輸出電路所組成。
3.根據權利要求2所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是該無接點控制裝置中的驅動輸出是由多個光電隔離電路所組成，其輸入端分別接計算機的對應輸出口，多個光電隔離電路的輸出分別接功率輸出電路的對應輸入端；該功率輸出電路是由多個無接點電子開關所組成，各無接點電子開關的控制端作為功率輸出電路的輸入端接通過上述光電隔離電路接計算機的對應輸出口，各個無接點電子開關接鐵路信號基礎設備的對應輸入端，根據計算機不同輸出端的指令使不同無接點電子開關接通或斷開，進一步控制鐵路信號基礎設備動作，轉轍機的正轉或反轉，不同信號燈的通斷。
4.根據權利要求3所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是所述的電子開關是電晶體，或場效應管、或IGBT管，或可控矽管。
5.根據權利要求2所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是於該無接點控制裝置中進一步還設有模擬電流處理電路和功率管在線檢測電路，該模擬電流處理電路是串接在功率管發射極或漏極上的電流變送器，如分流器、霍爾放大器，用以檢測鐵路信號基礎設備的工作電流其輸出接計算機；該功率管在線檢測電路是通過電阻並接於功率管兩端的隔離電路，用於檢測功率管是否完好，其輸出接計算機。
6.根據權利要求1所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是該軌道電路是由兩路恆流源所組成，其中一路恆流源的輸出端接並接於軌道區段上的採樣電阻，該採樣電阻的兩端電壓經由有源濾波器接另一路恆流源的輸入，該另一路恆流源將檢測的上述採樣電阻兩端的電壓經V-I變換器變換成電流量，再經由隔離電路送計算機。
7.根據權利要求6所述的鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其特徵是所述恆流源是由基準電壓源、運算放大器及功率電晶體所組成。
全文摘要
本發明涉及一種鐵路信號基礎設備的智能無接點控制裝置，其包括指令輸入隔離電路和工業現場總線通訊電路、基礎設備狀態隔離電路、軌道電路、計算機和無接點控制裝置。該控制裝置完成道岔轉轍機、信號機的直接控制和軌道電路的狀態識別。通過上位機動作指令、鐵路信號基礎設備的狀態信息和工業現場總線完成異性判定，其輸出經無接點微電子功率開關根據動作指令要求通斷，使基礎設備獲取受控的工作電流。根據恆流源原理構成的軌道電路可完成單區段、雙區段軌道狀態判斷，還可根據外界條件變化進行在線調整判定。該裝置集命令接收、信號採集、邏輯判斷、控制輸出、故障定位、遠程通訊為一體，是控制鐵路信號基礎設備的新型控制裝置。
文檔編號B61L27/00GK1562688SQ200410031690
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月13日 優先權日2004年4月13日
發明者孔照雲, 齊建亞, 尹建平, 胡崇漢, 李進表 申請人:孔照雲, 齊建亞, 尹建平, 胡崇漢, 李進表