自动闭塞系统实训考核装置的设计

于维佳+潘羽+梁韬+吴凌

【摘 要】为了实现自动闭塞系统实训中高效地对断线故障点进行设置与恢复，研制了一种用于自动闭塞系统的实训考核装置;上位机考核软件具备故障设置、修复、自动记录成绩等功能，下位机以C8051F410单片机为主控单元，并使用继电器模拟线路通断。

【关键词】自动闭塞系统 实训考核装置 C8051F410 考核软件

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）02C-0191-02

各铁道类高职院校在铁道信号相关专业的人才培养、课程设置当中，自动闭塞实训系统的应用已经越来越广泛。自动闭塞实训系统的硬件构成与铁道系统实际使用的信号设备完全一致，信号设备可分为室内设备、室外设备与系统防雷三部分，在ZPW-2000A自动闭塞系统实训中最重要的技能考核点是室内设备的维修。而在实际使用过程中，室内设备的故障类型通常是断路故障，因此教师在对学生进行考核时，必须模拟实际故障场景中的断线故障，以此方法来评价学生对技能点的掌握。

在实训教学中，室内设备部分使用“区间信号零散组合1”进行配线与检修实训，该组合至少包括超过100个配线端子，教师在进行室内设备维修技能考核时，人为设置配线断路故障点需要耗费大量时间与精力，存在实训效率低下的问题;而且在考核中，难以对学生维修技能的过程进行评价，学生无法真正掌握实际工作中室内设备故障检修的方法，不能适应信号工的岗位需求。现有设备已无法满足教学的要求。

针对上述问题，研制了一种用于ZPW-2000A型自动闭塞系统实训的考核装置，提供了一种在实训中模拟室内设备断路故障维修的智能化考核方法。这是一种可通过上位机考核软件出题、评分的轨道交通信号控制系统实训考核装置，能快速设置断路点，并对学生维修过程进行公正的评价。

一、硬件电路设计

（一）设计方案

装置包括上位机考核软件与下位机控制器，上、下位机之间通过串口RS232连接。上位机考核软件采用VC开发，要求能够设置包含故障点信息的考核试题，并能根据学生维修情况自动评分。考核被激活后，数据与指令通过串口通信发送至下位机;下位机接收完毕后自动应答，并根据实时指令对相应的继电器进行控制，达到还原断路故障维修场景的目的。

下位机包括RS232电路、微控制单元电路、继电器驱动电路、继电器接口电路。采用单片机设计微控制单元电路，通过RS232通信接收上位机发送的数据，并执行相关指令，同时单片机还负责采集两路反馈信号。

将自动闭塞系统通过继电器驱动电路来设置继电器接口电路的断路故障点，达到模拟室内设备故障的目的。继电器驱动电路须要能够对超过100个配线进行通断控制。

下位机利用单片机对两路灯丝继电器的通断状态进行监控，并将监控数据通过RS232电路反馈至上位机，考核软件根据该灯丝继电器状态信息在界面中实时地转换显示信号灯的亮、灭状态。

（二）微控制单元与RS232电路设计

微控制单元电路采用C8051F410单片机作为核心。这是一款集成高速51内核的混合信号单片机，共有24路IO口资源，并内建多路12位逐次逼近型ADC，可以用于信号灯丝继电器的工作状态进行数据采集。为便于与上位机进行串口通信，RS232电路选用MAX3232电平转换芯片搭建。微控制单元电路、RS232电路原理图如图2所示。

（三）继电器驱动电路设计

继电器驱动电路要求能对数量较多的继电器进行驱动，因此使用74HC595输出位移寄存器芯片对单片机有限的I/O口资源进行扩展。该芯片可以完成串口输入转换成并口输出的功能，每片芯片只需要4个控制信号即可控制8路并口输出数据。设计使用4片74HC595级联，后级芯片的串行数据输入端口连接到前级芯片的串行数据输出端口Q7'，此时只需通过单片机的4根IO口线作为输入，便可扩展至一组32位并行数据输出。

用单片机控制总共四组32位并口数据输出，这样只需16根IO口线就可以完成128个继电器的通/断控制，在满足设备研制要求的同时，也留出了一定的冗余。

同时采用ULN2803芯片直接驱动继电器，芯片集成8路达林顿管，并内建肖特基二极管反向放电回路，无需外接二极管，每片芯片可以直接驱动8个继电器。

图3为继电器驱动模块电路原理图（A组）。包括4片74HC595芯片级联，用于扩展单片机的IO口线，分别编号为A1、A2、A3、A4，以上组成“A组继电器驱动电路”;整个装置包括A、B、C、D四组继电器驱动电路，限于篇幅，图中只给出A组电路原理图。四组继电器驱动电路构成继电器驱动模块，每一组驱动电路可驱动32个继电器，四组驱动电路一共能够驱动128个继电器，满足设备开发需求。

（四）继电器接口电路设计

图4为继电器接口模块电路原理图（部分），装置包含128路继电器接口，篇幅所限，图中只画出了8路继电器接口电路，其余继电器接口电路采用相同结构。“排线R1”与图3中的“排线1”用软排线相连，用于接收图3继电器驱动模块的控制信号;图中2路灯丝继电器接口与图2中的单片机17、18脚相连，用于反馈ZPW-2000A实训设备运行状态。

电磁继电器采用G6K-2F-Y-5V信号继电器，其触点容量满足自动闭塞系统实训的要求，并能够有效控制PCB规模。在对ZPW-2000A实训设备配线时将需要考查的线路与本装置的接线端子串联，接线端子继电器动触点与常闭触点连接“接线端子”，这样在继电器无动作时，保证设备与ZPW-2000A实训设备的接线无断路故障，在接到上位机指令后，单片机控制相应继电器吸合，产生断路故障现象。同样，控制继电器释放后，故障点得以恢复。以此模拟ZPW-2000A自动闭塞系统的断路故障。

继电器接口电路中使用超小型电磁继电器，并且继电器驱动电路与继电器接口电路之间用排线相连。这种结构方便调试、更换，也为后期使用中的设备本身的维护检修带来了很大的方便。

二、软件设计

使用VC开发上位机考核软件，主程序流程图如图5。教师使用考核软件对轨道交通信号控制系统实训进行故障点设置、考核分值设置，学生在查找故障点后可以在软件界面中对相应的故障点进行确认维修操作。

教师在软件中设置考核内容，上位机将题目中的故障点信息与指令通过串口发送至下位机。学生考核时根据信号设备知识在自动闭塞系统组合配线处查找故障点。当完成训练或考核后，只需在软件中勾选相应的故障点图标，软件自动判断学生选择的正确性，选择错误则扣分，选择正确时，软件通过串口通知单片机将故障点恢复完好，通过上述方法，考核软件可自动对维修过程进行记录、评分。

将该考核装置用于ZPW-2000A型自动闭塞系统实训中，经过应用证明，可以通过上位机考核软件设置题目并自动评分，上位机与下位机建立串口通信，下位机能够控制配线的通/断来模拟实际工作中的断路故障，可操作的断路故障点数量超过100个，满足自动闭塞系统实训的需求。装置能够对2路信号灯丝继电器状态进行采集，反馈的状态信号用于实时监测信号设备工作稳定与否。

教师在进行轨道交通信号控制系统实训时，无需再花费大量的时间进行手工设置故障点，可以把精力放在故障现象的讲解上，大幅提升了实训的效率。该考核装置功能完善，符合实际教学需求，适合推广至铁道通信信号专业实训室当中，同样地，该装置也适合推广至其他轨道交通类专业的实训当中，适用于包括断线故障维修内容的实训场合。

【参考文献】

[1]吕云芝，付又新，莫建国.ZPW-2000A型自动闭塞设备维护问答[M].北京：中国铁道出版社，2012

[2]贾毓杰.铁路信号与通信设备[M].北京：中国铁道出版社，2012

【作者简介】于维佳（1982— ），男，广西柳州人，硕士，柳州铁道职业技术学院讲师，研究方向：智能检测与控制技术。

（责编 丁 梦）