通用全电子转辙机控制单元设计探讨①

2020-07-17陈亮

科技创新导报 2020年14期

陈亮

(卡斯柯信号有限公司上海 200071)

1 全电子联锁背景简介

目前，主流的计算机联锁与轨旁设备接口仍然以继电器电路为主，随着高铁应用的日趋广泛，对设备可靠性要求越来越高。面对当前铁路信号领域设备高可靠、智能化、网络化的挑战，全电子联锁凭借故障率低、易维护、高集成的优点，逐步成为铁路信号设备更新换代的趋势。在《铁路车站计算机联锁技术条件》[1]中，已经将电子执行单元纳入管理。目前正在规划研究的列控-联锁一体化中，已经明确要求可通过全电子执行单元对轨旁设备进行控制，并且对各种类型的轨旁设备电子模块提出了详细的要求。在这些电子执行单元中，使用最广泛、最频繁的设备，莫过于转辙机控制模块了，尤其是交流转辙机控制模块。

图1 直流转辙机控制原理图

2 国内外道岔控制电路

（1）电路结构。

道岔是轨道交通中引导列车按照正确的方向运行的设备，转辙机则是控制道岔开向的必不可少的设备。转辙机有很多种类型，有国产设备，也有进口设备。在我国，按照供电类型，可以分为直流转辙机和交流转辙机[2]。直流转辙机控制电路比较简单，如图1所示。电源为单一的直流220V，分别通过定位控制开关和反位控制开关来实现转辙机的方向控制和供电控制。定位控制开关闭合则向定位转动，反位控制开关闭合则向反位转动。

交流转辙机的控制相对复杂，目前国内主流的交流转辙机控制电路为驱动和表示合并的五线制交流道岔控制电路，如图2所示（此处省略了表示电路），所用电源为AC380V三相电源。

图2 国内五线三相转辙机控制原理图

图3 国外三线三相转辙机控制原理图

图4 国外三线两相交流转辙机控制原理图

三相电机的三个线圈U/V/W呈星型连接，当控制开关在定位控制位置时，电机相序为A/B/C，带动转辙机向定位转动，当控制开关在反位控制位置时，电机相序为A/C/B，带动转辙机向反位转动。

国外有一种和国内五线制类似的三相交流转辙机控制电路，但是仅提供了3根线做控制（表示回路是独立的），如图3所示。电机仍然是星型连接方式，提供U/V/W三根控制线。控制电路通过定位和反位控制线的交换，来实现定位转动或反位转动的控制。

另有一部分国家或地区采用了两相的交流220V转辙机，其控制电路如图4所示。该电路与国内直流转辙机十分类似，只是所使用的电源类型为交流。定位和反位分别由两个线圈控制，根据需要闭合相应的开关来控制转辙机的转动方向。

（2）通用全电子转辙机控制单元设计的必要性。

随着一带一路的飞速发展，我国高铁已经走出国门，在欧亚非多地落户扎根，然而许多国家的轨旁设备都不同，尤其是转辙机，与道岔的类型有着密切关系，不能随便更换型号，这就要求信号控制设备要具备较强的通用性和兼容性。目前，国内全电子联锁刚刚起步，各厂家的电子模块基本上是参照国内的控制电路开发设计的，不能适应海外应用的需要。从前面的分析可以看出，国外的转辙机类型多，接口也有很大差别，如按照以前针对每一种设备开发一种模块的思路，要开发多种不同的模块以适应这些应用需求，一方面要投入很大的开发和维护成本，另一方面这些模块从开发到取得SIL4的安全证书需要经过一个漫长的过程。因此，开发一个通用的转辙机控制模块的需求显得十分迫切。

3 通用全电子转辙机控制单元方案设计

（1）通用全电子转辙机控制模块设计的可行性分析。

通过对前面介绍的国内外转辙机控制电路的分析，可以得出一个结论：受控设备为三相电机或者两相电机，控制电路可以归纳为开关电路。基于这两点，如果开发出一个可编程的开关控制电路，则可以实现对不同转辙机电机的控制。

电机一共有三种：

第一种：直流电机，定位和反位控制采用不同的线圈；

第二种：交流两相电机，定位和反位控制采用不同的线圈；

第三种：交流三相电机，星型连接，定位和反位通过改变相序来实现。

转辙机接口有两种：三端子和五端子。

电源输入有A/B/C三相交流、单相交流、单相直流三种。

综上，只要对模块的输入和输出端进行合并简化，通过可编程逻辑来控制模块内部开关通断，即可以实现对不同转辙机的灵活控制功能。

（2）通用全电子转辙机控制模块方案设计。

经过综合与简化，该模块设计输入端3个，作为电源的引入端。设计输出端5个，作为与转辙机的控制接口。方案设计原理图如图5所示。

下边通过不同的应用模式来说明模块工作过程。

①交流三相五线制：模块的电源输入端分别接入交流380V的A/B/C三相电源。转辙机电机分别接至模块1～5的5个端子上。不动作时所有开关处于打开状态。在定位操作时，闭合K1/K2/K4，电机UVW三个线圈分别得到交流380V的A/B/C相序，电机向定位转动。在反位操作时，闭合K1/K3/K5，电机UVW三个线圈分别得到交流380V的A/C/B相序，电机向反位转动。

②交流三相三线制：模块的电源输入端分别接入交流380V的A/B/C三相电源。转辙机电机分别接至模块1、2、4的3个端子上。不动作时所有开关处于打开状态。在定位操作时，闭合K1/K2/K4，电机UVW三个线圈分别得到交流380V的A/B/C相序，电机向定位转动。在反位操作时，闭合K1/K6/K7，电机UVW三个线圈分别得到交流380V的A/C/B相序，电机向反位转动。

图5 通用全电子可编程转辙机模块原理图

③交流单相三线制：模块的电源输入端分别接入交流220V的JZ220和JF220单相电源。转辙机电机分别接至模块1、2、4的3个端子上。不动作时所有开关处于打开状态。在定位操作时，闭合K1/K2，电机T1线圈得到交流220V的电源，电机向定位转动。在反位操作时，闭合K1/K4，电机T2线圈得到交流220V的电源，电机向反位转动。

④直流单相三线制：模块的电源输入端分别接入直流220V的DZ220和DF220单相电源。转辙机电机分别接至模块1、2、4的3个端子上。不动作时所有开关处于打开状态。在定位操作时，闭合K1/K2，电机T1线圈得到直流220V的电源，电机向定位转动。在反位操作时，闭合K1/K4，电机T2线圈得到直流220V的电源，电机向反位转动。