铁路信号室内通用电路测试系统设计

刘春平

(中国铁建电气化局集团第二工程有限公司 山西太原 030023)

1 引言

在铁路信号设备调试以及电务段验收过程中，需要通过模拟室外信号设备(信号机、转辙机和轨道电路)来测试室内联锁和列控系统，进而发现联锁和列控系统的逻辑错误和安装问题[1－2]。目前传统的模拟测试装置通用性差、测试效率低[3－4]。根据现场实际需求，利用计算机技术和嵌入式技术研究调试效率高的通用模拟调试系统具有比较现实的研究意义。

2 系统总体结构设计

铁路信号室内电路测试系统包含上位机及下位机，系统结构如图1所示。上位机用于绘制站场图、接受显示状态信息以及发送控制模拟信号设备状态指令。下位机主要由模拟信号设备板卡与主控板卡组成。其中模拟信号设备板卡用于模拟真实室外信号设备并接入室内分线盘，执行室内联锁控制。主控板卡作为上位机模拟信号设备之间的沟通桥梁，一方面主控板卡通过采集室外信号设备状态，使用无线通信的方式将数据发送给上位机，上位机根据接收到的数据进行室外信号设备状态展示；另一方面主控板卡接收并解析上位机的指令，控制室外信号设备状态，达到调试的目的。

图1 铁路信号室内电路测试系统结构

3 系统硬件设计

铁路信号室内电路测试系统下位机硬件部分主要由主控板卡、模拟信号机板卡、模拟转辙机板卡以及模拟轨道电路板卡组成。为使各独立板卡能够互相连接，设计了板卡级联电路，可使板卡级联扩展为不同车站拓扑。同时为对各类板卡进行区分，设计了板卡编址电路。

3.1 主控板卡设计

主控板由STM32F407最小系统以及外围接口组成，用于连接上位机以及模拟室外信号设备。主控板一方面需接收并解析上位机发送的控制指令，通过串行控制总线将信息传递给各扩展模拟信号设备卡[5－7]；另一方面需通过串行总线回采各扩展模拟信号设备卡的状态信息，并依据通信帧格式封装成帧进行上传[8]。主控板结构如图2所示。

图2 主控板结构

3.2 模拟信号机板卡设计

通过对信号机点灯电路的分析，为模拟出信号机室外部分并达到调试效果，需对模拟信号机单元电路、灯位状态检测电路以及灯丝断丝电路进行设计。为使模拟信号机板卡能够等效出各类信号机，以灯位为设计单位。一架信号机由若干个灯位组成，每个灯位的供电电压为AC220V，为使DJ可靠吸起，须确保回路电流大于120 mA[9－10]。模拟信号机灯位电路如图3所示，为降低功耗并减小体积，使用电容模拟信号机假负载，通过在电容上并联电阻作为泄流回路；采用发光二极管作为灯光指示单元，通过在发光二极管上串并联二极管以防止其被击穿。为提高测试完整性，在主回路上接入继电器的常闭接点，通过控制接点断开模拟灯丝断丝。

图3 模拟信号机灯位电路原理

3.3 模拟转辙机板卡设计

通过对转辙机接口电路进行分析，为模拟出转辙机室外部分并达到调试效果，需对电机阻抗单元、转辙机接点单元、表示回路整流单元以及状态检测单元进行电路设计。电机阻抗模拟单元是转辙机板卡设计中的难点部分，须确保三相阻抗一致、支路电流大于0.6 A，并且需确保模拟部分阻抗体积小功耗低[11]。模拟转辙机板卡采用10 uf电容并联470 Ω电阻模拟转辙机线圈，通过计算，支路电流有效值为0.83 A，符合设计要求。转辙机内部接点组是转辙机的重要组成部分，可用于切断启动电路接通表示电路，并可通过转辙机内部接点组动静接点的位置判断道岔所处的状态。模拟转辙机板卡使用磁保持继电器对转辙机内部接点组进行模拟。表示继电器是偏极继电器，需通入大于17 V的正向电压才能保证其可靠吸起，但表示电路电源是110 V交流电源，因此需设计整流电路。模拟转辙机板卡采用二极管串联电阻作为整流单元，通过Mul-tisim仿真验证，表示继电器上电压平均值为21 V，能够满足表示继电器吸起要求。

3.4 模拟轨道电路板卡设计

通过对轨道电路接口进行分析，为模拟出轨道电路室外部分并达到调试效果，需模拟出钢轨单元，并在钢轨的基础上模拟出行车以及断轨等状态。模拟轨道电路板卡使用集中参数对钢轨的分布参数进行模拟[12]，将钢轨信号传输矩阵与等效模型矩阵进行等价，可计算出集中参数阻抗与钢轨一次参数的关系，通过选择钢轨的一次参数以及钢轨的长度值，可得出单节钢轨的等效电路。在调试过程中，需模拟行车以及断轨等操作，主要通过在回路上串接继电器接点，通过使接点断开闭合，模拟出行车以及故障状态。轨道区段状态模拟模型如图4所示。

图4 轨道区段状态模拟模型

3.5 板卡编址电路设计

在板卡级联过程中，为区分各类板卡，通过74HC165级联芯片对各类板卡进行编址。通过对74HC165并转串级联芯片的并行接口上接入VCC或GND，对各类板卡进行二进制编址，共有8位二进制，可进行256种编码。主要对信号机板卡、转辙机板卡和轨道区段板卡进行编号，编号如表1所示。

表1 模拟信号设备板卡编号

4 室内电路测试系统测试结果及分析

现场测试分为板卡功能测试以及整体联锁测试。在现场测试中，将分线盘的线缆与室外信号设备板卡的接口相连，现场连接如图5所示，并通过观察对应继电器的状态判断模拟盘装置功能是否正常。

图5 现场调试

4.1 板卡功能测试

(1)信号机板卡测试

将信号机板卡接口与分线盘对应灯位的去线与回线相连，观察到模拟信号机板卡指示灯点亮，室内DJ吸起，表明信号机板卡功能正常。

(2)转辙机板卡测试

将转辙机板卡接口与分线盘引出的X1～X5线缆相连，模拟转辙机板卡定位指示灯点亮，同时室内道岔组合DBJ吸起，FBJ落下；对转辙机进行反位操作，板卡上定位指示灯灭灯，反位指示灯点亮，同时室内DBJ器落下，FBJ吸起，表明转辙机板卡功能正常。

(3)轨道电路板卡测试

将轨道电路板卡接口与分线盘引出的发送线与接收线相连，当该轨道区段未被占用时，观察到室内GJ吸起，对该轨道区段进行占用操作时，观察到室内GJ落下，表明轨道电路板卡功能正常。

4.2 整体联锁测试

根据车站信号平面图，计算得出相应数量的各种板卡，进行级联组合，等效出实际车站拓扑。将接口与分线盘引出线缆相连，观察到上位机界面能够显示信号设备的状态。同时按照联锁表进行进路办理，观察到道岔锁闭并转动到规定位置；当尝试办理未列出的进路以及敌对进路，发现均无法办理。在进行室外信号设备的故障模拟时，例如进行灯丝断丝、道岔挤岔以及钢轨断轨等操作时，测试结果均符合预期要求。

5 结束语

根据现场室内设备调试的实际需求，总结传统模拟盘存在的问题与缺陷，利用计算机技术和嵌入式技术设计了具有模块化的通用模拟盘调试系统，提高了系统的通用性、测试项目种类和现场调试效率。系统体积小，可以将控制箱接至室内组合架侧面、分线盘或室外电缆方向盒任意一个位置的相应端子，便于查找各层次的电路故障。系统应用在了京雄城际铁路雄安动车所，将联锁试验的时间较传统方法缩短了三分之二，试验效率大幅提高。