基于单片机的道岔操纵辅助系统设计

孙树，孟庆龙，黄子轩，张烁，梁景源

（青岛地铁运营有限公司，山东青岛，266400）

0 引言

轨道交通是现代交通五种主要运输方式之一。道岔作为使列车由一股道转入另一股道的线路连接设备，在轨道交通线路中大量铺设。在保证行车安全、提高运输效率、改善行车人员劳动强度的同时，它也是轨道的薄弱环节之一[1]。作为信号专业日常检修的重点关注对象，其检修频率较高。出于安全考虑，目前多数信号系统的道岔单操指令采用定操、反操相互独立的下达方式。而进行2/4 毫米测试、摩擦力测量等检修项目时，会造成道岔失去表示。加之测试此类项目需进行连续多次道岔操纵，易导致室内配合人员思维混乱。为减轻作业人员劳动强度，提高检修效率，现提出一种基于单片机的道岔操纵辅助系统设计方案，以实现道岔失表状态下操纵方式的提示、转换状态的显示和操纵次数的统计，实物如图1 所示。

图1 道岔操纵辅助系统

1 基本原理

为了转换道岔并返回道岔表示信息，每组单动或双动道岔均设置有一套道岔控制电路。目前，交流转辙机五线制道岔控制电路和直流转辙机四（六）线制道岔控制电路广泛应用于我国轨道交通信号系统[2]。

1.1 交流转辙机道岔

交流转辙机道岔均采用五线制控制电路，根据道岔关联逻辑和牵引点数量的不同，JDF 组合个数有所增减。作为道岔控制电路的重要组成部分，JDF 组合内2DQJ 的状态是操岔命令能否成功下达的决定因素。因2DQJ 前接点闭合时，仅可接通反操命令相关电路；后接点闭合时，仅可接通定操命令相关电路，且命令成功下达后转极一次，故其状态可作为道岔可用操纵方式判定及转换次数统计的有效依据。

由于2DQJ 无空接点或半空接点可供采集，且部分线路未配备红外探头等状态采集设备，故采集2DQJ 状态这一方案不适用于部分线路。作为2DQJ 转极的前置条件，同组合内1DQJ 及1DQJF 吸起次数与2DQJ 转极次数一致。故可将采集1DQJ 或1DQJF 状态并手动校正初始状态作为替代方案，实现既定功能。

目前，多数信号系统采用DCQDJ 在道岔转换过程中保持吸起的联锁逻辑，因此JDD 组合内DCQDJ 可作为判断道岔是否正在转换的关键设备。

注：由于非电路故障情况下，同一组单动或双动道岔各JDF 组合内1DQJ、1DQJF 及2DQJ 动作次数相同，故仅需采集某一组合内的继电器状态即可。

1.2 直流转辙机道岔

直流转辙机道岔采用四线制或六线制控制电路，根据实际工程需求进行选择。与五线制道岔控制电路相同，DC-4组合与DC-6 组合内2DQJ 的当前状态和转极次数决定了当前可执行的操作命令和已下达命令的次数。由于六线制道岔增设2DQJF，其与2DQJ 状态一致，且有空闲接点，故2DQJ 状态采集可不依赖于监测设备。未配备红外探头等状态采集设备的四线制道岔项目需采集1DQJ 状态作为替代。针对四（六）线制道岔的转换状态判断原理与五线制道岔相同，不再赘述。

2 道岔操纵辅助系统

2.1 硬件设计

道岔操纵辅助系统主要由信息采集装置（A 机）与指令显示装置（B 机）两部分组成，采用RS-485 协议实现机间通信，极限距离可达800 米，系统电路结构见图2。

图2 道岔操纵辅助系统电路结构

信息采集装置（A 机）用于采集信号设备室内相关继电器的状态，并将信息分析结果通过RS-485 接口发送给B机，主要由单片机主控电路、继电器状态采集电路、工作模式切换电路、TTL 转RS-485 模块、电源稳压模块组成。单片机主控电路是信息采集装置的运算和控制核心，负责处理采集到的模式开关位置、继电器状态和清零请求信息，将分析所得控制命令发送至TTL 转RS-485 模块。本设计选用STM32F103C8T6 单片机作为核心处理器，该处理芯片数据总线为32 位，频率为72MHz，FLASH 程序储存器容量为64KB，RAM 容量为20KB[3]。该芯片引脚PB12 与拨动开关相连，根据开关位置的不同接通高电平或低电平，芯片根据引脚的输入电平进行工作模式判断。继电器状态采集电路是道岔操纵辅助系统与信号系统的接口，为减少对信号系统的影响、实现两系统互相隔离，采用光耦合器进行道岔继电器状态采集，并于光耦合器的发光器件侧（信号系统侧）采集电路的共用地线处增设保险丝以防短路过载、提高设备安全性，于光敏器件侧（道岔操纵辅助系统侧）的各个输出回路加设滤波电容以确保芯片所采集信息稳定可靠。TTL 转RS-485 模块是本系统延长数据传输距离的核心设备，该模块可将两机可靠通信距离延长至800 米，满足实际安装需求。为满足不同设备情况的现场加装需求，所选电源稳压模块具备DC-DC 降压功能，可将24V/12V 转5V 供设备使用，为电源屏或其他电源设备提供供电接口。

指令显示装置（B 机）安装于车控室内，根据A 机发送的命令信息输出操岔指令提示、转换状态显示与次数统计，同时提供计数清零及指令校正功能，主要由USART HMI 智能串口屏、TTL 转RS-485模块、电源稳压模块组成。智能串口屏是本系统的人机交互接口，它处理自TTL转RS-485 模块接收的命令信息并发送返回信息、更新界面显示，使用者可通过触摸屏幕下达计数清零和指令校正命令。B机所用TTL 转RS-485 模块、电源稳压模块与A 机相同，不再赘述。

2.2 软件设计

根据信息采集来源的不同，道岔操纵辅助系统提供主用、备用2 种工作模式以供选择。其中，主用模式用于采集2DQJ 状态的情况，备用模式用于采集1DQJ/1DQJF 状态的情况，两种模式仅继电器状态信息处理逻辑不同，主用模式系统程序流程见图3。

图3 主用模式系统程序流程图

本系统支持A 机、B 机在各种开关机顺序下进行继电器状态初始化和计数信息清零，现以主用模式下A 机先于B 机开机为例，介绍A 机和B 机的工作流程。A机：开机后，首先根据工作模式开关的位置选择主用模式，之后循环检测通信状态，待确认与B 机通信正常后，将工作模式信息发送至B 机。随后，进行继电器状态初始检测和逻辑判定，并通过串口发送定/反操指令、转换状态与计数复零命令。此后，A 机循环检测继电器状态和串口信息，若继电器发生动作，则进行数据处理与发送；若收到B 机发送的清零请求命令，则将计数清零并发送回执信息。B 机：开机后，向A 机发送启动信息，之后根据串口收到的信息更新工作模式、定/反操指令、转换状态与次数。若收到计数清零命令，则向A 机发送清零请求命令。

主用模式下，当前可下达操岔指令、已执行操岔次数和道岔转换状态分别由A 机根据采集到的2DQJ 继电器状态、转极次数和DCQDJ 继电器状态进行判断，B 机仅提供信息显示与次数清零命令下达功能。备用模式的信息判断原理略有不同，操岔次数由A 机根据1DQJ/1DQJF 继电器的动作次数进行判断；操岔指令由B 机根据自A 机接收的操岔次数的奇偶性进行判断，当接收到指令校正和计数清零命令时，自动调整奇偶映射逻辑。

为保证数据可靠传输，两机采用循环冗余校验码（CRC）进行差错校验，如接收方所接收信息异常，则该命令不被执行；如发送方长时间未收到接收方的返回信息，则重复发送该信息，同一信息最多发送5 次。两机实时进行机间通信状态检测，如通信中断5 秒以上，B 机将给出“通信异常”提示。

2.3 HMI 界面显示

B 机HMI 界面可显示当前可进行的操岔指令、道岔是否正在转换和已进行的转换次数，其显示界面见图4。本图中P4201/P4202 当前可执行反操命令，P4203 正在转换且已进行7 次操岔。使用者可随时通过触摸“次数”格实现相应道岔操岔次数清零；在备用模式（模式2）下，通过触摸“操岔命令”格可随时对相应道岔进行指令校正。末列选中栏用于进行人工标记，上方状态栏显示当前双机通信状态及工作模式。

图4 HMI 显示界面

3 系统安装方案

道岔操纵辅助系统通过信息采集装置（A 机）的21路采集接口获取继电器状态信息。其中，1-10 路用于2DQJ/1DQJ（1DQJF）继电器状态采集，预设落下输入高电平、吸起输入低电平；11-20 路用于DCQDJ 继电器状态采集，预设落下输入低电平、吸起输入高电平；21 路用于设定低电平参考值。指令显示装置（B 机）采用RS-485 协议经分线柜与A 机通信。由于两机均内置具有DC-DC 降压功能的电源稳压模块，故可由电源屏供电，相关设备电缆连接见图5。

图5 设备安装电缆连接图

4 现场测试

经多次测试，本系统可在各种情况下为使用者提供道岔操纵命令提示、转换状态显示和已完成操岔次数统计，设备运行稳定、显示信息准确，图6 为道岔P4203 于反位锁闭和定操失表两种状态下，指令显示装置（B 机）HMI 界面的信息显示情况。

图6 P4203 现场测试情况

5 总结

目前，道岔检修过程中出现的道岔失表现象常导致室内配合人员操岔指令下达时思维混乱。基于单片机的道岔操纵辅助系统可于各种情况下提供操岔辅助提示，能有效解决道岔检修时出现的操岔命令难判断、道岔转换状态难分辨、操岔次数难统计等问题，有助于减少检修事故的发生、延长转辙机电动机寿命、减轻操岔人员劳动强度、提高检修效率。本系统具有安装简单、信息准确、易于操作、通用性强等优点，适用于各类道岔，可加装于不同厂家的信号系统实现道岔操纵辅助功能。