趙夢(mèng)瑤 潘 明 王龍生 劉瀟瀟

(1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研究生部，100081，北京； 2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，100081，北京//第一作者,研究實(shí)習(xí)員)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外城市軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)均朝著基于網(wǎng)絡(luò)的分布式聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)展，能適用于分布式聯(lián)鎖系統(tǒng)并具備網(wǎng)絡(luò)接口的智能轉(zhuǎn)轍機(jī)已成為今后道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的發(fā)展方向[1]。智能轉(zhuǎn)轍機(jī)將全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的控制單元直接嵌入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部，同時(shí)用智能化、數(shù)字化模塊代替部分傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，在提高轉(zhuǎn)轍機(jī)整體性能的同時(shí)采集并上傳更多的轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵狀態(tài)信息，從而對(duì)每臺(tái)轉(zhuǎn)轍設(shè)備的運(yùn)行狀況有全面的了解，為故障診斷甚至故障預(yù)測(cè)提供判斷依據(jù)。

1 分布式全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)工控技術(shù)尤其是智能化嵌入技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及安全相關(guān)通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)功能更加豐富、控制范圍更大、體積更小、配置更加靈活、電子化程度更高、最終可實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備智能化控制的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖已成為城市軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)的一個(gè)主要發(fā)展方向。

全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是直接面向軌旁信號(hào)設(shè)備的車(chē)站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，其“邊界”直接擴(kuò)展到了軌旁設(shè)備甚至設(shè)備內(nèi)部的控制電路，需要通過(guò)各類(lèi)專用的執(zhí)行單元模塊直接對(duì)各種軌旁設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制和狀態(tài)采集。這些執(zhí)行單元普遍采用智能技術(shù)和冗余技術(shù)，以保證其控制的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性。

分布式全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)控制下的智能轉(zhuǎn)轍機(jī)，將執(zhí)行控制單元直接嵌入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部，執(zhí)行控制單元通過(guò)光纜與室內(nèi)的聯(lián)鎖邏輯中心處理單元/系統(tǒng)以安全相關(guān)通信的方式相連。 分布式控制方式可最大程度地簡(jiǎn)化室內(nèi)設(shè)備，將室內(nèi)外大量的電氣(電纜)傳輸改變?yōu)樯倭客ㄐ烹娎|和光纜的電子和光傳輸，因此,不但可顯著擴(kuò)展傳輸距離并顯著降低傳輸成本，還能極大地減小甚至消除電纜混線造成的安全隱患，杜絕雷電、牽引電流經(jīng)傳輸(光)纜侵入的可能，顯著提升系統(tǒng)的防雷性能。

圖1為分布式計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)(道岔控制部分)結(jié)構(gòu)圖。其中，對(duì)象控制器作為中間環(huán)節(jié)與上層聯(lián)鎖機(jī)連接，接收控制命令，同時(shí)通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)連接至室外；環(huán)網(wǎng)在軌旁設(shè)備附近開(kāi)口，通過(guò)若干通信轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)總線，就地對(duì)相鄰的若干轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行控制。

2 智能轉(zhuǎn)轍機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 需求分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用、安裝施工、維護(hù)維修等方面的調(diào)研和分析，確定智能轉(zhuǎn)轍機(jī)的實(shí)際需求為：

(1) 具有傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換、鎖閉及表示等功能；

(2) 適用于分布式計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)；

(3) 具有智能控制功能和網(wǎng)絡(luò)接口，可實(shí)時(shí)提供轉(zhuǎn)轍機(jī)工作情況；

(4) 能提高可靠性和使用壽命，減少設(shè)備調(diào)試和維護(hù)。

圖1 分布式計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)(道岔控制部分)結(jié)構(gòu)圖

2.2 各型轉(zhuǎn)轍機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比

要滿足轉(zhuǎn)轍機(jī)的功能需求，必須包含動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、過(guò)載保護(hù)、動(dòng)作桿鎖閉與解鎖機(jī)構(gòu)、表示桿鎖閉與解鎖機(jī)構(gòu)、接點(diǎn)組等模塊。通過(guò)歸納總結(jié)各型轉(zhuǎn)轍機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可進(jìn)一步完善智能轉(zhuǎn)轍機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各型轉(zhuǎn)轍機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比如表1所示。

表1 各型轉(zhuǎn)轍機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比表

2.3 組成結(jié)構(gòu)

2.3.1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊

為適應(yīng)分布式聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)展的需求，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可直接獲取更全面的轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，智能轉(zhuǎn)轍機(jī)通過(guò)內(nèi)部控制單元與電機(jī)控制器進(jìn)行通信，最終控制無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)帶動(dòng)道岔尖軌移動(dòng)。轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元與上層對(duì)象控制器之間通過(guò)發(fā)送帶有CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))的正、反碼數(shù)據(jù)包來(lái)完成安全通信功能。數(shù)據(jù)包中包含控制單元地址，以及道岔定操、反操和停止命令等。

無(wú)刷直流電機(jī)是根據(jù)現(xiàn)代控制技術(shù)和電機(jī)理論而研制的新型機(jī)電一體化產(chǎn)品[2]，采用電子換向和通過(guò)電機(jī)控制器改變電機(jī)的換向頻率或PWM(脈寬調(diào)制)占空比對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速[3]，取代機(jī)械的電刷和換向器。無(wú)刷直流電機(jī)克服了傳統(tǒng)直流電機(jī)因機(jī)械換向帶來(lái)的機(jī)械摩擦、換向火花、電磁噪聲、電刷磨損及維修性差等種種弊端，從而大大延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命[3]。相比于交流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)既有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)，更重要的是保持了直流電機(jī)運(yùn)行效率高、啟動(dòng)和調(diào)速性能好等特性[4]。同時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)子采用稀土永磁體材料,可大大縮小電機(jī)體積和質(zhì)量，從而進(jìn)一步減小電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，降低機(jī)電時(shí)間常數(shù)，改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)特性。另外，電樞反應(yīng)對(duì)稀土永磁體的去磁作用很小，故稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)更適合突然反轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)等特殊運(yùn)行場(chǎng)合的性能需要。由于無(wú)刷直流電機(jī)具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，故特別適合于對(duì)性能、體積、質(zhì)量要求更高的場(chǎng)合，如鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)[4]。文獻(xiàn)[2,3,5,6]驗(yàn)證了無(wú)刷直流電機(jī)及其控制器性能優(yōu)良、保護(hù)措施完善，可滿足鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。因此，選取無(wú)刷直流電機(jī)作為智能轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)力裝置。

2.3.2 過(guò)載保護(hù)模塊

智能轉(zhuǎn)轍機(jī)取消了摩擦連接器，通過(guò)控制單元中的CPU與無(wú)刷直流電機(jī)控制器進(jìn)行通信，從而可對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速采用智能控制的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)過(guò)載保護(hù)功能。無(wú)刷直流電機(jī)控制器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，可接收啟動(dòng)信號(hào)、停止信號(hào)、速度指令和速度反饋信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速，以及提供保護(hù)和顯示等；同時(shí),接收無(wú)刷直流電機(jī)位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用以控制逆變橋各功率管的通斷，并產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩。

通過(guò)CPU編程，可控制電機(jī)在不同階段改變轉(zhuǎn)速。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，先以較低的轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，之后調(diào)節(jié)為較高轉(zhuǎn)速來(lái)轉(zhuǎn)換道岔，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，使得電機(jī)在獲得足夠大啟動(dòng)扭矩的同時(shí)，防止啟動(dòng)電流過(guò)大而降低電機(jī)使用壽命；在道岔轉(zhuǎn)換到位時(shí)，先減速再停轉(zhuǎn)，以避免電機(jī)動(dòng)作電路被切斷后由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性產(chǎn)生過(guò)多剩余動(dòng)力的情況發(fā)生(代替了摩擦連接器軟連接及消耗電機(jī)剩余動(dòng)力的作用)。

在尖軌轉(zhuǎn)換中途遇阻時(shí)，CPU控制電機(jī)降低轉(zhuǎn)速，使之增加扭矩或自動(dòng)停轉(zhuǎn)(代替了摩擦連接器在道岔遇阻無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)換時(shí)保護(hù)電機(jī)的功能)，避免電機(jī)損壞。無(wú)刷直流電機(jī)易于再次啟動(dòng)，扭矩可調(diào)節(jié)，因此可大大減少由于道岔或道床問(wèn)題造成的轉(zhuǎn)換不到位故障。

2.3.3 位置表示模塊

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)由于機(jī)箱體內(nèi)部環(huán)境較差而對(duì)自動(dòng)開(kāi)閉器的可靠性有很大的影響，進(jìn)而涉及到轉(zhuǎn)轍機(jī)能否進(jìn)行正確轉(zhuǎn)換與表示。智能轉(zhuǎn)轍機(jī)取消了自動(dòng)開(kāi)閉器，選用LVDT和智能控制單元配合表示桿來(lái)實(shí)現(xiàn)道岔位置的正確表示功能,解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的這一問(wèn)題。

LVDT是利用電磁感應(yīng)原理來(lái)測(cè)量位移量的一種傳感器，基本組成包括鐵芯、骨架、激磁繞組、2個(gè)對(duì)稱分布的輸出繞組及外殼等[7]。LVDT把直線位移轉(zhuǎn)換為模擬電壓，能進(jìn)行非接觸式位移測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、分辨率高和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[8]，已被應(yīng)用于航空、航天及眾多工業(yè)控制場(chǎng)合[9]。

轉(zhuǎn)轍機(jī)安全設(shè)計(jì)中最重要的一部分是能夠給出道岔正確的位置表示信息。智能轉(zhuǎn)轍機(jī)為保障采集的道岔位置信息正確，將4個(gè)LVDT分別設(shè)置在表示桿兩端，作為定位位移傳感器組和反位位移傳感器組,每組內(nèi)有2個(gè)LVDT，分別進(jìn)行道岔位置數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。控制單元CPU收到道岔位置數(shù)據(jù)后，先將每組內(nèi)的2個(gè)LVDT數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，一致后再進(jìn)行定位與反位兩組數(shù)據(jù)之間的比較。兩組位移傳感器設(shè)置在表示桿的兩端，當(dāng)定位LVDT的數(shù)據(jù)為0時(shí)，反位LVDT的數(shù)據(jù)為道岔位移數(shù)據(jù)的最大值,即兩組數(shù)據(jù)相加之和始終不變。當(dāng)兩組LVDT的位移數(shù)據(jù)滿足這樣的關(guān)系，且兩組LVDT的位移數(shù)據(jù)與動(dòng)作命令一致時(shí)，才能確認(rèn)4個(gè)LVDT均正常，且道岔位置正確，控制單元才會(huì)給出相應(yīng)的道岔位置表示。當(dāng)任一組LVDT校核結(jié)果不一致時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元將報(bào)錯(cuò)，該道岔置無(wú)表示狀態(tài)。同時(shí)，通過(guò)道岔位移數(shù)據(jù)的連續(xù)變化，也可對(duì)LVDT進(jìn)行正確性判斷。LVDT對(duì)道岔位置連續(xù)檢測(cè)的功能還可為電機(jī)在道岔轉(zhuǎn)換不同階段的調(diào)速提供依據(jù)。

2.4 工作原理

智能轉(zhuǎn)轍機(jī)主要由轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元、電機(jī)控制器、繼電器組、無(wú)刷直流電機(jī)、位移傳感器組、通信單元、鎖閉裝置等組成。其工作原理如圖2所示。

圖2 智能轉(zhuǎn)轍機(jī)工作原理圖

智能轉(zhuǎn)轍機(jī)工作過(guò)程為：電源接通后，轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元通過(guò)通信單元接收來(lái)自聯(lián)鎖系統(tǒng)下發(fā)的動(dòng)作命令。其中，CPU1通過(guò)RS-485總線，將道岔動(dòng)作方向、電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速等命令生成報(bào)文發(fā)送至電機(jī)控制器；CPU2與繼電器組相連，在接收到道岔動(dòng)作命令時(shí)，先檢查當(dāng)前道岔位置是否符合動(dòng)作條件，若符合條件再控制繼電器組閉合，防止在CPU1或電機(jī)控制器出現(xiàn)故障時(shí)導(dǎo)致電機(jī)誤動(dòng)。當(dāng)CPU1和CPU2判斷均滿足條件后，轉(zhuǎn)轍機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過(guò)程中，轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元接收電機(jī)控制器實(shí)時(shí)返回的電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、電流和電壓等報(bào)文信息，實(shí)時(shí)接收位移傳感器返回的道岔位置信息，并對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)位移傳感器檢測(cè)到道岔轉(zhuǎn)到位并且密貼后，鎖閉裝置實(shí)現(xiàn)道岔鎖閉，轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元給出相應(yīng)的表示。

同時(shí),轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元通過(guò)通信單元與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立通信，將電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、電流、電壓以及道岔尖軌位置等信息上傳至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3 試驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證

根據(jù)智能轉(zhuǎn)轍機(jī)工作原理開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)平臺(tái)，可驗(yàn)證智能轉(zhuǎn)轍機(jī)的功能和控制邏輯。圖3所示為智能轉(zhuǎn)轍機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，由57BL系列無(wú)刷直流電機(jī)、AQMD6010BLS型電機(jī)控制器、CPU1、CPU2、繼電器組、絲杠型道岔模型組件、LVDT、電源等組成。

圖3 智能轉(zhuǎn)轍機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)過(guò)程中,計(jì)算機(jī)模擬聯(lián)鎖系統(tǒng)直接與CPU1建立通信，發(fā)送控制轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作的報(bào)文；同時(shí)使用計(jì)算機(jī)模擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收來(lái)自CPU1返回的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、電壓和道岔位置等信息，并通過(guò)界面顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀態(tài)和道岔尖軌位置。

3.1 電機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)比

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將智能轉(zhuǎn)轍機(jī)中無(wú)刷直流電機(jī)的換向頻率調(diào)節(jié)為200 Hz時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)的轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間約為3.8 s，符合轉(zhuǎn)轍機(jī)要求的動(dòng)作時(shí)間。因此，選取智能轉(zhuǎn)轍機(jī)在200 Hz換向頻率下得到的動(dòng)作電流曲線，與傳統(tǒng)ZD6型轉(zhuǎn)轍機(jī)的電流曲線進(jìn)行對(duì)比(兩者均沒(méi)有攜帶道岔)，如圖4所示。可以看出，智能轉(zhuǎn)轍機(jī)的啟動(dòng)電流明顯小于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的啟動(dòng)電流[10-12]，且電流值更快地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 智能轉(zhuǎn)轍機(jī)與ZD6系列轉(zhuǎn)轍機(jī)電流曲線對(duì)比

3.2 變速功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證智能轉(zhuǎn)轍機(jī)在動(dòng)作過(guò)程中具有可變速功能，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元進(jìn)行軟件編程以實(shí)現(xiàn)變速功能。圖5為智能轉(zhuǎn)轍機(jī)變速轉(zhuǎn)換時(shí)實(shí)際電流曲線和理論電流曲線對(duì)比圖,圖6為換向頻率的變化曲線。由圖5和圖6可見(jiàn):換向頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，電流值則越低;0 s時(shí)設(shè)置電機(jī)換向頻率為100 Hz，電機(jī)以較低的轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，可使電機(jī)獲得較大扭矩，易于啟動(dòng)；電機(jī)啟動(dòng)后0.3 s時(shí)設(shè)置其換向頻率為300 Hz，以正常轉(zhuǎn)速進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)換，電流值變小并趨于平穩(wěn)；在1.7 s時(shí)，給電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)增加阻力，模擬道岔在轉(zhuǎn)換過(guò)程中遇到障礙的情況，此時(shí)控制單元使電機(jī)換向頻率降低為50 Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速變低，電流值升高，扭矩變大，有利于道岔克服障礙，之后電機(jī)恢復(fù)300 Hz換向頻率；當(dāng)3.4 s道岔轉(zhuǎn)換接近終點(diǎn)時(shí)，設(shè)置電機(jī)換向頻率為100 Hz，電機(jī)以較低的轉(zhuǎn)速停止，可以防止道岔轉(zhuǎn)換到位時(shí)，電機(jī)因轉(zhuǎn)動(dòng)慣性過(guò)大而使內(nèi)部機(jī)件受到撞擊或毀壞的情況發(fā)生。上述變速過(guò)程表明，智能轉(zhuǎn)轍機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，還可在道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程中遇到障礙時(shí)，通過(guò)軟件編程控制電機(jī)使其降低換向頻率，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，增加電機(jī)扭矩，從而有效減少道岔轉(zhuǎn)換不到位的故障發(fā)生，進(jìn)一步保障行車(chē)安全。

圖5 智能轉(zhuǎn)轍機(jī)變速電流曲線

圖6 智能轉(zhuǎn)轍機(jī)換向頻率曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種可應(yīng)用于城市軌道交通分布式聯(lián)鎖系統(tǒng)的智能轉(zhuǎn)轍機(jī)。其在設(shè)計(jì)上擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制模式，增加了網(wǎng)絡(luò)接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔動(dòng)作的智能控制，以及轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)特性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。通過(guò)所開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了智能轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)電流小、具有可變速功能，在轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)和遇阻時(shí)可進(jìn)一步保護(hù)設(shè)備，具有較高的可靠性和可用性。智能轉(zhuǎn)轍機(jī)不僅為以后轉(zhuǎn)轍機(jī)故障的分析和智能預(yù)測(cè)工作帶來(lái)便利，同時(shí)為正在向智能化、數(shù)字化發(fā)展的城市軌道交通信號(hào)設(shè)備提供了新的研發(fā)思路。