联锁道岔电子控制模块的电路设计

王坤 翟嘉豪 邓诗云

摘要：文章基于我国轨道交通现状，重点介绍了道岔以及进路中道岔的作用，并对铁路道岔的控制模块进行了结构设计与分析。其中，主要针对道岔控制模块中的转辙机的驱动电路、启动电路、表示电路、监控与故障报警电路进行了设计分析，同时符合铁路运输“故障安全”的基本原则，最终实现对道岔的安全控制。

关键词：轨道交通；道岔；转辙机

中图法分类号：U284 文献标识码：A

１ 研究的背景及意义

随着我国经济的快速发展和国家在铁路建设上投入的不断加大，铁路已逐渐成为一种常态化、大众化的交通方式，在我国的运输业中占有较大比重。与此同时，由于铁路向高效、舒适的方向发展，从而对铁路的高效性、安全性以及可靠性的要求也越来越高。

道岔控制模块是道岔切换过程中重要的控制部分，其运行是否正常直接影响整个铁路线路运输的安全。

但在轨道交通信号设备中，道岔控制电路的故障发生率是最高的，并且难以发现，是制约铁路安全发展的重要因素。

本文基于我国轨道交通现状，重点介绍了道岔以及进路中道岔的作用，并对铁路道岔的控制模块进行了结构设计与分析。其中，主要针对道岔控制模块中的转辙机的驱动电路、启动电路、表示电路、监控与故障报警电路进行了设计分析，同时符合铁路运输“故障?安全”的基本原则，最终实现对道岔的安全控制。

２ 控制模块电路

２．１ 驱动电路

本文针对转辙机道岔控制系统的特殊性，以及道岔动作电路时钟受计算机监控，在无动作命令时，转辙机不能进行任何动作命令，分析设计了对应驱动电路。该控制模块转换道岔的驱动是连续驱动多个固定宽度脉冲，并且在确定是否满足高、低、稳脉冲宽度要求的脉冲之后，该脉冲被作为一个有效的脉冲驱动，受到加密锁定电路所生成的许可状态的控制。独立控制线如下：（１）定控（ＤＫ）或反控（ＦＫ）；（２）控制回线（ＫＨ）；（３）道岔动作正电源（ＤＺ）；（４）道岔动作负电源（ＤＦ）［１］ 。

模块驱动电路示意图如图１ 所示。

道岔定位的动态开出组合是“ＤＫ＋ＫＨ＋ＤＺ＋ＤＦ”，即在４ 个以上的开关全开的情况下，才能将道岔转向位置。道岔反位的动力开出组合是“ＦＫ＋ＫＨ＋ＤＺ＋ＤＦ”，即在４ 个以上的开关全开的情况下，才能实现反向切换。开关的位置和反向动作应在４ 个开孔的状态下同时开启，在一条控制线路贯通时不会出现差错。

２．２ 启动电路

道岔控制模块的受控对象是四线制电动转辙机，本文以Ｓ７００Ｋ 型转辙机作为研究对象。其最大的特征是无触点控制电路，可完成对道岔操作指令的控制，以及对道岔信号的采集。该系统在满足计算机联锁技术规范规定的功能的同时，还具有定位和发现故障的能力。该道岔控制模块充分考虑了容错和“故障?安全”２ 个方面：采用“二取二”的冗余结构，以增强系统的可靠性和容错能力；为保证道岔控制的安全性，采用“敌对信号”探测技术和快速反馈的硬件保护技术。

道岔控制模块是整个电子计算机联锁系统的核心部分，主要完成道岔位置的切换和状态数据采集。

该模块从联锁主机接收道岔操作指令，并能将道岔准确、可靠地切换至对应位置；还可以实时、准确地获取道岔的位置表达信息和目前的状态信息；能够实现故障检测、定位、诊断和报警等辅助功能［２］ 。

启动电路动作顺序道岔控制电路包括启动电路和表示电路２ 个部分，启动是转辙器在切换和闭合过程中的运行，目的在于实现转辙器的正常切换［３～４］ 。

根据电路组成，启动电路可划分为１ ＤＱＪ 励磁和自闭、２ ＤＱＪ 转极电路。根据继电器的工作逻辑，可以将其划分为２ 种类型：室内电路和电机控制电路。ＺＦＡ与ＣＡ 被同时按压时，其时序逻辑关系表示如图２所示。

以道岔从反位转为定位为例，当反位第二接点和四排接点闭合，与启动电路的工作流程进行比较，分析过程如下。

在１ ＤＱＪ 的励磁作用下，对应的１ ＤＱＪＦ 也会被吸引。在２ ＤＱＪ 完成转极后，三相操作电源通过断相保护ＤＢＱ 和继电器１ ＤＱＪ，１ ＤＱＪＦ，２ ＤＱＪ 的接点由Ｘ１，Ｘ２，Ｘ５ 线发送到户外。当转辙器的二列接头断开时，转辙机的电动机开始旋转，并切断反向显示电路，使第一行接头接通。这时，ＢＨＪ 开始吸入，打开１ ＤＱＪ的闭合电路。当道岔动作至位置时，第四行接头断开，道岔动作回路断开， ＢＨＪ 失磁下降，１ ＤＱＪ 和１ ＤＱＪＦ依次落下，接通位置显示电路。

图３ 为（反位?定位）启动电路。

道岔由定位向反位动作时，原理同上，区别在于道岔向反位转换时使用Ｘ１，Ｘ３，Ｘ４ 沟通电路。图４ 为（定位?反位）启动电路。

２．３ 表示電路

道岔表示电路是将道岔变换后的状态和位置映射到电路中，最终通过计算机界面传输至站场值班人员。值班人员通过表示电路来判断道岔是否符合指定的要求，即道岔是否处于规定位置。定位表示电路如图５ 所示。

其工作原理如下：若ＡＣ 电流在正弦的上半周时，则代表变压器ＢＢ 的次级端４ 是正电极，而３ 是负电极。此时，当电流经过定位表示继电器分支时，它的流动方向是Ⅱ４ →１ ＤＱＪ 触点（１３?１１）→Ｘ１ →电动机Ａ 线圈→电动机Ｃ 线圈→触点（１２?１１）→Ｘ４→ＤＢＪ（１?４）→２ ＤＱＪ（１３２?１３１）→１ ＤＱＪ（２１?２３）→Ｒ１→Ⅱ３。同时，由于二极管的逆断特性，半波整流二极管的电流几乎为０。若交流电处于正向下半周时，则表示变压器ＢＢ 次级侧３ 是正电极，４ 是负电极，电流经过半波整流二极管分支时，电流流到Ⅱ３ →Ｒ１ →１ ＤＱＪ 触点（２３?２１）→２ ＤＱＪ 触点（１３１?１３２）→１ ＤＱＪＦ 触点（１３?１１）→２ ＤＱＪ 触点（１１１?１１２）→Ｘ２ 触点（３１?３２，１５?１６）→Ｚ→Ｒ→Ｘ２ 触点（３４?３３）→Ｚ→Ｒ→Ｘ２ 触点（３４?３３）→马达Ｂ 线圈→Ｘ１ →马达Ａ 线圈→Ｘ１ →Ｘ１ →１ ＤＱＪ触点（１１?１３）→Ⅱ４。另外，在位置指示的继电器分支上，ＤＢＪ 仍有励磁作用，由于电流主要经过半波整流二极管分支，但是ＤＢＪ 线圈具有较高的感抗，使得它与二极管的正向接通形成一个闭环回路，自感应电流的方向与偏置继电器的吸流方向相同，因此它仍处于吸起状态。反位表示电路如图６ 所示。

其工作原理如下： 若ＡＣ 电流在正弦的上半周，则表示变压器ＢＢ 次级端４ 是正电极，而３ 是负电极。

当电流经过半波整流二极管分支时，它的流动方向是Ⅱ４→１ ＤＱＪ（１３?１１）→Ｘ１→电动机Ａ 绕组→电动机Ｂ绕组→Ｘ３ 触点→Ｚ→Ｒ→Ｘ３ （４６?４５，２２?２１） →Ｘ３ →２ ＤＱＪ（１２３?１２１）→１ ＤＱＪＦ（２１?２３）→２ ＤＱＪ（１３３?１３１）→１ ＤＱＪ（２１?２３）→Ｒ１ →Ⅱ３。二极管此时正向接通。

同时，在定位表示继电器的继电器分支上，ＦＢＪ 仍励磁吸起，由于电流主要经过半波整流二极管分支，但ＦＢＪ 线圈具有较高的感抗，它会和二极管正向接通并形成一个闭环，进而形成一种自感应电流，这种自感应电流的方向和偏置保护装置的吸力方向是一致的，因此它一直处于吸起状态。若ＡＣ 电流处于正弦的下半周，则表示变压器ＢＢ 次级侧３ 是正电极，而４ 是负电极。当电流经过指示继电器分支时，电流的流动方向是Ⅱ３ →Ｒ１ →１ ＤＱＪ 触点（２３?２１） →２ ＤＱＪ 触点（１３１?１３３）→ＦＢＪ 触点（１?４）→Ｘ５→Ｘ５ 触点（４１?４２）→电动机Ｃ 绕组→电动机Ａ 绕组→Ｘ１→１ ＤＱＪ（１１?１３）→Ⅱ４。另外，由于二極管的反向截至特性，半波整流二极管的电流几乎为０。反向位显示电路的工作原理与位置显示电路基本一致，不同之处是用Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４构成定位表示电路，相反的位置用Ｘ１，Ｘ３，Ｘ５ 构成反位表示电路。

３ 道岔控制模块的性能分析

３．１ 道岔控制模块的功能需求

根据铁路道岔基础设备的功能需要，结合我国有轨道交通道岔控制系统的实际情况，道岔控制模块应具备以下功能：（１）根据道岔转辙器在现场的实际控制状况，必须对其进行适当的表达；（２）该模块应具备自动监测、自我诊断、异常报警、故障定位、故障报警等功能；（３）道岔控制模块接受的控制命令，必须对现场的动作设施进行适当的控制；（４）道岔控制模块能够为其他监控维护装置、系统传输相应的资料。

３．２ 道岔控制模块的安全性

为确保线路的安全性和可靠性，在道岔控制系统中，采用了冗余技术。通过将２ 个模块的信号结合，形成一种故障辨识的控制转换开关，即双机切换开关。该方法是以故障自检为基础，实现了２ 个模块之间无需进行严格的同步。二模块冗余系统要具备以下功能：能够识别出哪些模块出现故障；在发现故障后，能够及时启动２ 台机器的切换功能，从而将故障模块的输出与系统的输出隔离。根据不同的故障检测手段，采用不同的动态冗余系统。

参考文献：

［１］ 王家刚．联锁道岔电子控制模块的研制［Ｄ］．北京．清华大学，２００９．

［２］ 黄祥．基于继电电路的计算机联锁控制逻辑研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１８．

［３］ 崔艳萍，庄河．国内外铁路调度集中系统的差异性分析［Ｊ］．铁道运输与经济，２０１３，３５（４）：１６?２１．

［４］ 黄晓晖．分散自律调度集中系统（ＣＴＣ）实训仿真平台设计与实现［Ｄ］．南昌：华东交通大学，２０１９．

作者简介：王坤（１９９９—），本科，研究方向：轨道交通信号与控制。