专利名称：铁路信号基础设备智能无接点控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁路信号控制装置，特别是一种铁路信号基础设备智能无接点控制装置。
背景技术：
现有的铁路信号基础设备-转辙机、信号机、轨道电路都是延用传统的继电式控制电路。由于继电器的输入控制是靠动作指令的电平信号接入继电器线包，而驱动基础设备(如转辙机、信号机)的动作是通过继电器触点的通断实施其控制操作的。从控制角度来说，这只是一种电气信号控制，从输出控制来说，是通过触点的通断实现的。很明显这就需要计划维修和日常维护，以保证继电器的触点的可靠接触。此外，6～8个继电器，组合接线繁杂，施工困难，且不易查找故障，还存在寿命短，体积大，转换速度慢，故障定位困难的固有缺陷。显然这制约了铁路的运营安全和运输能力的提高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述不足，提供一种采用微电子功率器件取代继电器，通过计算机实现铁路信号基础设备的直接控制的铁路信号基础设备智能无接点控制装置。
为实现上述目的，本发明的一种铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是设有指令输入隔离电路和工业现场总线通讯电路，上位机下达的指令经由指令输入隔离电路和工业现场总线通讯电路进入计算机；基础设备状态隔离电路，用于将基础设备状态的信号送计算机；轨道电路及隔离电路，轨道电路用于检测轨道的占车或轨道的空闲情况，并通过隔离电路将信息送计算机；计算机，该计算机的输入口分别连接上述指令输入隔离电路、工业现场总线通讯电路、和基础设备状态隔离电路、轨道电路的隔离电路，并根据输入指令和通讯信号进行逻辑判断，由输出口输出指令，控制无接点控制装置；
无接点控制装置，其输入端连接计算机的输出口，其输出接铁路信号基础设备，根据计算机的指令控制铁路信号基础设备工作。
所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是该无接点控制装置是由驱动输出和电平转换电路和功率输出电路所组成。
所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是该无接点控制装置中的驱动输出是由多个光电隔离电路所组成，其输入端分别接计算机的对应输出口，多个光电隔离电路的输出分别接功率输出电路的对应输入端；该功率输出电路是由多个无接点电子开关所组成，各无接点电子开关的控制端作为功率输出电路的输入端接通过上述光电隔离电路接计算机的对应输出口，各个无接点电子开关接铁路信号基础设备的对应输入端，根据计算机不同输出端的指令使不同无接点电子开关接通或断开，进一步控制铁路信号基础设备动作，转辙机的正转或反转，不同信号灯(红、黄、绿)的通断。
所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是所述的电子开关是晶体管，或场效应管、或IGBT管，或可控硅管。
所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是于该无接点控制装置中进一步还设有模拟电流处理电路和功率管在线检测电路，该模拟电流处理电路是串接在功率管发射极或漏极上的电流变送器，如分流器、霍尔放大器，用以检测铁路信号基础设备的工作电流其输出接计算机；该功率管在线检测电路是通过电阻并接于功率管两端的隔离电路，用于检测功率管是否完好，其输出接计算机。
所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是该轨道电路是由两路恒流源所组成，其中一路恒流源的输出端并接于轨道区段上的采样电阻，该采样电阻的两端经由有源滤波器接另一路恒流源的输入，该另一路恒流源将检测的上述采样电阻两端的电压经V-I变换器变换成电流量，再经由隔离电路送计算机。
所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是所述恒流源是由基准电压源、运算放大器及功率晶体管所组成。
本发明的优点在于由于本发明的铁路信号基础设备是由嵌入式计算机完成通讯、数字通道和模拟通道的数据采集、处理和逻辑判断，输出控制基础设备由功率微电子开关的通断代替继电器控制，具有功耗低、体积小、寿命长、动作快的优点，因此不需要像继电器组件的日常维护和维修，大大节省了人力，减小了机房面积。同时其远程通讯功能，为铁路系统的全计算机化，网络化奠定了基础。
该装置集指令接收、信息采集、逻辑判断、输出控制、远程通讯、故障定位为一体，达到无须维护，工作稳定可靠，提高了铁路运营安全和运输能力。
为对本发明的结构、特征及其功效有进一步了解，兹列举具体实施例并结合附图详细说明如下。
图1是本发明的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置的方框图；图2是无接点控制装置的具体电路图；图3是存储在图1铁路信号基础设备的智能无接点控制装置的计算机中的指令流程图；图4是本发明的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置中的轨道电路的具体电路图。
具体实施例方式
参照附图，图1是本发明用于铁路信号基础设备(道岔转辙机、信号机)的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置(以下简称控制装置)的电路结构方框图。由图可见，本发明的控制装置主要包括指令输入隔离电路1和工业现场总线通讯电路9，所述的指令输入隔离电路1是光电隔离电路，所述的工业现场总线通讯电路9是型号为SJA1000的CAN电路；基础设备状态隔离电路2，所述的隔离电路是光电隔离电路，用于将基础设备状态的信号隔离后送计算机；轨道电路及隔离电路11，轨道电路用于检测轨道的占车或轨道的空闲情况，并通过隔离电路将信息送计算机4；该计算机(ECU)的输入口分别连接上述指令输入隔离电路1、工业现场总线通讯电路9、基础设备状态隔离电路2、轨道电路及隔离电路11，并根据输入指令和通讯信号进行逻辑判断，由输出口输出指令，控制无接点控制装置12；该无接点控制装置12，其输入端连接计算机4的输出口，其输出接铁路信号基础设备7，所述的铁路信号基础设备7是指道岔转辙机和信号机，根据计算机的指令控制铁路信号基础设备工作，为方便说明，以下以转辙机为例进行说明。
其中，计算机ECU是由嵌入式8或16位单片机，或带有JTAG接口的SOC单片机所组成，其型号可为80C592，或80C196或C8051F040等，最佳构成为带有JTAG接口的SOC单片机组成的计算机系统ECU。上位机下达的指令经指令输入和隔离电路1及工业现场总线CAN通讯电路9进入计算机ECU，计算机ECU对这两种指令进行异性判定。现场道岔转辙机的状态信息，如位置表示等经道岔状态及隔离电路2也进入ECU，同时轨道的占车或轨道空闲信息经轨道电路及隔离电路11进入ECU进行状态识别。上位机下达的转辙机动作指令是否执行，是由转辙机状态和轨道电路空闲与否决定。只有转辙机正常，轨道电路送出空闲信息时，才允许执行道岔动作指令。这些条件经ECU的指令冗余接收，信息采集，和逻辑判断最终输出指令给无接点控制装置12，该无接点控制装置12主要是由驱动输出和电平转换电路5和功率输出电路6所组成(图2所示)，驱动输出和电平转换电路5是由多个光电隔离电路所组成，其输入端分别接计算机的对应输出口，多个光电隔离电路的输出分别接功率输出电路的对应输入端；对于转辙机而言，该驱动输出和电平转换电路5是由二个光电隔离电路所组成，这是由于转辙机的驱动信号只有两个，即正转和反转，对于信号机而言，则应该有多个输出分别控制红、黄、绿、白信号灯或其组合。其输入端分别接计算机的对应输出口，多个光电隔离电路的输出分别接功率输出电路的对应输入端；该功率输出电路是由多个无接点电子开关所组成，同样，对于转辙机而言，该无接点电子开关也是有二组，各无接点电子开关的控制端作为功率输出电路的输入端通过上述驱动输出和电平转换电路5(即光电隔离电路)接计算机的对应输出口，各个无接点电子开关接铁路信号基础设备的对应输入端，根据计算机不同输出端的指令使不同无接点电子开关接通或断开，进一步控制铁路信号基础设备动作，转辙机的正转或反转，不同信号灯(红、黄、绿、白)的通断。所述的电子开关是晶体管开关电路，或场效应管开关电路、或IGBT管或可控硅管开关。
该无接点控制装置12进一步还设有检测保护电路，其中包括模拟电流处理电路8和功率管在线检测电路8’，该模拟电流处理电路8是串接在功率管主电路(发射极、集电极、漏极、源极)上的电流变送器，如分流器、电流互感器、霍尔放大器，用以检测铁路信号基础设备的工作电流，其输出接计算机；该功率管在线检测电路是通过电阻并接于功率管两端的隔离电路，用于检测功率管是否完好，其输出接计算机，所述隔离电路是光电隔离电路。
上述驱动输出和电平转换电路5隔离差动输出(有时为脉冲输出)至标号6的功率输出电路，该功率输出电路的输出经电线接至现场铁路信号基础设备一转辙机7。同时，在转辙机运行和静止中转辙机的位置表示状态及功率管的是否正常经道岔状态及隔离电路2及功率管在线检测电路8’送至计算机ECU。而转辙机7的工作电流经模拟电流处理及隔离电路8，进行模拟量动态采集，并送计算机ECU，由此可以描绘出转辙机的运行曲线。通过道岔状态、设备状态及隔离电路2和模拟电流处理及隔离电路8和功率管在线检测电路8’形成闭环，ECU就能随机检测转辙机的工况和外线状态。例如，ECU没有发出转辙机的动作指令，而此时ECU检测到了电流信息，就立刻确定出功率输出管损坏击穿，ECU就立即报警，并切断功率管的驱动电源，使该控制装置进入故障一安全状态，如计算机ECU检测到转辙机状态发生变化，就能判断出回线断线或人为使转辙机动作。当ECU发出了转辙机动作指令，而ECU检测不到电流或转辙机的位置表示没有变化，则说明驱动转辙机外线开路或发生故障，此时立即报警，进行故障处理。
本发明的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置中还具有看门狗电路10，计算机ECU动态地检测各路电源和程序的运行，如程序跑飞，则经看门狗电路10使系统复活。
由上面分析可知，本发明解决了铁路信号基础设备由继电式组合控制的诸多缺点，实现了铁路基础设备的智能化无接点直接控制，通过少检多测，使该装置符合铁路系统的故障一安全原则。由于本发明的控制装置具有工业现场总线远程通讯功能，为铁路系统的全计算机化、网络化奠定了技术基础。
本发明的智能无接点控制装置控制铁路信号基础设备，取代了传统的继电器，解决了继电器组合的固有缺点功能单一，体积庞大，故障防护能力差，处理故障时间长，维修工作量大的缺点。
图2为该无接点控制装置12的具体电路图，其中包括驱动输出和电平转换电路5、功率输出电路6、转辙机7、模拟电流处理及隔离电路8和功率管在线检测电路8’。下面对无接点控制装置12进行详细说明。
计算机ECU4发出的转辙机动作指令1或2(转辙机正转或反转)，进入输出驱动和电平转换电路5，它由二个光电耦合器D1、D2、相应电阻和或门D3组成。输出驱动和电平转换电路5的输出驱动功率输出电路6的功率电子开关IGBT组件BG1-BG3的控制极，相应地BG1、BG3或BG2、BG3导通，经电缆接至转辙机的正转或反转电机的线包，进行差动输出使转辙机运行。串接在BG3的漏极上的模拟电流及隔离电路8为电流变送器SEN(如分流器、电流互感器、霍尔放大器)，由它来监测转辙机的工作电流，通过模拟量处理及隔离电路8回采至ECU进行处理。而并接在BG1-BG3的漏极和源极间的D10-D12的瞬变管进行续流保护。工作原理如下由ECU经逻辑判断发出的转辙机动作指令1(正转)或动作指令2(反转)，经输出驱动和电平转换电路5输出至功率输出电路6中IGBT管的控制极，使BG1、BG3或BG2、BG3导通或截止，从而为转辙机7提供受控的工作电流，该工作电流经模拟量处理及隔离电路8进入ECU监测处理；形成闭环监测控制转辙机的运行状态。功率管在线检测电路8’是通过电阻并接于功率管两端的光电隔离器D4、D5、D6，用于检测功率管是否完好。当计算机未输出动作指令1和动作指令2时，BG1～BG3均截止，此时光电隔离器D4～D6不导通，其输出FKJC、DKJC和KHJC为高电平。若此时功率开关管损坏导通，如BG1导通，电源DZ经D4回到DF，使D4导通，其输出其输出为低电平，ECU立即报警。当有指令使转辙机转动时，如有动作指令1(正转)就使BG1和BG3导通，这时D4和D6均导通，使DKJC和KHJC为低电平，如果此时DKJC和KHJC为高电平，就表明BG1或BG3不导通损坏。由上所述，ECU就能在线检测功率开关管的工作状态。本发明的功率开关器件除采用IGBT器件外，还可由功率MOS管、控硅组件或功率晶体管构成。
上述的驱动输出和电平转换电路5是由光电耦合器，或者DC-DC转换器，或者运算放大器构成。
图3是本发明的道岔转辙机的控制流程图。流程图表示的程序运作是由预装在计算机ECU中的PSD芯片中的Flash或EPOM中的编程指令完成的。在流程图中的每一步骤在实际执行的程序中可包含一个或多个函数。
参照图3，它公开了本发明用于道岔转辙机控制装置的一个程序主流程。该程序主要完成三个任务一是实时采集各类信息，如图1中指令输入及隔离电路1、道岔状态、设备状态及隔离电路2、电源和检测电路3、模拟电流处理及隔离电路8、功率管在线检测电路8’、工业现场总线通讯电路9和轨道电路及隔离电路11进入ECU的信息；二是启动或停止运行转辙机实现无接点控制；三是实时判断静态和动态的各类故障信息，并远传至上位机的人-机对话界面，同时使转辙机进入故障-安全状态。
图3的流程图指示在开始步骤100之后，步骤101进行资源和文件初始化。步骤102定时采集各类信息，以便判断转辙机是否正常，判断为否定则进入故障处理，即进入步骤104，切断功率输出管电源，继而进入步骤105报警处理，通过通讯把故障信息传输至上位机的人-机对话画面，并发出声音报警，通知有关人员进行排除故障处理。若无故障，则进入步骤106或108，进行转辙机的动作指令判定，而这种指令判定是基于数字通道和通讯通道的指令相互校核决定。同时判断步骤107或109的转辙机运作的必要条件如系统解锁闭和轨道空闲时才进入步骤115或110，启动转辙机运行。步骤116-120和步骤111-114和121是转辙机运行中停机判断条件。当然这也是本发明用于转辙机控制的主要程序，其程序步骤完全是按照铁道部的相关技术标准和技术要求进行处理，特别是故障-安全程序尤为重要。
由上所述，对铁路信号基础设备-转辙机、信号机的控制由智能无接点控制装置代替继电式控制，但是这些设备的运行都和轨道电路密切相关，而现在使用的轨道电路是由一个电压源经串联一个轨道继电器线包组成，线包得电吸起为轨道空闲，失电落下使其触点接通电压信号被判为轨道区段占车。但由于联线长，道床泄漏而使轨道继电器错误失电落下而占车，此时需调整供电电压，有时因雨雪天道床泄漏太大，使整场瘫痪。针对这些缺点，本发明图1中的轨道电路及隔离电路11是一种新型电子轨道电路，它解决了双区段和因道床泄漏能够在线自动调整的电子轨道电路，完成轨道电路的状态识别，并具有远程通讯功能。图4详细提供了这种新型轨道电路的原理图。
本发明的这种轨道电路主要是应用恒流源原理，恒定电流馈送至轨道区段钢轨上，这有别于继电式轨道电路使用的是电压源，因此馈送线的长短不再是一个主要因素。在轨道区段上串接双区段两个电阻形成电流回路，通过轨道区段上的车厢轮对分别短接这两个区段电阻而产生不同的电压，即产生轨道DG、DG1和空闲电压，此电压经V-I变换器，对应状态的电流经长线送至控制室内的采样电阻产生对应的电压，经模拟隔离进入ECU处理，完成对轨道电路状态的识别。
图4是本发明的新型轨道电路的原理图。交流市电经防雷器件进入电源处理电路20，它产生两路直流电压源一路通过基准电压源21得到的基准电压，并通过电阻器23的大小调整或调整基准电压源21的基准电压，使运算放大器22及扩流电路产生所需的恒定电流，经串接稳压管24馈送至轨道区段25上。对于双区段的轨道电路，在绝缘的两段钢轨上串接大功率电阻器33、34。车厢轮对行进在轨道区段25上时，会分别短接电阻33或34而产生两段电压源，还可通过产生两段电压的时间与轨道区段的长度计算车厢的行进速度，为车辆减速器提供一种测速条件，无车厢通过该轨道区段时，恒流流经电阻器33和34上产生空闲电压值。其电压大小经标号26的有源滤波器标号27的V--I变换器，而上述两种电路的电源为标号20产生的另一路直流电压源。调整标号28的电阻器的值即可获得轨道区段上占车状态和空闲时的电流大小，该电流经串接标号为29的稳压管隔离送至标号30的采样电阻产生对应的电压值，经标号31的隔离电路和标号32的滤波电路送入ECU，进行轨道区段占车和空闲的逻辑判断。随着道床泄漏而分流，只需经通讯通道在线修改判断轨道区段占车、空闲的基淮值。这种动态采样判定有效地解决了轨道区段使用中状态变化而引起的错误判断。若标号25中标号33电阻器短路，则变成单区段占车和空闲的轨道电路。
上述的标号22的恒流产生电路和标号26、27的滤波和V-I变换电路由运算放大器构成，其点流输出由功率三级管、或者功率MOS管构成，而标号24和标号29由稳压管或二极管构成。
总之，本发明是一个采用嵌入式计算机和无接点直接控制铁路信号基础设备的控制装置，它集指令接收、信息采集、逻辑判断、控制输出、故障定位、远程通讯为一体，有效解决现行铁路基础设备继电式控制的诸多缺点，大大提高了铁路的运营安全和运输能力。
权利要求
1.一种铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是设有指令输入隔离电路和工业现场总线通讯电路，上位机下达的指令经由指令输入隔离电路和工业现场总线通讯电路进入计算机；基础设备状态隔离电路，用于将基础设备状态的信号送计算机；轨道电路及隔离电路，轨道电路用于检测轨道的占车或轨道的空闲情况，并通过隔离电路将信息送计算机；计算机，该计算机的输入口分别连接上述指令输入隔离电路、工业现场总线通讯电路、基础设备状态隔离电路、轨道电路的隔离电路，并根据输入指令和通讯信号进行逻辑判断，由输出口输出指令，控制无接点控制装置；无接点控制装置，其输入端连接计算机的输出口，其输出接铁路信号基础设备，根据计算机的指令控制铁路信号基础设备工作。
2.根据权利要求1所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是该无接点控制装置是由驱动输出和电平转换电路和功率输出电路所组成。
3.根据权利要求2所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是该无接点控制装置中的驱动输出是由多个光电隔离电路所组成，其输入端分别接计算机的对应输出口，多个光电隔离电路的输出分别接功率输出电路的对应输入端；该功率输出电路是由多个无接点电子开关所组成，各无接点电子开关的控制端作为功率输出电路的输入端接通过上述光电隔离电路接计算机的对应输出口，各个无接点电子开关接铁路信号基础设备的对应输入端，根据计算机不同输出端的指令使不同无接点电子开关接通或断开，进一步控制铁路信号基础设备动作，转辙机的正转或反转，不同信号灯的通断。
4.根据权利要求3所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是所述的电子开关是晶体管，或场效应管、或IGBT管，或可控硅管。
5.根据权利要求2所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是于该无接点控制装置中进一步还设有模拟电流处理电路和功率管在线检测电路，该模拟电流处理电路是串接在功率管发射极或漏极上的电流变送器，如分流器、霍尔放大器，用以检测铁路信号基础设备的工作电流其输出接计算机；该功率管在线检测电路是通过电阻并接于功率管两端的隔离电路，用于检测功率管是否完好，其输出接计算机。
6.根据权利要求1所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是该轨道电路是由两路恒流源所组成，其中一路恒流源的输出端接并接于轨道区段上的采样电阻，该采样电阻的两端电压经由有源滤波器接另一路恒流源的输入，该另一路恒流源将检测的上述采样电阻两端的电压经V-I变换器变换成电流量，再经由隔离电路送计算机。
7.根据权利要求6所述的铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其特征是所述恒流源是由基准电压源、运算放大器及功率晶体管所组成。
全文摘要
本发明涉及一种铁路信号基础设备的智能无接点控制装置，其包括指令输入隔离电路和工业现场总线通讯电路、基础设备状态隔离电路、轨道电路、计算机和无接点控制装置。该控制装置完成道岔转辙机、信号机的直接控制和轨道电路的状态识别。通过上位机动作指令、铁路信号基础设备的状态信息和工业现场总线完成异性判定，其输出经无接点微电子功率开关根据动作指令要求通断，使基础设备获取受控的工作电流。根据恒流源原理构成的轨道电路可完成单区段、双区段轨道状态判断，还可根据外界条件变化进行在线调整判定。该装置集命令接收、信号采集、逻辑判断、控制输出、故障定位、远程通讯为一体，是控制铁路信号基础设备的新型控制装置。
文档编号B61L27/00GK1562688SQ200410031690
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月13日 优先权日2004年4月13日
发明者孔照云, 齐建亚, 尹建平, 胡崇汉, 李进表 申请人:孔照云, 齐建亚, 尹建平, 胡崇汉, 李进表