1 概述

  随着铁路信号控制系统的发展,计算机联锁系统已处于普及阶段。我国铁路信号控制系统的电子技术已经发展到一个成熟的地步,计算机联锁系统开始向全电子化的联锁系统发展。目前全电子计算机联锁系统在铁路信号控制领域已经开始小批量实践,但遇到工厂测试和现场集成测试技术设备短缺,常规方法的安全问题凸显等问题。因此能够配合全电子联锁系统进行测试的信号外设模拟设备的需求日益强烈。

  本文阐述信号外设模拟设备中直流LED信号机模拟器DSUS的设计。

2 基本要求

  直流LED信号机模拟器DSUS配合全电子联锁系统,可完成全电子直流LED信号机控制模块的常规测试,并可提供多种故障/异常动作场景,对全电子联锁系统的出厂测试及现场全电子联锁系统的独立调试,都能起到关键作用,尤其适用既有站现场信号系统改造场景。因此,主要从现场使用者的角度考虑产品设计。

  1)体积:提高设备可模拟数量,同时最小化体积。

  2)重量:为提高可移动性,考虑减小设备重量。

  3)温度:为控制设备工作温度,采取主动散热设计。

  4)外观:外观及系统状态显示。

3 功能设计

  1)完成室外信号机(变压器、灯泡等)数字化。

  2)高度集成,减小体积,单个DSUS模拟器支持16个直流LED灯位模拟。

  3)人机界面和DSUS模拟器进行通信,最大总线节点数128个。

  4)DSUS模拟器支持LED信号灯的工作状态如下。

  a.正常点亮和熄灭。

  b.点灯状态的显示。

  c.可通过HMI设置模拟灯丝断丝错误。

4 系统结构

  直流LED信号机模拟器DSUS由3部分组成:HMI人机交互界面、DSUS信号机模拟设备主机、电源部分。系统结构如图1所示。

  4.1 电源部分

  电源部分为该系统提供所有操作DC 24 V电源。采用AC 220转DC 24 V开关电源,电流根据实际所用模块数量确定。

  4.2 HMI人机交互界面

  采用DT-10定制软件系统。HMI部分通过RS-485标准Modbus总线与各个外设模拟设备进行通信。

  4.3 DSUS信号机模拟设备主机

  DSUS信号机模拟设备主机是DSUS模拟器的核心,其内部由控制部分、模拟部分和接口部分等组成。

  4.3.1 控制部分设计

  1)模拟器主机电源:电源输入为DC 24 V,由隔离PWM电源芯片将DC 24 V转为3.3 V逻辑电源,为CPU电路及相关控制电路提供电源。

  2)模拟器CPU:由STM32芯片作为主控制芯片,完成16路直流信号灯位模拟、状态监测及故障注入等逻辑。

  3)模拟器ID设置:多台模拟器设备同时使用时,能够针对性的设置每台模拟设备的ID号,ID号可在每台模拟器上显示。加入ID设计后,同一个HMI可与多个模拟设备连接,为较大的站场提供足够数量的模拟设备。具体设计:增加两个按键(ID增加按键、ID减少按键),短按用于设置,长按任一按键3 s为确认模拟设备ID信息;ID设置的范围为0~99号。

  4)模拟器指示灯:由指示灯和三位数码管组成,完成模拟设备状态显示及模拟设备ID等相关信息。

  5)模拟器通信:使用标准的工业Modbus总线协议,与HMI人机交互终端进行通信。

  6)模拟器温度采集和控制:设计模拟设备温度检测功能,并根据采集温度对冷却风扇进行控制。当温度达到40 ℃时,运行风扇;当温度超过90 ℃时,停止该模拟设备(切断16个模拟信号灯位),并持续运行冷却风扇,直至温度小于35 ℃。

  7)模拟器故障指示:可显示模块运行状态、模块故障状态、模块通信状态,可通过蜂鸣器进行故障报警。

  4.3.2 模拟部分设计

  单路模拟原理如图2所示。

  模拟部分设计分为以下几个部分。

  1)负载控制电路:固态继电器CPC1916Y接收CPU的控制信号,打开CH5通道输出,R29电阻模拟负载,可根据要求注入故障。

  2)直流信号灯模拟负载电路:大功率电阻R29为360 Ω,对直流LED信号灯的等效负载进行模拟。

  3)状态采集电路:用隔离方式(光耦ACPL-217),对直流信号机灯模拟负载的状态进行采集和判断,通过CH5_Indicator送到CPU,数据最终发送到HMI人机交互界面中,提供模拟设备状态显示。

  4.3.3 接口部分设计

  1)DB9综合接口:综合接口将DC 24 V电源的接入和标准Modbus总线接口整合在一个插头中。

  2)调试接口:用于调试设备的总线接口。

  3) 16组直流LED灯位驱动线接口:接口形式和管脚定义可与全电子计算机联锁系统进行匹配设计,接口线缆采用多芯电缆。

  4.4 结构设计

  直流LED信号机模拟器DSUS可模拟铁路信号系统中的16路直流信号灯,最大模拟功率可达到230 W,设计使用机壳整体强制散热方式,将功率模块通过良好的绝缘导热材料和经过氧化绝缘处理的铝壳体进行整体安装,并设计冗余散热风扇,在需要情况下强制散热。通过以上设计手段的采用,最终设计的设备尺寸为150 mm×80 mm×35 mm(长×宽×高)。

  4.5 参数对比

  直流LED信号机模拟器DSUS与常见的矮型二显示LED信号机参数对比如表1所示。

5 应用场景

  直流LED信号机模拟器DSUS可配合其他信号设备模块,在多种场景下发挥重要作用。

  1)全电子联锁系统的系统研发、软件测试平台场景;

  2)全电子联锁系统的工厂化测试场景;

  3)全电子联锁系统的现场开通调试(新站)场景;

  4)全电子联锁系统的现场开通调试(改造站)场景。

  5)其他信号控制系统中的信号机模拟场景。

6 结束语

  全电子联锁系统是铁路信号控制领域的发展趋势,目前国内各相关信号企业正在积极进行研发及应用。直流LED信号机模拟器DSUS提供目前常用的直流信号机的模拟功能,可满足不同企业、不同型号的全电子联锁系统测试、模拟和现场集成需求。设备体积小、重量轻,模块化程度高,携带方便,解决全电子联锁系统在产品工厂测试和现场开通集成测试时存在的技术装备短缺、安全隐患问题,大大缩短集成测试和现场开通时间,显著降低成本。

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