1引言

道岔作為鐵路線(xiàn)上的重要設(shè)備，其設(shè)備的狀態(tài)直接關(guān)系到列車(chē)的運(yùn)行安全，通過(guò)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)，可有效的分析道岔的運(yùn)行狀態(tài)，為設(shè)備的維護(hù)和檢修提供依據(jù)，以確保設(shè)備的完好和列車(chē)行駛安全。

轉(zhuǎn)轍機(jī)是道岔的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作電流直接反應(yīng)道岔的動(dòng)作阻力。因此，在轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作過(guò)程中，通過(guò)對(duì)其動(dòng)作電流的采集和分析，了解道岔的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患。對(duì)道岔進(jìn)行狀態(tài)檢修，減少了檢修和維護(hù)對(duì)行車(chē)的影響，而且延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，尤其是當(dāng)?shù)啦韯?dòng)作發(fā)生故障時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，從而提高檢修和維護(hù)的速度及質(zhì)量，對(duì)于保障列車(chē)的安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

由于所采集的相關(guān)模擬量和開(kāi)關(guān)量均由軌道現(xiàn)場(chǎng)返回的信號(hào)，因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于可靠性和抗強(qiáng)電沖擊-防雷特性具有很高的要求。以omron可編程控制器plc作為軌道轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集機(jī)不僅使系統(tǒng)具有很高的可靠性，而且其標(biāo)準(zhǔn)的梯形圖編程語(yǔ)言，也提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于omron的cs1系列plc設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)中由plc的di模塊采集與轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作過(guò)程相關(guān)的開(kāi)關(guān)量，轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流經(jīng)電流采集盒采集；通常一個(gè)站有幾十臺(tái)(道岔)轉(zhuǎn)轍機(jī)，大站甚至上百臺(tái)，每8臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)的電流信號(hào)接入一個(gè)信號(hào)切換電路，切換電路的輸出接入plc的ad轉(zhuǎn)換模塊，即每8臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)電流信號(hào)為一組，占用1個(gè)ad轉(zhuǎn)換通道。切換電路由plc的i/o模塊控制。plc的cpu模塊對(duì)所采集的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、暫存，再由模塊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，最終由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理、顯示、報(bào)警。

圖1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流的數(shù)據(jù)采集

圖2采集流程圖

作為隨機(jī)事件轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流的采集為中斷型采集過(guò)程，轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作由一啟動(dòng)繼電器控制，一啟動(dòng)繼電器狀態(tài)由i/o口采集，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷該時(shí)刻動(dòng)作轉(zhuǎn)轍機(jī)的編號(hào)及同時(shí)有多少臺(tái)動(dòng)作。轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作時(shí)通過(guò)plc相應(yīng)i/o口控制信號(hào)切換電路，立即并持續(xù)采集其電流數(shù)據(jù)。圖2為轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流采集流程圖。由于每8臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)為一組，因此采集過(guò)程可分為以下情況：

(1)一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作：此時(shí)只需將每次的采集數(shù)據(jù)依次存入該轉(zhuǎn)轍機(jī)數(shù)據(jù)區(qū)相應(yīng)的一個(gè)單元即可。由于plc的ad轉(zhuǎn)換周期較長(zhǎng)，采用非同步方式轉(zhuǎn)換時(shí)，每次需10ms，因此每個(gè)數(shù)據(jù)代表該時(shí)間段的電流，因此每個(gè)數(shù)據(jù)不僅表示電流的大小，同時(shí)也包含相應(yīng)的時(shí)間特性。

(2)二臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作：當(dāng)兼顧二臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)電流采集時(shí)，相應(yīng)的采集周期延長(zhǎng)了一倍，為保證數(shù)據(jù)的時(shí)間特性，將每次采集的數(shù)據(jù)同時(shí)存入二個(gè)單元。如圖3所示。

圖3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)圖

(3)三臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作：與上述情況相似，將每次采集的數(shù)據(jù)同時(shí)存入三個(gè)單元。

(4)四臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作：若此時(shí)同時(shí)采集四臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作電流，其采集周期將超出相關(guān)規(guī)定，因此，在轉(zhuǎn)轍機(jī)分組時(shí)已兼顧考慮，在同一組中四臺(tái)同時(shí)動(dòng)作的概率非常低，但若發(fā)生有四臺(tái)動(dòng)作時(shí)，程序中將最后動(dòng)作的轉(zhuǎn)轍機(jī)屏蔽，即該轉(zhuǎn)轍機(jī)在此次動(dòng)作過(guò)程中即使其他三臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作結(jié)束，使同時(shí)動(dòng)作的臺(tái)數(shù)小于四臺(tái)，為保證過(guò)程數(shù)據(jù)的完整性不予采集。

2.2數(shù)據(jù)擬合

當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作的臺(tái)數(shù)大于一臺(tái)時(shí)，電流數(shù)據(jù)包括有重復(fù)填寫(xiě)的數(shù)據(jù)，若不對(duì)重復(fù)填寫(xiě)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，上位機(jī)依據(jù)數(shù)據(jù)繪制電流曲線(xiàn)圖時(shí)，將呈現(xiàn)馬賽克效果。因此，必須對(duì)重復(fù)填寫(xiě)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理。由于plc所提供函數(shù)有限，因此，程序中只能對(duì)數(shù)據(jù)作線(xiàn)性擬合。以n=3時(shí)的數(shù)據(jù)為例，由于采集周期須填寫(xiě)3個(gè)數(shù)據(jù)：dn1、dn2、dn3，dn-1為dn1的前一個(gè)數(shù)據(jù)，dn+1為dn3的后一個(gè)數(shù)據(jù)；分以下3種情況討論：

(1)dn1為實(shí)際采集數(shù)據(jù)，dn2、dn3為重復(fù)填寫(xiě)數(shù)據(jù)；

若不作線(xiàn)性擬合，則：

dn1=dn2=dn3；

若作線(xiàn)性擬合，則：

dn2=dn1+(dn1-dn-1)；

dn3=(dn2+dn+1)/2；

(2)dn2為實(shí)際采集數(shù)據(jù)，dn1、dn3為重復(fù)填寫(xiě)數(shù)據(jù)；

若作線(xiàn)性擬合，則：

dn1=(dn2+dn-1)/2；

dn3=(dn2+dn+1)/2；

(3)dn3為實(shí)際采集數(shù)據(jù)，dn1、dn2為重復(fù)填寫(xiě)數(shù)據(jù)；

若作線(xiàn)性擬合，則：

dn2=dn3+(dn3-dn+1)；

dn1=(dn2+dn3)/2；

由于在進(jìn)行線(xiàn)性擬合時(shí)應(yīng)盡量依據(jù)實(shí)際采集數(shù)據(jù)，只有在采集過(guò)程中最方便對(duì)實(shí)際采集數(shù)據(jù)定位，即通過(guò)plc在對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流采集過(guò)程中對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。上位機(jī)程序?qū)D(zhuǎn)轍機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，著重分析持續(xù)電流的平均值及動(dòng)作持續(xù)時(shí)間，因此修正的目的在于使相關(guān)曲線(xiàn)在外觀(guān)上更為光滑。

2.3數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的管理

根據(jù)鐵道部相關(guān)規(guī)程，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)電流的采集持續(xù)時(shí)間和采集周期都有嚴(yán)格的規(guī)定。為了準(zhǔn)確描述動(dòng)作電流的變化全過(guò)程對(duì)電流的限制在30ms。通常單動(dòng)岔的動(dòng)作過(guò)程約為4秒，雙動(dòng)岔的動(dòng)作時(shí)間約為8秒。因此，一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作一次的電流數(shù)據(jù)單動(dòng)岔為400，雙動(dòng)岔為800；另一方面，一個(gè)中型車(chē)站約有40臺(tái)道岔，大型車(chē)站約有100多臺(tái)道岔。若為每一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)保留一個(gè)專(zhuān)屬數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(單動(dòng)岔為400個(gè)字，雙動(dòng)岔為800個(gè)字)，則需要幾十“k”的數(shù)據(jù)寄存器，顯然一般的plc難以提供如此大的容量，同時(shí)也是沒(méi)有必要的，因?yàn)榈啦韯?dòng)作的次數(shù)是有限的，同一個(gè)車(chē)站內(nèi)最多只有幾臺(tái)道岔會(huì)同時(shí)動(dòng)作。因此，程序中設(shè)置了一個(gè)公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，由10個(gè)子緩沖區(qū)組成，(子緩沖區(qū)的數(shù)量可根據(jù)車(chē)站的規(guī)模調(diào)整)；其中每個(gè)子緩沖區(qū)占用400個(gè)字，單動(dòng)岔動(dòng)作時(shí)占用1個(gè)子緩沖區(qū)，雙動(dòng)岔動(dòng)作時(shí)則占用2個(gè)子緩沖區(qū)。子緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4子緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)

其中：

r1——標(biāo)志字，其中各位定義如下：

d15——數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)志，“1”表示數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，尚未傳輸至上位機(jī)，因此不可覆蓋；“0”表示數(shù)據(jù)已傳輸至上位機(jī)，可以覆蓋。

d14——道岔類(lèi)型標(biāo)志，“0”表示單動(dòng)岔，該子緩沖區(qū)包括400個(gè)字；“1”表示雙動(dòng)岔，該子緩沖區(qū)包括800個(gè)字；為下一個(gè)子緩沖區(qū)定義首地址以及向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)提供數(shù)據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)志。

d13——道岔的“定-反”位標(biāo)志，即道岔所處位置；“0”表示“定位”，“1”表示“反位”。

d11-d0——定義轉(zhuǎn)轍機(jī)編號(hào)。

r2——轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作起始時(shí)間；

r3——轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作結(jié)束時(shí)間；

r4——電流數(shù)據(jù)起始地址。

3plc的內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流采集時(shí)需要標(biāo)注動(dòng)作的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，時(shí)間精度要求準(zhǔn)確到0.1秒，以分析動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間及各轉(zhuǎn)轍機(jī)(道岔)動(dòng)作的相對(duì)時(shí)間。而omron的cs1系列所提供的內(nèi)部時(shí)間如圖5所示：顯然內(nèi)部時(shí)間數(shù)據(jù)中不包含毫秒數(shù)據(jù)，因此，程序中設(shè)計(jì)了一個(gè)毫秒時(shí)間單元；即由一個(gè)數(shù)據(jù)單元對(duì)10ms脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，利用內(nèi)部時(shí)間數(shù)據(jù)中的“秒”(簡(jiǎn)稱(chēng)“秒”)的進(jìn)位(變化)，對(duì)毫秒時(shí)間單元數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)時(shí)——清零?？紤]到10ms脈沖與內(nèi)部時(shí)間中“秒”的精度可能存在誤差，若10ms脈沖的時(shí)間比“秒”的時(shí)間慢，其但若10ms脈沖的時(shí)間比“秒”的時(shí)間塊，在“秒”進(jìn)位前，毫秒時(shí)間已提前回零，將會(huì)造成時(shí)間的混亂，因此當(dāng)對(duì)10ms脈沖計(jì)數(shù)至99時(shí)應(yīng)停止計(jì)數(shù)直至“秒”進(jìn)位信號(hào)清零后重新計(jì)數(shù)，此時(shí)的誤差對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果分析沒(méi)有影響。內(nèi)部時(shí)間中的年、月、日、時(shí)、分、秒由系統(tǒng)啟動(dòng)后plc與上位機(jī)通信連接時(shí)，上位機(jī)將其系統(tǒng)時(shí)鐘寫(xiě)入plc內(nèi)的相關(guān)單元。

圖5內(nèi)部時(shí)間

4結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)自投入運(yùn)行后效果良好，由于采用plc作為采集機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，在抗雷擊等強(qiáng)電沖擊干擾方面發(fā)揮了plc的優(yōu)勢(shì)；由于程序上采用了本文所述的相關(guān)方法，彌補(bǔ)了plc的某些局限，使系統(tǒng)充分發(fā)揮作用。圖6所示為一雙動(dòng)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作電流曲線(xiàn)。