1引言

道岔作為鐵路線上的重要設(shè)備，其設(shè)備的狀態(tài)直接關(guān)系到列車的運行安全，通過轉(zhuǎn)轍機動作電流監(jiān)測，可有效的分析道岔的運行狀態(tài)，為設(shè)備的維護和檢修提供依據(jù)，以確保設(shè)備的完好和列車行駛安全。

轉(zhuǎn)轍機是道岔的驅(qū)動設(shè)備，轉(zhuǎn)轍機的動作電流直接反應(yīng)道岔的動作阻力。因此，在轉(zhuǎn)轍機動作過程中，通過對其動作電流的采集和分析，了解道岔的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患。對道岔進行狀態(tài)檢修，減少了檢修和維護對行車的影響，而且延長了設(shè)備的使用壽命，尤其是當(dāng)?shù)啦韯幼靼l(fā)生故障時及時發(fā)出報警，及時發(fā)現(xiàn)故障點，從而提高檢修和維護的速度及質(zhì)量，對于保障列車的安全運行發(fā)揮了重要作用。

由于所采集的相關(guān)模擬量和開關(guān)量均由軌道現(xiàn)場返回的信號，因此，監(jiān)測系統(tǒng)對于可靠性和抗強電沖擊-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)轍機動作電流監(jiān)測系統(tǒng)的采集機不僅使系統(tǒng)具有很高的可靠性，而且其標準的梯形圖編程語言，也提高了系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。

2系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)基于omron的cs1系列plc設(shè)計。轉(zhuǎn)轍機動作電流監(jiān)測系統(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)轍機動作過程相關(guān)的開關(guān)量，轉(zhuǎn)轍機動作電流經(jīng)電流采集盒采集；通常一個站有幾十臺(道岔)轉(zhuǎn)轍機，大站甚至上百臺，每8臺轉(zhuǎn)轍機的電流信號接入一個信號切換電路，切換電路的輸出接入plc的ad轉(zhuǎn)換模塊，即每8臺轉(zhuǎn)轍機電流信號為一組，占用1個ad轉(zhuǎn)換通道。切換電路由plc的i/o模塊控制。plc的cpu模塊對所采集的電流數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、暫存，再由模塊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，最終由上位機對數(shù)據(jù)進行分析、管理、顯示、報警。

圖1監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1轉(zhuǎn)轍機動作電流的數(shù)據(jù)采集

圖2采集流程圖

作為隨機事件轉(zhuǎn)轍機動作電流的采集為中斷型采集過程，轉(zhuǎn)轍機的動作由一啟動繼電器控制，一啟動繼電器狀態(tài)由i/o口采集，并對所采集的數(shù)據(jù)進行分析，以判斷該時刻動作轉(zhuǎn)轍機的編號及同時有多少臺動作。轉(zhuǎn)轍機動作時通過plc相應(yīng)i/o口控制信號切換電路，立即并持續(xù)采集其電流數(shù)據(jù)。圖2為轉(zhuǎn)轍機動作電流采集流程圖。由于每8臺轉(zhuǎn)轍機為一組，因此采集過程可分為以下情況：

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

(2)二臺轉(zhuǎn)轍機動作：當(dāng)兼顧二臺轉(zhuǎn)轍機電流采集時，相應(yīng)的采集周期延長了一倍，為保證數(shù)據(jù)的時間特性，將每次采集的數(shù)據(jù)同時存入二個單元。如圖3所示。

圖3數(shù)據(jù)存儲圖

(3)三臺轉(zhuǎn)轍機動作：與上述情況相似，將每次采集的數(shù)據(jù)同時存入三個單元。

(4)四臺轉(zhuǎn)轍機動作：若此時同時采集四臺轉(zhuǎn)轍機的動作電流，其采集周期將超出相關(guān)規(guī)定，因此，在轉(zhuǎn)轍機分組時已兼顧考慮，在同一組中四臺同時動作的概率非常低，但若發(fā)生有四臺動作時，程序中將最后動作的轉(zhuǎn)轍機屏蔽，即該轉(zhuǎn)轍機在此次動作過程中即使其他三臺轉(zhuǎn)轍機動作結(jié)束，使同時動作的臺數(shù)小于四臺，為保證過程數(shù)據(jù)的完整性不予采集。

2.2數(shù)據(jù)擬合

當(dāng)轉(zhuǎn)轍機動作的臺數(shù)大于一臺時，電流數(shù)據(jù)包括有重復(fù)填寫的數(shù)據(jù)，若不對重復(fù)填寫的數(shù)據(jù)進行擬合處理，上位機依據(jù)數(shù)據(jù)繪制電流曲線圖時，將呈現(xiàn)馬賽克效果。因此，必須對重復(fù)填寫的數(shù)據(jù)進行擬合處理。由于plc所提供函數(shù)有限，因此，程序中只能對數(shù)據(jù)作線性擬合。以n=3時的數(shù)據(jù)為例，由于采集周期須填寫3個數(shù)據(jù)：dn1、dn2、dn3，dn-1為dn1的前一個數(shù)據(jù)，dn+1為dn3的后一個數(shù)據(jù)；分以下3種情況討論：

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

若不作線性擬合，則：

dn1=dn2=dn3；

若作線性擬合，則：

dn2=dn1+(dn1-dn-1)；

dn3=(dn2+dn+1)/2；

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

若作線性擬合，則：

dn1=(dn2+dn-1)/2；

dn3=(dn2+dn+1)/2；

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

若作線性擬合，則：

dn2=dn3+(dn3-dn+1)；

dn1=(dn2+dn3)/2；

由于在進行線性擬合時應(yīng)盡量依據(jù)實際采集數(shù)據(jù)，只有在采集過程中最方便對實際采集數(shù)據(jù)定位，即通過plc在對轉(zhuǎn)轍機動作電流采集過程中對相關(guān)數(shù)據(jù)進行修正。上位機程序?qū)D(zhuǎn)轍機數(shù)據(jù)進行分析時，著重分析持續(xù)電流的平均值及動作持續(xù)時間，因此修正的目的在于使相關(guān)曲線在外觀上更為光滑。

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，對轉(zhuǎn)轍機電流的采集持續(xù)時間和采集周期都有嚴格的規(guī)定。為了準確描述動作電流的變化全過程對電流的限制在30ms。通常單動岔的動作過程約為4秒，雙動岔的動作時間約為8秒。因此，一臺轉(zhuǎn)轍機動作一次的電流數(shù)據(jù)單動岔為400，雙動岔為800；另一方面，一個中型車站約有40臺道岔，大型車站約有100多臺道岔。若為每一臺轉(zhuǎn)轍機保留一個專屬數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(單動岔為400個字，雙動岔為800個字)，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，同時也是沒有必要的，因為道岔動作的次數(shù)是有限的，同一個車站內(nèi)最多只有幾臺道岔會同時動作。因此，程序中設(shè)置了一個公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，由10個子緩沖區(qū)組成，(子緩沖區(qū)的數(shù)量可根據(jù)車站的規(guī)模調(diào)整)；其中每個子緩沖區(qū)占用400個字，單動岔動作時占用1個子緩沖區(qū)，雙動岔動作時則占用2個子緩沖區(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——標志字，其中各位定義如下：

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

d14——道岔類型標志，“0”表示單動岔，該子緩沖區(qū)包括400個字；“1”表示雙動岔，該子緩沖區(qū)包括800個字；為下一個子緩沖區(qū)定義首地址以及向上位機傳輸數(shù)據(jù)時提供數(shù)據(jù)長度標志。

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

d11-d0——定義轉(zhuǎn)轍機編號。

r2——轉(zhuǎn)轍機動作起始時間；

r3——轉(zhuǎn)轍機動作結(jié)束時間；

r4——電流數(shù)據(jù)起始地址。

3plc的內(nèi)部時鐘設(shè)計

由于轉(zhuǎn)轍機動作電流采集時需要標注動作的起始時間和結(jié)束時間，時間精度要求準確到0.1秒，以分析動作的持續(xù)時間及各轉(zhuǎn)轍機(道岔)動作的相對時間。而omron的cs1系列所提供的內(nèi)部時間如圖5所示：顯然內(nèi)部時間數(shù)據(jù)中不包含毫秒數(shù)據(jù)，因此，程序中設(shè)計了一個毫秒時間單元；即由一個數(shù)據(jù)單元對10ms脈沖進行計數(shù)，利用內(nèi)部時間數(shù)據(jù)中的“秒”(簡稱“秒”)的進位(變化)，對毫秒時間單元數(shù)據(jù)進行對時——清零。考慮到10ms脈沖與內(nèi)部時間中“秒”的精度可能存在誤差，若10ms脈沖的時間比“秒”的時間慢，其但若10ms脈沖的時間比“秒”的時間塊，在“秒”進位前，毫秒時間已提前回零，將會造成時間的混亂，因此當(dāng)對10ms脈沖計數(shù)至99時應(yīng)停止計數(shù)直至“秒”進位信號清零后重新計數(shù)，此時的誤差對數(shù)據(jù)結(jié)果分析沒有影響。內(nèi)部時間中的年、月、日、時、分、秒由系統(tǒng)啟動后plc與上位機通信連接時，上位機將其系統(tǒng)時鐘寫入plc內(nèi)的相關(guān)單元。

圖5內(nèi)部時間

4結(jié)束語

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