CN110808567A - 基于故障安全的信号机电子执行电路 - Google Patents

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徐成闻
周旭东
吕涛
凌祝军
周在福
管伟新
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Abstract

本发明公开了一种基于故障安全的信号机电子执行电路，包括信号机点灯回路、单片机，信号机点灯回路包括保险丝、电流检测电路、自熔断电路、固态继电器、安全继电器，固态继电器和安全继电器用于控制信号机点灯回路的通断，电流检测电路用于检测信号机点灯回路的电流，自熔断电路用于熔断保险丝，单片机接收电流检测电路的信号；当固态继电器和/或安全继电器触点失效粘连时信号机被点亮，单片机通过电流检测电路检测到电流，但联锁系统没有控制继电器输出时，单片机判定继电器粘连故障，并上报联锁系统，由联锁系统下发命令，单片机发出控制信号，触发自熔断电路熔断保险丝。本发明在继电器发生粘连失效时，能主动切断信号机的电流回路。

Description

基于故障安全的信号机电子执行电路
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及信号机驱动电路。
背景技术
铁路信号系统中信号机一般是设立在轨旁的电子设备，用来向行车人员或系统传送车辆运行条件、行车设备状态等信息。信号系统通过信号机传递的信息使道岔、进路和信号机之间产生一种联锁制约关系，在保证行车及调车安全性的前提下提高控制和调度效率。
信号机驱动电路可以控制和反映轨旁信号机的工作情况，直接影响行车安全，需要满足故障安全的设计原则。全电子联锁系统对信号机的驱动采用电子执行单元来替代之前老的继电器控制单元，大大减少了继电器和线缆使用，避免了继电联锁系统发生混线/断线故障的情况，提高了可靠性、可用性和可维护性。
通常信号机驱动的电子执行单元主要控制原理如图1所示。图1虚线框内是电子执行单元，虚线框外主要是信号机交流电源、其他外部接口和信号机等。通过其他外部接口实现安全通信等功能，系统可根据驱动信号机的数量设计不同数目的信号机驱动电路，因此只列出1路信号机驱动电路——驱动原理是一样的。
正常工作时，如果电子执行单元通过其他接口接收到驱动信号机的命令，那么就控制固态继电器和安全继电器吸合形成电流回路：从信号机交流电源L到保险丝，再串联到电流检测电路，再通过固态继电器和安全继电器开关端子1/2到信号机A端；再从信号机B端过安全继电器开关端子4/3回到交流电源N。
电流检测电路形成两路信号分别接到单片机A和B的端子3，通过电流体现信号机的工作情况，两单片机可将回采的电流值通过“其他接口”上报系统。
如果电子执行单元接收到断开信号机的命令，那么可通过切断固态继电器和安全继电器来实现。固态继电器通过单片机电路A和B的端子1来控制，单片机电路A的1端口向固态继电器A端输出正电平，单片机电路B的1端口向固态继电器K端输出负电平，只有A和B都输出时固态继电器才会导通。安全继电器的控制原理也一样，但通过单片机电路A和B的端子2来实现控制。
为了提高检测的覆盖率，增加了方波信号A和B，通过安全继电器的常闭触点分别接到单片机电路A和B的端子4来检测继电器的通断情况。
如果涉及安全的输出单元，如信号机驱动的电子执行单元继电器发生粘连失效，那么就会出现信号机一直点亮的情况。这种情况的出现会导致安全问题是不允许的，此时比较好的解决办法是切断信号机的电源输出。
虽然此时电子执行单元能够检测到故障的出现，但无论怎么切断继电器控制端的回路也没有办法去控制。因此必须设计一个电路在发生这种低概率故障情况时能主动切断信号机的电流回路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于故障安全的信号机电子执行电路，在继电器发生粘连失效时，能主动切断信号机的电流回路。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于故障安全的信号机电子执行电路，连接在信号机交流电源和信号机之间，包括信号机点灯回路、单片机，所述信号机点灯回路包括保险丝、电流检测电路、自熔断电路、固态继电器、安全继电器，所述固态继电器和安全继电器用于控制信号机点灯回路的通断，所述电流检测电路用于检测信号机点灯回路的电流，所述自熔断电路用于熔断保险丝，所述单片机接收电流检测电路的信号；当固态继电器和/或安全继电器触点失效粘连时信号机被点亮，单片机通过电流检测电路检测到电流，但联锁系统没有控制继电器输出时，单片机判定继电器粘连故障，并上报联锁系统，由联锁系统下发命令，单片机发出控制信号，触发自熔断电路熔断保险丝。
优选的，所述自熔断电路包括串联的电阻R1、电阻R2以及电阻R3，其中电阻R1和电阻R2用于限流，所述电阻R3用于保护固态继电器前端和提高抗干扰性。
优选的，所述固态继电器的I2T参数比保险丝的熔断热能值参数I2T大三倍以上。
优选的，所述单片机设有方波信号检测模块，通过采集安全继电器的方波信号来检测继电器的通断情况。
优选的，所述电流检测电路采用双通道结构。
本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：
本发明采用的技术方案，当固态继电器和安全继电器触点失效粘连时信号机被点亮，此时单片机电路A和B通过电流检测电路可以检测到电流，并将这个异常上报联锁系统，然后联锁系统下发命令触发自熔断电路将交流电源L和N短接熔断保险丝。
因而，在出现继电器发生粘连失效，信号机一直点亮的情况时，能主动切断信号机的电流回路，且维修方便。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1是信号机驱动电子执行单元框图；
图2是本发明基于故障安全的自熔断电路应用示意图；
图3是自熔断电路实现示意图；
图4是电流检测原理框图；
图5是电流检测电路图。
具体实施方式
下面对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明为一种基于故障安全的信号机电子执行电路，该电路可根据电流采样识别故障，通过系统命令触发自熔断电路实现对外电源的自动切断功能。
如图2所示，基于故障安全的信号机电子执行电路连接在信号机交流电源和信号机之间，由联锁系统控制，包括信号机点灯回路、单片机，所述信号机点灯回路包括保险丝、电流检测电路、自熔断电路、固态继电器、安全继电器，所述固态继电器和安全继电器用于控制信号机点灯回路的通断，所述电流检测电路用于检测信号机点灯回路的电流，所述自熔断电路用于熔断保险丝，所述单片机接收电流检测电路的信号；当固态继电器和/或安全继电器触点失效粘连时信号机被点亮，单片机通过电流检测电路检测到电流，但联锁系统没有控制继电器输出时，单片机判定继电器粘连故障，并通过“其他接口”上报联锁系统，由联锁系统下发命令，单片机发出控制信号，触发自熔断电路将交流电源L和N短接熔断保险丝。
图2所示，单片机电路A或B通过5端口连接自熔断电路A端口，发送信号来触发自熔断电路工作，又如图3方框内器件所示：方框内A端并联连接图2单片机电路A和B的端口5，也就图3是光耦U2和U3输出的一端。当单片机电路A输出MCU1-IO1为3V3_A信号或单片机电路B输出MCU2-IO1为3V3_B信号时，NMOS管Q2或Q3导通，此时U2或U3导通，自熔断电路A端连接到GND_PSU，最终U1导通，保险丝F1通过方框B和C两端短路。
图 3 所示，此时交流电源通过图3方框内B和C两端也就是U1的触点实现短路，短路一定时间后F1熔断,熔断时间同所选F1的熔断热能值参数I2T相关，这里需要保证固态继电器U1的I2T参数要比F1的参数大几倍，避免U1先于F1熔断。如图3所示电路U1采用Crydom公司的CXE380D5固态继电器其I2T参数值为260A² sec，而F1采用的是Littlefuse公司383系列2A保险丝其I2T参数值为17.8 A² sec，相差大概15倍，作为参考实际测试时保险丝熔断时间大概在200us~400us。
自熔断电路中电阻R1和R2用于限流，保证U1前端工作在正常电流范围之内，电阻R3用于保护固态继电器前端和提高抗干扰性。
图4是交流信号机的电流检测原理框图，信号机驱动的交流电流通过采集电阻采样，经精密整流，波形放大，积分滤波后通过ADC进行采集。
电流检测具体实现电路如图5所示，双通道的电流采样电阻串接在信号机点灯回路中，以通道A为例，采样电阻为2个0.27Ω精度1%1/4W的功率电阻。采集接口使用双向TVSSMCJ6.5CA并联四个耐高压二极管SM4007，限制住电流采样电路的瞬态过电压，保护后级运放。
使用双运放IC SA5532D构成精密整流电路，第一级运放进行全波整流，将50Hz正弦波整流为100Hz负半波，第二级运放构成比例放大及积分电路，通道A比例放大倍数为R358/R350=10。R363/C122构成低通滤波，R367为电流的泻放通路，D55用于过电压防护。通道B比例放大倍数为R359/R352=20。R362/C123构成低通滤波，R366为电流的泻放通路，D54用于过电压防护，通道A和通道B在放大倍数上采用差异化处理，保证单通道的失效可以及时检测。
图 5 电流检测电路，当检测电路采集到电流而实际软件并没有控制继电器输出时，判定电路粘连故障，此时软件触发自熔断电路使保险丝熔断，避免信号灯点灯保证安全。
放大器的供电电源例如电流检测电路使用±5V电源等非关键电路此处不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (6)

1.基于故障安全的信号机电子执行电路，连接在信号机交流电源和信号机之间，其特征在于：包括信号机点灯回路、单片机，所述信号机点灯回路包括保险丝、电流检测电路、自熔断电路、固态继电器、安全继电器，所述固态继电器和安全继电器用于控制信号机点灯回路的通断，所述电流检测电路用于检测信号机点灯回路的电流，所述自熔断电路用于熔断保险丝，所述单片机接收电流检测电路的信号；当固态继电器和/或安全继电器触点失效粘连时信号机被点亮，单片机通过电流检测电路检测到电流，但联锁系统没有控制继电器输出时，单片机判定继电器粘连故障，并上报联锁系统，由联锁系统下发命令，单片机发出控制信号，触发自熔断电路熔断保险丝。
2.根据权利要求1所述的基于故障安全的信号机电子执行电路，其特征在于：所述自熔断电路包括串联的电阻R1、电阻R2以及电阻R3，其中电阻R1和电阻R2用于限流，所述电阻R3用于保护固态继电器前端和提高抗干扰性。
3.根据权利要求2所述的基于故障安全的信号机电子执行电路，其特征在于：所述固态继电器的I2T参数比保险丝的熔断热能值参数I2T大三倍以上。
4.根据权利要求1所述的基于故障安全的信号机电子执行电路，其特征在于：所述单片机设有方波信号检测模块，通过采集安全继电器的方波信号来检测继电器的通断情况。
5.根据权利要求1所述的基于故障安全的信号机电子执行电路，其特征在于：所述电流检测电路采用双通道结构。
6.根据权利要求1所述的基于故障安全的信号机电子执行电路，其特征在于：所述控制信号由单片机A或单片机B输出。
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