CN111313367A - 一种铁路通用控制器的掉电保护系统与方法 - Google Patents

一种铁路通用控制器的掉电保护系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铁路通用控制器的掉电保护系统与方法，包括外壳体和设置在外壳体内部的电子控制板，所述外壳体的外侧设有电源端子、三相电端子、继电器端子、RS‑485接口、电源灯及状态灯，所述电子控制板包括STM32单片机，所述STM32单片机上连接有RS‑485通讯电路、继电器驱动电路、LED驱动电路、三相电检测模块及电源切换电容，所述电源切换电容上连接有超级电容和电源转换模块且电源转换模块上连接有电源取样模块与STM32单片机连接。本发明提供的一种铁路通用控制器的掉电保护系统与方法，检测控制器自身关键部件的故障并采取保护动作，提高了安全性。

Description

一种铁路通用控制器的掉电保护系统与方法
技术领域
本发明涉及掉电保护系统，特别涉及一种铁路通用控制器的掉电保护系统与方法。
背景技术
随着计算机技术的不断发展，铁路现场的设备变得越来越智能化。如原来靠人手动去切换轨道的工作，现在由相关的智能化设备来完成。智能化设备在铁路现场的广泛应用，一方面节约了大量人力物力，另一方面大大提高了智能化程度，消除由于人为因素造成的安全问题，从而提高了可靠性。
控制器为铁路现场智能化设备的核心部件，一般由基于单片机为核心电路和外围电路组成。控制器对相关信号进行检测(如传感器、开关量输入等)，并通过相关算法的计算，最终驱动执行器件(如继电器、阀门等等)，达到控制或保护的结果。然而铁路现场环境恶劣(比如电网波动、高温、低温、振动、潮湿等)，会对控制器和其他设备造成不良影响，导致系统功能失效，进而引发严重的安全问题。在各类问题中，较为常见的是控制器供电异常(掉电或电压过低)。当发生此类问题，控制器将面临完全失效(掉电情况下)或者工作异常(电压过低)，从而导致系统瘫痪，进而引发安全方面的严重问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种铁路通用控制器的掉电保护系统与方法，其可检测控制自身关键部件的故障并采取保护动作，提高了安全性；可检测控制器外部的关键部件，提高了可靠性。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种铁路通用控制器的掉电保护系统，包括外壳体和设置在外壳体内部的电子控制板，所述外壳体的外侧设有电源端子、三相电端子、继电器端子、RS-485接口、电源灯及状态灯，所述电子控制板包括STM32单片机，所述STM32单片机上连接有RS-485通讯电路、继电器驱动电路、LED驱动电路、三相电检测模块及电源切换电容，所述电源切换电容上连接有超级电容和电源转换模块且电源转换模块上连接有电源取样模块与STM32单片机连接；
所述三相电检测模块的端子与三相电端子连接，所述继电器驱动电路的接线端子与继电器端子连接，所述电源切换电容的电路上包括KBP210G整流器及TransBB变压器，所述电源切换电容上带有电路L端子和N端子连接单相220V交流电电路，所述单相220V交流电电路连接KBP210G整流器交流/直流变换后连接TransBB变压器转换电压，所述TransBB变压器的POWER_LOSS端接到STM32单片机的AD输入端。
作为改进，所述RS-485通讯电路中包括TD301D485芯片，所述TD301D485芯片的TXD和RXD端分别连接STM32单片机的串口发送和接收引脚，所述STM32单片机一个IO口通过RS485 ENA控制TD301D485芯片，所述TD301D485芯片上连接有+3.3V进行供电，
作为改进，所述三相电检测模块包括两路光耦合器TLP627-2，所述三相电检测模块通过J2接插端子接入三相电的A、B、C相，其中光耦TLP627-2的1、2引脚接A相，3、4引脚接B、C相，引脚6和8为光耦的输出引脚连接至STM32单片机的CHECK1和CHECK2引脚。
作为改进，所述继电器端子连接用于启动或停止外接的执行设备如电机或电磁阀。
一种铁路通用控制器的掉电保护方法，包括以下具体方法：指示灯当供电正常时为常绿，不通电为灭，供电异常时为红色闪烁；当控制器检测内外均无故障时，状态指示灯为常绿，有故障时会按照不同的黄色、红色闪烁次数组合表示不同的故障；
三相电检测模块可连接三相电的A、B和C相，通过该端子，STM32单片机会识别出三相缺相和逆相故障并通过状态灯指示该故障，两路的继电器输出端子连接用于启动或停止外接的执行设备如电机或电磁阀，一旦检测到控制器有故障发生，则继电器输出为断开，停止现场的执行设备；
RS-485通讯电路将控制器采集的实时数据，当前和历史的故障信息发送至STM32单片机，由STM32单片机进行数据分析，进行更高级别的控制和保护；
电源切换电容的电路上L、N端子连接单相220V交流电，首先经过KBP210G进行整流，整流过的信号再经过LNK6664K进行交流/直流变换，变换后的信号经过TransBB变压器进行电压转换，转换为STM32单片机所需的各种电压，POWER_LOSS端接到STM32单片机的AD输入端进行采样，当供电电压低于某个下限值则判定为供电异常或掉电；
为防止电压瞬间跳变引起误判，在检测电压时采用防脉冲干扰滤波算法(中位值平均滤波算法)，该算法连续采样12个供电电压值，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算剩余10个数据的算术平均值，以计算出来的算术平均值作为判定是否供电异常的依据；
STM32单片机的一个IO口通过RS485 ENA控制TD301D485芯片的使能，该芯片通过+3.3V进行供电，由TD301D485芯片将来自MCU的串口信号转换成RS-485信号(引脚A和B)并通过J9接插端子的1和2输出；通讯协议基于Modbus实现，控制板作为Modbus从设备和主设备进行通讯；
三相检测电路模块基于两路光耦TLP627-2设计，该模块通过J2接插端子接入三相电的A、B、C相，其中光耦TLP627-2的1、2引脚接A相，3、4引脚接B、C相，引脚6和8为光耦的输出引脚，连接至STM32单片机的CHECK1和CHECK2引脚，当输入为正常相序的三相电信号时，CHECK1和CHECK2引脚分别输出相位差为120°的方波，若三相电出现缺相逆相问题，则输入到STM32单片机的信号将出现与正常相序不同的信号，单片机通过分析该信号进行三相电状态的判断；
继电器驱动模块可控制外接执行设备进行启动和停止，继电器安装在电路板上，控制电路采用双路冗余设计，该设计可降低因控制电路故障，导致继电器误动作的问题；STM32单片机可实现控制板供电状态检测算法、异常掉电紧急处理算法及三相电检测算法和通讯算法。
本发明的有益效果为：
本发明可检测控制器自身关键部件的故障并采取保护动作，提高了安全性；可检测控制器外部的关键部件，提高了可靠性；控制器内置的超级电容，保证在供电被切断后控制器有足够的时间采取紧急保护动作，提高了可靠性；控制器关键电路采用冗余设计，提高了产品的可靠性；预留的输入输出端口，提高了产品的扩展性；电源灯及状态灯可以指示某一类故障，有利于用户进行故障诊断。
附图说明
图1为本发明的外壳体结构示意图；
图2为本发明的电子控制板系统结构示意图；
图3为本发明的电源检测及切换模块电路原理图；
图4为本发明的供电检测流程图；
图5为防脉冲干扰滤波算法流程图；
图6为本发明的RS-485通讯电路原理图；
图7为本发明的通讯时序图；
图8为本发明的三相检测电路原理图；
图9为本发明的单片机核心控制模块电路原理图；
附图标记对照表：
1-外壳体、2-电源端子、3-三相电端子、4-继电器端子、5-RS-485接口、6-电源灯、7-状态灯。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-9所示，一种铁路通用控制器的掉电保护系统，包括外壳体1和设置在外壳体1内部的电子控制板，所述外壳体1的外侧设有电源端子2、三相电端子3、继电器端子4及RS-485接口5，所述电子控制板包括STM32单片机，所述STM32单片机上连接有RS-485通讯电路、继电器驱动电路、LED驱动电路、三相电检测模块及电源切换电容，所述电源切换电容上连接有超级电容和电源转换模块且电源转换模块上连接有电源取样模块与STM32单片机连接；
所述三相电检测模块的端子与三相电端子3连接，所述继电器驱动电路的接线端子与继电器端子4连接，所述电源切换电容的电路上包括KBP210G整流器及TransBB变压器，所述电源切换电容上带有电路L端子和N端子连接单相220V交流电电路，所述单相220V交流电电路连接KBP210G整流器交流/直流变换后连接TransBB变压器转换电压，所述TransBB变压器的POWER_LOSS端接到STM32单片机的AD输入端。
所述RS-485通讯电路中包括TD301D485芯片，所述TD301D485芯片的TXD和RXD端分别连接STM32单片机的串口发送和接收引脚，所述STM32单片机一个IO口通过RS485 ENA控制TD301D485芯片，所述TD301D485芯片上连接有+3.3V进行供电，
所述三相电检测模块包括两路光耦合器TLP627-2，所述三相电检测模块通过J2接插端子接入三相电的A、B、C相，其中光耦TLP627-2的1、2引脚接A相，3、4引脚接B、C相，引脚6和8为光耦的输出引脚连接至STM32单片机的CHECK1和CHECK2引脚。
所述继电器端子4连接用于启动或停止外接的执行设备如电机或电磁阀。
所述外壳体1所上设有电源灯6及状态灯7。
一种铁路通用控制器的掉电保护方法，包括以下具体方法：指示灯当供电正常时为常绿，不通电为灭，供电异常时为红色闪烁；当控制器检测内外均无故障时，状态指示灯为常绿，有故障时会按照不同的黄色、红色闪烁次数组合表示不同的故障；
三相电检测模块可连接三相电的A、B和C相，通过该端子，STM32单片机会识别出三相缺相和逆相故障并通过状态灯指示该故障，两路的继电器输出端子连接用于启动或停止外接的执行设备如电机或电磁阀，一旦检测到控制器有故障发生，则继电器输出为断开，停止现场的执行设备；
RS-485通讯电路将控制器采集的实时数据，当前和历史的故障信息发送至STM32单片机，由STM32单片机进行数据分析，进行更高级别的控制和保护；
电源切换电容的电路上L、N端子连接单相220V交流电，首先经过KBP210G进行整流，整流过的信号再经过LNK6664K进行交流/直流变换，变换后的信号经过TransBB变压器进行电压转换，转换为STM32单片机所需的各种电压，POWER_LOSS端接到STM32单片机的AD输入端进行采样，当供电电压低于某个下限值则判定为供电异常或掉电；
为防止电压瞬间跳变引起误判，在检测电压时采用防脉冲干扰滤波算法(中位值平均滤波算法)，该算法连续采样12个供电电压值，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算剩余10个数据的算术平均值，以计算出来的算术平均值作为判定是否供电异常的依据；
STM32单片机的一个IO口通过RS485 ENA控制TD301D485芯片的使能，该芯片通过+3.3V进行供电，由TD301D485芯片将来自MCU的串口信号转换成RS-485信号(引脚A和B)并通过J9接插端子的1和2输出；通讯协议基于Modbus实现，控制板作为Modbus从设备和主设备进行通讯；
三相检测电路模块基于两路光耦TLP627-2设计，该模块通过J2接插端子接入三相电的A、B、C相，其中光耦TLP627-2的1、2引脚接A相，3、4引脚接B、C相，引脚6和8为光耦的输出引脚，连接至STM32单片机的CHECK1和CHECK2引脚，当输入为正常相序的三相电信号时，CHECK1和CHECK2引脚分别输出相位差为120°的方波，若三相电出现缺相逆相问题，则输入到STM32单片机的信号将出现与正常相序不同的信号，单片机通过分析该信号进行三相电状态的判断；
继电器驱动模块可控制外接执行设备进行启动和停止，继电器安装在电路板上，控制电路采用双路冗余设计，该设计可降低因控制电路故障，导致继电器误动作的问题；STM32单片机可实现控制板供电状态检测算法、异常掉电紧急处理算法及三相电检测算法和通讯算法。
该装置使用过程中，装置基于STM32单片机实现，STM32单片机可以检测自身供电电压，并对自身供电状态进行判断，一旦检测到供电异常，则自动切换到备用电源工作(超级电容)，同时进行紧急情况处理(如断开相关继电器)，存储必要信息和报警。STM32单片机上连接有三相检测端子，可以识别铁路三相用电设备是否缺相逆相；电源转换模块，可以将220V电源转换成控制器需要的电压；电源取样模块，可以对输入电源进行采样，检测供电电源是否异常；电源切换模块，一旦供电电源异常，将控制器的供电切换到超级电容；继电器输出端子，可以对外围设备进行控制；通讯端子，基于RS-485的接口可以将供电异常的信息发送到主设备或者服务器；控制器内部集成一个超级电容，当控制器供电被断开时，可由超级电容进行供电，让控制器完成紧急保护动作。
以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铁路通用控制器的掉电保护系统，包括外壳体(1)和设置在外壳体(1)内部的电子控制板，其特征在于，所述外壳体(1)的外侧设有电源端子(2)、三相电端子(3)、继电器端子(4)及RS-485接口(5)，所述电子控制板包括STM32单片机，所述STM32单片机上连接有RS-485通讯电路、继电器驱动电路、LED驱动电路、三相电检测模块及电源切换电容，所述电源切换电容上连接有超级电容和电源转换模块且电源转换模块上连接有电源取样模块与STM32单片机连接；
所述三相电检测模块的端子与三相电端子(3)连接，所述继电器驱动电路的接线端子与继电器端子(4)连接，所述电源切换电容的电路上包括KBP210G整流器及TransBB变压器，所述电源切换电容上带有电路L端子和N端子连接单相220V交流电电路，所述单相220V交流电电路连接KBP210G整流器交流/直流变换后连接TransBB变压器转换电压，所述TransBB变压器的POWER_LOSS端接到STM32单片机的AD输入端。
2.根据权利要求1所述的一种铁路通用控制器的掉电保护系统，其特征在于：所述RS-485通讯电路中包括TD301D485芯片，所述TD301D485芯片的TXD和RXD端分别连接STM32单片机的串口发送和接收引脚，所述STM32单片机一个IO口通过RS485 ENA控制TD301D485芯片，所述TD301D485芯片上连接有+3.3V进行供电。
3.根据权利要求1所述的一种铁路通用控制器的掉电保护系统，其特征在于：所述三相电检测模块包括两路光耦合器TLP627-2，所述三相电检测模块通过J2接插端子接入三相电的A、B、C相，其中光耦TLP627-2的1、2引脚接A相，3、4引脚接B、C相，引脚6和8为光耦的输出引脚连接至STM32单片机的CHECK1和CHECK2引脚。
4.根据权利要求1所述的一种铁路通用控制器的掉电保护系统，其特征在于：所述继电器端子(4)连接用于启动或停止外接的执行设备如电机或电磁阀。
5.根据权利要求1所述的一种铁路通用控制器的掉电保护系统，其特征在于：所述外壳体(1)所上设有电源灯(6)及状态灯(7)。
6.一种铁路通用控制器的掉电保护方法，其特征在于，包括以下具体方法：指示灯当供电正常时为常绿，不通电为灭，供电异常时为红色闪烁；当控制器检测内外均无故障时，状态指示灯为常绿，有故障时会按照不同的黄色、红色闪烁次数组合表示不同的故障；
三相电检测模块可连接三相电的A、B和C相，通过该端子，STM32单片机会识别出三相缺相和逆相故障并通过状态灯指示该故障，两路的继电器输出端子连接用于启动或停止外接的执行设备如电机或电磁阀，一旦检测到控制器有故障发生，则继电器输出为断开，停止现场的执行设备；
RS-485通讯电路将控制器采集的实时数据，当前和历史的故障信息发送至STM32单片机，由STM32单片机进行数据分析，进行更高级别的控制和保护；
电源切换电容的电路上L、N端子连接单相220V交流电，首先经过KBP210G进行整流，整流过的信号再经过LNK6664K进行交流/直流变换，变换后的信号经过TransBB变压器进行电压转换，转换为STM32单片机所需的各种电压，POWER_LOSS端接到STM32单片机的AD输入端进行采样，当供电电压低于某个下限值则判定为供电异常或掉电；
为防止电压瞬间跳变引起误判，在检测电压时采用防脉冲干扰滤波算法(中位值平均滤波算法)，该算法连续采样12个供电电压值，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算剩余10个数据的算术平均值，以计算出来的算术平均值作为判定是否供电异常的依据；
STM32单片机的一个IO口通过RS485 ENA控制TD301D485芯片的使能，该芯片通过+3.3V进行供电，由TD301D485芯片将来自MCU的串口信号转换成RS-485信号(引脚A和B)并通过J9接插端子的1和2输出；通讯协议基于Modbus实现，控制板作为Modbus从设备和主设备进行通讯；
三相检测电路模块基于两路光耦TLP627-2设计，该模块通过J2接插端子接入三相电的A、B、C相，其中光耦TLP627-2的1、2引脚接A相，3、4引脚接B、C相，引脚6和8为光耦的输出引脚，连接至STM32单片机的CHECK1和CHECK2引脚，当输入为正常相序的三相电信号时，CHECK1和CHECK2引脚分别输出相位差为120°的方波，若三相电出现缺相逆相问题，则输入到STM32单片机的信号将出现与正常相序不同的信号，单片机通过分析该信号进行三相电状态的判断；
继电器驱动模块可控制外接执行设备进行启动和停止，继电器安装在电路板上，控制电路采用双路冗余设计，该设计可降低因控制电路故障，导致继电器误动作的问题；STM32单片机可实现控制板供电状态检测算法、异常掉电紧急处理算法及三相电检测算法和通讯算法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11539177B2 (en) * 2018-06-15 2022-12-27 Siemens Mobility, Inc. Vital relay assembly for modular solid-state current-limiting

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