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摘要：针对轨道交通的转辙机控制电路故障检修训练难问题，文章设计了一款ZYJ7转辙机的智能综合实训平台，介绍了该实训平台的组成和工作原理，并论述了系统总体架构的设计方案，包括上位机和下位机故障设置设计方案。该实训平台能快速设置电路故障，模拟转辙机控制电路故障现场。学生根据故障现象进行检测，然后在上位机作答并提交答卷。经实践验证，该实训平台有效解决了转辙机的故障检修训练和考核评分问题，大大提高了实训效率。
关键词：轨道交通;转辙机;故障;实训平台
中图分类号：U284.2文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 039
文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0145 - 04
0 引言
随着我国城市轨道交通的飞速发展，对掌握轨道专业知识技能人才的需求越来越大。转辙机是转换道岔的重要设备，其是否正常工作关系到铁路行车安全，转辙机的正常运行需要大量的专业技术人才进行维修维护[1]。目前铁路相关单位和职业院校对ZYJ7转辙机控制电路的技能培训，通常只单独使用ZYJ7转辙机作为学员的实训设备，学生在学习时只能查看设备，但对设备的故障现象和故障电路的状态及故障的排查，很难得到训练。ZYJ7电液转辙机是以380 V的三相交流电动机作为动力，带动油泵转动，以液压方式驱动道岔转换的机械[2]。转辙机的日常故障往往由其控制电线或继电器设备的断路造成[3]。学生若要训练针对ZYJ7转辙机的故障处理技能，教师需要断开某个电路进行故障设置，具体的方法是断开某个线路或替换一个有故障的继电器，人为设置故障。若要设置多个故障进行训练，则非常繁琐，工作量也非常巨大。学生对故障点的检测完成后，教师对电路的故障进行恢复又需要消耗大量的人力。
针对以上问题，本文研究设计了一套ZYJ7转辙机综合考核实训平台，提出采用PC端上位机控制下位机快速地设置ZYJ7转辙机的控制电路故障和对故障进行恢复，同时系统能够对学生的故障检测答题情况进行评分。该实训平台不仅能够有效提高学生对ZYJ7型转轍机控制电路系统的训练水平，而且能够大大减轻教师的工作量。
1 转辙机综合实训平台的总体设计
本ZYJ7转辙机综合实训平台由上位机应用程序和下位机执行机构组成。上位机应用程序主要由ZYJ7型转辙机故障检测与处理考核模块、转辙机控制和状态表示模块组成。下位机主要由STM32微处理控制模块、通信电路模块、转辙机故障设置与恢复电路、转辙机状态检测表示电路组成。上位机与下位机通信方式采用串口通信方式。转辙机综合实训平台的原理如图1所示。
2 转辙机综合实训平台的硬件电路设计
2.1 STM32微处理器控制模块硬件设计
本综合实训平台的下位机使用高性能、低功耗的STM32F103VET6微处理器作为控制核心。该处理器包含ARM Cortex - M3内核，5个UART接口，主频为72 MHz，80个通用1/0，工作电压为3.3 V。下位机通过串口RS232的通信方式与上位机连接。
2.2 转辙机故障设置与恢复电路设计
本故障设置与恢复电路模块主要负责使转辙机控制电路断开或接通。转辙机故障设置点部分电路如图2所示，圆圈为可以设置故障点的位置。若需要设置图中圆圈位置的故障点，由上位机向下位机发送指令，STM32处理器通过1/0口控制继电器断开转辙机的控制状态，则产生故障。若需要恢复电路正常通路，STM32处理器通过1/0口控制继电器闭合转辙机的控制状态，则故障点消除，恢复正常通路。
该模块主要由三极管、继电器、光耦元件组成。STM32微处理器的1/0通过电阻R1与光耦U2连接，Q6为继电器驱动三极管。如需要设置故障点时，STM32微处理器1/0口输出低电平，光耦U2导通，Q1三极管导通驱动继电器K1使ZYJ7转辙机的控制电路断开，ZYJ7转辙机控制电路故障形成。若需要恢复故障点时，STM32微处理器输出高电平，Q1三极管截止，继电器Kl闭合，故障点恢复。单个故障设置与恢复电路如图3所示。
2.3 转辙机状态检测表示电路设计
本模块主要向上位机实时提供ZYJ7转辙机的状态信息，包括定位、反位、四开状态信息。STM32微处理器通过1/0口实时读取转辙机的表示继电器的电平，判断道岔在定位、反位或四开状态，通过检测DBJ道岔定位表示继电器和FBJ道岔反位表示继电器是否吸起，判断转辙机的状态信息。下位机STM32处理器通过PJ0 1/0口读取定位表示继电器DBJ是否吸起，若定位表示继电器吸起，则输出低电平。由于转辙机表示电路的电压为24 V，需要利用EL357光耦进行隔离电平，转换为3.3 V。转辙机状态采集电路如图4所示。
3 转辙机综合考核实训平台的软件设计
本综合考核实训平台的上位机应用程序在PC端运行，下位机应用程序在STM32微处理器中运行。
3.1 下位机软件设计
本实训平台的下位机采用嵌入式FreeRTOS实时系统作为操作系统。FreeRTOS系统是一个可裁剪、轻量级、多任务、开源免费的嵌入式操作系统。基于FreeRTOS操作系统的软件结构如图5所示。根据转辙机考核实训平台下位机的要求需要建立5个主要任务：创建初始化任务、故障设置与恢复控制任务、ZYJ7转辙机状态检测任务、转辙机转换控制任务和上位机通信任务。通过使用FreeRTOS操作系统的任务调度器高效处理各个任务。
（1）初始化任务主要是完成串口通信、定时器、配置1/0口、系统时钟、开始任务的调度初始化和创建其他任务。
（2）故障设置与恢复控制任务主要是负责识别上位机指令，通过继电器将转辙机控制电路开路设置故障和将继电器闭合恢复电路正常。 （3）ZYJ7转辙机状态检测任务主要是负责实时采集ZYJ7转辙机的定位表示继电器和反位表示继电器电平发送到上位机。
（4）转辙机转换控制任务主要是负责接收上位机控制转辙机转换的指令，驱动转辙机定位或反位。
（5）和上位机通信任务主要是负责与上位机进行通信。任务4转辙机运动时，接收到反向运动转换指令，等待转换完成再执行。
3.2 上位机应用程序设计
上位机应用程序是转辙机综合实训系统的控制核心，它需要完成转辙机电路的故障点设置、故障点的恢复、转辙机的状态检测显示、学生实训考核答题情况分数统计等。为了软件界面友好和提高可移植性，采用基于WPF技术构建上位机综合实训系统[12-13]。系统软件架构如图6所示。
综合实训系统构建在Windows操作系统之上，由于工控电脑集成了串行通信接口，上位机通过UART串口很方便地與下位机进行通信。
（1）控制电路的故障点设置与恢复模块的主要功能为对电路故障的设置与恢复。本实训平台上位机端为每一个电路故障点的位置进行了编号，若需要设置转辙机控制电路的故障，上位机向下位机发送需要设置故障点的编号指令，下位机接收到命令后，断开指定编号的电路，产生故障。若需要实训考核，设置相关参数后即可设置电路故障开始实训考核。实训系统参数设置界面如图7所示。学生在考核答题时，首先使用仪表对转辙机控制电路故障点进行检测，确定故障点位置，然后在PC端上位机软件的电路图上选中认为是故障点的编号，并提交。本实训平台可以同时设置多个故障点，考核结束后上位机根据学生作答的情况进行评分。上位机故障检测与处理考核作答界面如图8所示。
（2）转辙机转换和状态检测显示模块负责实时向下位机读取ZYJ7转辙机的状态并显示。如果在转辙机转换电路没有故障的情况下，学生可以通过该模块控制转换转辙机的位置。转辙机状态显示及控制界面如图9所示。
（3）实训考核答题模块负责设定考核参数，包括考核时长、总分、单个错误修复扣分、单个漏查故障点扣分等。学生先检测故障点的位置，然后在上位机软件上的电路图选择认为故障点的编号。考核结束后，软件根据预先设定的参数进行评分并指出错误的地方。
4 ZYJ7转辙机故障设置设计
学生对ZYJ7转辙机控制电路的故障检测与处理，主要通过万用表的电压测量法来检测判别故障点的位置。故障点设置主要分为定位、反位表示和转辙机不能转换三大类。
5 实训平台实现与应用
本转辙机综合考核实训平台在进行考核前，教师提前输入考核的时长、总分、单个故障点错误修复扣分、单个漏查故障点扣分、故障点设置信息等。学生点击开始考核按键。考核实训平台根据设置的故障点，在转辙机的控制电路中产生电路故障，学生利用仪表对照控制电路的电路图进行查找，并确定故障点的位置，然后在上位机软件上选中查找到的故障点编号，最后提交答案。在考核结束后，上位机软件根据教师设置的分值和故障点编号与学生作答的选择故障点编号进行评分并恢复电路正常。ZYJ7转辙机综合考核实训平台上位机界面如图10所示，实训平台现场如图11所示。
经过大量的师生考核实训测试，该综合实训平台能够实现故障点的设置、恢复、评分考核功能。
6 结语
实践表明，ZYJ7转辙机综合考核实训平台能根据需求设置转辙机的控制电路故障，并在故障检测与处理完成后能够迅速对故障进行恢复。学生可利用实训平台进行反复的故障模拟、故障排查训练。实训平台在模拟故障时，不需要破坏转辙机控制电路，同时能根据答题情况进行评分和指出故障排查的错误点。本综合考核实训平台在教学中能有效提高铁路设备维修实操的效率。
参考文献
[1]王全刚，程良伦，张立家.种新型便携式转辙机测试仪的设计与实现[J].自动化与仪表，2015（10）：20 - 23.
[2]程伟鸷，王海东，梁宇.铁路道岔转辙机故障分析与故障诊断监测系统研究[J].中国铁路，2018（7）：43 - 47.
[3]王莲芝，耿正静.ZYJ7GZ型电液转辙机的创新与运用[J].城市轨道交通研究，2013（12）：120 -126.
作者简介：李水明（1983- ），硕士，讲师，研究方向：物联网技术应用、轨道交通。
基金项目：2017年校级课题项目（201 7 - A03）;2018年校级课题项目（2018 - KJAlO）;2018年广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划资助（桂教人[201814号）
关键词：轨道交通;转辙机;故障;实训平台
中图分类号：U284.2文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 039
文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0145 - 04
0 引言
随着我国城市轨道交通的飞速发展，对掌握轨道专业知识技能人才的需求越来越大。转辙机是转换道岔的重要设备，其是否正常工作关系到铁路行车安全，转辙机的正常运行需要大量的专业技术人才进行维修维护[1]。目前铁路相关单位和职业院校对ZYJ7转辙机控制电路的技能培训，通常只单独使用ZYJ7转辙机作为学员的实训设备，学生在学习时只能查看设备，但对设备的故障现象和故障电路的状态及故障的排查，很难得到训练。ZYJ7电液转辙机是以380 V的三相交流电动机作为动力，带动油泵转动，以液压方式驱动道岔转换的机械[2]。转辙机的日常故障往往由其控制电线或继电器设备的断路造成[3]。学生若要训练针对ZYJ7转辙机的故障处理技能，教师需要断开某个电路进行故障设置，具体的方法是断开某个线路或替换一个有故障的继电器，人为设置故障。若要设置多个故障进行训练，则非常繁琐，工作量也非常巨大。学生对故障点的检测完成后，教师对电路的故障进行恢复又需要消耗大量的人力。
针对以上问题，本文研究设计了一套ZYJ7转辙机综合考核实训平台，提出采用PC端上位机控制下位机快速地设置ZYJ7转辙机的控制电路故障和对故障进行恢复，同时系统能够对学生的故障检测答题情况进行评分。该实训平台不仅能够有效提高学生对ZYJ7型转轍机控制电路系统的训练水平，而且能够大大减轻教师的工作量。
1 转辙机综合实训平台的总体设计
本ZYJ7转辙机综合实训平台由上位机应用程序和下位机执行机构组成。上位机应用程序主要由ZYJ7型转辙机故障检测与处理考核模块、转辙机控制和状态表示模块组成。下位机主要由STM32微处理控制模块、通信电路模块、转辙机故障设置与恢复电路、转辙机状态检测表示电路组成。上位机与下位机通信方式采用串口通信方式。转辙机综合实训平台的原理如图1所示。
2 转辙机综合实训平台的硬件电路设计
2.1 STM32微处理器控制模块硬件设计
本综合实训平台的下位机使用高性能、低功耗的STM32F103VET6微处理器作为控制核心。该处理器包含ARM Cortex - M3内核，5个UART接口，主频为72 MHz，80个通用1/0，工作电压为3.3 V。下位机通过串口RS232的通信方式与上位机连接。
2.2 转辙机故障设置与恢复电路设计
本故障设置与恢复电路模块主要负责使转辙机控制电路断开或接通。转辙机故障设置点部分电路如图2所示，圆圈为可以设置故障点的位置。若需要设置图中圆圈位置的故障点，由上位机向下位机发送指令，STM32处理器通过1/0口控制继电器断开转辙机的控制状态，则产生故障。若需要恢复电路正常通路，STM32处理器通过1/0口控制继电器闭合转辙机的控制状态，则故障点消除，恢复正常通路。
该模块主要由三极管、继电器、光耦元件组成。STM32微处理器的1/0通过电阻R1与光耦U2连接，Q6为继电器驱动三极管。如需要设置故障点时，STM32微处理器1/0口输出低电平，光耦U2导通，Q1三极管导通驱动继电器K1使ZYJ7转辙机的控制电路断开，ZYJ7转辙机控制电路故障形成。若需要恢复故障点时，STM32微处理器输出高电平，Q1三极管截止，继电器Kl闭合，故障点恢复。单个故障设置与恢复电路如图3所示。
2.3 转辙机状态检测表示电路设计
本模块主要向上位机实时提供ZYJ7转辙机的状态信息，包括定位、反位、四开状态信息。STM32微处理器通过1/0口实时读取转辙机的表示继电器的电平，判断道岔在定位、反位或四开状态，通过检测DBJ道岔定位表示继电器和FBJ道岔反位表示继电器是否吸起，判断转辙机的状态信息。下位机STM32处理器通过PJ0 1/0口读取定位表示继电器DBJ是否吸起，若定位表示继电器吸起，则输出低电平。由于转辙机表示电路的电压为24 V，需要利用EL357光耦进行隔离电平，转换为3.3 V。转辙机状态采集电路如图4所示。
3 转辙机综合考核实训平台的软件设计
本综合考核实训平台的上位机应用程序在PC端运行，下位机应用程序在STM32微处理器中运行。
3.1 下位机软件设计
本实训平台的下位机采用嵌入式FreeRTOS实时系统作为操作系统。FreeRTOS系统是一个可裁剪、轻量级、多任务、开源免费的嵌入式操作系统。基于FreeRTOS操作系统的软件结构如图5所示。根据转辙机考核实训平台下位机的要求需要建立5个主要任务：创建初始化任务、故障设置与恢复控制任务、ZYJ7转辙机状态检测任务、转辙机转换控制任务和上位机通信任务。通过使用FreeRTOS操作系统的任务调度器高效处理各个任务。
（1）初始化任务主要是完成串口通信、定时器、配置1/0口、系统时钟、开始任务的调度初始化和创建其他任务。
（2）故障设置与恢复控制任务主要是负责识别上位机指令，通过继电器将转辙机控制电路开路设置故障和将继电器闭合恢复电路正常。 （3）ZYJ7转辙机状态检测任务主要是负责实时采集ZYJ7转辙机的定位表示继电器和反位表示继电器电平发送到上位机。
（4）转辙机转换控制任务主要是负责接收上位机控制转辙机转换的指令，驱动转辙机定位或反位。
（5）和上位机通信任务主要是负责与上位机进行通信。任务4转辙机运动时，接收到反向运动转换指令，等待转换完成再执行。
3.2 上位机应用程序设计
上位机应用程序是转辙机综合实训系统的控制核心，它需要完成转辙机电路的故障点设置、故障点的恢复、转辙机的状态检测显示、学生实训考核答题情况分数统计等。为了软件界面友好和提高可移植性，采用基于WPF技术构建上位机综合实训系统[12-13]。系统软件架构如图6所示。
综合实训系统构建在Windows操作系统之上，由于工控电脑集成了串行通信接口，上位机通过UART串口很方便地與下位机进行通信。
（1）控制电路的故障点设置与恢复模块的主要功能为对电路故障的设置与恢复。本实训平台上位机端为每一个电路故障点的位置进行了编号，若需要设置转辙机控制电路的故障，上位机向下位机发送需要设置故障点的编号指令，下位机接收到命令后，断开指定编号的电路，产生故障。若需要实训考核，设置相关参数后即可设置电路故障开始实训考核。实训系统参数设置界面如图7所示。学生在考核答题时，首先使用仪表对转辙机控制电路故障点进行检测，确定故障点位置，然后在PC端上位机软件的电路图上选中认为是故障点的编号，并提交。本实训平台可以同时设置多个故障点，考核结束后上位机根据学生作答的情况进行评分。上位机故障检测与处理考核作答界面如图8所示。
（2）转辙机转换和状态检测显示模块负责实时向下位机读取ZYJ7转辙机的状态并显示。如果在转辙机转换电路没有故障的情况下，学生可以通过该模块控制转换转辙机的位置。转辙机状态显示及控制界面如图9所示。
（3）实训考核答题模块负责设定考核参数，包括考核时长、总分、单个错误修复扣分、单个漏查故障点扣分等。学生先检测故障点的位置，然后在上位机软件上的电路图选择认为故障点的编号。考核结束后，软件根据预先设定的参数进行评分并指出错误的地方。
4 ZYJ7转辙机故障设置设计
学生对ZYJ7转辙机控制电路的故障检测与处理，主要通过万用表的电压测量法来检测判别故障点的位置。故障点设置主要分为定位、反位表示和转辙机不能转换三大类。
5 实训平台实现与应用
本转辙机综合考核实训平台在进行考核前，教师提前输入考核的时长、总分、单个故障点错误修复扣分、单个漏查故障点扣分、故障点设置信息等。学生点击开始考核按键。考核实训平台根据设置的故障点，在转辙机的控制电路中产生电路故障，学生利用仪表对照控制电路的电路图进行查找，并确定故障点的位置，然后在上位机软件上选中查找到的故障点编号，最后提交答案。在考核结束后，上位机软件根据教师设置的分值和故障点编号与学生作答的选择故障点编号进行评分并恢复电路正常。ZYJ7转辙机综合考核实训平台上位机界面如图10所示，实训平台现场如图11所示。
经过大量的师生考核实训测试，该综合实训平台能够实现故障点的设置、恢复、评分考核功能。
6 结语
实践表明，ZYJ7转辙机综合考核实训平台能根据需求设置转辙机的控制电路故障，并在故障检测与处理完成后能够迅速对故障进行恢复。学生可利用实训平台进行反复的故障模拟、故障排查训练。实训平台在模拟故障时，不需要破坏转辙机控制电路，同时能根据答题情况进行评分和指出故障排查的错误点。本综合考核实训平台在教学中能有效提高铁路设备维修实操的效率。
参考文献
[1]王全刚，程良伦，张立家.种新型便携式转辙机测试仪的设计与实现[J].自动化与仪表，2015（10）：20 - 23.
[2]程伟鸷，王海东，梁宇.铁路道岔转辙机故障分析与故障诊断监测系统研究[J].中国铁路，2018（7）：43 - 47.
[3]王莲芝，耿正静.ZYJ7GZ型电液转辙机的创新与运用[J].城市轨道交通研究，2013（12）：120 -126.
作者简介：李水明（1983- ），硕士，讲师，研究方向：物联网技术应用、轨道交通。
基金项目：2017年校级课题项目（201 7 - A03）;2018年校级课题项目（2018 - KJAlO）;2018年广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划资助（桂教人[201814号）