鐵路信號計算機聯鎖全電子模塊改進性研究

劉 慶,李宏偉

(鶴壁煤業集團公司鐵路運輸處,河南鶴壁 458000)

1 概述

(1)系統結構方面：采用計算機實現聯鎖關系運算。

(2)執行電路部分：基本沿用了6502電氣集中聯鎖的執行電路。

(3)驅動執行設備：采用安全型重力繼電器執行聯鎖運算結果。

經過多年的實踐應用,這種結構的聯鎖系統效果良好,但同時也暴露出了一些問題。

(1)安全型重力繼電器體積大,而且需要定期由專業部門進行檢修。繼電器自身為機械式結構,動作過程中容易出現卡死和繼電器觸點粘連故障。特別是繼電器觸點開關動作過程中拉弧放電對觸點的不斷灼傷,嚴重影響繼電器的使用壽命。

(2)繼電器接口柜配線多,易發生混線、混電等故障,且故障時原因復雜,故障排除時間長,給電務部門運營維護帶來極大壓力。

(3)近年來,隨著銅價的不斷攀升,繼電器價格大幅度上漲,對于地方鐵路用戶單位造成了一定經濟負擔。

隨著大眾旅游的興起以及對文化的需求，人民生活水平的提高和國內消費的升級，文化旅游成為新型旅游業態迅速崛起的代表[1]。《中國文化旅游發展報告2017》指出，目前，文化旅游已經進入了以資本、創意和技術為主導的文旅2.0時代。文旅2.0時代的顯著特征是“無中生有、變廢為寶”，其中創新能力在文旅產業發展中起著越來越重要的作用。文旅2.0時代發展的重要特征之一是旅游演藝砥礪前行。2016年以來，作為文化旅游產業的一個重要領域，旅游演藝產業日趨成熟并開始進入調整期[2]。張家界作為國際著名旅游城市，如何在競爭激烈的旅游演藝市場中穩定并發展旅游演藝品牌，是一個亟待解決的問題。

(4)近些年,鐵路運量不斷加大,對電務維修部門的維修時間提出了越加嚴格的要求，導致維護問題突出,很難實現減員增效的目的,也難以達到工廠化施工的目標。

因此在技術上,執行電路必須實現向小型化、智能化、電子化、網絡化和綜合化的更新換代。隨著電力電子技術、嵌入式技術和信息技術的發展,以及安全性、可靠性理論的不斷完善,加之容錯技術的成熟應用,采用具有智能化的無觸點全電子模塊來實現聯鎖系統執行層的功能和性能指標已成為可能。

2 全電子模塊發展現狀

圖1 執行單元系統結構

目前國內有多家單位提供全電子模塊,分別代表兩種不同制式,其中一種制式所使用的關鍵器件是安全型彈力繼電器,另外一種制式采用的關鍵器件是無觸點電子開關。

安全型彈力繼電器模式實現了執行電路的模塊化,有很多可借鑒之處,但其所選用的機械式彈力繼電器在目前備受爭議,主要出于以下考慮。

(1)安全型彈力繼電器是機械繼電器結構,無法避免觸點粘連、機械結構卡死等問題；其次,在某些應用情況下,完成某些功能的繼電器需要長時間保持吸起,這種疲勞狀態會對繼電器的彈性帶來很大的影響,甚至影響使用壽命。

(2)無法做到免維護。和重力繼電器相比,安全性繼電器的觸點大小及其電壓、電流承受力均不及重力繼電器。但控制的電流、電壓大小保持不變。繼電器在開關過程中的拉弧現象仍然會對觸點灼傷，仍需要定期對繼電器進行維護。

(3)小繼電器換大繼電器的設計理念受爭議。安全型繼電器制式電子模塊的設計理念是用小繼電器完成大繼電器的功能,其功能范圍并沒有超越電氣集中執行電路的范圍。在智能化方面應用不足,并沒有減輕電務維護的工作量。

目前無觸點電子開關制式不再使用機械式繼電器,做到了執行電路的無觸點化,因此也做到了免維護。但是仍然存在較大爭議。

(1)安全性措施。電子器件自身沒有類似于安全重力繼電器的故障-安全屬性,故障后沒有固定的輸出狀態。如何在這種應用前提下實現故障-安全,如何消除同類型器件的共模故障,除了使用常規的器件冗余、反饋檢測、閉環控制等技術之外,似乎沒有一種更令人信服的解決方案。

(2)電路結構。目前無觸點制式全電子模塊電路結構為二取二結構,充分使用了反饋檢測和閉環控制技術。雖然也設置了防護開關,但也是無觸點類型。對于動作開關故障后,防護電子開關能否可靠實現電源關斷以及電氣隔離的可靠度一直有不同意見，對器件的共模故障處理方面還有待改進。

結合目前聯鎖系統執行層電路的發展趨勢和既有產品的不足,本文提出了一種新的硬件控制方案。

3 全電子模塊改進系統概述

本文提出的全電子模塊共有4種類型,分別是：道岔模塊、信號模塊、軌道模塊和零散模塊。其中,道岔模塊用于控制四線制交直流轉轍機,每個道岔模塊可以控制一組道岔；信號模塊用于控制調車信號機、進出站信號機顯示,一個信號模塊可以控制一架進站信號機,或者控制兩架出站或者調車信號機；軌道模塊用于采集480型交流軌道電路狀態,一個軌道模塊可以控制兩段軌道電路；零散模塊用于64D半自動電路、照查電路和場間聯系電路的控制。同時還有輔助通信的通信網關。系統整體結構如圖1所示。執行單元為模塊式結構,可以放置在機柜當中；也可以放置在插箱中,每個插箱中可以放置15塊執行單元和1塊通信網關；插箱內部通過背板CAN總線連接,背板共有3條隔離的CAN總線,其中背板執行CAN總線A和背板執行CAN總線B互為冗余,為邏輯“與”結構,負責網關和執行單元之間的聯鎖命令和設備狀態數據傳遞。背板監測CAN總線C為監測數據傳遞專用通道,負責執行單元和通信網關之間的模擬量數據單向傳遞。聯鎖機和通信網關之間通過互為冗余的聯鎖機總線A和聯鎖機總線B連接,為邏輯“或”結構。聯鎖機總線A和聯鎖機總線B有兩種可選類型：CAN總線或EPA實時以太網。

3.1 全電子模塊系統結構

4種模塊采用一致的電路結構,如圖2所示。

圖2 電路結構

模塊電路由執行電路單元、邏輯防護電路單元和監測電路單元三大部分構成。執行電路單元為“二取二”制式,處理器、電子開關以及反饋通道為雙冗余配置,并以處理器為核心構成閉環控制。執行電路負責完成室外設備的驅動采集。

監測電路單元由獨立的監測采集器件、處理器和監測通信信道構成,且執行電路和監測電路之間實現電氣隔離。監測采集量和采集精度符合鐵標監測2006要求。

邏輯防護單元是獨立于執行電路的第三方防護單元,由復雜邏輯可編程器件構成,實時處理執行處理器故障、檢測處理器工作狀態以及硬件自檢,對突發的嚴重故障,先于執行子系統進行故障-安全處理。

3.2 改進點

本設計中,整體電路結構為安全型繼電器和電力電子開關相結合的方式,被控對象的正常動作控制由無觸點功率電子開關完成,做到模塊免維護,安全型繼電器僅在模塊故障情況下動作,實現對條件電源的可靠切斷；由處理器構成的閉環控制僅在處理器工作正常的情況下保證系統的安全、可靠性,在處理器異常的情況下,模塊的安全性無法保證。因此,有必要在“二取二”電路結構基礎上,設置獨立的硬件級邏輯防護單元,實時檢測處理器、反饋通道健康狀況,保證模塊的高安全性。

全電子模塊的功能實現都基于反饋通道檢測到的信號,因此反饋信號的真實可信度是最基本也是最重要的前提。本設計采用可信測量技術,通過對反饋信號的動態檢測,避免了因為反饋信號錯誤造成的誤動作和誤保護,提高模塊的安全性和可靠性。

模塊除了具備常規的處理器自檢測之外,邏輯防護單元通過監控執行處理器對功率電子開關的操作時序,實現了對每個電子開關是否已損壞的自檢測。電子開關為冗余設置,當其中一個損壞時,并不影響正常使用,但繼續使用則存在安全隱患,本設計通過對電子開關的自檢測,實現了故障預警。

嚴格區分安全功能和非安全功能,監測電路單元和執行電路單元之間進行電氣隔離,杜絕因監測系統故障導致的聯鎖系統故障。

全電子模塊對聯鎖對象的控制做到了以下改進：解決了道岔室外二極管短接、反接、混線、混電等問題；信號模塊可以在檢測到危險的情況下,先于聯鎖軟件進行信號降級顯示,快速實現故障-安全；軌道模塊基于高靈敏軌道電路原理,可以有效地解決分路不良的問題,同時可以完全兼容480軌道電路；包含了2006微機監測功能。

4 結語

計算機聯鎖執行層電路的全電子化是目前鐵路車站信號控制系統的發展方向。通過對電子模塊電路結構的不斷改進,使其真正做到硬件設備的免維護,并達到提高設備安全性、可靠性和故障智能診斷的目的。另外,全電子模塊為執行層電路搭建了一個智能化和網絡化基礎平臺,為智能故障診斷、分布式控制和兩化融合打下了堅實的基礎。

[1]TB/T3027—2002，計算機聯鎖技術條件[S].

[2]何文卿.6502電氣集中電路[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[3]魏文軍,范多旺.鐵路車站全電子計算機聯鎖系統的研究與設計[J].自動化與儀器儀表,2007(3).

[4]何 濤,范多旺,魏宗壽,等.鐵路車站信號計算機聯鎖全電子執行單元研究[J].鐵道學報,2007(2).

[5]王增力,方亞非.全電子化計算機聯鎖系統[J].鐵道通信信號,2002(8).

[6]何 濤.鐵路車站信號全電子計算機聯鎖執行單元[J].鐵路通信信號工程技術,2005(4).

[7]劉 艷.鐵路信號全電子執行單元[J].金川科技,2006(2).

[8]鄭云水.微機聯鎖系統故障安全措施-容錯技術[J].鐵道技術監督,2007(4).