試論鐵路信號設(shè)備的自動化控制技術(shù)

海鵬博

（寶雞文理學(xué)院 陜西 寶雞 721000）

1 引言

鐵路信號設(shè)備的重要性不言而喻，它是信號、聯(lián)鎖、閉塞設(shè)備的總稱，是確保列車行車與調(diào)車安全和提升鐵路通過能力的關(guān)鍵裝備。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代化鐵路信號設(shè)備的先進(jìn)程度也在不斷提升。本文主要從集中聯(lián)鎖控制的角度分析鐵路信號設(shè)備的自動化控制技術(shù)[1]。

2 鐵路信號設(shè)備

鐵路信號存在的目的是向有關(guān)行車人員和調(diào)車人員發(fā)出指示和命令，支撐這一目的的就是鐵路信號設(shè)備，包含了鐵路信號指示設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備、閉塞設(shè)備。從鐵路信號的角度來講，設(shè)備的表現(xiàn)類型主要包括視覺和聽覺兩個部分，如常見的信號機(jī)、機(jī)車信號機(jī)、信號旗、信號牌、火炬、號角、響墩、機(jī)車鳴笛等。例如列車進(jìn)站需要接收進(jìn)站信號機(jī)的指令信號，該信號機(jī)主要目的是防護(hù)車站安全，指示列車能否由區(qū)間進(jìn)入車站以及確認(rèn)進(jìn)站條件，通常設(shè)置在進(jìn)站路線最外方道岔尖軌尖端不少于50 m的地點(diǎn)。當(dāng)信號機(jī)顯示紅色燈，則不準(zhǔn)列車越過信號機(jī)停止線，黃色燈光（一個）準(zhǔn)許列車經(jīng)由道岔直向位置進(jìn)入正線準(zhǔn)備停車。黃色燈（兩個）準(zhǔn)許列車經(jīng)過道岔側(cè)向位置進(jìn)入站內(nèi)準(zhǔn)備停車。綠色燈，準(zhǔn)許列車按照規(guī)定的速度經(jīng)過正線通過車站。

一條鐵路線上擁有多種信號設(shè)備，這些信號設(shè)備與聯(lián)鎖設(shè)備、閉塞設(shè)備是聯(lián)動關(guān)系，共同發(fā)起鐵路信號指示列車。其中，信號設(shè)備和聯(lián)鎖設(shè)備具有相互制約的關(guān)系。就聯(lián)鎖來講，目前采取集中聯(lián)鎖和非集中聯(lián)鎖兩種模式。本文主要分析集中聯(lián)鎖。集中聯(lián)鎖分為繼電器聯(lián)鎖和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖兩種。聯(lián)鎖的要求是當(dāng)開放某一進(jìn)路，必須先完成進(jìn)路上所有道岔的調(diào)整，保證全部處在正確位置，防護(hù)這一進(jìn)路的鐵路信號機(jī)開放，當(dāng)信號機(jī)開放通行，則這一進(jìn)路上的道岔閉鎖，同時(shí)與該進(jìn)路敵對的進(jìn)路可能有若干條，只要有部分重疊或交叉，有可能引起沖突的進(jìn)路上的信號機(jī)則應(yīng)全部閉鎖。

而閉塞設(shè)備相對特殊是為了防止一個區(qū)間內(nèi)同時(shí)進(jìn)入相對運(yùn)行的列車或者避免相向而行的列車發(fā)生追尾事故，區(qū)間兩端車站值班員需在區(qū)間發(fā)車前辦理行車聯(lián)絡(luò)手續(xù)，支撐這一目的的設(shè)備就是閉塞設(shè)備，其主要保證一個區(qū)間內(nèi)，在同一時(shí)間里只允許一輛列車占用。

3 自動化控制技術(shù)

自動化控制技術(shù)在早期主要采用接觸器、繼電器等元器件來實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備的邏輯控制和自動判斷電氣設(shè)備的機(jī)械狀況。在微電子技術(shù)發(fā)展過程中，自動化控制技術(shù)也發(fā)生變化，傳統(tǒng)的接觸器、繼電器被微電子產(chǎn)品所取代。目前比較主流的裝備是PLC（可編程邏輯控制器）和單片機(jī)等。其中，PLC是目前自動化控制領(lǐng)域最主要的裝備。目前，典型的自動化控制體系是PLC+變頻器+電氣設(shè)備的架構(gòu)，整個架構(gòu)為M2M形式，即機(jī)器連接機(jī)器的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。但是隨著技術(shù)進(jìn)步，M2M連接形式的生產(chǎn)效率進(jìn)入瓶頸，因而開始尋求在信息物理系統(tǒng)支持下，轉(zhuǎn)型為數(shù)字化形式的連接，即IOT。

我國在鐵路方面發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)超世界上的大多數(shù)國家，鐵路建設(shè)情況、建設(shè)技術(shù)應(yīng)用都處在世界領(lǐng)先水平。目前，鐵路是我國最安全的運(yùn)輸方式，其安全性主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面是鐵路信號接收的安全性，另一方面則是鐵路運(yùn)輸線上的信號接收、發(fā)射的穩(wěn)定性。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段融入鐵路信號設(shè)備之中，極大地促進(jìn)了鐵路安全運(yùn)輸能力。特別是計(jì)算機(jī)集中聯(lián)鎖的出現(xiàn)，信號機(jī)、聯(lián)鎖設(shè)備、閉塞設(shè)備的操作難度越來越低，有效降低了行車、調(diào)車人員的工作量，增強(qiáng)了行車安全性[2]。

4 鐵路信號設(shè)備的自動化控制技術(shù)

鐵路信號設(shè)備的自動化控制技術(shù)在早期是基于繼電器來實(shí)現(xiàn)的，與電氣自動化控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程相當(dāng)。隨著微電子信息技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)逐步應(yīng)用于自動化控制領(lǐng)域，并且成為主流。目前，國內(nèi)鐵路信號設(shè)備的自動化控制，分為基于繼電器的自動化控制和基于計(jì)算機(jī)的自動化控制兩種情況，當(dāng)然未來必定全面轉(zhuǎn)型為基于計(jì)算機(jī)的自動化控制[3]。

4.1 繼電器聯(lián)鎖

早期鐵路信號設(shè)備的自動化控制技術(shù)，以繼電器為核心，在鐵路設(shè)備中繼電器也是非常基礎(chǔ)的設(shè)備。常見的繼電器有兩個部分，包括電磁系統(tǒng)和接電系統(tǒng)。其原理是當(dāng)繼電器工作時(shí)，由于輸入電流存在一大一小的差異，進(jìn)而使電磁系統(tǒng)的線圈產(chǎn)生電磁力，從而吸引周圍的銜鐵，接點(diǎn)系統(tǒng)工作，改變運(yùn)行狀況。換言之，繼電器也類似電磁開關(guān)裝置。在早期使鐵路信號設(shè)備中使用極多的一種電氣元件，也是繼電集中聯(lián)鎖中的主要元件，通過繼電器控制道岔的轉(zhuǎn)換、信號繼電開放和關(guān)閉、以及進(jìn)路的閉鎖與解鎖等。

基于繼電器的自動控制體系下，道岔尖軌轉(zhuǎn)換位置主要利用轉(zhuǎn)轍裝置來帶動，電動轉(zhuǎn)轍機(jī)有電動機(jī)帶動轉(zhuǎn)轍機(jī)，通過控制電動機(jī)的繼電器來實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，進(jìn)而使道岔具有兩種不同的開通位置。

控制電路利用鐵路的鏈條鋼軌作為導(dǎo)線，其所構(gòu)成的電氣回路可反映線路和道岔區(qū)段是否存在列車占用情況和判斷鋼軌是否完整。當(dāng)電流從電路電源正極發(fā)出，鋼軌流過鋼軌，并通過軌道繼電器進(jìn)入另一股鋼軌電源的負(fù)極。當(dāng)電流經(jīng)過繼電器時(shí)，繼電器通電工作，吸引銜鐵，后接點(diǎn)斷開，前接點(diǎn)閉合，接通綠燈電路，信號機(jī)綠燈亮起，表示列車可通行，此時(shí)表示軌道區(qū)間處在空閑狀態(tài)。而若軌道區(qū)間有列車占用，電流走向則是從正極發(fā)出電流經(jīng)過鋼軌、輪對到另一股鋼軌電源負(fù)極。繼電器沒有電流經(jīng)過，因而銜鐵釋放，前接點(diǎn)斷開、后接點(diǎn)閉合，接通紅燈電路，紅燈亮起，表示列車不得越過信號機(jī)停止線。

在集中控制下，車站值班室設(shè)置有控制臺，其正面裝有照明盤、盤面帶有全站的軌道平面圖和各種進(jìn)路按鈕、道岔按鈕、信號控制按鈕等。在需要辦理進(jìn)站業(yè)務(wù)時(shí)，只需按壓控制臺模擬站場圖上進(jìn)路控制按鈕，就可將進(jìn)路道岔轉(zhuǎn)換至規(guī)定位置，信號機(jī)也聯(lián)動運(yùn)作開放。

4.2 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖是更為先進(jìn)的一種集中聯(lián)鎖控制方式，目前采用的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備是鐵路信號控制中的新型聯(lián)鎖設(shè)備，是利用計(jì)算機(jī)對車站值班員的操作指令和現(xiàn)場表示信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對信號機(jī)、道岔等控制設(shè)備進(jìn)行集中控制的聯(lián)鎖設(shè)備。其具有體積小、能耗低、操作方便、監(jiān)控完善、故障指示到位、自檢索完善等特點(diǎn)，對我國進(jìn)一步提升鐵路運(yùn)行安全性和可靠性具有重要價(jià)值意義。它實(shí)現(xiàn)了從有接點(diǎn)到無接點(diǎn)的革新，使聯(lián)鎖設(shè)備更加小巧可靠。

作為一種新型信號控制系統(tǒng)，其最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)車站聯(lián)鎖設(shè)備執(zhí)行層的全面電子化，隨著智能化分析技術(shù)的應(yīng)用還能實(shí)現(xiàn)智能化。全電子化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和分布式的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)相結(jié)合，構(gòu)成計(jì)算機(jī)集中聯(lián)鎖控制體系，主要包括聯(lián)鎖機(jī)柜、執(zhí)行機(jī)柜和防護(hù)機(jī)柜3大模塊。其中，聯(lián)鎖機(jī)柜包含三重冗余聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)、互為備用的監(jiān)控以及電務(wù)維修機(jī)，主要承擔(dān)自動控制軟件的運(yùn)行，主要功能包括控制指令的下發(fā)、系統(tǒng)狀態(tài)檢測和相關(guān)運(yùn)算。執(zhí)行機(jī)柜中，包含智能模塊和監(jiān)測模塊，完成軟件下發(fā)的指令，外部設(shè)備狀態(tài)采集和智能化處理。全站可不用設(shè)置繼電器，完全由聯(lián)鎖機(jī)柜進(jìn)行集中控制，依據(jù)關(guān)系處理信號機(jī)開放閉鎖、道岔的轉(zhuǎn)換以及其他線路信號機(jī)的控制。智能模塊的加入通過現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成的傳感器等裝置采集的信息進(jìn)行智能化判斷，直接處理命令信息至轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)、軌道電路、區(qū)間聯(lián)系電路和電碼化結(jié)合電路，實(shí)現(xiàn)車站、區(qū)間之間的聯(lián)動自動化控制。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為關(guān)鍵，以電力電子開關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，并集成計(jì)算機(jī)通信、電子信息、傳感器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)信號控制聯(lián)鎖。這一系統(tǒng)本質(zhì)上就是一個基于PLC的自動化控制體系架構(gòu)。例如K5B計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備，使用的是單元控制臺，完成對站內(nèi)設(shè)備的操作以及狀態(tài)顯示。在控制臺上擁有自回復(fù)按鈕和非自回復(fù)按鈕兩種，前者包含信號按鈕、道岔按鈕、半自動閉塞按鈕、總?cè)∠粹o、人工解鎖按鈕、引導(dǎo)按鈕、道岔單獨(dú)操作按鈕、單獨(dú)鎖定按鈕、單獨(dú)解鎖按鈕、非進(jìn)路故障恢復(fù)按鈕等。后者則包含區(qū)段按鈕、事故解鎖按鈕、人工解鎖按鈕、引導(dǎo)按鈕、自動閉塞故障恢復(fù)按鈕等。其操作方法也相對簡單，例如辦理以及取消非進(jìn)路調(diào)車，只需按下非進(jìn)路按鈕，系統(tǒng)自動完成非進(jìn)路選路，選路過程中按鈕上方指示燈工作，進(jìn)路閉鎖后停止。再按下按鈕使按鈕抬起，非進(jìn)路延時(shí)30s解鎖，若延時(shí)解鎖失敗，指示燈提示故障，需要按下鉛封按鈕非進(jìn)路故障恢復(fù)按鈕解鎖進(jìn)路。

注意上述自動閉塞，其根據(jù)列車運(yùn)行和閉塞分區(qū)情況，對信號機(jī)進(jìn)行自動變換顯示，列車只需要憑借信號機(jī)的顯示進(jìn)行行車安排。其原理是將相鄰車站區(qū)間正線劃分為若干閉塞分區(qū)，一般以1 200～1 300 m為一段，在每個分段起點(diǎn)設(shè)置色燈信號機(jī)，閉塞分區(qū)內(nèi)軌道上安裝有電路，通過電路來監(jiān)測軌道區(qū)間情況，集成在信號機(jī)中的控制器直接控制信號機(jī)顯示。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖是目前信號設(shè)備發(fā)展的主要方向，未來智能化則是研究的主要方向，現(xiàn)階段還需要完善執(zhí)行器件的電子化、使系統(tǒng)組成標(biāo)準(zhǔn)化，最大限度發(fā)揮所用資源潛力，進(jìn)一步完善行車、調(diào)車、操作、維修的自動化，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性、安全性[4]。

5 結(jié)語

綜上所述，鐵路信號設(shè)備的安全可靠運(yùn)行對于鐵路運(yùn)行有著巨大影響，作為列車行車、調(diào)車的關(guān)鍵手段，確保鐵路信號設(shè)備安全可靠運(yùn)行非常關(guān)鍵。通過自動化控制技術(shù)可提升鐵路信號設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性，目前有兩種控制模式，一種是繼電聯(lián)鎖控制，另一種則是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制。本文對這兩種控制模式進(jìn)行了簡要分析，明確了自動控制的原理，以求為鐵路信號設(shè)備后續(xù)自動化控制技術(shù)的研究提供一些理論參考。