新型城市軌道交通道岔電氣控制系統探索

張耀紅

（中鐵寶橋集團有限公司，陜西寶雞 721006）

1 引言

隨著我國城鎮化進程的發展，特大型城市人口密集中心區的交通擁堵問題以及城市邊緣區、新區和二線城市的公共交通需求，促使城市軌道交通建設速度不斷加快，同時催發了我國城市軌道交通由單一形式向多制式發展，形成了如跨座式單軌、磁懸浮、懸掛式空列交通等多種形式的新型城市軌道交通系統。道岔作為上述新型城市軌道交通系統中的關鍵設備，其自身運行的安全性、可靠性在線路運營過程中起著至關重要的作用。同時，道岔本身作為機電一體化產品具有結構復雜、機構眾多的特點，該特點使得道岔設計和制造技術的要求高、難度大，進而對電氣控制系統的控制邏輯和整體可靠性、安全性提出了更高的要求。

本文結合重慶市軌道交通2號和3號線（跨座式單軌系統）、北京地鐵S1線（中低速磁懸浮系統）、長沙磁浮機場線、中唐空鐵（懸掛式空列）、青島高速磁懸浮試驗線、武漢光谷旅游專線（懸掛式空列）等項目中道岔的電氣控制系統設計及制造經驗，就新型城市軌道交通系統中道岔的組成、電氣控制系統設計要求、電氣控制系統方案設計和應用情況做簡要介紹。

2 道岔組成

新型城市軌道交通中的道岔類型隨軌道交通形式不同而有所不同，通常按其交通類型分為跨座式單軌道岔、磁懸浮道岔、懸掛式空列道岔等，按其軌道梁轉轍實現方式分為關節型、關節可撓型、彈性變形型、平移等類型，按其在線路中的開向分為單開道岔、三開道岔、五開道岔、單渡線道岔、交叉渡線道岔等。同時，相對于傳統輪軌道岔，新型城市軌道交通道岔的結構復雜、動作機構多、控制過程邏輯嚴密、機構之間的動作銜接和檢測可靠性要求高。例如，跨座式單軌三五開道岔含3 個轉轍驅動機構，5個鎖銷驅動機構，單開道岔含1個轉轍驅動機構，4個鎖銷驅動機構；中低速磁浮單開、三開道岔含1個轉轍驅動機構，2個鎖銷驅動機構，平移道岔含1個或2個轉轍驅動機構，鎖銷驅動機構的數量根據其安裝位置不同而定。總的來說，無論上述哪種類型的道岔，在道岔系統組成上通常包含以下幾個部分：實現車輛走行的軌道梁、實現道岔軌道梁轉換動作的轉轍機構、實現道岔鎖定的鎖閉機構以及實現動作控制和檢測的電氣控制系統。其中，道岔電氣控制系統主要包括：控制裝置（控制柜）、分布于道岔各機構的驅動電機、位置和狀態檢測傳感器（如限位開關、接近開關、編碼器等）、連接線纜、分接線箱等電氣設備。在線路運營過程中，當道岔電氣控制系統收到信號系統的轉轍指令后，控制道岔各個機構按照解鎖→轉轍→鎖閉的邏輯過程運轉，并輸出安全可靠的道岔位置表示信號，實現車輛運行中換軌的需求。

3 道岔電氣控制系統設計要求

道岔設備作為城市軌道交通系統中的關鍵設備，其工作的可靠性、安全性直接關系到線路的運營效率和行車安全，因此，對道岔電氣控制系統的設計提出了很高的要求，主要體現在以下幾個方面。

（1）道岔電氣控制系統能夠實現對道岔的各動作機構的控制和檢測，按照操作指令的要求，在規定的時間（如：15 s）內完成解鎖→轉轍→鎖閉的轉轍過程，同時將與道岔實際位置相一致的位置表示信號傳送給信號系統。由于道岔轉換過程的用時直接影響線路的整體行車間隔和運營效率，設計中應根據道岔各機構動作的特點選擇合適的驅動和控制方式，實現道岔的轉換動作和邏輯控制，以及嚴格的時間要求，并設置有必要的保護措施，保證道岔動作過程安全可靠。

（2）道岔電氣控制系統設置的操作方式應滿足線路運行控制和設備維護保養等不同工況的需求。一般情況下應設有信號遙控的遠程操作方式和人工操作的就地操作方式。其中，就地操作方式應包含就地聯動、單動和應急操作方式。

（3）城市軌道交通運營對道岔的可靠性、安全性要求高，電路設計應符合“故障-安全”原則。尤其是涉及行車安全的道岔信號接口電路，必須滿足軌道交通信號系統的接口安全要求，安全完善度等級應達到SIL4 級。

（4）道岔電氣控制系統應具有良好的外部接口條件，滿足供電系統、信號系統和運營維護系統的接口要求。尤其是道岔控制系統和信號系統的接口，在實現轉轍指令、道岔位置表示信號和道岔狀態等信息交互傳送的同時，還應設置有授權、收權聯鎖電路，使道岔多種操作方式協調一致，保證任何時間道岔控制信號源的唯一性，并確保當信號系統沒有發出轉換指令時，道岔不得進行轉轍。

（5）道岔電氣控制系統應有運行狀態監測及故障報警的功能，并能夠與線路維保和設備管理系統進行信息交換，方便故障搶修和設備維護。城市軌道交通對道岔設備可維護性要求高，特別是需要對道岔故障進行快速處理，以避免因道岔故障引起線路停運，這就要求道岔控制系統不但應具備相應的故障診斷功能，可以快速準確的判別道岔故障發生的原因，為道岔故障分析處理提供幫助以及必要的預防性維護保養建議，還應該考慮各個故障維修處理的便捷性，以提高系統的可維護性。

（6）道岔電氣控制系統設備安裝布置應滿足線路限界要求，并方便道岔故障應急搶險和設備日常維護保養。

（7）道岔電氣控制系統應具有良好的環境適應性。道岔通常安裝在戶外露天環境下，使用環境惡劣，使得電氣控制系統對環境的適應性要求高?？刂蒲b置、驅動器、限位開關等各個元器件的選擇及組裝均需經過大量的實踐測試和驗證，以保證滿足產品所在地的使用環境條件，特別是戶外高溫潮濕和低溫條件下的應用。

（8）由于不同線路條件對道岔系統的技術要求不同，使得相應的道岔及其電氣控制系統在滿足基本功能的前提下，通常還需要針對線路特殊要求進行設計，如設置在高架線路的道岔和設置在隧道內的道岔設計要求就有所不同。

4 道岔電氣控制系統方案設計

道岔作為機電一體化設備，其電氣控制系統在設計過程中應充分考慮設備運行安全，遵循“故障-安全”原則，并結合各類型道岔的特點以及道岔電氣控制系統的設計要求進行方案和電路設計。

道岔電氣控制系統的方案和電路設計應采用模塊化設計的理念，根據各模塊實現的功能和技術要求，有針對性的進行電路設計。通常，道岔電氣控制系統應包含電源控制單元（含供電接口）、信號接口單元、邏輯控制單元、驅動控制單元、運行監測與故障診斷單元（含道岔現場人機界面）等控制電路模塊。

（1）電源控制單元主要完成道岔外部電源接入和各單元供電分配和變換，同時設置必要的過壓、過流、漏電、浪涌、相序等保護功能。

（2）信號接口單元是實現道岔與信號系統進行道岔操作收授權控制與道岔狀態、轉轍命令、位置表示信號交互的電路，其中，道岔位置表示信號電路設計應獨立于道岔控制系統其他部分，使得道岔其他電路故障或斷電時不影響道岔的位置表示信號輸出。由于信號接口單元SIL4級的安全完善度等級要求，通常在電路設計中采用以下措施：①信號接口電路設計采用雙斷電路設計或帶有安全驗證機制的網絡通信方式；②構成接口電路的繼電器采用安全繼電器；③由于道岔位置表示信號直接影響行車安全，信號的生成需采集多個鎖定檢測和位置檢測信號，且同一個信號檢測開關（通常使用限位開關）均采用雙元件設置；④道岔位置信號表示電路應采用限位開關+安全繼電器的組合電路或直接提供限位開關等檢測元件的接點組合信號，保證信號的生成不受其他電路影響；⑤接口電路通常需要和信號系統共同制定，并形成正式接口協議供雙方共同執行，以確保行車安全。

（3）道岔動作邏輯控制單元為道岔動作控制的核心，接受不同控制源的指令，通過控制道岔各個機構的動作和先后順序，實現道岔的位置轉換以及動作過程中道岔的故障保護，其實現方式主要有以下2類：類型1為繼電器聯鎖電路方式，通常采用安全型繼電器實現道岔動作邏輯控制；類型2為可編程邏輯控制器（PLC）控制方式，通常采用PLC作為運算平臺實現道岔邏輯動作控制，同時PLC也作為道岔運行監控與故障診斷的運算單元。由于PLC結合變頻傳動等技術對于復雜控制邏輯的適用性和可靠性高，在越來越多的道岔控制設計中采用該控制方式，特別是在平移道岔、替換梁道岔等產品的大慣量平移運動過程中，變頻傳動對精確定位和控制沖擊有著不可替代的優勢。同時，為了提高道岔轉轍動作的可靠性，在邏輯控制電路的設計中應考慮電路的冗余設計。經過近年來的實踐驗證，在繼電器聯鎖電路邏輯控制中采用點動操作的主回路冗余和在PLC控制中的冷備或熱備冗余設計均可有效提高道岔控制故障時的可靠性，滿足線路實際運行需求。

（4）驅動控制單元是電氣控制系統的動作執行部分，根據各個機構運行的特點和動作時間要求，選擇合適的驅動方式，實現道岔機構動作和整體轉換動作的時間控制目標。常用的驅動方式有接觸器、熱繼電器構成的正反轉控制電路、變頻器控制的變頻傳動電路等。

（5）運行監測與故障診斷單元的設置將提高道岔設備日常維護的保養質量和效率，為道岔故障分析和處理提供依據，尤其在線路運行過程發生故障時提供故障診斷，特別是為故障搶修提供依據，節約搶修時間。通常采用PLC或單片機等組成監測系統，通過采集道岔各部分傳感器、控制元器件的狀態和動作信息，經程序軟件邏輯判斷實現功能設計。另外，運行監測與故障檢測單元通常在道岔控制裝置設有顯示屏作為人機界面，同時預留遠程通信接口，滿足道岔維保或設備管理系統的數據采集。

5 道岔電氣控制系統的應用與發展

多年以來，我公司先后完成了重慶市軌道交通2號和3號線（跨座式單軌系統）、北京地鐵S1線（中低速磁浮系統）、中唐空鐵（懸掛式空列）、青島高速磁懸浮試驗線、武漢光谷旅游專線（懸掛式空列）等項目多種制式的新型城市軌道交通道岔設備的研發和應用。其中，在重慶跨坐式單軌道岔和北京地鐵S1線磁懸浮道岔設計中采用了繼電器聯鎖電路控制+接觸器熱繼電器保護直接啟動的驅動方式+寬溫PLC監控和故障檢測的電氣控制系統設計方案；在中唐空鐵道岔、青島高速磁懸浮試驗線道岔、武漢光谷旅游專線道岔的設計中采用了PLC控制和故障診斷+變頻驅動的電氣控制系統設計方案。電氣控制系統的設計均很好的滿足了線路運營的需求，取得了良好的應用效果。

道岔產品的發展、技術的進步離不開持續不斷的驗證和總結研究，結合道岔設備及其電氣控制系統的制造安裝和運行過程中情況，仍需在以下方面進行研究，進一步提升設備的性能。

（1）電氣控制系統應按其構成采用工廠預裝，安裝模塊化設計，提高產品安裝質量和系統可靠性。道岔電氣控制系統中，控制裝置各類元器件多，接線復雜易錯，各機構的動作檢測傳感器、限位開關數量多，需要精準的位置調試，故而安裝過程質量控制難度大、對安裝人員技能要求高。通過提高道岔電氣控制系統的工廠預裝、模塊化生產 ，一方面可有效降低現場安裝調試的技能要求，降低工程安裝難度、縮短現場安裝調試周期、提高易損件更換效率。另一方面也可降低運營過程中維護工作量產品的可用性，更進一步開發的目標是獲得產品安裝和維護過程的“即插即用”功能。

（2）控制系統智能化，產品全壽命周期信息化，延伸產品售后服務功能。隨著通信技術、大數據分析技術和人工智能技術以及各種先進控制技術的飛速發展，數字化、網絡化和信息化正日益融入各個生產生活領域之中，道岔產品的智能化發展是必然趨勢，其主要表現在以下方面。第一，道岔機構控制技術將隨著智能驅動控制技術的發展，對于動作的控制將更加精準和智能。高精度的機構動作控制和智能診斷，可有效降低運動沖擊，延長產品使用壽命。對環境條件的實時監控，使產品對環境的適應性大大提升，可根據環境條件的變化智能調整道岔動作控制，提高電氣控制系統的可靠性。第二，道岔運行過程中的運行狀態監控、故障診斷分析，對其在日常維護和維修中的作用毋庸置疑，簡單的單機故障診斷已遠遠不能滿足道岔應用中的需求。充分利用數字化、網絡化和信息化技術的發展，實現道岔運行狀態遠程集中處理。利用大數據分析為客戶提供全面的使用維護信息，包括道岔使用情況、各部件各機構的運行狀況以及維修維護保養提醒和建議、故障快速反饋、故障原因分析和處理對策提示等。由此可知，隨著道岔智能化程度的進一步提高，精準的反饋道岔實時狀態、提醒用戶對道岔進行預防性維護、減少突發故障和搶險維修，對于降低運營成本有著很大的助益。

6 結束語

道岔是城市軌道交通線路列車換線的關鍵設備，其性能優劣事關整條線路運行的安全可靠，通過本文對其電氣控制系統的論述，以期對未來新建線路道岔設備的設計和優化有所助益。