鐵路信號計算機聯(lián)鎖全電子模塊改進性研究

劉 慶,李宏偉

(鶴壁煤業(yè)集團公司鐵路運輸處,河南鶴壁 458000)

1 概述

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面：采用計算機實現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)系運算。

(2)執(zhí)行電路部分：基本沿用了6502電氣集中聯(lián)鎖的執(zhí)行電路。

(3)驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備：采用安全型重力繼電器執(zhí)行聯(lián)鎖運算結(jié)果。

經(jīng)過多年的實踐應(yīng)用,這種結(jié)構(gòu)的聯(lián)鎖系統(tǒng)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(yè)部門進行檢修。繼電器自身為機械式結(jié)構(gòu),動作過程中容易出現(xiàn)卡死和繼電器觸點粘連故障。特別是繼電器觸點開關(guān)動作過程中拉弧放電對觸點的不斷灼傷,嚴(yán)重影響繼電器的使用壽命。

(2)繼電器接口柜配線多,易發(fā)生混線、混電等故障,且故障時原因復(fù)雜,故障排除時間長,給電務(wù)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(jīng)濟負擔(dān)。

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(nèi)消費的升級，文化旅游成為新型旅游業(yè)態(tài)迅速崛起的代表[1]?！吨袊幕糜伟l(fā)展報告2017》指出，目前，文化旅游已經(jīng)進入了以資本、創(chuàng)意和技術(shù)為主導(dǎo)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(chuàng)新能力在文旅產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起著越來越重要的作用。文旅2.0時代發(fā)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(chǎn)業(yè)的一個重要領(lǐng)域，旅游演藝產(chǎn)業(yè)日趨成熟并開始進入調(diào)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(wěn)定并發(fā)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(wù)維修部門的維修時間提出了越加嚴(yán)格的要求，導(dǎo)致維護問題突出,很難實現(xiàn)減員增效的目的,也難以達到工廠化施工的目標(biāo)。

因此在技術(shù)上,執(zhí)行電路必須實現(xiàn)向小型化、智能化、電子化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化的更新?lián)Q代。隨著電力電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,以及安全性、可靠性理論的不斷完善,加之容錯技術(shù)的成熟應(yīng)用,采用具有智能化的無觸點全電子模塊來實現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行層的功能和性能指標(biāo)已成為可能。

2 全電子模塊發(fā)展現(xiàn)狀

圖1 執(zhí)行單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)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(guān)鍵器件是安全型彈力繼電器,另外一種制式采用的關(guān)鍵器件是無觸點電子開關(guān)。

安全型彈力繼電器模式實現(xiàn)了執(zhí)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(jié)構(gòu),無法避免觸點粘連、機械結(jié)構(gòu)卡死等問題；其次,在某些應(yīng)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(tài)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(guān)過程中的拉弧現(xiàn)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(shè)計理念受爭議。安全型繼電器制式電子模塊的設(shè)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(zhí)行電路的范圍。在智能化方面應(yīng)用不足,并沒有減輕電務(wù)維護的工作量。

目前無觸點電子開關(guān)制式不再使用機械式繼電器,做到了執(zhí)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(tài)。如何在這種應(yīng)用前提下實現(xiàn)故障-安全,如何消除同類型器件的共模故障,除了使用常規(guī)的器件冗余、反饋檢測、閉環(huán)控制等技術(shù)之外,似乎沒有一種更令人信服的解決方案。

(2)電路結(jié)構(gòu)。目前無觸點制式全電子模塊電路結(jié)構(gòu)為二取二結(jié)構(gòu),充分使用了反饋檢測和閉環(huán)控制技術(shù)。雖然也設(shè)置了防護開關(guān),但也是無觸點類型。對于動作開關(guān)故障后,防護電子開關(guān)能否可靠實現(xiàn)電源關(guān)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(jié)合目前聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行層電路的發(fā)展趨勢和既有產(chǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)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(diào)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(diào)車信號機；軌道模塊用于采集480型交流軌道電路狀態(tài),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(lián)系電路的控制。同時還有輔助通信的通信網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。執(zhí)行單元為模塊式結(jié)構(gòu),可以放置在機柜當(dāng)中；也可以放置在插箱中,每個插箱中可以放置15塊執(zhí)行單元和1塊通信網(wǎng)關(guān)；插箱內(nèi)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(zhí)行CAN總線A和背板執(zhí)行CAN總線B互為冗余,為邏輯“與”結(jié)構(gòu),負責(zé)網(wǎng)關(guān)和執(zhí)行單元之間的聯(lián)鎖命令和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)傳遞。背板監(jiān)測CAN總線C為監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞專用通道,負責(zé)執(zhí)行單元和通信網(wǎng)關(guān)之間的模擬量數(shù)據(jù)單向傳遞。聯(lián)鎖機和通信網(wǎng)關(guān)之間通過互為冗余的聯(lián)鎖機總線A和聯(lián)鎖機總線B連接,為邏輯“或”結(jié)構(gòu)。聯(lián)鎖機總線A和聯(lián)鎖機總線B有兩種可選類型：CAN總線或EPA實時以太網(wǎng)。

3.1 全電子模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4種模塊采用一致的電路結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 電路結(jié)構(gòu)

模塊電路由執(zhí)行電路單元、邏輯防護電路單元和監(jiān)測電路單元三大部分構(gòu)成。執(zhí)行電路單元為“二取二”制式,處理器、電子開關(guān)以及反饋通道為雙冗余配置,并以處理器為核心構(gòu)成閉環(huán)控制。執(zhí)行電路負責(zé)完成室外設(shè)備的驅(qū)動采集。

監(jiān)測電路單元由獨立的監(jiān)測采集器件、處理器和監(jiān)測通信信道構(gòu)成,且執(zhí)行電路和監(jiān)測電路之間實現(xiàn)電氣隔離。監(jiān)測采集量和采集精度符合鐵標(biāo)監(jiān)測2006要求。

邏輯防護單元是獨立于執(zhí)行電路的第三方防護單元,由復(fù)雜邏輯可編程器件構(gòu)成,實時處理執(zhí)行處理器故障、檢測處理器工作狀態(tài)以及硬件自檢,對突發(fā)的嚴(yán)重故障,先于執(zhí)行子系統(tǒng)進行故障-安全處理。

3.2 改進點

本設(shè)計中,整體電路結(jié)構(gòu)為安全型繼電器和電力電子開關(guān)相結(jié)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(guān)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(xiàn)對條件電源的可靠切斷；由處理器構(gòu)成的閉環(huán)控制僅在處理器工作正常的情況下保證系統(tǒng)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,設(shè)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(xiàn)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(shè)計采用可信測量技術(shù),通過對反饋信號的動態(tài)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(guī)的處理器自檢測之外,邏輯防護單元通過監(jiān)控執(zhí)行處理器對功率電子開關(guān)的操作時序,實現(xiàn)了對每個電子開關(guān)是否已損壞的自檢測。電子開關(guān)為冗余設(shè)置,當(dāng)其中一個損壞時,并不影響正常使用,但繼續(xù)使用則存在安全隱患,本設(shè)計通過對電子開關(guān)的自檢測,實現(xiàn)了故障預(yù)警。

嚴(yán)格區(qū)分安全功能和非安全功能,監(jiān)測電路單元和執(zhí)行電路單元之間進行電氣隔離,杜絕因監(jiān)測系統(tǒng)故障導(dǎo)致的聯(lián)鎖系統(tǒng)故障。

全電子模塊對聯(lián)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(lián)鎖軟件進行信號降級顯示,快速實現(xiàn)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(jiān)測功能。

4 結(jié)語

計算機聯(lián)鎖執(zhí)行層電路的全電子化是目前鐵路車站信號控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。通過對電子模塊電路結(jié)構(gòu)的不斷改進,使其真正做到硬件設(shè)備的免維護,并達到提高設(shè)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(zhí)行層電路搭建了一個智能化和網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)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(chǔ)。

[1]TB/T3027—2002，計算機聯(lián)鎖技術(shù)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(lián)鎖系統(tǒng)的研究與設(shè)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(lián)鎖全電子執(zhí)行單元研究[J].鐵道學(xué)報,2007(2).

[5]王增力,方亞非.全電子化計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)[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(lián)鎖執(zhí)行單元[J].鐵路通信信號工程技術(shù),2005(4).

[7]劉 艷.鐵路信號全電子執(zhí)行單元[J].金川科技,2006(2).

[8]鄭云水.微機聯(lián)鎖系統(tǒng)故障安全措施-容錯技術(shù)[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2007(4).