新型城市軌道交通道岔電氣控制系統(tǒng)探索

張耀紅

（中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006）

1 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，特大型城市人口密集中心區(qū)的交通擁堵問題以及城市邊緣區(qū)、新區(qū)和二線城市的公共交通需求，促使城市軌道交通建設(shè)速度不斷加快，同時(shí)催發(fā)了我國(guó)城市軌道交通由單一形式向多制式發(fā)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(tǒng)。道岔作為上述新型城市軌道交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其自身運(yùn)行的安全性、可靠性在線路運(yùn)營(yíng)過程中起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，道岔本身作為機(jī)電一體化產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)構(gòu)眾多的特點(diǎn)，該特點(diǎn)使得道岔設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的要求高、難度大，進(jìn)而對(duì)電氣控制系統(tǒng)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(jié)合重慶市軌道交通2號(hào)和3號(hào)線（跨座式單軌系統(tǒng)）、北京地鐵S1線（中低速磁懸浮系統(tǒng)）、長(zhǎng)沙磁浮機(jī)場(chǎng)線、中唐空鐵（懸掛式空列）、青島高速磁懸浮試驗(yàn)線、武漢光谷旅游專線（懸掛式空列）等項(xiàng)目中道岔的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造經(jīng)驗(yàn)，就新型城市軌道交通系統(tǒng)中道岔的組成、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、電氣控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況做簡(jiǎn)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(zhuǎn)轍實(shí)現(xiàn)方式分為關(guān)節(jié)型、關(guān)節(jié)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(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)輪軌道岔，新型城市軌道交通道岔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)作機(jī)構(gòu)多、控制過程邏輯嚴(yán)密、機(jī)構(gòu)之間的動(dòng)作銜接和檢測(cè)可靠性要求高。例如，跨座式單軌三五開道岔含3 個(gè)轉(zhuǎn)轍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，5個(gè)鎖銷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，單開道岔含1個(gè)轉(zhuǎn)轍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，4個(gè)鎖銷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；中低速磁浮單開、三開道岔含1個(gè)轉(zhuǎn)轍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，2個(gè)鎖銷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，平移道岔含1個(gè)或2個(gè)轉(zhuǎn)轍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，鎖銷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)量根據(jù)其安裝位置不同而定?？偟膩碚f，無論上述哪種類型的道岔，在道岔系統(tǒng)組成上通常包含以下幾個(gè)部分：實(shí)現(xiàn)車輛走行的軌道梁、實(shí)現(xiàn)道岔軌道梁轉(zhuǎn)換動(dòng)作的轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)道岔鎖定的鎖閉機(jī)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制和檢測(cè)的電氣控制系統(tǒng)。其中，道岔電氣控制系統(tǒng)主要包括：控制裝置（控制柜）、分布于道岔各機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、位置和狀態(tài)檢測(cè)傳感器（如限位開關(guān)、接近開關(guān)、編碼器等）、連接線纜、分接線箱等電氣設(shè)備。在線路運(yùn)營(yíng)過程中，當(dāng)?shù)啦黼姎饪刂葡到y(tǒng)收到信號(hào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)轍指令后，控制道岔各個(gè)機(jī)構(gòu)按照解鎖→轉(zhuǎn)轍→鎖閉的邏輯過程運(yùn)轉(zhuǎn)，并輸出安全可靠的道岔位置表示信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行中換軌的需求。

3 道岔電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

道岔設(shè)備作為城市軌道交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其工作的可靠性、安全性直接關(guān)系到線路的運(yùn)營(yíng)效率和行車安全，因此，對(duì)道岔電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）道岔電氣控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)道岔的各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的控制和檢測(cè)，按照操作指令的要求，在規(guī)定的時(shí)間（如：15 s）內(nèi)完成解鎖→轉(zhuǎn)轍→鎖閉的轉(zhuǎn)轍過程，同時(shí)將與道岔實(shí)際位置相一致的位置表示信號(hào)傳送給信號(hào)系統(tǒng)。由于道岔轉(zhuǎn)換過程的用時(shí)直接影響線路的整體行車間隔和運(yùn)營(yíng)效率，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)道岔各機(jī)構(gòu)動(dòng)作的特點(diǎn)選擇合適的驅(qū)動(dòng)和控制方式，實(shí)現(xiàn)道岔的轉(zhuǎn)換動(dòng)作和邏輯控制，以及嚴(yán)格的時(shí)間要求，并設(shè)置有必要的保護(hù)措施，保證道岔動(dòng)作過程安全可靠。

（2）道岔電氣控制系統(tǒng)設(shè)置的操作方式應(yīng)滿足線路運(yùn)行控制和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等不同工況的需求。一般情況下應(yīng)設(shè)有信號(hào)遙控的遠(yuǎn)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(yīng)包含就地聯(lián)動(dòng)、單動(dòng)和應(yīng)急操作方式。

（3）城市軌道交通運(yùn)營(yíng)對(duì)道岔的可靠性、安全性要求高，電路設(shè)計(jì)應(yīng)符合“故障-安全”原則。尤其是涉及行車安全的道岔信號(hào)接口電路，必須滿足軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的接口安全要求，安全完善度等級(jí)應(yīng)達(dá)到SIL4 級(jí)。

（4）道岔電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具有良好的外部接口條件，滿足供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)的接口要求。尤其是道岔控制系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)的接口，在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍指令、道岔位置表示信號(hào)和道岔狀態(tài)等信息交互傳送的同時(shí)，還應(yīng)設(shè)置有授權(quán)、收權(quán)聯(lián)鎖電路，使道岔多種操作方式協(xié)調(diào)一致，保證任何時(shí)間道岔控制信號(hào)源的唯一性，并確保當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)沒有發(fā)出轉(zhuǎn)換指令時(shí)，道岔不得進(jìn)行轉(zhuǎn)轍。

（5）道岔電氣控制系統(tǒng)應(yīng)有運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警的功能，并能夠與線路維保和設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，方便故障搶修和設(shè)備維護(hù)。城市軌道交通對(duì)道岔設(shè)備可維護(hù)性要求高，特別是需要對(duì)道岔故障進(jìn)行快速處理，以避免因道岔故障引起線路停運(yùn)，這就要求道岔控制系統(tǒng)不但應(yīng)具備相應(yīng)的故障診斷功能，可以快速準(zhǔn)確的判別道岔故障發(fā)生的原因，為道岔故障分析處理提供幫助以及必要的預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)建議，還應(yīng)該考慮各個(gè)故障維修處理的便捷性，以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。

（6）道岔電氣控制系統(tǒng)設(shè)備安裝布置應(yīng)滿足線路限界要求，并方便道岔故障應(yīng)急搶險(xiǎn)和設(shè)備日常維護(hù)保養(yǎng)。

（7）道岔電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。道岔通常安裝在戶外露天環(huán)境下，使用環(huán)境惡劣，使得電氣控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性要求高?？刂蒲b置、驅(qū)動(dòng)器、限位開關(guān)等各個(gè)元器件的選擇及組裝均需經(jīng)過大量的實(shí)踐測(cè)試和驗(yàn)證，以保證滿足產(chǎn)品所在地的使用環(huán)境條件，特別是戶外高溫潮濕和低溫條件下的應(yīng)用。

（8）由于不同線路條件對(duì)道岔系統(tǒng)的技術(shù)要求不同，使得相應(yīng)的道岔及其電氣控制系統(tǒng)在滿足基本功能的前提下，通常還需要針對(duì)線路特殊要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，如設(shè)置在高架線路的道岔和設(shè)置在隧道內(nèi)的道岔設(shè)計(jì)要求就有所不同。

4 道岔電氣控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

道岔作為機(jī)電一體化設(shè)備，其電氣控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮設(shè)備運(yùn)行安全，遵循“故障-安全”原則，并結(jié)合各類型道岔的特點(diǎn)以及道岔電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行方案和電路設(shè)計(jì)。

道岔電氣控制系統(tǒng)的方案和電路設(shè)計(jì)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)的理念，根據(jù)各模塊實(shí)現(xiàn)的功能和技術(shù)要求，有針對(duì)性的進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。通常，道岔電氣控制系統(tǒng)應(yīng)包含電源控制單元（含供電接口）、信號(hào)接口單元、邏輯控制單元、驅(qū)動(dòng)控制單元、運(yùn)行監(jiān)測(cè)與故障診斷單元（含道岔現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)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(shí)設(shè)置必要的過壓、過流、漏電、浪涌、相序等保護(hù)功能。

（2）信號(hào)接口單元是實(shí)現(xiàn)道岔與信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行道岔操作收授權(quán)控制與道岔狀態(tài)、轉(zhuǎn)轍命令、位置表示信號(hào)交互的電路，其中，道岔位置表示信號(hào)電路設(shè)計(jì)應(yīng)獨(dú)立于道岔控制系統(tǒng)其他部分，使得道岔其他電路故障或斷電時(shí)不影響道岔的位置表示信號(hào)輸出。由于信號(hào)接口單元SIL4級(jí)的安全完善度等級(jí)要求，通常在電路設(shè)計(jì)中采用以下措施：①信號(hào)接口電路設(shè)計(jì)采用雙斷電路設(shè)計(jì)或帶有安全驗(yàn)證機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)通信方式；②構(gòu)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(hào)直接影響行車安全，信號(hào)的生成需采集多個(gè)鎖定檢測(cè)和位置檢測(cè)信號(hào)，且同一個(gè)信號(hào)檢測(cè)開關(guān)（通常使用限位開關(guān)）均采用雙元件設(shè)置；④道岔位置信號(hào)表示電路應(yīng)采用限位開關(guān)+安全繼電器的組合電路或直接提供限位開關(guān)等檢測(cè)元件的接點(diǎn)組合信號(hào)，保證信號(hào)的生成不受其他電路影響；⑤接口電路通常需要和信號(hào)系統(tǒng)共同制定，并形成正式接口協(xié)議供雙方共同執(zhí)行，以確保行車安全。

（3）道岔動(dòng)作邏輯控制單元為道岔動(dòng)作控制的核心，接受不同控制源的指令，通過控制道岔各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作和先后順序，實(shí)現(xiàn)道岔的位置轉(zhuǎn)換以及動(dòng)作過程中道岔的故障保護(hù)，其實(shí)現(xiàn)方式主要有以下2類：類型1為繼電器聯(lián)鎖電路方式，通常采用安全型繼電器實(shí)現(xiàn)道岔動(dòng)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(yùn)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)道岔邏輯動(dòng)作控制，同時(shí)PLC也作為道岔運(yùn)行監(jiān)控與故障診斷的運(yùn)算單元。由于PLC結(jié)合變頻傳動(dòng)等技術(shù)對(duì)于復(fù)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(shè)計(jì)中采用該控制方式，特別是在平移道岔、替換梁道岔等產(chǎn)品的大慣量平移運(yùn)動(dòng)過程中，變頻傳動(dòng)對(duì)精確定位和控制沖擊有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，為了提高道岔轉(zhuǎn)轍動(dòng)作的可靠性，在邏輯控制電路的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮電路的冗余設(shè)計(jì)。經(jīng)過近年來的實(shí)踐驗(yàn)證，在繼電器聯(lián)鎖電路邏輯控制中采用點(diǎn)動(dòng)操作的主回路冗余和在PLC控制中的冷備或熱備冗余設(shè)計(jì)均可有效提高道岔控制故障時(shí)的可靠性，滿足線路實(shí)際運(yùn)行需求。

（4）驅(qū)動(dòng)控制單元是電氣控制系統(tǒng)的動(dòng)作執(zhí)行部分，根據(jù)各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的特點(diǎn)和動(dòng)作時(shí)間要求，選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)道岔機(jī)構(gòu)動(dòng)作和整體轉(zhuǎn)換動(dòng)作的時(shí)間控制目標(biāo)。常用的驅(qū)動(dòng)方式有接觸器、熱繼電器構(gòu)成的正反轉(zhuǎn)控制電路、變頻器控制的變頻傳動(dòng)電路等。

（5）運(yùn)行監(jiān)測(cè)與故障診斷單元的設(shè)置將提高道岔設(shè)備日常維護(hù)的保養(yǎng)質(zhì)量和效率，為道岔故障分析和處理提供依據(jù)，尤其在線路運(yùn)行過程發(fā)生故障時(shí)提供故障診斷，特別是為故障搶修提供依據(jù)，節(jié)約搶修時(shí)間。通常采用PLC或單片機(jī)等組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過采集道岔各部分傳感器、控制元器件的狀態(tài)和動(dòng)作信息，經(jīng)程序軟件邏輯判斷實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)。另外，運(yùn)行監(jiān)測(cè)與故障檢測(cè)單元通常在道岔控制裝置設(shè)有顯示屏作為人機(jī)界面，同時(shí)預(yù)留遠(yuǎn)程通信接口，滿足道岔維保或設(shè)備管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

5 道岔電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

多年以來，我公司先后完成了重慶市軌道交通2號(hào)和3號(hào)線（跨座式單軌系統(tǒng)）、北京地鐵S1線（中低速磁浮系統(tǒng)）、中唐空鐵（懸掛式空列）、青島高速磁懸浮試驗(yàn)線、武漢光谷旅游專線（懸掛式空列）等項(xiàng)目多種制式的新型城市軌道交通道岔設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)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(shè)計(jì)中采用了繼電器聯(lián)鎖電路控制+接觸器熱繼電器保護(hù)直接啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式+寬溫PLC監(jiān)控和故障檢測(cè)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；在中唐空鐵道岔、青島高速磁懸浮試驗(yàn)線道岔、武漢光谷旅游專線道岔的設(shè)計(jì)中采用了PLC控制和故障診斷+變頻驅(qū)動(dòng)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均很好的滿足了線路運(yùn)營(yíng)的需求，取得了良好的應(yīng)用效果。

道岔產(chǎn)品的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步離不開持續(xù)不斷的驗(yàn)證和總結(jié)研究，結(jié)合道岔設(shè)備及其電氣控制系統(tǒng)的制造安裝和運(yùn)行過程中情況，仍需在以下方面進(jìn)行研究，進(jìn)一步提升設(shè)備的性能。

（1）電氣控制系統(tǒng)應(yīng)按其構(gòu)成采用工廠預(yù)裝，安裝模塊化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品安裝質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性。道岔電氣控制系統(tǒng)中，控制裝置各類元器件多，接線復(fù)雜易錯(cuò)，各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作檢測(cè)傳感器、限位開關(guān)數(shù)量多，需要精準(zhǔn)的位置調(diào)試，故而安裝過程質(zhì)量控制難度大、對(duì)安裝人員技能要求高。通過提高道岔電氣控制系統(tǒng)的工廠預(yù)裝、模塊化生產(chǎn) ，一方面可有效降低現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試的技能要求，降低工程安裝難度、縮短現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試周期、提高易損件更換效率。另一方面也可降低運(yùn)營(yíng)過程中維護(hù)工作量產(chǎn)品的可用性，更進(jìn)一步開發(fā)的目標(biāo)是獲得產(chǎn)品安裝和維護(hù)過程的“即插即用”功能。

（2）控制系統(tǒng)智能化，產(chǎn)品全壽命周期信息化，延伸產(chǎn)品售后服務(wù)功能。隨著通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和人工智能技術(shù)以及各種先進(jìn)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化正日益融入各個(gè)生產(chǎn)生活領(lǐng)域之中，道岔產(chǎn)品的智能化發(fā)展是必然趨勢(shì)，其主要表現(xiàn)在以下方面。第一，道岔機(jī)構(gòu)控制技術(shù)將隨著智能驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于動(dòng)作的控制將更加精準(zhǔn)和智能。高精度的機(jī)構(gòu)動(dòng)作控制和智能診斷，可有效降低運(yùn)動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。對(duì)環(huán)境條件的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性大大提升，可根據(jù)環(huán)境條件的變化智能調(diào)整道岔動(dòng)作控制，提高電氣控制系統(tǒng)的可靠性。第二，道岔運(yùn)行過程中的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷分析，對(duì)其在日常維護(hù)和維修中的作用毋庸置疑，簡(jiǎn)單的單機(jī)故障診斷已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足道岔應(yīng)用中的需求。充分利用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)道岔運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程集中處理。利用大數(shù)據(jù)分析為客戶提供全面的使用維護(hù)信息，包括道岔使用情況、各部件各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況以及維修維護(hù)保養(yǎng)提醒和建議、故障快速反饋、故障原因分析和處理對(duì)策提示等。由此可知，隨著道岔智能化程度的進(jìn)一步提高，精準(zhǔn)的反饋道岔實(shí)時(shí)狀態(tài)、提醒用戶對(duì)道岔進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)、減少突發(fā)故障和搶險(xiǎn)維修，對(duì)于降低運(yùn)營(yíng)成本有著很大的助益。

6 結(jié)束語

道岔是城市軌道交通線路列車換線的關(guān)鍵設(shè)備，其性能優(yōu)劣事關(guān)整條線路運(yùn)行的安全可靠，通過本文對(duì)其電氣控制系統(tǒng)的論述，以期對(duì)未來新建線路道岔設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有所助益。