鐵路信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖全電子模塊改進(jìn)性研究

劉 慶,李宏偉

(鶴壁煤業(yè)集團(tuán)公司鐵路運(yùn)輸處,河南鶴壁 458000)

1 概述

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面：采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)系運(yùn)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(dòng)執(zhí)行設(shè)備：采用安全型重力繼電器執(zhí)行聯(lián)鎖運(yùn)算結(jié)果。

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐應(yīng)用,這種結(jié)構(gòu)的聯(lián)鎖系統(tǒng)效果良好,但同時(shí)也暴露出了一些問(wèn)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(jìn)行檢修。繼電器自身為機(jī)械式結(jié)構(gòu),動(dòng)作過(guò)程中容易出現(xiàn)卡死和繼電器觸點(diǎn)粘連故障。特別是繼電器觸點(diǎn)開關(guān)動(dòng)作過(guò)程中拉弧放電對(duì)觸點(diǎn)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(shí)原因復(fù)雜,故障排除時(shí)間長(zhǎng),給電務(wù)部門運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)極大壓力。

(3)近年來(lái),隨著銅價(jià)的不斷攀升,繼電器價(jià)格大幅度上漲,對(duì)于地方鐵路用戶單位造成了一定經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

隨著大眾旅游的興起以及對(duì)文化的需求，人民生活水平的提高和國(guó)內(nèi)消費(fèi)的升級(jí)，文化旅游成為新型旅游業(yè)態(tài)迅速崛起的代表[1]。《中國(guó)文化旅游發(fā)展報(bào)告2017》指出，目前，文化旅游已經(jīng)進(jìn)入了以資本、創(chuàng)意和技術(shù)為主導(dǎo)的文旅2.0時(shí)代。文旅2.0時(shí)代的顯著特征是“無(wú)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(lái)越重要的作用。文旅2.0時(shí)代發(fā)展的重要特征之一是旅游演藝砥礪前行。2016年以來(lái)，作為文化旅游產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要領(lǐng)域，旅游演藝產(chǎn)業(yè)日趨成熟并開始進(jìn)入調(diào)整期[2]。張家界作為國(guó)際著名旅游城市，如何在競(jìng)爭(zhēng)激烈的旅游演藝市場(chǎng)中穩(wěn)定并發(fā)展旅游演藝品牌，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

(4)近些年,鐵路運(yùn)量不斷加大,對(duì)電務(wù)維修部門的維修時(shí)間提出了越加嚴(yán)格的要求，導(dǎo)致維護(hù)問(wèn)題突出,很難實(shí)現(xiàn)減員增效的目的,也難以達(dá)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(shí)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(cuò)技術(shù)的成熟應(yīng)用,采用具有智能化的無(wú)觸點(diǎn)全電子模塊來(lái)實(shí)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(guó)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(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)。

安全型彈力繼電器模式實(shí)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(jī)械式彈力繼電器在目前備受爭(zhēng)議,主要出于以下考慮。

(1)安全型彈力繼電器是機(jī)械繼電器結(jié)構(gòu),無(wú)法避免觸點(diǎn)粘連、機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死等問(wèn)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(zhǎng)時(shí)間保持吸起,這種疲勞狀態(tài)會(huì)對(duì)繼電器的彈性帶來(lái)很大的影響,甚至影響使用壽命。

(2)無(wú)法做到免維護(hù)。和重力繼電器相比,安全性繼電器的觸點(diǎn)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(guò)程中的拉弧現(xiàn)象仍然會(huì)對(duì)觸點(diǎn)灼傷，仍需要定期對(duì)繼電器進(jìn)行維護(hù)。

(3)小繼電器換大繼電器的設(shè)計(jì)理念受爭(zhēng)議。安全型繼電器制式電子模塊的設(shè)計(jì)理念是用小繼電器完成大繼電器的功能,其功能范圍并沒(méi)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(méi)有減輕電務(wù)維護(hù)的工作量。

目前無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)制式不再使用機(jī)械式繼電器,做到了執(zhí)行電路的無(wú)觸點(diǎn)化,因此也做到了免維護(hù)。但是仍然存在較大爭(zhēng)議。

(1)安全性措施。電子器件自身沒(méi)有類似于安全重力繼電器的故障-安全屬性,故障后沒(méi)有固定的輸出狀態(tài)。如何在這種應(yīng)用前提下實(shí)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(cè)、閉環(huán)控制等技術(shù)之外,似乎沒(méi)有一種更令人信服的解決方案。

(2)電路結(jié)構(gòu)。目前無(wú)觸點(diǎn)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(cè)和閉環(huán)控制技術(shù)。雖然也設(shè)置了防護(hù)開關(guān),但也是無(wú)觸點(diǎn)類型。對(duì)于動(dòng)作開關(guān)故障后,防護(hù)電子開關(guān)能否可靠實(shí)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(duì)器件的共模故障處理方面還有待改進(jìn)。

結(jié)合目前聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行層電路的發(fā)展趨勢(shì)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(jìn)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(hào)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(jī),每個(gè)道岔模塊可以控制一組道岔；信號(hào)模塊用于控制調(diào)車信號(hào)機(jī)、進(jìn)出站信號(hào)機(jī)顯示,一個(gè)信號(hào)模塊可以控制一架進(jìn)站信號(hào)機(jī),或者控制兩架出站或者調(diào)車信號(hào)機(jī)；軌道模塊用于采集480型交流軌道電路狀態(tài),一個(gè)軌道模塊可以控制兩段軌道電路；零散模塊用于64D半自動(dòng)電路、照查電路和場(chǎng)間聯(lián)系電路的控制。同時(shí)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(jī)柜當(dāng)中；也可以放置在插箱中,每個(gè)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(guò)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(fù)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(cè)CAN總線C為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞專用通道,負(fù)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(jī)和通信網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)互為冗余的聯(lián)鎖機(jī)總線A和聯(lián)鎖機(jī)總線B連接,為邏輯“或”結(jié)構(gòu)。聯(lián)鎖機(jī)總線A和聯(lián)鎖機(jī)總線B有兩種可選類型：CAN總線或EPA實(shí)時(shí)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(hù)電路單元和監(jiān)測(cè)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(fù)責(zé)完成室外設(shè)備的驅(qū)動(dòng)采集。

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

邏輯防護(hù)單元是獨(dú)立于執(zhí)行電路的第三方防護(hù)單元,由復(fù)雜邏輯可編程器件構(gòu)成,實(shí)時(shí)處理執(zhí)行處理器故障、檢測(cè)處理器工作狀態(tài)以及硬件自檢,對(duì)突發(fā)的嚴(yán)重故障,先于執(zhí)行子系統(tǒng)進(jìn)行故障-安全處理。

3.2 改進(jìn)點(diǎn)

本設(shè)計(jì)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(duì)象的正常動(dòng)作控制由無(wú)觸點(diǎn)功率電子開關(guān)完成,做到模塊免維護(hù),安全型繼電器僅在模塊故障情況下動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)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(dú)立的硬件級(jí)邏輯防護(hù)單元,實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)都基于反饋通道檢測(cè)到的信號(hào),因此反饋信號(hào)的真實(shí)可信度是最基本也是最重要的前提。本設(shè)計(jì)采用可信測(cè)量技術(shù),通過(guò)對(duì)反饋信號(hào)的動(dòng)態(tài)檢測(cè),避免了因?yàn)榉答佇盘?hào)錯(cuò)誤造成的誤動(dòng)作和誤保護(hù),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(cè)之外,邏輯防護(hù)單元通過(guò)監(jiān)控執(zhí)行處理器對(duì)功率電子開關(guān)的操作時(shí)序,實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)電子開關(guān)是否已損壞的自檢測(cè)。電子開關(guān)為冗余設(shè)置,當(dāng)其中一個(gè)損壞時(shí),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(jì)通過(guò)對(duì)電子開關(guān)的自檢測(cè),實(shí)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(cè)電路單元和執(zhí)行電路單元之間進(jìn)行電氣隔離,杜絕因監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障導(dǎo)致的聯(lián)鎖系統(tǒng)故障。

全電子模塊對(duì)聯(lián)鎖對(duì)象的控制做到了以下改進(jìn)：解決了道岔室外二極管短接、反接、混線、混電等問(wèn)題；信號(hào)模塊可以在檢測(cè)到危險(xiǎn)的情況下,先于聯(lián)鎖軟件進(jìn)行信號(hào)降級(jí)顯示,快速實(shí)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(wèn)題,同時(shí)可以完全兼容480軌道電路；包含了2006微機(jī)監(jiān)測(cè)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖執(zhí)行層電路的全電子化是目前鐵路車站信號(hào)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。通過(guò)對(duì)電子模塊電路結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn),使其真正做到硬件設(shè)備的免維護(hù),并達(dá)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(gè)智能化和網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)平臺(tái),為智能故障診斷、分布式控制和兩化融合打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]TB/T3027—2002，計(jì)算機(jī)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(guó)鐵道出版社，1997.

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[4]何 濤,范多旺,魏宗壽,等.鐵路車站信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2007(2).

[5]王增力,方亞非.全電子化計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)[J].鐵道通信信號(hào),2002(8).

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

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