鐵路信號安全驅動實時檢測電路實現

羅東海

摘要：本文根據鐵路信號接口“故障導向安全”技術要求實現了電路實現和故障分析，同時在信號接口電路中引入“故障可用”設計原則以及故障實時檢測，為鐵路信號接口可靠性設計提供電路實現方法，具有較強的理論和實際指導意義。

關鍵詞：故障導向安全；信號接口；故障可用；故障檢測

1.概述

鐵路信號是鐵路信號系統或設備的簡稱，按應用場所不同可分為車站信號控制系統、編組站調車控制系統、區間信號控制系統、行車指揮控制系統及列車運行控制系統等，一般包括車站聯鎖、區間閉塞、機車信號、超速防護、調度監督、調度集中、調車場控制及道口信號等設備。鐵路信號設備作為列車控制的核心設備對設備可靠性和安全性都提出了苛刻的要求，設備的完整度需要達到SIL4。為了達到sil4的技術要求鐵路信號設備硬件采用硬件冗余架構（二乘二取二、三取二、雙機熱備等硬件冗余方式）軟件采用容錯和避錯技術。信號接口電路作為對外驅動執行電路（主要驅動信號機、道岔等）安全性及為重要，接口電路發生錯誤動作將導致信號升級等嚴重后果（列車追尾、側沖等）。

鐵路信號設備現階段的主要設計原則是故障導向安全，即設備故障后自動降級，這種設計原則雖然可以保證列車的安全運行但運行效率不高，鐵路信號接口驅動電路采用的就是故障導向安全設計原則，驅動電路（常落繼電器）故障后無法及時的發現故障需要到設備驅動輸出時才可檢測出故障并導向安全（不輸出或者降級）。

基于以上原因設計開發一種可以實現檢測電路故障狀態（驅動故障、繼電器線圈故障）和“故障可用”的信號接口電路十分有必要。

2.信號接口電路應用

鐵路信號接口電路主要應在計算機聯鎖、ZPW2000軌道電路、站間安全信息傳輸設備等涉及列車控制的行車設備上，驅動的負載為鐵路信號安全繼電器。現階段的在線使用的信號接口驅動電路設計實現全部采用了故障導向安全設計原則。

3.信號接口驅動電路原理

鐵路信號接口驅動電路采用故障導向安全的設計原則，鐵路信號接口驅動負責為信號安全繼電器，驅動電路的單一元器件故障后電路自動關閉輸出，主要的技術實現為采用動態方式驅動，提高電路的抗擾能力和可靠性。當驅動管故障后不會錯誤驅動。動態驅動分為電容型動態驅動和變壓器型驅動電路兩種實現方式。

電容型典型動態驅動電路工作原理：當驅動三極管為低電平時電源VCC通過D2給C1充電；當驅動三極管為高電平時C1通過D1和繼電器線圈放電；當驅動三極管以一定頻率驅動時，C1持續的進行充電電即可驅動繼電器變壓器型典型動態驅動電路工作原理：驅動三極管通過輸入PWM信號驅動變壓器實現能量轉換，變壓器次級線圈輸出通過二極管整流后驅動繼電器線圈。R1為限流電阻用于限制變壓器進入磁飽和后最大電流。

變壓器型動態電路和電容型動態驅動電路都可以實現故障導向安全，由于兩種電路硬件區別，在實際應用過程中需要加以區分。在實際應用過程中根據信號設備特點、驅動類型、功耗、體積、驅動頻率等考慮采用哪種電路實現方式。

4.信號接口驅動電路存在缺陷

信號接口驅動電路在繼電器是常落時無法實時的檢測驅動電路故障，在需要輸出電路已經發生故障無法正常驅動，導致系統降級影響行車效率。驅動電路故障檢測電路如下：

當驅動電路處于工作狀態，繼電器驅動，繼電器節點導通、光耦可以回檢到繼電器吸啟，說明驅動正常。但此電路只有在驅動電路工作時才可以正常測試驅動電路是否故障。

電路缺陷分析：

1.信號接口驅動電路只要在工作時才可以正常測試驅動電路是否故障，驅動關閉時電路故障無法及時檢測發現故障暴露時間過長，大大的降低了系統可靠性當驅動電路工作時已經無法正常驅動繼電器，導致系統降級甚至故障影響行車效率；

2.此電路只是實現了故障導向安全，沒有硬件冗余備份當驅動管故障后此電路即失效，無法實現故障可用；

3.此電路無法實現檢測繼電器連線可靠性（如發生斷線或者短路無法發現）。

5 改進型信號接口驅動電路

為了克服信號接口驅動電路的以上缺陷，需要對電路進行優化改進，增加驅動電路實時監測功能和硬件備份實現驅動電路故障可用。

改進型電路特點：

1.驅動管Q1Q2電源為相互獨立電源，正常情況下只有驅動Q1工作，Q2處于關閉狀態

2.驅動管輸入連個頻率PWM，正常驅動時為一個占空比（50%），關閉時為一個占空比（2%）

3.在關閉時由于輸出的占空比很小（2%）驅動的電壓很小不足以驅動繼電器，驅動線圈會有一個很微弱的測試u安級別電流，高精度的電流傳感器可以檢測到，用以標識驅動電路正常

4.若在關閉時驅動Q1的電流傳感器無法檢測到電路切換至Q2工作；若Q2電流傳感器可以正常檢測到測試電流則確認驅動一路故障；若Q2也無法檢測到則認為線纜斷線

5.如檢測到電流過大則認為線圈接線短路。

該電路主要特點為電路增加了硬件冗余解決了驅動故障可用、通過增加一個微弱的測試電流可以實現驅動電路的實時檢測，減少了電路故障暴露時間，提高了設備可靠性以及提升了設備可維護性。

6結束語

鐵路信號接口電路在鐵路信號系統重要組成部分，基于現場多年的維護經驗，現場信號設備故障大部分發生在接口電路（驅動板、采集板、防雷板等）經過優化后的信號接口驅動電路大大提高了可維護性和可靠性，在鐵路信號設備系統中具有較大應用價值。此電路實現方法不止使用鐵路同樣使用于工業安全控制系統。

（作者單位：南京泰通科技股份有限公司）