全電子聯(lián)鎖在城市軌道交通工程中的應(yīng)用設(shè)計

李春明

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)目前已廣泛應(yīng)用于軌道交通工程中，常用的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)雖然邏輯運算部分采用計算機進(jìn)行，但是執(zhí)行部分還是采用繼電器組合方式[1]。國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用全電子聯(lián)鎖車站、在建線路越來越多[2]。

聯(lián)鎖系統(tǒng)是保障列車安全運行的核心基礎(chǔ)設(shè)備，本文對全電子聯(lián)鎖的特點，存在的問題解決方案進(jìn)行了研究探討，結(jié)合對比繼電聯(lián)鎖，全電子聯(lián)鎖在城市軌道交通工程中的應(yīng)用具有重要意義和實用價值。

1 結(jié)構(gòu)特點

全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是在既有計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成電子執(zhí)行單元子系統(tǒng)，實現(xiàn)了軌旁設(shè)備直驅(qū)直采的功能。系統(tǒng)采用硬件安全冗余結(jié)構(gòu)，并應(yīng)通過權(quán)威第三方SIL4級認(rèn)證。作為信號系統(tǒng)新一代聯(lián)鎖設(shè)備，全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)安全性高、體積小、功能強大、組網(wǎng)能力強，可為城市軌道交通自動化、信息化提供必要的基礎(chǔ)信息。全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)代表著信號聯(lián)鎖領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，是新一代信號控制的基礎(chǔ)核心技術(shù)。

2 方案設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)一般由聯(lián)鎖運算子系統(tǒng)、電子執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、人機界面子系統(tǒng)、維護(hù)子系統(tǒng)組成，其聯(lián)鎖運算子系統(tǒng)一般繼承了原有計算機聯(lián)鎖的功能以及通過安全網(wǎng)絡(luò)與ATP、ATO、ATS/CTC等外部子系統(tǒng)的通信接口。全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)一般架構(gòu)如圖1所示：

圖1 全電子聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)圖

2.2 模塊應(yīng)用

2.2.1 轉(zhuǎn)轍機

道岔單元采用二乘二取二的熱備冗余方式。道岔單元的主從CPU構(gòu)成取二安全性冗余關(guān)系，獨立收發(fā)、處理、執(zhí)行、反饋正反碼信息；控制通道和采集通道在硬件上設(shè)計為取二冗余并接受主從CPU共同控制。兩個道岔單元構(gòu)成乘二可靠性冗余關(guān)系。監(jiān)測CPU測量、記錄、上傳轉(zhuǎn)轍機動作電流和輸出功率。

直流四/六線制轉(zhuǎn)轍機接口包括轉(zhuǎn)轍機電源接口和轉(zhuǎn)轍機控制接口。直流四/六線制控制單元只需要一路單相220V交流電源，其容量是原來動作電源和表示電源之和。相較于繼電聯(lián)鎖設(shè)計，不再需要額外的動作電源，只需提供一路DJZ（F）220V，其容量是原來動作電源和表示電源之和。

交流五線制道岔控制單元接口包括道岔電源接口和轉(zhuǎn)轍機控制接口。交流五線制道岔控制器需要一路三相380V交流動作電源和一路220V交流表示電源。

道岔控制單元的動作電源和表示電源配線為工廠配線，工程設(shè)計配線只需由電源屏將動作電源、表示電源引到執(zhí)行機柜零層端子。

2.2.2 信號機

信號控制單元采用二乘二取二的熱備冗余方式。信號單元的主從CPU構(gòu)成取二安全性冗余關(guān)系，獨立收發(fā)、處理、執(zhí)行、反饋正反碼信息；控制通道和采集通道在硬件上設(shè)計為取二冗余并接受主從CPU共同控制。兩個信號單元構(gòu)成乘二可靠性冗余關(guān)系。監(jiān)測CPU實時測量、記錄、上傳各燈位的燈絲電流。

信號電源由電源屏引入到信號電源接口，信號控制線由信號機控制接口引到分線盤。信號單元的信號電源配線為工廠配線，工程設(shè)計配線只需由電源屏引一路信號電源到執(zhí)行機柜零層端子。

2.2.3 零散驅(qū)采接口

零散驅(qū)采對象主要包括站場間聯(lián)絡(luò)、站臺門、防淹門、試車線、扣車按鈕、緊停按鈕、折返按鈕、人員防護(hù)開關(guān)等。

零散驅(qū)采接口包括驅(qū)動電源接口、驅(qū)動接口、采集電源接口和采集接口。每個輸出通道都有獨立的驅(qū)動電源，每個輸出通道可以使用獨立的驅(qū)動電源也可以共用。各采集通道都是獨立的，采集電源可以獨立也可以共用。

2.3 問題研究及對策

2.3.1 防雷及接地

與繼電聯(lián)鎖有繼電器接口作為強隔離接口不同，全電子執(zhí)行模塊直接驅(qū)動采集室外轉(zhuǎn)轍機、信號等軌旁設(shè)備，存在外部雷擊、高壓浪涌沖擊、高壓混電、強磁類干擾的風(fēng)險，對模塊PCB板卡沖擊不易發(fā)現(xiàn)，較難定位，做好此類風(fēng)險防范是安全運用全電子聯(lián)鎖設(shè)備的關(guān)鍵。

（1）全電子模塊采用二乘二取二設(shè)計，在最不利的情況下，能夠保證故障導(dǎo)向安全，這是全電子執(zhí)行模塊的核心安全要素。

（2）除了信號傳輸線在分線盤或引入架處應(yīng)集中設(shè)置SPD[3]，各個外部設(shè)備，如站臺門、緊急停車按鈕、扣車按鈕、人員防護(hù)開關(guān)等，盡量采用上下行獨立空開控制供電，做到故障隔離。個別外部設(shè)備故障后，能控制影響范圍，快速維護(hù)并恢復(fù)使用。

2.3.2 站臺門接口設(shè)計

開門時，開門命令持續(xù)發(fā)送，直到收到站臺門反饋已完成開門動作后，切斷開門命令發(fā)送；關(guān)門時，關(guān)門命令持續(xù)發(fā)送，直到收到站臺門反饋關(guān)閉并鎖緊后，切斷關(guān)門命令發(fā)送。站臺門動作過程中，命令需持續(xù)有效。采用全電子執(zhí)行模塊替代繼電組合后，存在開關(guān)門命令無法持續(xù)輸出有效命令的問題[4]。

解決問題的核心是如何能實現(xiàn)命令持續(xù)輸出，實現(xiàn)途徑主要有：

（1）按繼電電路思路，通過外搭自保電路，保證命令持續(xù)有效。接口設(shè)計采用安全繼電器無源干接點，接口電氣回路采用雙切回路。此種方式技術(shù)上較為成熟，外部電路可參考繼電聯(lián)鎖電路，不易出現(xiàn)故障，但仍然需要用到繼電器，且需要單獨設(shè)計組合內(nèi)部電路及外部接口電路，維保方式與全電子執(zhí)行模塊差異較大。

（2）通過聯(lián)鎖主機持續(xù)輸出有效命令。部分聯(lián)鎖主機暫不支持持續(xù)輸出有效命令，理論上可通過修改聯(lián)鎖軟件實現(xiàn)該功能，鑒于聯(lián)鎖設(shè)計理念及修改軟件帶來的工作量及運行風(fēng)險，目前此種方式暫無落地實施案例。

3 全電子聯(lián)鎖與繼電聯(lián)鎖比較

3.1 繼電聯(lián)鎖

在繼電計算機聯(lián)鎖方案下，主用和備用安全計算單元都從同一個繼電器接收信息，但都基于各自主機進(jìn)行計算處理。聯(lián)鎖采集回路是由兩套（A/B）安全計算單元獨立進(jìn)行采集，A系采集繼電器的一組接點，同時采集前后接點。B系會采集該繼電器的另一組接點，也會同時采集前后兩個接點。兩套安全計算單元會同時輸出，把各自的命令都發(fā)送給同一個繼電器。聯(lián)鎖通過繼電器架和分線架接收其轄區(qū)內(nèi)設(shè)備（信號機、轉(zhuǎn)轍機、站臺門、緊急停車按鈕、扣車按鈕、人員防護(hù)開關(guān)、計軸區(qū)段等）的狀態(tài)。

3.2 區(qū)別和對比

從系統(tǒng)的安全性方面，全電子化計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)采用智能執(zhí)行單元，通過處理器對執(zhí)行單元的執(zhí)行情況進(jìn)行完全診斷，當(dāng)故障發(fā)生時，能主動采取安全措施，提高了系統(tǒng)的安全性[5]。

從系統(tǒng)的可靠性方面，電子執(zhí)行單元采用的是雙套冗余，當(dāng)電子執(zhí)行單元出現(xiàn)故障時，執(zhí)行單元能進(jìn)行自動切換，切換后系統(tǒng)不影響使用。在無人值守的車站，電子執(zhí)行單元出現(xiàn)故障后，會自動把報警信息發(fā)送到集中站的維修機上，提醒維修人員進(jìn)行維修。

從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性方面，采用全電子執(zhí)行單元以后，一個道岔執(zhí)行模塊就可以替代一個道岔組合，一個信號執(zhí)行模塊可以替代4架調(diào)車信號機的組合，同時采用機柜式安裝，集成化程度更高，因此在建設(shè)初期，可以減少房屋面積，減少建設(shè)期間的投資[6]。

從系統(tǒng)的可維護(hù)性方面，全電子化的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)采用全電子執(zhí)行單元，具備第三路獨立的通信通道，與獨立的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行通信，減少了外圍監(jiān)測設(shè)備。由監(jiān)測系統(tǒng)對電子執(zhí)行單元的運行狀態(tài)、執(zhí)行動作情況、各種電氣參數(shù)和曲線進(jìn)行記錄，記錄可以長期保存，并可以實現(xiàn)查看和回放記錄。

由于減少了組合架的使用，減少了電纜的數(shù)量，因此減少了接地、混線的故障概率[7]。執(zhí)行單元本身帶自檢功能，當(dāng)發(fā)生故障時能指示故障狀態(tài)，現(xiàn)場維護(hù)可以根據(jù)狀態(tài)指示進(jìn)行準(zhǔn)確提示、定位及維修維護(hù)，執(zhí)行單元采用方便維修更換的插卡方式，能在最短的時間內(nèi)完成更換作業(yè)。

從工程設(shè)計實施便利性方面，聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行層的部分由全電子化的執(zhí)行單元完成，工程設(shè)計只需要考慮分線盤的設(shè)計，全電子執(zhí)行內(nèi)部已經(jīng)包含了執(zhí)行部分對聯(lián)鎖的接口，減少內(nèi)部設(shè)計?，F(xiàn)場施工執(zhí)行單元部分的施工只需要布置地線、電源線、分線盤的接口電纜就可以，施工簡單且減少出錯。避免了組合架內(nèi)部和架間的復(fù)雜的配線，大大減輕了施工的工作量。

從靈活性方面，聯(lián)鎖系統(tǒng)與電子執(zhí)行單元之間采用的是網(wǎng)絡(luò)通信方式，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身就具備分布式控制的功能，適合具備非集中車站的線路，聯(lián)鎖主機設(shè)置在集中站，非集中車站只設(shè)置接口機和執(zhí)行單元。

如表1所示，全電子化的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)采用電子執(zhí)行單元替代了傳統(tǒng)的繼電器組合方式，整個系統(tǒng)采用的是網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)方式，具有減少建筑投資、簡化設(shè)計、施工簡單、維護(hù)簡便、擴(kuò)展靈活性等優(yōu)點，全電子聯(lián)鎖更適合城市軌道交通工程。

表1 全電子聯(lián)鎖和繼電聯(lián)鎖對比表

4 結(jié)束語

據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)具有全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)產(chǎn)品的自主廠家已超過6家，應(yīng)用全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的城市軌道交通工程的在建線路已超過10條。本文為全電子聯(lián)鎖在城市軌道交通工程中的應(yīng)用設(shè)計提供參考，后續(xù)可結(jié)合各地城市全電子聯(lián)鎖運行經(jīng)驗，優(yōu)化調(diào)整設(shè)計方案。