信号联锁控制系统是为保证行车安全、提高行车效率和改善劳动条件而设置的系统, 其经历了从机械联锁、电气集中联锁到计算机联锁控制的发展过程[1]。近年来, 随着信息技术的飞速发展, 计算机联锁在技术上已日趋成熟。目前国内的计算机联锁系统, 大都是从继电电气集中联锁系统过渡发展起来的, 实际上是一种计算机联锁、继电器执行的系统。但是继电电路结构复杂、占用空间大、需要定期维修, 而且继电电路仅具有执行功能, 不含有监测功能, 需要单独增加微机监测系统。现有的微机监测系统的采集器距离待监测设备较远, 影响了监测的稳定性和精度, 同时增加了安装、维护的成本。
随着计算机技术、信息技术和电力电子技术的飞速发展, 研究设计全电子驱动单元取代继电器电路的智能化、控制和监测一体化的全电子计算机联锁系统是必然趋势。
1 全电子计算机联锁系统结构
全电子计算机联锁系统是一个多层次的分布式控制系统, 如图1所示。
最上级包括人机接口 (MMI) 和系统维护台。MMI采用“N+1热备”的工业控制PC机作为人机接口。软件平台采用实时多任务操作系统“N+1热备”的MMI确保操作显示层的高可靠性和高扩展能力, 可方便地应用于大站或区域联锁车站。M M I采用GUI的多窗口界面, 表示明确, 操作简单, 功能扩展方便。
系统维护台, 实现基于图形化和数据库的电子向导式诊断维护功能 (包含微机监测功能) , 包括全电子联锁系统运行状态信息、硬件诊断信息、值班员操作内容、时间顺序和次数信息、为电务维护人员提供必要的维护帮助信息、以及模拟量监测记录信息等。
第二级是联锁处理子系统。联锁处理子系统在一般的“二乘二取二”硬件冗余结构的基础上, 采用NISAL专利技术, 增加了独立的“故障-安全”校验用CPU模块, 使系统比一般的“二取二”具有更高的安全性。联锁处理子系统的系统功能、可靠性、可维护性、带载能力及抗干扰能力等方面, 均满足铁道部相关标准和现场的实际需要。
第三级是全电子驱动子系统, 全电子驱动子系统是全电子计算机联锁系统的执行电路, 用以取代继电接口电路, 实现全电子计算机联锁系统对室外设备的控制和采集功能。全电子驱动子系统采用全电子、模块化设计, 根据信号机、转辙机和轨道电路等不同的控制和采集对象可分为信号机模块、转辙机模块、轨道电路模块和其他模块等, 每个模块相对独立, 这些模块经过防雷柜、分线盘后与室外设备相连。全电子驱动子系统具有命令执行、表示采集、模拟量监测和故障诊断等功能。将灯丝电流、道岔动作电流等模拟量采集功能也纳入其中, 实现了微机监测系统对现场信号的采集和处理功能。全电子驱动子系统提供标准通信接口, 可将信息传至联锁处理子系统。
2 全电子驱动单元的监测功能
铁路信号微机监测系统是保证行车安全、加强信号设备结合部管理、监测信号设备状态、发现信号设备隐患、分析信号设备故障原因、辅助故障处理、指导现场维修、反映设备运用质量、提高电务部门维护水平和维护效率的重要行车设备。微机监测系统的监测范围包括联锁、闭塞、列控、驼峰、TDCS/CTC和电源屏等信号设备。
全电子计算机联锁系统的监测功能设计是否合理、使用是否稳定, 是全电子计算机联锁系统正常运转的重要保障。与传统联锁系统单独增加微机监测系统有所不同, 全电子计算机联锁系统的监测功能集成在驱动单元内部, 通过驱动单元内部的处理器芯片与相关传感器及调理电路实现功能, 包括CPU状态的监测, 模拟信息的采集、分析和保存, 并通过网络将信息传输给联锁处理子系统和系统维护台, 由维护台对数据进行分析和显示。
根据全电子驱动模块的功能, 可将全电子驱动模块分为信号机驱动采集模块、道岔驱动采集模块和轨道电路采集模块等, 现分别对这些模块的监测功能进行介绍。
2.1 信号机驱动采集模块
目前国内的信号机主要有两种, 一种是普通的透镜式信号机, 其工作电源为220V/50Hz, 通过信号机内部的变压器降压, 获得点灯所需的低压交流电压;另一种是LED信号机, 其工作电源为110V/50Hz, 也是通过信号机自带的变压器降压, 二极管整流, 获得点灯所需的低压直流电压。在计算机联锁系统中, 仍保留了继电联锁系统中的点灯电路, 通过信号继电器来直接控制交流220V/110V电源, 由继电器本身的故障非对称性来保证安全点灯。同时, 在点灯电路中串接灯丝监督继电器, 靠继电器的励磁来检测灯丝状态, 确保信号点灯电路的安全性。
现有的微机监测系统通过和计算机联锁系统通信获得, 或通过开关量采集器获得灯丝继电器的开关量状态, 至于信号机回路的电流, 则通过增加信号机回路电流采集器来获得。《铁路信号微机监测系统技术条件 (2006版) 》[2]中规定, 信号机回路电流的监测量程为0~200mA, 精度为±2%, 监测方式为周期巡测 (周期≤2s) , 变化测。
全电子信号机驱动采集模块就是省掉原来控制交流220V/110V电源通断的信号继电器, 以及检测灯丝状态的灯丝监督继电器, 将全电子信号机驱动采集模块的输出直接通过机械室的防雷柜和室外分线盘后, 与室外设备相连, 达到节省设备占地空间、方便维修、提升系统自动化程度的目的。
根据计算机联锁技术条件[3], 全电子信号机驱动采集模块应该具备以下功能指标。
满足既有信号控制电路、信号点灯电路技术条件;信号机的允许灯光因故熄灭时, 自动改点禁止灯光;禁止灯光灭灯时, 不许开放允许信号;不允许信号机给出乱显示;在规定的时间内与联锁机通信中断, 应改点禁止灯光;信号模块内部的故障后, 应及时改点禁止灯光;能够采集到点灯回路的电流, 并依据电流值来判断信号机的状态, 给出类似灯丝监督继电器的状态表示, 该信息是安全信息;完善的闭环检测功能, 保证系统中相关部件出现故障后能及时给出报警。因此, 全电子信号机驱动采集模块中, 需在点灯电路中增加点灯回路的电流检测电路, 点灯电路的电流、连同模块自身的工作状态和报警信息等, 一起发给联锁处理子系统, 进而发给系统维护台。
2.2 道岔驱动采集模块
目前国内主要的道岔控制表示电路有四线制道岔控制表示电路, 其控制的道岔包括ZD6型直流220V电动道岔等;五线制道岔控制表示电路, 其控制的道岔包括S700K和ZYJ7型交流380V电动道岔等。以替代四线制道岔控制表示电路的全电子道岔驱动采集模块为例, 介绍全电子道岔驱动采集模块的监测功能。四线制道岔控制表示电路中分别接有定位表示继电器DBJ和反位表示继电器FBJ来表示道岔处于定位、反位或非工作状态;定位操纵继电器DCJ、反位操纵继电器FCJ以及第一道岔启动继电器1DQJ和第二道岔启动继电器2DQJ来启动道岔由反位向定位或由定位向反位的动作, 锁闭继电器SJ来控制道岔的锁闭。
现有的微机监测系统通过和计算机联锁系统通信获得, 或通过开关量采集器来获得上述开关量的状态。至于道岔转辙机电流, 以及道岔表示电压的监测, 则需要增加专门的道岔电流采集器和道岔表示电压采集器来获得。《铁路信号微机监测系统技术条件 (2006版) 》中规定:直流道岔转辙机的监测内容:道岔转换过程中转辙机动作电流、故障电流、动作时间;监测点为动作回线;监测量程为电流:0A~10A (单机) , 动作时间:0s~40s (单机) ;测量精度为电流±3%, 时间≤0.1s;测试方式根据1DQJ条件进行连续测试。
直流道岔表示电压监测内容:道岔表示交、直流电压;监测点为分线盘道岔表示线;监测量程为DC:0~100V, AC:0~200V;监测精度为±1%;测量方式为站机周期巡测 (周期≤2s) ;变化测。
四线制道岔全电子驱动采集模块就是省掉原来控制道岔电源通断的继电器如DCJ、FCJ、1DQJ和2DQJ等, 和锁闭继电器SJ、以及道岔表示继电器DBJ和FBJ等, 将四线制道岔全电子驱动采集模块的输出直接通过机械室的防雷柜和室外分线盘后, 与室外设备相连, 达到节省设备占地空间、方便维修、提升系统自动化程度的目的。
根据计算机联锁技术条件, 四线制道岔全电子驱动采集模块应该具备以下功能指标。
四线制道岔全电子驱动采集模块应能采集道岔位置信息——定位、反位或非工作状态, 该信息是开关量, 类似于DBJ、FBJ, 是安全信息;四线制道岔全电子驱动采集模块应能输出3个控制信息来控制道岔转辙机的运行, 类似于DCJ、FCJ和SJ;四线制道岔全电子驱动采集模块能够采集转辙机动作电流和动作时间;四线制道岔全电子驱动采集模块能够采集道岔表示交、直流电压;当道岔处于不密贴位置时, 严禁出现定位或反位表示;而发生道岔挤岔时, 应处于无表示状态;道岔在任一种锁闭状态下都不能启动, 这种锁闭包括区段锁闭和进路锁闭;道岔一经启动, 不论其所在的区段轨道电路故障或有车进入轨道区段, 均应继续转换到底;道岔因故被阻不能转换到底时, 当所在区段无车占用时, 对非调度集中操纵的道岔, 应保证经操纵后转换到原位, 对调度集中操纵的道岔, 应自动切断供电电路, 停止转换;电机电路发生故障时, 道岔不应再转换;道岔转换完毕后, 应自动切断启动电路。
因此, 四线制道岔全电子驱动采集模块中, 需要增加开关量采集电路, 获得道岔的定位、反位信息, 以及定位操纵、反位操纵和锁闭控制信息的状态;还需增加电流检测电路, 采集输出回路电流值;同时还需增加电压采集电路, 获得道岔表示的交直流电压。全电子驱动模块将开关量状态、电流值和道岔表示电压值、连同模块自身的工作状态和报警信息等, 一起发给联锁处理子系统, 进而发给系统维护台。
2.3 轨道电路驱动采集模块
目前国内轨道电路的制式较为复杂, 其中比较常用的有工频交流连续式轨道电路和25Hz相敏轨道电路等, 但无论哪种轨道电路, 最终都是由电子电路驱动一个安全型轨道继电器, 由轨道继电器节点的吸起或落下, 来判断轨道是否完整。
现有的微机监测系统通过和计算机联锁系统通信直接获得, 或通过开关量采集器来获得轨道继电器开关量状态, 至于轨道电路电压, 则通过增加轨道电路电压采集器来获得。以工频交流连续式轨道电路为例, 《铁路信号微机监测系统技术条件 (2006版) 》中规定, 工频交流连续式轨道电路监测内容为轨道继电器交流电压、直流电压;监测点为轨道继电器端及分线盘。监测量程为AC:0~40V、DC:0~40V;测量精度为±1%;测试方式为站机周期巡测 (周期≤2s) ;变化测。采样速率:250ms。
全电子轨道电路采集模块就是用全电子模块来替代原来的轨道继电器, 作为轨道电路的接收设备, 实时检测现场轨道电路的状态, 达到节省设备占地空间、方便维修、提升系统自动化程度的目的。
根据计算机联锁技术条件, 全电子轨道电路采集模块应该具备以下功能指标:能够实时检测轨道接收端的状态, 给出类似轨道继电器状态的开关量表示, 该信息是安全信息;能够采集到轨道电路的交直流电压, 并能够发送给联锁系统;完善的闭环检测功能, 保证系统中相关部件出现故障后能及时给出报警。
因此, 全电子轨道采集模块中, 需在轨道电路接收端增加检测轨道电路状态的模块、轨道交直流电压测量模块、连同模块自身的工作状态和报警信息等, 一起发给联锁处理子系统, 进而发给系统维护台。
3 结语
全电子计算机联锁系统是新一代联锁设备, 系统采用先进的计算机技术、电力电子技术, 利用全电子模块来替代继电驱动电路, 实现了全部电子化的铁路信号计算机联锁控制系统。全电子计算机联锁系统具有微型化、智能化、集监测与控制于一体等优点, 是铁路信号联锁系统的发展方向。
摘要：介绍了一种全电子计算机联锁系统的结构, 并详细阐述了系统中信号机、道岔转辙机和轨道电路等全电子驱动单元的微机监测功能。
关键词：全电子,计算机联锁,微机监测
参考文献
[1] 吴汶麒.国外铁路信号新技术[M].北京:中国铁道出版社, 2000, 9.
[2] 铁路信号微机监测系统技术条件 (2006版) .
[3] TB/T3027—2002.计算机联锁技术条件.