城市軌道交通工程中應(yīng)用探究
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摘要：全電子聯(lián)鎖是聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向，在城市軌道交通工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛；文章針對(duì)全電子聯(lián)鎖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)具體模塊分析工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)，總結(jié)工程設(shè)計(jì)過(guò)程中難點(diǎn)與問(wèn)題，提出相應(yīng)的對(duì)策；從安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性、工程設(shè)計(jì)實(shí)施便利性、靈活性等方面與既有聯(lián)鎖對(duì)比，全電子聯(lián)鎖有全面的優(yōu)勢(shì)；全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)在城市軌道交通工程中具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：城市軌道交通；全電子聯(lián)鎖；應(yīng)用設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)雖然邏輯運(yùn)算部分采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行，但是執(zhí)行部分還是采用繼電器組合方式[1]。國(guó)內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用全電子聯(lián)鎖車(chē)站、在建線路越來(lái)越多[2]。聯(lián)鎖系統(tǒng)是保障列車(chē)安全運(yùn)行的核心基礎(chǔ)設(shè)備，本文對(duì)全電子聯(lián)鎖的特點(diǎn)，存在的問(wèn)題解決方案進(jìn)行了研究探討，結(jié)合對(duì)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(shí)用價(jià)值。
1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是在既有計(jì)算機(jī)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(shí)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(guò)權(quán)威第三方SIL4級(jí)認(rèn)證。作為信號(hào)系統(tǒng)新一代聯(lián)鎖設(shè)備，全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)安全性高、體積小、功能強(qiáng)大、組網(wǎng)能力強(qiáng)，可為城市軌道交通自動(dòng)化、信息化提供必要的基礎(chǔ)信息。全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)代表著信號(hào)聯(lián)鎖領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，是新一代信號(hào)控制的基礎(chǔ)核心技術(shù)。
2方案設(shè)計(jì)
2.1總體設(shè)計(jì)
全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)一般由聯(lián)鎖運(yùn)算子系統(tǒng)、電子執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、人機(jī)界面子系統(tǒng)、維護(hù)子系統(tǒng)組成，其聯(lián)鎖運(yùn)算子系統(tǒng)一般繼承了原有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的功能以及通過(guò)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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)一般架構(gòu)如圖1所示：
2.2模塊應(yīng)用
2.2.1轉(zhuǎn)轍機(jī)。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(dú)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(jì)為取二冗余并接受主從CPU共同控制。兩個(gè)道岔單元構(gòu)成乘二可靠性冗余關(guān)系。監(jiān)測(cè)CPU測(cè)量、記錄、上傳轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流和輸出功率。直流四/六線制轉(zhuǎn)轍機(jī)接口包括轉(zhuǎn)轍機(jī)電源接口和轉(zhuǎn)轍機(jī)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(lái)動(dòng)作電源和表示電源之和。相較于繼電聯(lián)鎖設(shè)計(jì)，不再需要額外的動(dòng)作電源，只需提供一路DJZ（F）220V，其容量是原來(lái)動(dòng)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(jī)控制接口。交流五線制道岔控制器需要一路三相380V交流動(dòng)作電源和一路220V交流表示電源。道岔控制單元的動(dòng)作電源和表示電源配線為工廠配線，工程設(shè)計(jì)配線只需由電源屏將動(dòng)作電源、表示電源引到執(zhí)行機(jī)柜零層端子。2.2.2信號(hào)機(jī)。信號(hào)控制單元采用二乘二取二的熱備冗余方式。信號(hào)單元的主從CPU構(gòu)成取二安全性冗余關(guān)系，獨(dú)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(jì)為取二冗余并接受主從CPU共同控制。兩個(gè)信號(hào)單元構(gòu)成乘二可靠性冗余關(guān)系。監(jiān)測(cè)CPU實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄、上傳各燈位的燈絲電流。信號(hào)電源由電源屏引入到信號(hào)電源接口，信號(hào)控制線由信號(hào)機(jī)控制接口引到分線盤(pán)。信號(hào)單元的信號(hào)電源配線為工廠配線，工程設(shè)計(jì)配線只需由電源屏引一路信號(hào)電源到執(zhí)行機(jī)柜零層端子。2.2.3零散驅(qū)采接口零散驅(qū)采對(duì)象主要包括站場(chǎng)間聯(lián)絡(luò)、站臺(tái)門(mén)、防淹門(mén)、試車(chē)線、扣車(chē)按鈕、緊停按鈕、折返按鈕、人員防護(hù)開(kāi)關(guān)等。零散驅(qū)采接口包括驅(qū)動(dòng)電源接口、驅(qū)動(dòng)接口、采集電源接口和采集接口。每個(gè)輸出通道都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，每個(gè)輸出通道可以使用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源也可以共用。各采集通道都是獨(dú)立的，采集電源可以獨(dú)立也可以共用。
2.3問(wèn)題研究及對(duì)策
2.3.1防雷及接地。與繼電聯(lián)鎖有繼電器接口作為強(qiáng)隔離接口不同，全電子執(zhí)行模塊直接驅(qū)動(dòng)采集室外轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)等軌旁設(shè)備，存在外部雷擊、高壓浪涌沖擊、高壓混電、強(qiáng)磁類(lèi)干擾的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)模塊PCB板卡沖擊不易發(fā)現(xiàn)，較難定位，做好此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)防范是安全運(yùn)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(jì)，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(hào)傳輸線在分線盤(pán)或引入架處應(yīng)集中設(shè)置SPD[3]，各個(gè)外部設(shè)備，如站臺(tái)門(mén)、緊急停車(chē)按鈕、扣車(chē)按鈕、人員防護(hù)開(kāi)關(guān)等，盡量采用上下行獨(dú)立空開(kāi)控制供電，做到故障隔離。個(gè)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(tái)門(mén)接口設(shè)計(jì)。開(kāi)門(mén)時(shí)，開(kāi)門(mén)命令持續(xù)發(fā)送，直到收到站臺(tái)門(mén)反饋已完成開(kāi)門(mén)動(dòng)作后，切斷開(kāi)門(mén)命令發(fā)送；關(guān)門(mén)時(shí)，關(guān)門(mén)命令持續(xù)發(fā)送，直到收到站臺(tái)門(mén)反饋關(guān)閉并鎖緊后，切斷關(guān)門(mén)命令發(fā)送。站臺(tái)門(mén)動(dòng)作過(guò)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(kāi)關(guān)門(mén)命令無(wú)法持續(xù)輸出有效命令的問(wèn)題[4]。解決問(wèn)題的核心是如何能實(shí)現(xiàn)命令持續(xù)輸出，實(shí)現(xiàn)途徑主要有：（1）按繼電電路思路，通過(guò)外搭自保電路，保證命令持續(xù)有效。接口設(shè)計(jì)采用安全繼電器無(wú)源干接點(diǎn)，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(dú)設(shè)計(jì)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(guò)聯(lián)鎖主機(jī)持續(xù)輸出有效命令。部分聯(lián)鎖主機(jī)暫不支持持續(xù)輸出有效命令，理論上可通過(guò)修改聯(lián)鎖軟件實(shí)現(xiàn)該功能，鑒于聯(lián)鎖設(shè)計(jì)理念及修改軟件帶來(lái)的工作量及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，目前此種方式暫無(wú)落地實(shí)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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖方案下，主用和備用安全計(jì)算單元都從同一個(gè)繼電器接收信息，但都基于各自主機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理。聯(lián)鎖采集回路是由兩套（A/B）安全計(jì)算單元獨(dú)立進(jìn)行采集，A系采集繼電器的一組接點(diǎn)，同時(shí)采集前后接點(diǎn)。B系會(huì)采集該繼電器的另一組接點(diǎn)，也會(huì)同時(shí)采集前后兩個(gè)接點(diǎn)。兩套安全計(jì)算單元會(huì)同時(shí)輸出，把各自的命令都發(fā)送給同一個(gè)繼電器。聯(lián)鎖通過(guò)繼電器架和分線架接收其轄區(qū)內(nèi)設(shè)備（信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、站臺(tái)門(mén)、緊急停車(chē)按鈕、扣車(chē)按鈕、人員防護(hù)開(kāi)關(guān)、計(jì)軸區(qū)段等）的狀態(tài)。
3.2區(qū)別和對(duì)比
從系統(tǒng)的安全性方面，全電子化計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用智能執(zhí)行單元，通過(guò)處理器對(duì)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(shí)，能主動(dòng)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(shí)，執(zhí)行單元能進(jìn)行自動(dòng)切換，切換后系統(tǒng)不影響使用。在無(wú)人值守的車(chē)站，電子執(zhí)行單元出現(xiàn)故障后，會(huì)自動(dòng)把報(bào)警信息發(fā)送到集中站的維修機(jī)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(gè)道岔執(zhí)行模塊就可以替代一個(gè)道岔組合，一個(gè)信號(hào)執(zhí)行模塊可以替代4架調(diào)車(chē)信號(hào)機(jī)的組合，同時(shí)采用機(jī)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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用全電子執(zhí)行單元，具備第三路獨(dú)立的通信通道，與獨(dú)立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信，減少了外圍監(jiān)測(cè)設(shè)備。由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電子執(zhí)行單元的運(yùn)行狀態(tài)、執(zhí)行動(dòng)作情況、各種電氣參數(shù)和曲線進(jìn)行記錄，記錄可以長(zhǎng)期保存，并可以實(shí)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(shí)能指示故障狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間內(nèi)完成更換作業(yè)。從工程設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)只需要考慮分線盤(pán)的設(shè)計(jì)，全電子執(zhí)行內(nèi)部已經(jīng)包含了執(zhí)行部分對(duì)聯(lián)鎖的接口，減少內(nèi)部設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)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(pán)的接口電纜就可以，施工簡(jiǎn)單且減少出錯(cuò)。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(chē)站的線路，聯(lián)鎖主機(jī)設(shè)置在集中站，非集中車(chē)站只設(shè)置接口機(jī)和執(zhí)行單元。如表1所示，全電子化的計(jì)算機(jī)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(gè)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)、施工簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)便、擴(kuò)展靈活性等優(yōu)點(diǎn)，全電子聯(lián)鎖更適合城市軌道交通工程。
4結(jié)束語(yǔ)
據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)具有全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)產(chǎn)品的自主廠家已超過(guò)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(guò)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(jì)提供參考，后續(xù)可結(jié)合各地城市全電子聯(lián)鎖運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)方案。
作者:李春明 單位:廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司
