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中低速磁浮信號與道岔接口方案對比分析

2021-12-10 10:22張寶華
鐵道建筑技術(shù) 2021年11期
關(guān)鍵詞:控制柜道岔繼電器

張寶華

(中鐵磁浮交通投資建設有限公司 湖北武漢 430060)

1 引言

隨著軌道交通形式和市場需求的多樣化,中低速磁浮交通在國內(nèi)得到越來越多的應用,國內(nèi)已開通運營的項目包括北京磁浮S1線和長沙磁浮快線[1],正在建設的項目包括清遠磁浮旅游專線和鳳凰磁浮文化旅游線。

中低速磁浮道岔為整體軌道梁移動方式,由垛梁、關(guān)節(jié)軌道梁、驅(qū)動裝置和鎖定裝置、控制系統(tǒng)等構(gòu)成[2-3](見圖1),與輪軌交通的道岔區(qū)別較大。道岔可通過自身的控制系統(tǒng)現(xiàn)地人工操作,也可通過與信號聯(lián)鎖系統(tǒng)接口,實現(xiàn)遠程集中控制。

圖1 中低速磁浮關(guān)節(jié)型軌道梁道岔

基于中低速磁浮道岔的特點,中低速磁浮信號聯(lián)鎖系統(tǒng)對磁浮道岔控制方式與輪軌道岔有著較大區(qū)別[4]。正常情況下,信號聯(lián)鎖系統(tǒng)通過接口下達道岔動作命令、接收道岔表示信息等[5];道岔系統(tǒng)負責接收信號動作指令,控制道岔的轉(zhuǎn)轍、反饋道岔位置信息等。在運營維護或者故障情況下,道岔可轉(zhuǎn)為現(xiàn)地人工控制,雙方通過接口電路實現(xiàn)請權(quán)、授權(quán)、安全監(jiān)督等過程。部分項目會將道岔運行狀態(tài)監(jiān)測信息通過通信接口納入信號集中監(jiān)測系統(tǒng)集中管理[6]。

本文以國內(nèi)已實施中低速磁浮項目為案例,分析案例中接口設計方案的特點和差異,取長補短,為其他同類項目的設計方案優(yōu)化奠定基礎。

2 案例A道岔接口方案分析

2.1 接口概述

案例A信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)的接口電路采用典型繼電器硬線接口方式,雙方接口信息相對較少,具體接口信息見圖2。道岔控制柜端接口電路和控制電路均采用鐵路信號安全型繼電器。

圖2 案例A-信號與道岔接口信息示意

案例A道岔控制模式主要包括集中控制模式、現(xiàn)地控制模式[7]和維修模式。接口電路主要包括道岔動作接口部分、表示接口部分和控制模式轉(zhuǎn)換接口部分。

2.2 動作和表示接口

案例A道岔動作接口方案原理見圖3所示。

圖3 案例A-道岔動作接口示意

案例A道岔動作和表示接口方案主要設計特點如下:

(1)道岔定位操作(DCJ)、反位操作(FCJ)指令在檢查聯(lián)鎖允許操作(YCJ)、道岔區(qū)段空閑(GJ)條件后,通過接口電路傳遞至道岔控制柜端,直接啟動道岔轉(zhuǎn)換。

(2)通過現(xiàn)地道岔位置檢測行程開關(guān)接點構(gòu)成現(xiàn)地道岔表示繼電器回路,再由現(xiàn)地道岔表示繼電器接點將道岔表示信息傳遞給信號聯(lián)鎖系統(tǒng)。

2.3 控制模式轉(zhuǎn)換接口

案例A道岔控制模式轉(zhuǎn)換接口方案原理見圖4。

圖4 案例A-道岔模式接口示意

案例A模式轉(zhuǎn)換接口方案主要設計特點如下:

(1)電路僅完成集中控制模式和現(xiàn)地控制模式之間轉(zhuǎn)換和狀態(tài)表示,道岔“維修模式”與聯(lián)鎖系統(tǒng)沒有接口,相關(guān)安全由人工保證。

道岔轉(zhuǎn)換為“現(xiàn)地控制模式”時電路執(zhí)行過程:現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)閉合→現(xiàn)地請求繼電器QQJ↓→室內(nèi)請求繼電器QQJ↓→聯(lián)鎖采集請求信息→控制臺人工確認→聯(lián)鎖驅(qū)動室內(nèi)同意繼電器TYJ↑→現(xiàn)地同意繼電器JTYJ↑→現(xiàn)地模式狀態(tài)繼電器JTYJa↑并自保→室內(nèi)JTYJa↑→聯(lián)鎖采集JTYJa信息→室內(nèi)TYJ↓→現(xiàn)地JTYJ↓→系統(tǒng)進入現(xiàn)地模式。

道岔恢復“集中控制模式”時電路執(zhí)行過程:現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開→現(xiàn)地JTYJa↓/現(xiàn)地QQJ↑→室內(nèi)JTYJa↓/室內(nèi)QQJ↑→系統(tǒng)恢復集中控制模式。

(2)現(xiàn)地模式狀態(tài)繼電器(JTYa)設置在道岔控制柜端,集中模式下為落下狀態(tài),現(xiàn)地模式時吸起。JTYa吸起后,由現(xiàn)地JTYa接點切斷道岔動作指令接口電路?,F(xiàn)地JTYa信息通過接口復示至信號聯(lián)鎖系統(tǒng)。

3 案例B道岔接口方案分析

3.1 接口概述

案例B信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)的接口電路同樣采用典型繼電器硬線接口方式,但雙方交換的接口信息相對較多,具體接口信息見圖5所示。道岔控制柜端內(nèi)接口電路采用鐵路信號安全型繼電器,其他控制電路采用歐姆龍小型安全繼電器。

圖5 案例B-道岔接口信息示意

案例B道岔控制模式除通常的集中控制模式和現(xiàn)地控制模式外,還包括現(xiàn)地強控模式和IBP應急控制模式。接口電路主要包括道岔啟動控制接口部分、表示接口部分、控制模式轉(zhuǎn)換接口部分、IBP盤應急控制接口部分。

3.2 啟動控制接口

案例B道岔啟動控制接口方案原理見圖6。

圖6 案例B-道岔啟動控制接口示意

案例B道岔啟動控制接口方案主要設計特點如下:

(1)道岔啟動控制接口參考輪軌道岔接口電路和技術(shù)原則,道岔動作指令經(jīng)過多級啟動電路傳遞至道岔控制柜端,實現(xiàn)多項道岔控制技術(shù)條件的檢查。

道岔啟動電路執(zhí)行過程:聯(lián)鎖系統(tǒng)驅(qū)動定操繼電器DCJ/反操繼電器FCJ↑→檢查道岔區(qū)段空閑GJ↑/道岔未鎖閉SFJ↑→1道岔啟動繼電器1DQJ↑并自保→2道岔啟動繼電器2DQJ轉(zhuǎn)極→動作指令傳遞給道岔端中位操作繼電器NCJ/右位操作繼電器RCJ↑→道岔開始轉(zhuǎn)轍。

1DQJ 3-4線圈,負責接收聯(lián)鎖“定操”、“反操”指令,檢查道岔區(qū)未鎖閉聯(lián)鎖條件,實現(xiàn)“道岔處于鎖閉狀態(tài)時道岔不能轉(zhuǎn)換”的道岔控制技術(shù)原則[8]。1DQJ 1-2線圈負責自保和啟動電路切斷。

道岔啟動電路中2DQJ,利用其極性保持特性將道岔動作指令不間斷傳遞給道岔端,而非由DCJ/FCJ直接傳遞給道岔端,實現(xiàn)“道岔一經(jīng)啟動即使有車進入也繼續(xù)轉(zhuǎn)換到底”、“道岔在所需的位置時道岔操作指令不會傳給道岔控制系統(tǒng)”的技術(shù)原則。

(2)聯(lián)鎖系統(tǒng)的鎖閉防護繼電器(SFJ),除用于常規(guī)的安全檢查外,還通過接口電路遠程控制道岔控制柜端道岔動作電源的接通和斷開,實現(xiàn)“道岔轉(zhuǎn)轍完成后切斷道岔控制柜動作電源”的技術(shù)原則。

(3)設置啟動切斷繼電器(QDJ),負責實現(xiàn)“道岔啟動電路動作后因故無法轉(zhuǎn)換時,應切斷啟動電路”的技術(shù)原則。

在1DQJ吸起后,接通包括阻容RC和QDJ線圈的回路,通過電容C和電阻R規(guī)格選擇,控制回路放電時間,從而控制QDJ吸起時間約6.5 s,與道岔解鎖時間4.5~5 s相匹配。電路中的監(jiān)督繼電器(JDJ)在道岔梁開始移動時吸起,道岔梁移動到位后落下。在道岔解鎖時間內(nèi),道岔失去表示,JDJ落下,QDJ自保電路不會構(gòu)成,由電容C放電保持QDJ吸起,道岔解鎖完成、道岔梁開始移動后,JDJ吸起,QDJ自?;芈窐?gòu)成,直至道岔梁移動到位、JDJ落下。如在6.5 s時間內(nèi),JDJ未能吸起,則判斷道岔未能按指令動作,QDJ落下,切斷1QDJ自保電路,從而切斷動作指令傳遞到道岔端。

3.3 表示接口

案例B道岔表示接口方案主要設計特點如下:

(1)信號聯(lián)鎖端道岔位置表示繼電器直接通過檢測道岔位置的冗余行程開關(guān)接點構(gòu)成接口回路[9],減少了現(xiàn)地設置表示中繼電器的環(huán)節(jié)。

(2)設置監(jiān)督繼電器(JDJ),通過轉(zhuǎn)轍電機搖臂基座上的行程開關(guān)檢測道岔梁的啟動和到位,用于判斷道岔在動作指令發(fā)出后是否因故未啟動,并在道岔故障時通過相關(guān)電路中止道岔啟動電路。

3.4 控制模式轉(zhuǎn)換接口

案例B道岔模式轉(zhuǎn)換接口方案原理見圖7。

圖7 案例B-道岔模式轉(zhuǎn)換接口示意

案例B道岔模式轉(zhuǎn)換接口方案主要設計特點如下:

(1)道岔由集中控制模式轉(zhuǎn)換至現(xiàn)地控制模式,除常規(guī)的請求和授權(quán)過程外,要求聯(lián)鎖先對道岔進行“封閉”操作后,才能使“同意授權(quán)”按鈕。

(2)具備“強控模式”接口。道岔強控模式為無需聯(lián)鎖系統(tǒng)授權(quán),道岔即可實現(xiàn)現(xiàn)地控制功能的模式。

強控模式轉(zhuǎn)換過程:道岔控制柜端轉(zhuǎn)動“強控開關(guān)”,通過接口電路,室內(nèi)強控繼電器(QKJ)吸起,控制臺“強控燈”亮起,切斷集中狀態(tài)繼電器(JZZJ)電路,控制臺“集中燈”滅,道岔即進入強控模式。

(3)JZZJ設置在聯(lián)鎖端,常態(tài)為吸起狀態(tài),表示系統(tǒng)處于集中控制模式。系統(tǒng)進入現(xiàn)地控制模式、強控模式、IBP盤應急控制模式時,都將切斷JZZJ回路。JZZJ落下后,一是由室內(nèi)JZZJ負責切斷聯(lián)鎖道岔動作指令接口回路;二是由其后接點接通道岔控制柜端鎖閉防護復示繼電器(SFJF),從而在非集中控制模式下接通道岔控制柜內(nèi)的動作電源。室內(nèi)JZZJ信息通過接口電路復示至道岔控制端。

3.5 IBP盤應急控制電路

案例B道岔IBP盤應急控制接口方案原理見圖8。

圖8 案例B-道岔IBP盤應急控制接口示意

IBP盤應急控制模式相當于計算機聯(lián)鎖應用初期的“道岔應急盤”功能。在發(fā)生特殊故障而無法通過聯(lián)鎖進路或控制臺操作道岔時,通過操作IBP盤上的相關(guān)按鈕,越過聯(lián)鎖啟動控制接口電路而直接遠程控制道岔轉(zhuǎn)換。IBP盤應急控制電路疊加在既有道岔動作接口之上,無需額外接口線纜。

IBP盤應急控制過程:IBP盤上設置道岔應急操作允許按鈕、道岔定位操作按鈕和道岔反位操作按鈕。當需要應急操作時,同時按下“應急+定操”或“應急+反操”按鈕,并保持按下狀態(tài),道岔開始轉(zhuǎn)換,道岔轉(zhuǎn)換到位、控制臺表示信息返回后可松開應急操作按鈕。

4 方案優(yōu)缺點分析和比較

4.1 方案比較

經(jīng)前文的論述和分析,案例A和案例B兩個方案的主要特性比較見表1。

表1 中低速磁浮信號與道岔接口方案比較

4.2 案例A道岔接口優(yōu)缺點分析

案例A的現(xiàn)地道岔控制系統(tǒng)相對獨立,承擔較多安全防護責任。接口方案簡潔直觀,便于調(diào)試和運營維護,滿足中低速磁浮交通對道岔的控制需求。但對特殊條件下道岔控制安全防護未作更多考慮,主要包括:

(1)道岔動作指令經(jīng)接口電路傳遞至道岔柜端后,如果道岔因故未能啟動或者轉(zhuǎn)轍至中途故障,方案無切斷道岔動作指令功能。由于磁浮道岔采用大量機械行程開關(guān)、繼電器進行控制,如果道岔轉(zhuǎn)轍因故中斷,存在由于震動等原因造成故障消失而再次轉(zhuǎn)轍的可能,可能危及行車或軌旁運維人員安全。

(2)現(xiàn)地通過鑰匙開關(guān)強行進入不經(jīng)授權(quán)的“維修模式”時,由于無相關(guān)接口,聯(lián)鎖不能顯示當前道岔控制狀態(tài)及控制道岔動作指令的輸出,相關(guān)安全完全由人工保證。

(3)現(xiàn)地模式狀態(tài)繼電器(JTYa)在正常模式下為落下狀態(tài),如在現(xiàn)地控制模式下因故引起JTYa落下,會接通道岔動作接口回路,聯(lián)鎖端也會失去現(xiàn)地控制模式表示,存在信號聯(lián)鎖端意外操作道岔的風險。

4.3 案例B道岔接口優(yōu)缺點分析

案例B更多地將信號聯(lián)鎖系統(tǒng)和道岔控制系統(tǒng)作為整體考慮接口安全原則,接口電路參考傳統(tǒng)輪軌道岔接口控制理念和電路設計,在滿足中低速磁浮對道岔控制需求的前提下,對特殊情況下的安全防護考慮較多。聯(lián)鎖系統(tǒng)防護道岔動作電源的通斷功能、道岔啟動后發(fā)生故障時切斷啟動控制接口電路功能、道岔強控模式接口功能等都進一步保證了道岔控制的安全性,IBP應急控制功能為緊急情況下的運營故障處理多提供了一種手段。但該方案經(jīng)工程驗證也存在一些不足,主要包括:

(1)道岔多級啟動電路較為復雜,對系統(tǒng)調(diào)試和運營維護較為不利。例如多級啟動電路的2DQJ采用有極繼電器,繼電器兩個極性分別對應道岔的定、反位,實際使用中,如道岔轉(zhuǎn)轍中途因故中斷,在故障排除后,存在2DQJ極性錯誤、需要人工恢復的問題。

(2)通過檢測道岔梁的移動位置來判斷道岔動作指令發(fā)出后是否因故未轉(zhuǎn)換,從而切斷道岔啟動電路的方式無法同時適用于單開道岔和三開道岔。

(3)方案中用鎖閉防護繼電器(SFJ)防護道岔控制柜端的道岔動作電源,道岔轉(zhuǎn)換過程中如果有列車駛?cè)?,會使SFJ落下,從而切斷道岔控制柜端動作電源,道岔無法繼續(xù)轉(zhuǎn)換,這使得“道岔一經(jīng)啟動即使有車進入也繼續(xù)轉(zhuǎn)換到底”的原技術(shù)原則無法實現(xiàn),也讓多級啟動電路的設計失去了意義。在輪軌交通中,“道岔一經(jīng)啟動即使有車進入也繼續(xù)轉(zhuǎn)換到底”的原則是為了防護在道岔轉(zhuǎn)轍過程中發(fā)生列車冒進道岔區(qū)而脫軌的情形[10]。磁浮道岔為關(guān)節(jié)式軌道梁道岔,道岔非開向側(cè)為斷軌形式,如列車冒進道岔區(qū)段,危險程度取決列車位置、速度等,道岔繼續(xù)轉(zhuǎn)換不會更有利于行車安全,此情形更應由列車自動防護系統(tǒng)來保證行車安全。

(4)道岔啟動切斷繼電器(QDJ)勵磁回路采用電容充放電方式,一是長期使用存在電容容量變化、放電時間不滿足設計要求的可能;二是QDJ的緩放特性對道岔啟動電路的時序造成影響,特殊情況下會造成道岔轉(zhuǎn)轍故障[11]。在QDJ自保回路切斷后,QDJ因線圈中串接電容,需經(jīng)6.5 s緩放后方能落下,然后1DQJ落下,道岔啟動電路方能復原。實際使用中,如果道岔在較短間隔內(nèi)進行連續(xù)操作,由于前一次操作的道岔啟動電路尚未復原,會發(fā)生道岔轉(zhuǎn)換中途被切斷故障。

5 結(jié)論和建議

中低速磁浮道岔是關(guān)系行車安全的重要設備,信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)的接口國內(nèi)尚無統(tǒng)一的標準,已實施項目的信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)接口方案總體上滿足對磁浮道岔控制和基本安全防護需求,但在技術(shù)原則和實現(xiàn)方法上存在較大差異,在安全防護原則、接口電路設計等方面存在優(yōu)化的余地。

結(jié)合各方案的優(yōu)勢和不足,本文提出下列接口方案優(yōu)化原則性建議,供其他同類工程借鑒,以促進中低速磁浮交通相關(guān)技術(shù)標準的完善。

(1)建議進一步優(yōu)化信號與道岔接口電路,提高可靠性,減少故障點,便于運營維護。采用多級啟動電路的必要性不足。

(2)建議接口電路考慮在道岔動作指令發(fā)出后因故無法轉(zhuǎn)換、或者在規(guī)定時間內(nèi)未能轉(zhuǎn)換到位時,切斷動作接口電路,避免道岔意外二次啟動,危及行車或軌旁運維人員安全。

(3)建議接口電路中包含“強控模式”或者“維修模式”相關(guān)接口,系統(tǒng)進入上述模式時,聯(lián)鎖系統(tǒng)應能給出模式狀態(tài)指示,并關(guān)閉相關(guān)進路信號,禁止輸出道岔動作指令。

(4)建議監(jiān)督道岔控制模式狀態(tài)的繼電器按常態(tài)吸起設計,會更加符合故障-安全原則[12]。

(5)建議道岔控制系統(tǒng)的道岔運行狀態(tài)監(jiān)測信息應統(tǒng)一納入信號集中監(jiān)測系統(tǒng)管理,便于運營維護和故障處理。

(6)建議將IBP盤應急控制道岔功能作為可選功能,根據(jù)接口電路的成熟度、運營需求選擇配置。

(7)建議磁浮道岔接口電路中不必完全遵循輪軌道岔控制技術(shù)條件,應根據(jù)磁浮道岔的特點確定適用的接口控制技術(shù)原則。

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