客運(yùn)專線ZPW2000A軌道電路發(fā)送器冗余電路改進(jìn)方案探討

溫仕明 上海鐵路局上海電務(wù)段

客運(yùn)專線ZPW2000A軌道電路發(fā)送器冗余電路改進(jìn)方案探討

溫仕明 上海鐵路局上海電務(wù)段

論述客運(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器的冗余模式,結(jié)合具體案例對(duì)發(fā)送器冗余電路的有效性進(jìn)行探討，找出其中的不足，并提出改進(jìn)方案。

客運(yùn)專線；ZPW-2000A軌道電路；發(fā)送器冗余

客運(yùn)專線ZPW-2000A軌道電路是在既有 ZPW-2000A無絕緣軌道電路的基礎(chǔ)上，針對(duì)客運(yùn)專線的應(yīng)用進(jìn)行了適應(yīng)性改造，它保留了既有 ZPW-2000A軌道電路穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)，具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適用于客運(yùn)專線列控系統(tǒng)?？瓦\(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路包括區(qū)間設(shè)備和站內(nèi)設(shè)備兩種，包括京滬高鐵在內(nèi)的一大批客運(yùn)專線均采用了此項(xiàng)設(shè)備。

客運(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路相比既有線ZPW-2000A無絕緣軌道電路有了較明顯改進(jìn)，特別是采用無接點(diǎn)的計(jì)算機(jī)編碼以及1+1的發(fā)送器冗余方式，取代了既有的繼電器編碼和N+1方式，大大提升了設(shè)備的可靠性。但是從京滬高鐵開通兩年來的運(yùn)用情況來看，管內(nèi)客運(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生，有的故障對(duì)運(yùn)輸產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。通過對(duì)管內(nèi)2012年1月至2013年5月期間客運(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路器材類設(shè)備故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體分析情況見表1。

由表1可知，發(fā)送器故障占了客運(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路設(shè)備故障中的一大半?？瓦\(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器由既有線的 N+1提高為1+ 1的備用模式，大大增強(qiáng)了設(shè)備的冗余程度，減少了因發(fā)送器不良帶來的不利影響。大部分情況下即使主發(fā)送器發(fā)生故障，也能通過1+1模式切換到備發(fā)送器工作，并通過集中監(jiān)測(cè)報(bào)警做到發(fā)現(xiàn)和處理，對(duì)整個(gè)軌道電路的正常工作影響較小。但從不斷發(fā)生的發(fā)送器故障來看，即使采用了1+1的冗余模式，也不能有效消除發(fā)送器故障帶來的不利影響，特別是在某些情況下冗余裝置會(huì)失去作用，此時(shí)就嚴(yán)重影響到軌道電路設(shè)備的正常使用?，F(xiàn)結(jié)合具體案例對(duì)發(fā)送器冗余電路進(jìn)行分析，找出其中的不足，并探討改進(jìn)方案。

表1 管內(nèi)2012年1月至2013年5月期間ZPW-2000A軌道電路設(shè)備故障分析表

1 客運(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器冗余設(shè)計(jì)

（1）發(fā)送器采用 1+1方式。原理見圖1。

圖1 發(fā)送器1+1方式原理圖

由圖1可知：在正常情況下，主、備發(fā)送器均正常工作，則FBJZ、FBJB（安裝于衰耗器中）均正常吸起。此時(shí)客運(yùn)專線ZPW-2000A軌道電路的功出電壓由主發(fā)送器通過FBJZ吸起接點(diǎn)及中接點(diǎn)提供，備發(fā)送器產(chǎn)生的功出電壓通過FBJB的吸起接點(diǎn)送至FBJZ落下接點(diǎn)；一旦主發(fā)送器發(fā)生故障，導(dǎo)致FBJZ失電，接點(diǎn)落下，此時(shí)客運(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路的功出電壓由備發(fā)送器通過FBJB的吸起接點(diǎn)、FBJZ落下接點(diǎn)提供，實(shí)現(xiàn)主、備發(fā)送器輸出切換的冗余功能。

（2）發(fā)送器本身采用雙機(jī)熱備冗余方式。

發(fā)送器內(nèi)部采用雙套相互獨(dú)立的CPU處理單元，對(duì)同一載頻、低頻編碼條件源，以反碼的形式分別通過互為冗余的兩條 CAND、CANE總線送至 CPU1及 CPU2。CPU1控制“移頻發(fā)生器”產(chǎn)生移頻信號(hào)，移頻信號(hào)分別送至 CPU1及CPU2進(jìn)行頻率檢測(cè)。頻率檢測(cè)結(jié)果符合規(guī)定后，控制輸出信號(hào)，經(jīng)“控制與門”使移頻信號(hào)送至“濾波”環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)方波-正弦波變換?！肮Ψ拧陛敵龅囊祁l信號(hào)送至 CPU1及 CPU2，進(jìn)行功出電壓檢測(cè)，CPU1及 CPU2對(duì)移頻信號(hào)進(jìn)行低頻、載頻、幅度特征檢測(cè)符合要求后，驅(qū)動(dòng)“安全與門”電路使發(fā)送報(bào)警繼電器吸起，并使經(jīng)過“功放”放大的移頻信號(hào)輸出至軌道，原理框圖見圖2。

圖2 發(fā)送器原理框圖

由上述原理可知，發(fā)送器冗余電路由發(fā)送器內(nèi)部的雙CPU冗余電路和發(fā)送器1+1方式構(gòu)成，理論上使得客運(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送電路的故障率大大降低，但是實(shí)際運(yùn)用中因發(fā)送設(shè)備故障造成冗余失效的問題仍時(shí)有發(fā)生，具體案例如下。

2 案例分析

（1）案例一：2012年7月11日，管內(nèi)某站11765BG突然出現(xiàn)無車占用紅光帶故障。處理人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)后，檢查發(fā)現(xiàn)11765BG主、備發(fā)送器工作燈均正常顯示為綠燈，在送端模擬網(wǎng)絡(luò)盤設(shè)備側(cè)測(cè)試電壓為0V，在衰耗盒測(cè)試功出電壓為0V，主軌出為0V,調(diào)閱微機(jī)監(jiān)測(cè)顯示功出電壓、功出電流如圖3所示。

圖3 故障時(shí)功出電壓、電流圖

因此判斷為室內(nèi)送端設(shè)備故障，更換衰耗冗余控制器后故障現(xiàn)象消失，設(shè)備恢復(fù)正常。

故障原因分析：經(jīng)廠家對(duì)更換下的衰耗冗余控制器進(jìn)行檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)衰耗冗余控制器內(nèi)的主發(fā)送報(bào)警繼電器（FBJZ）63、64接點(diǎn)（見圖1圖示處）在繼電器上電后，不能可靠閉合，造成主發(fā)送功出電壓無法正常輸出，導(dǎo)致軌道電路故障。發(fā)送報(bào)警繼電器本是為實(shí)現(xiàn)發(fā)送器1+1冗余方式而設(shè)置的，所起的作用就是當(dāng)主發(fā)送器故障時(shí)切換到備發(fā)送器輸出功出信號(hào)。但在本案例中正是因?yàn)橹靼l(fā)送報(bào)警繼電器（FBJZ）的63、64接點(diǎn)在繼電器上電后不能可靠閉合而造成軌道電路故障。此時(shí)發(fā)送報(bào)警繼電器非但沒有起到冗余的作用，反而造成了設(shè)備故障。除此之外，從功出電壓日曲線圖上可以看到，故障發(fā)生的過程中主發(fā)送器的功出電壓劇列波動(dòng)，但此時(shí)并未切換到備發(fā)送器提供功出電壓，1+1的冗余設(shè)置此時(shí)同樣沒能發(fā)揮作用，此現(xiàn)象將在下一個(gè)案例中進(jìn)行詳細(xì)分析。

（2）案例二：2013年1月2日，管內(nèi)某站值班人員在微機(jī)監(jiān)測(cè)瀏覽中發(fā)現(xiàn)，12749BG功出電壓急劇波動(dòng)，從150V下降到50V左右。調(diào)閱主軌出電壓，發(fā)現(xiàn)主軌出電壓跟隨功出電壓波動(dòng)而變化，故障時(shí)功出電壓曲線及主軌出電壓月曲線如圖4所示。

圖4 故障時(shí)功出電壓、主軌出電壓月曲線圖

圖4所示該區(qū)段主軌出電壓正常值為450mV，故障時(shí)急劇下降，最低達(dá)到250mV，處于使軌道繼電器可靠吸起的臨界值，隨時(shí)可能發(fā)生軌道電路無車占用紅光帶故障。值班人員立即對(duì)該區(qū)段發(fā)送設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)主、備發(fā)送器工作燈均顯示正常工作綠燈，在冗余衰耗控制器測(cè)試主軌出電壓為250mV左右，說明此明功出電壓仍由主發(fā)送器提供，并未進(jìn)行主備切換。于是申請(qǐng)更換主發(fā)送器后，功出電壓及主軌出電壓恢復(fù)正常。

故障原因分析：

發(fā)送器內(nèi)部電路中，由功放電路對(duì)移頻信號(hào)進(jìn)行放大，輸出可調(diào)整的 10種電平等級(jí)的功出電壓。功出電平級(jí)調(diào)整采用外部接線方式調(diào)整輸出變壓器變比，輸出的功出電壓范圍為31V到170V。發(fā)送器對(duì)輸出的移頻信號(hào)進(jìn)行采樣并分別送至 CPU1及 CPU2進(jìn)行低頻、載頻、幅度特征檢測(cè)，符合要求后，驅(qū)動(dòng)“安全與門”控制發(fā)送報(bào)警繼電器吸起，從而控制功出電壓的最終輸出。雖然自檢電路已經(jīng)對(duì)功出電壓幅度進(jìn)行檢測(cè)，但是實(shí)際上功出電壓幅度并未完全作為驅(qū)動(dòng)“安全與門”的必要條件，只有當(dāng)發(fā)送端短路時(shí)，才會(huì)使“控制與門”有10s的關(guān)閉（休眠保護(hù)）。這也就是為什么雖然發(fā)送器功出電壓劇列波動(dòng)，卻不產(chǎn)生發(fā)送器故障報(bào)警，也不切換到備發(fā)送進(jìn)行輸出的原因。為什么自檢電路不將功出電壓幅度作為驅(qū)動(dòng)“安全與門”的完全必要條件呢？那是因?yàn)榘l(fā)送器產(chǎn)生的功出電壓是隨電平級(jí)的不同而不同，而自檢電路恰恰缺少對(duì)功出電平級(jí)的識(shí)別功能，造成發(fā)送器無法得知當(dāng)前使用的是哪一級(jí)功出電平，也就無法根據(jù)檢測(cè)到的功出電壓幅值來判斷功出電壓是否在正常范圍內(nèi)，因此也就無法產(chǎn)生故障報(bào)警。在實(shí)際運(yùn)用中，廠家采取的是在列控中心軌道電路監(jiān)測(cè)維護(hù)終端，通過配置區(qū)段信息表，設(shè)定功出電平級(jí)以及功出電壓范圍，由監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)功出電壓的幅值判斷，并給出報(bào)警。但監(jiān)測(cè)報(bào)警只能起到警示提醒作用，即使主發(fā)送器的功出電壓幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到使軌道電路正常工作的要求而產(chǎn)生無車占用紅光帶故障，也不能使故障的主發(fā)送器產(chǎn)生故障報(bào)警而切換到由正常工作的備發(fā)送器來提供功出電壓，只能通過人工更換發(fā)送器來解決，就如案例中一樣。在高鐵線路中有很多站是無人值守的中繼站，路途偏遠(yuǎn)，一旦發(fā)生類似故障，就會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的故障延時(shí)，給安全運(yùn)輸帶來嚴(yán)重的影響。因此發(fā)送器本身的冗余電路也需要改進(jìn)，加入功出電平識(shí)別功能，才能避免類似狀況的發(fā)生。

3 改進(jìn)方案

由上述兩個(gè)案例分析的情況我們可以看到，客運(yùn)專線 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器冗余電路確實(shí)存在缺陷而導(dǎo)致冗余失效，說明冗余設(shè)置還不能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要，這就需要通過進(jìn)一步改進(jìn)，克服這種缺陷，避免類似的問題再次發(fā)生，現(xiàn)分別就前述兩種情況提出改進(jìn)方案：

（1）方案一：針對(duì)主、備發(fā)送報(bào)警繼電器發(fā)生故障的可能性進(jìn)行分析，一是發(fā)送器都正常工作，送出正常的發(fā)送報(bào)警繼電器驅(qū)動(dòng)電壓，此時(shí)分二種情況：①主、備發(fā)送報(bào)警繼電器均不吸起，此時(shí)就等同于主、備發(fā)送器同時(shí)故障，1+1冗余設(shè)置完全失效，軌道電路不能正常工作。②主、備發(fā)送報(bào)警繼電器中任一個(gè)不吸起，此時(shí)就等同于主、備發(fā)送器任一個(gè)發(fā)生故障，在這種情況下，冗余設(shè)置能正常發(fā)揮作用，不會(huì)影響軌道電路正常工作。二是發(fā)送報(bào)警繼電器都能正常吸起，但存在接點(diǎn)不能可靠閉合的情況，如案例1中故障，此時(shí)冗余設(shè)置也將失效。上述兩種失效情況均是是設(shè)計(jì)中存在的缺陷造成，使得1+1冗余方式存在瓶頸，無法真正發(fā)揮其應(yīng)有的作用。就需對(duì)發(fā)送報(bào)警繼電器進(jìn)行冗余，通過并聯(lián)冗余繼電器及接點(diǎn)的方式，大大提高1+1冗余方式的可靠性。即使出現(xiàn)個(gè)別繼電器不能正常工作或個(gè)別接點(diǎn)不通的現(xiàn)象，也不會(huì)影響軌道電路正常工作。但FBJZ/B內(nèi)置于衰耗盒中，為微型繼電器，存在接點(diǎn)組數(shù)不夠而無法構(gòu)置冗余電路，這就需要使用有足夠接點(diǎn)的新型繼電器或者再增加一個(gè)相同的冗余繼電器才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

（2）方案二：針對(duì)發(fā)送器功出電壓波動(dòng)過大，不產(chǎn)生發(fā)送報(bào)警、不進(jìn)行發(fā)送器輸出切換的現(xiàn)象，正如案例中分析提到的，是由于發(fā)送器缺少功出電平識(shí)別功能造成的，那就需要給發(fā)送器加上這個(gè)功出電平識(shí)別功能。從可靠性上分析，對(duì)發(fā)送器內(nèi)部電路進(jìn)行改造，增加電平識(shí)別電路，如使用拔設(shè)開關(guān)等，在設(shè)置好電平級(jí)后，發(fā)送器就可以直接獲得功出電平級(jí)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)到的功出電壓幅值進(jìn)行比對(duì)判斷，當(dāng)功出電壓幅值不能滿足軌道電路正常需要時(shí)，即時(shí)輸出發(fā)送報(bào)警，切換到由備發(fā)送器提供正常的功出電壓。但此種改造的成本高而且工作量較大，所以從改造成本及可操作性上分析，可以通過軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)。即在列控中心軟件中設(shè)置功出電平信息，通過實(shí)時(shí)比對(duì)發(fā)送器送至列控中心的功出電壓數(shù)據(jù)，判斷發(fā)送器送出的功出電壓是否正常，一旦發(fā)生功出電壓幅值不能滿足軌道電路正常需要時(shí)，即由列控中心發(fā)送特殊編碼信息，使得發(fā)送器即時(shí)輸出發(fā)送報(bào)警，切換到由備發(fā)送器提供正常的功出電壓。

通過以上改進(jìn)，能克服客運(yùn)專線ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器冗余電路中存在的不足，使冗余系統(tǒng)真正發(fā)揮作用，減少因設(shè)備器材不良帶來的故障，為鐵路的安全運(yùn)輸提供真正可靠的保障。

責(zé)任編輯：萬寶安

來稿日期：2014-06-19