鐵路信號(hào)安全驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)

羅東海

摘要：本文根據(jù)鐵路信號(hào)接口“故障導(dǎo)向安全”技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)了電路實(shí)現(xiàn)和故障分析，同時(shí)在信號(hào)接口電路中引入“故障可用”設(shè)計(jì)原則以及故障實(shí)時(shí)檢測(cè)，為鐵路信號(hào)接口可靠性設(shè)計(jì)提供電路實(shí)現(xiàn)方法，具有較強(qiáng)的理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：故障導(dǎo)向安全；信號(hào)接口；故障可用；故障檢測(cè)

1.概述

鐵路信號(hào)是鐵路信號(hào)系統(tǒng)或設(shè)備的簡(jiǎn)稱，按應(yīng)用場(chǎng)所不同可分為車站信號(hào)控制系統(tǒng)、編組站調(diào)車控制系統(tǒng)、區(qū)間信號(hào)控制系統(tǒng)、行車指揮控制系統(tǒng)及列車運(yùn)行控制系統(tǒng)等，一般包括車站聯(lián)鎖、區(qū)間閉塞、機(jī)車信號(hào)、超速防護(hù)、調(diào)度監(jiān)督、調(diào)度集中、調(diào)車場(chǎng)控制及道口信號(hào)等設(shè)備。鐵路信號(hào)設(shè)備作為列車控制的核心設(shè)備對(duì)設(shè)備可靠性和安全性都提出了苛刻的要求，設(shè)備的完整度需要達(dá)到SIL4。為了達(dá)到sil4的技術(shù)要求鐵路信號(hào)設(shè)備硬件采用硬件冗余架構(gòu)（二乘二取二、三取二、雙機(jī)熱備等硬件冗余方式）軟件采用容錯(cuò)和避錯(cuò)技術(shù)。信號(hào)接口電路作為對(duì)外驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路（主要驅(qū)動(dòng)信號(hào)機(jī)、道岔等）安全性及為重要，接口電路發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作將導(dǎo)致信號(hào)升級(jí)等嚴(yán)重后果（列車追尾、側(cè)沖等）。

鐵路信號(hào)設(shè)備現(xiàn)階段的主要設(shè)計(jì)原則是故障導(dǎo)向安全，即設(shè)備故障后自動(dòng)降級(jí)，這種設(shè)計(jì)原則雖然可以保證列車的安全運(yùn)行但運(yùn)行效率不高，鐵路信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)電路采用的就是故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)原則，驅(qū)動(dòng)電路（常落繼電器）故障后無法及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障需要到設(shè)備驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)才可檢測(cè)出故障并導(dǎo)向安全（不輸出或者降級(jí)）。

基于以上原因設(shè)計(jì)開發(fā)一種可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電路故障狀態(tài)（驅(qū)動(dòng)故障、繼電器線圈故障）和“故障可用”的信號(hào)接口電路十分有必要。

2.信號(hào)接口電路應(yīng)用

鐵路信號(hào)接口電路主要應(yīng)在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、ZPW2000軌道電路、站間安全信息傳輸設(shè)備等涉及列車控制的行車設(shè)備上，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為鐵路信號(hào)安全繼電器。現(xiàn)階段的在線使用的信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)全部采用了故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)原則。

3.信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)電路原理

鐵路信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)電路采用故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)原則，鐵路信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)為信號(hào)安全繼電器，驅(qū)動(dòng)電路的單一元器件故障后電路自動(dòng)關(guān)閉輸出，主要的技術(shù)實(shí)現(xiàn)為采用動(dòng)態(tài)方式驅(qū)動(dòng)，提高電路的抗擾能力和可靠性。當(dāng)驅(qū)動(dòng)管故障后不會(huì)錯(cuò)誤驅(qū)動(dòng)。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)分為電容型動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)和變壓器型驅(qū)動(dòng)電路兩種實(shí)現(xiàn)方式。

電容型典型動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路工作原理：當(dāng)驅(qū)動(dòng)三極管為低電平時(shí)電源VCC通過D2給C1充電；當(dāng)驅(qū)動(dòng)三極管為高電平時(shí)C1通過D1和繼電器線圈放電；當(dāng)驅(qū)動(dòng)三極管以一定頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)，C1持續(xù)的進(jìn)行充電電即可驅(qū)動(dòng)繼電器變壓器型典型動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路工作原理：驅(qū)動(dòng)三極管通過輸入PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)變壓器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，變壓器次級(jí)線圈輸出通過二極管整流后驅(qū)動(dòng)繼電器線圈。R1為限流電阻用于限制變壓器進(jìn)入磁飽和后最大電流。

變壓器型動(dòng)態(tài)電路和電容型動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路都可以實(shí)現(xiàn)故障導(dǎo)向安全，由于兩種電路硬件區(qū)別，在實(shí)際應(yīng)用過程中需要加以區(qū)分。在實(shí)際應(yīng)用過程中根據(jù)信號(hào)設(shè)備特點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)類型、功耗、體積、驅(qū)動(dòng)頻率等考慮采用哪種電路實(shí)現(xiàn)方式。

4.信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)電路存在缺陷

信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)電路在繼電器是常落時(shí)無法實(shí)時(shí)的檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路故障，在需要輸出電路已經(jīng)發(fā)生故障無法正常驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)降級(jí)影響行車效率。驅(qū)動(dòng)電路故障檢測(cè)電路如下：

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路處于工作狀態(tài)，繼電器驅(qū)動(dòng)，繼電器節(jié)點(diǎn)導(dǎo)通、光耦可以回檢到繼電器吸啟，說明驅(qū)動(dòng)正常。但此電路只有在驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)才可以正常測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路是否故障。

電路缺陷分析：

1.信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)電路只要在工作時(shí)才可以正常測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路是否故障，驅(qū)動(dòng)關(guān)閉時(shí)電路故障無法及時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)故障暴露時(shí)間過長(zhǎng)，大大的降低了系統(tǒng)可靠性當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)已經(jīng)無法正常驅(qū)動(dòng)繼電器，導(dǎo)致系統(tǒng)降級(jí)甚至故障影響行車效率；

2.此電路只是實(shí)現(xiàn)了故障導(dǎo)向安全，沒有硬件冗余備份當(dāng)驅(qū)動(dòng)管故障后此電路即失效，無法實(shí)現(xiàn)故障可用；

3.此電路無法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)繼電器連線可靠性（如發(fā)生斷線或者短路無法發(fā)現(xiàn)）。

5 改進(jìn)型信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)電路

為了克服信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)電路的以上缺陷，需要對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，增加驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能和硬件備份實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路故障可用。

改進(jìn)型電路特點(diǎn)：

1.驅(qū)動(dòng)管Q1Q2電源為相互獨(dú)立電源，正常情況下只有驅(qū)動(dòng)Q1工作，Q2處于關(guān)閉狀態(tài)

2.驅(qū)動(dòng)管輸入連個(gè)頻率PWM，正常驅(qū)動(dòng)時(shí)為一個(gè)占空比（50%），關(guān)閉時(shí)為一個(gè)占空比（2%）

3.在關(guān)閉時(shí)由于輸出的占空比很小（2%）驅(qū)動(dòng)的電壓很小不足以驅(qū)動(dòng)繼電器，驅(qū)動(dòng)線圈會(huì)有一個(gè)很微弱的測(cè)試u安級(jí)別電流，高精度的電流傳感器可以檢測(cè)到，用以標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)電路正常

4.若在關(guān)閉時(shí)驅(qū)動(dòng)Q1的電流傳感器無法檢測(cè)到電路切換至Q2工作；若Q2電流傳感器可以正常檢測(cè)到測(cè)試電流則確認(rèn)驅(qū)動(dòng)一路故障；若Q2也無法檢測(cè)到則認(rèn)為線纜斷線

5.如檢測(cè)到電流過大則認(rèn)為線圈接線短路。

該電路主要特點(diǎn)為電路增加了硬件冗余解決了驅(qū)動(dòng)故障可用、通過增加一個(gè)微弱的測(cè)試電流可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)時(shí)檢測(cè)，減少了電路故障暴露時(shí)間，提高了設(shè)備可靠性以及提升了設(shè)備可維護(hù)性。

6結(jié)束語

鐵路信號(hào)接口電路在鐵路信號(hào)系統(tǒng)重要組成部分，基于現(xiàn)場(chǎng)多年的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備故障大部分發(fā)生在接口電路（驅(qū)動(dòng)板、采集板、防雷板等）經(jīng)過優(yōu)化后的信號(hào)接口驅(qū)動(dòng)電路大大提高了可維護(hù)性和可靠性，在鐵路信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)中具有較大應(yīng)用價(jià)值。此電路實(shí)現(xiàn)方法不止使用鐵路同樣使用于工業(yè)安全控制系統(tǒng)。

（作者單位：南京泰通科技股份有限公司）