移頻發(fā)送器冗余切換設(shè)計(jì)研究

王立山

（中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司長(zhǎng)春電務(wù)段，長(zhǎng)春 130051）

1 移頻發(fā)送器冗余切換設(shè)計(jì)介紹

在實(shí)際應(yīng)用中，移頻發(fā)送器包括普速發(fā)送器和客專發(fā)送器，分別應(yīng)用在普速軌道電路系統(tǒng)和客專軌道電路系統(tǒng)。二者的冗余切換設(shè)計(jì)原理基本相同，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)采用的設(shè)計(jì)方式不同，普速發(fā)送器采用N+1冗余切換設(shè)計(jì)方式，客專發(fā)送器采用1+1冗余切換設(shè)計(jì)方式。

移頻發(fā)送器冗余切換設(shè)計(jì)原理如圖1所示，在用發(fā)送器工作條件分別送入兩套微處理器CPU1和 CPU2中，CPU1控制移頻發(fā)生器產(chǎn)生FSK移頻信號(hào)，CPU1和 CPU2同時(shí)回采該信號(hào)，并進(jìn)行頻率檢測(cè)，檢測(cè)合格后，CPU1和 CPU2通過(guò)控制與門允許該信號(hào)輸出，通過(guò)濾波環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為正弦波，最后從功放輸出，CPU1和 CPU2同時(shí)回采功放輸出的移頻信號(hào)，并對(duì)移頻信號(hào)的低頻、載頻、幅度特征進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后，CPU1和 CPU2輸出動(dòng)態(tài)方波控制安全與門，使在用發(fā)送報(bào)警繼電器FBJ勵(lì)磁吸起，在用發(fā)送器輸出的移頻信號(hào)通過(guò)FBJ接點(diǎn)接入信號(hào)通道，當(dāng)在用發(fā)送器故障時(shí)，F(xiàn)BJ落下，備用發(fā)送器通過(guò)在用發(fā)送器FBJ接點(diǎn)接入信號(hào)通道。另外，當(dāng)發(fā)送器輸出短路時(shí)，經(jīng)過(guò)CPU1和 CPU2自檢，會(huì)使控制與門關(guān)閉10 s，發(fā)送器進(jìn)入休眠保護(hù)模式。相對(duì)普速發(fā)送器，客專發(fā)送器增加CPU1和 CPU2對(duì)FBJ的回采檢測(cè)功能。

圖1 發(fā)送器冗余切換設(shè)計(jì)原理示意Fig.1 Schematic diagram of the principle of redundant switch design of transmitter

1.1 普速發(fā)送器N+1冗余切換設(shè)計(jì)方式介紹

如圖2所示，普速軌道電路的每個(gè)區(qū)段配備一臺(tái)在用發(fā)送器，現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)在用發(fā)送器設(shè)置一臺(tái)備用發(fā)送器熱備，通過(guò)各在用發(fā)送器的FBJ（即發(fā)送報(bào)警繼電器）接點(diǎn)建立冗余切換電路。FBJ是單獨(dú)的外接繼電器，一般安裝在現(xiàn)場(chǎng)組合架上，當(dāng)一臺(tái)在用發(fā)送器故障時(shí)，備用發(fā)送器通過(guò)FBJ接點(diǎn)切入信號(hào)通道，替代故障發(fā)送器繼續(xù)工作。

圖2 普速發(fā)送器N+1冗余切換設(shè)計(jì)方式Fig.2 N+1 redundant switch design for transmitters of low-speed lines

普速發(fā)送器冗余切換設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比較高。缺點(diǎn)是多臺(tái)在用發(fā)送器共用一臺(tái)備用發(fā)送器，無(wú)法應(yīng)對(duì)多臺(tái)在用發(fā)送器同時(shí)故障的情況。

1.2 客專發(fā)送器1+1冗余切換設(shè)計(jì)方式介紹

如圖3所示，客專軌道電路的每個(gè)區(qū)段配備兩臺(tái)發(fā)送器，主發(fā)送器作為在用發(fā)送器接入信號(hào)通道，備發(fā)送器熱備，通過(guò)主、備發(fā)送器的FBJ（即發(fā)送報(bào)警繼電器）接點(diǎn)建立冗余切換電路，主、備發(fā)送器的FBJ均集成在客專軌道電路系統(tǒng)的衰耗冗余控制器內(nèi)部。當(dāng)主發(fā)送器故障，其FBJ落下，備發(fā)送器通過(guò)FBJ接點(diǎn)切入信號(hào)通道，替代主發(fā)送器繼續(xù)工作。

圖3 客專發(fā)送器1+1冗余切換設(shè)計(jì)方式Fig.31+1 redundant switch design for transmitters of

客專發(fā)送器冗余切換設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)送器采用1對(duì)1的冗余設(shè)計(jì)方式，可應(yīng)對(duì)多臺(tái)在用發(fā)送器同時(shí)故障的情況，相對(duì)N+1的冗余切換設(shè)計(jì)更可靠。缺點(diǎn)是成本較高。

2 移頻發(fā)送器冗余切換的實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，移頻發(fā)送器冗余切換設(shè)計(jì)意義重大：一是在用發(fā)送器故障后，備用發(fā)送器切入，保障軌道電路系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作，不會(huì)癱瘓，避免影響線路運(yùn)行效率；二是方便工作人員日常維護(hù)，發(fā)送器冗余機(jī)制為工作人員排查和更換故障發(fā)送器留下了充足的時(shí)間。根據(jù)多年移頻發(fā)送器現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，本章節(jié)將針對(duì)移頻發(fā)送器冗余切換設(shè)計(jì)存在的經(jīng)典失效模式進(jìn)行研究。

2.1 移頻發(fā)送器軟故障問(wèn)題研究

在用發(fā)送器發(fā)生故障后，如果未徹底癱瘓，反復(fù)重啟，可能出現(xiàn)無(wú)法穩(wěn)定切換至備用發(fā)送器的情況，會(huì)導(dǎo)致閃紅光帶。下面將針對(duì)這種失效模式進(jìn)行研究分析。

在用發(fā)送器故障初期，其內(nèi)部器件存在故障，但未完全失效，造成在用發(fā)送器處于軟故障狀態(tài)，即在用發(fā)送器帶載工作時(shí)，內(nèi)部器件在高功率下呈現(xiàn)故障狀態(tài)，導(dǎo)致在用發(fā)送器輸出短路，自檢異常進(jìn)入休眠保護(hù)后停止工作。FBJ落下，在用發(fā)送器空載，內(nèi)部器件在低功率下呈現(xiàn)正常狀態(tài)，在用發(fā)送器自檢正常又恢復(fù)工作，F(xiàn)BJ又吸起，如此反復(fù)，在用發(fā)送器無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定工作，F(xiàn)BJ頻繁切換接點(diǎn)，備用發(fā)送器無(wú)法穩(wěn)定切入信號(hào)通道，此時(shí)存在一定幾率出現(xiàn)閃紅光帶。直至在用發(fā)送器徹底故障，備用發(fā)送器才能穩(wěn)定切入信號(hào)通道。

目前，針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)已進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，一是在用發(fā)送器出現(xiàn)軟故障過(guò)程中，F(xiàn)BJ落下后延時(shí)10 s才能吸起，這10 s延時(shí)完全足夠備用發(fā)送器穩(wěn)定切入信號(hào)通道，可以有效解決閃紅光帶問(wèn)題；二是在用發(fā)送器因軟故障連續(xù)宕機(jī)10次后，自動(dòng)停止工作，只有通過(guò)電源斷路器重新上電自檢正常后才能恢復(fù)工作狀態(tài)，這樣在用發(fā)送器可迅速切出軌道電路系統(tǒng)，備用發(fā)送器及時(shí)切入軌道電路系統(tǒng)，保障軌道電路系統(tǒng)可靠工作，無(wú)需等待在用發(fā)送器徹底癱瘓后自行退出軌道電路系統(tǒng)。這樣技術(shù)人員就可獲取處于軟故障狀態(tài)的發(fā)送器進(jìn)行研究分析，便于觀察發(fā)送器實(shí)時(shí)故障狀態(tài)，找出故障產(chǎn)生的根本原因。

2.2 移頻發(fā)送器輸出斷路問(wèn)題研究

如果在用發(fā)送器內(nèi)部輸出斷路，可能出現(xiàn)在用發(fā)送器自檢正常，無(wú)法切換至備用發(fā)送器的情況，會(huì)導(dǎo)致紅光帶。下面，將針對(duì)這種失效模式進(jìn)行研究分析。

如圖4所示，在用發(fā)送器內(nèi)部功出變壓器次級(jí)線圈輸出存在斷路點(diǎn)時(shí)，會(huì)造成在用發(fā)送器功出電壓沒(méi)有輸出，同時(shí)，由于發(fā)送器電壓回采是通過(guò)功出變壓器次級(jí)一個(gè)獨(dú)立線圈實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)CPU檢測(cè)到的在用發(fā)送器電壓回采是正常的，在用發(fā)送器自檢不認(rèn)為自身存在故障，不會(huì)報(bào)警，無(wú)法切換至備用發(fā)送器，從而引發(fā)紅光帶，需要人工前往現(xiàn)場(chǎng)更換在用發(fā)送器后，才能消除紅光帶。對(duì)于交通不便的中繼站，這種處理過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，影響線路運(yùn)行效率。

圖4 在用發(fā)送器內(nèi)部斷路不報(bào)警故障示意Fig.4 Diagram for failure to trigger an alarm of open circuit in an operating transmitter

目前此問(wèn)題尚未解決，其實(shí)，設(shè)計(jì)上可將功出電流納入移頻發(fā)送器自檢項(xiàng)就可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。另外，考慮主用發(fā)送器在運(yùn)用時(shí)常態(tài)帶載，備用發(fā)送器在運(yùn)用時(shí)常態(tài)空載，沒(méi)有功出電流，僅在頂替故障主用發(fā)送器時(shí)才會(huì)短時(shí)間帶載，可以增加外部條件設(shè)置區(qū)分主用發(fā)送器和備用發(fā)送器。具體如下：對(duì)于主用發(fā)送器,設(shè)置外部工作條件，告知發(fā)送器CPU自身作為主用發(fā)送器使用，功出電流納入自檢，主用發(fā)送器自檢功出電流異常后，F(xiàn)BJ落下，切換至備用發(fā)送器，若功出電流出現(xiàn)間歇性恢復(fù)，主用發(fā)送器自檢正常后，F(xiàn)BJ延時(shí)10 s才能吸起，連續(xù)宕機(jī)10次后，主用發(fā)送器自動(dòng)停止工作；對(duì)于+1備用發(fā)送器,設(shè)置外部工作條件，告知發(fā)送器CPU自身作為備用發(fā)送器使用，功出電流不納入自檢。

3 總結(jié)

本文闡述了移頻發(fā)送器冗余切換設(shè)計(jì)相關(guān)原理和實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題。目前，這方面技術(shù)經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐驗(yàn)證和不斷優(yōu)化改進(jìn)已逐漸趨于成熟，按照發(fā)展趨勢(shì)，以后N+1冗余切換設(shè)計(jì)將逐步被1+1冗余切換設(shè)計(jì)取代，1+1冗余切換設(shè)計(jì)更加安全可靠。