基于車車通信的道岔邏輯控制電路的應(yīng)用研究

王維奇

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安∥正高級工程師)

目前，CBTC(基于通信的列車控制)信號系統(tǒng)雖在節(jié)約成本、減少維修量、提高運(yùn)行效率及節(jié)能等方面已趨于完善，但其效率和故障率卻仍無法滿足現(xiàn)代城市軌道交通的需求?？ㄋ箍滦盘栍邢薰咀灾餮邪l(fā)的基于車車通信的列車控制系統(tǒng)采用自動化的控制方式，具有更高的效率和更低的故障率。其已于2020年6月28日在上海軌道交通3、4號線上進(jìn)行無人駕駛測試驗(yàn)證，并通過專家評審，得到了專家評委們的一致高度評價(jià)。

在基于車車通信的列車控制系統(tǒng)中，道岔邏輯控制電路能高效精確地控制道岔操作[1]，可取代傳統(tǒng)的繼電器控制道岔電路。其優(yōu)點(diǎn)為：①道岔邏輯控制電路成本低。②道岔邏輯控制電路故障率低，不會因機(jī)械故障而影響設(shè)備正常工作。③道岔邏輯控制電路生產(chǎn)方便，工作穩(wěn)定，受外界影響小。④道岔邏輯控制電路能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)電路故障定位。

1 道岔邏輯控制電路的工作原理

1.1 列車控制道岔原理

道岔邏輯控制電路主要通過邏輯運(yùn)算單元和功率放大器來完成道岔控制。列車把控制編碼命令發(fā)送給控制器，再由控制器將五線制的電壓狀態(tài)通過邏輯運(yùn)算單元發(fā)送給列車。

列車控制道岔技術(shù)是將對軌旁道岔的控制由傳統(tǒng)電路的聯(lián)鎖驅(qū)動及采集移植到車載控制子系統(tǒng)中。車載控制子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)方式向軌旁控制器發(fā)送道岔的控制命令碼；軌旁控制器通過獲取列車的控制信息來控制道岔動作。列車控制道岔的數(shù)據(jù)流見圖1。

圖1 列車控制道岔數(shù)據(jù)流

1.2 功率放大器工作原理及計(jì)算

如圖2所示：2組電源正極電壓VCC和負(fù)極電壓VEE相等，電容C1和C2分別為輸入耦合電容和輸出耦合電容。電阻R1使運(yùn)算放大器(以下簡稱“運(yùn)放”)同相輸入端形成直流通路，內(nèi)部的差分管得到必要的輸入偏置電流。電阻RF引入直流和交流負(fù)反饋。由于電容C把直流電隔斷，故使直流形成全反饋；而交流電通過電阻R和電容C分流，形成交流部分反饋，為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。引入直流全反饋和交流部分負(fù)反饋后，可在交流電壓增益較大時(shí)，仍能使直流電壓增益很小，從而避免輸入失調(diào)電流造成運(yùn)放的飽和[2]。

圖2 功率放大器原理

當(dāng)輸入信號為0時(shí)，運(yùn)放輸出端V0≈0，交流放大電路的輸出電壓U0=0。當(dāng)輸入信號為1時(shí)，輸入交流信號，電壓V0在VEE～VCC之間變化，通過C2輸出放大的交流信號，輸出端電壓U0的幅值近似為電壓值VCC(VCC=VEE)。引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，放大電路的電壓增益AU=U0/Ui≈1+RF/R；放大電路輸入電阻Ri=R1/Rif。其中，Rif是運(yùn)放引入串聯(lián)負(fù)反饋后的閉環(huán)輸入電阻。Rif很大，所以Ri=R1/Rif；放大電路的輸出電阻R0=Rof≈0，其中Rof是運(yùn)放引入電壓負(fù)反饋后的閉環(huán)輸出電阻，Rof很小[4]。

2 道岔邏輯控制電路的設(shè)計(jì)

本文針對城市軌道交通常用的ZDJ-9型五線制交流轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行分析。

2.1 道岔控制電路的節(jié)點(diǎn)動作

ZDJ-9型轉(zhuǎn)轍機(jī)的道岔控制電路如圖3所示。保持其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變，按照其接點(diǎn)動作順序進(jìn)行編碼。

圖3 ZDJ-9型轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路圖

定位-反位：X1、X3和X4電路分別編碼為1，X5和X2分別編碼為0，轉(zhuǎn)轍機(jī)11-12接點(diǎn)和13-14接點(diǎn)閉合；

反位-定位：X1、X2和X5電路分別編碼為1，X4和X3分別編碼為0，轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)閉合(41-42)、(43-44)。

反位操道岔前，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為1、3接點(diǎn)閉合，2、4接點(diǎn)斷開；完成操縱道岔后，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變成1、3接點(diǎn)斷開，2、4接點(diǎn)閉合。

定位操道岔前，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為1、3接點(diǎn)斷開，2、4接點(diǎn)閉合；完成操縱道岔后，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變成1、3接點(diǎn)閉合，2、4接點(diǎn)斷開。

2.2 五線制道岔編碼原則

列車通過車載控制器(CC)給道岔控制器發(fā)送進(jìn)路中道岔的信息；道岔控制器將道岔信息解析成二進(jìn)制編碼，發(fā)送給脈沖分配電路；脈沖分配電路將每位編碼分配給X1、X2、X3、X4及X5電路的功率放大電路。因X1為A相線，是共用電路，故其編碼始終為1。B相線和C相線是驅(qū)動電路。當(dāng)反操道岔時(shí)，C相線給電機(jī)的C相繞組供電，B相線給電機(jī)的B相繞組供電；當(dāng)定操道岔時(shí)，要改變相序，C相線給電機(jī)B相繞組供電，B相線給電機(jī)C相繞組供電。

如表1所示，將X1-X5分別按從低位到高位進(jìn)行編碼，并用6位二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行編碼(首位為0)，可得：定位-反位編碼為001101，反位-定位編碼為010011。如果控制器解析出的編碼不是這兩者之一，則可判斷控制器或車載系統(tǒng)發(fā)生了故障。

表1 道岔控制表示的編碼原則

2.3 定表和反表的電路分析

給X1電路上接入DJZ 220 V(道岔表示AC 220 V正電源)電壓的次級線圈。在定位時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)第1、3接點(diǎn)閉合，向X4電路的二極管正電壓端輸出DJZ 220 V的電,二極管導(dǎo)通，送電給邏輯運(yùn)算單元，另外一端的DJF 220 V(道岔表示AC 220 V負(fù)電源)電則直接輸出給邏輯運(yùn)算單元；而X3電路的DJZ無法送220 V電到二極管，導(dǎo)致二極管截止，運(yùn)算邏輯單元無法收到X3上送過來的DJZ 所發(fā)220 V電。由此可以確定FBJ(反位表示繼電器)碼位為0，邏輯運(yùn)算單元據(jù)此分別計(jì)算定表和反表的狀態(tài)并發(fā)送給列車。同理，當(dāng)?shù)啦頌榉次粫r(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)第2、4接點(diǎn)閉合，給X3的二極管正電壓端輸送DJZ 的220 V電,二極管導(dǎo)通送給邏輯運(yùn)算單元，另外一端的DJF 220 V電將直接送給邏輯運(yùn)算單元，X4的DJZ 220 V電無法送到二極管，導(dǎo)致二極管截止，運(yùn)算邏輯單元無法收到X4電路的送電。由此可以確定，DBJ(定位表示繼電器)碼位為0，邏輯運(yùn)算單元將相應(yīng)的定表和反表的狀態(tài)發(fā)送給列車。

3 列車控制道岔的安全防護(hù)

根據(jù)聯(lián)鎖技術(shù)條件限制，當(dāng)?shù)啦韰^(qū)段上有車時(shí)，道岔不能轉(zhuǎn)換。所以，道岔從開始轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換完畢且鎖閉給出正確的定反表狀態(tài)前，列車均不能進(jìn)入道岔區(qū)段。

按照上述技術(shù)條件分析可知[5]：只有列車在一定的安全防護(hù)距離之外，才會請求道岔的控制和鎖閉；在安全防護(hù)距離之內(nèi)，列車不再請求道岔的控制。列車與道岔間的安全防護(hù)距離應(yīng)考慮列車的車輛參數(shù)性能、坡度及列車當(dāng)前的速度，經(jīng)實(shí)時(shí)計(jì)算得出。列車的速度-距離防護(hù)曲線如圖4所示。

在列車運(yùn)行的進(jìn)路內(nèi)，考慮最大坡度、最大列車運(yùn)行速度、車輛的制動特性、鋼軌的黏著系數(shù)及車輛的其他特性參數(shù)，計(jì)算列車的EOA(行車授權(quán)終點(diǎn))。在圖4中，由于在道岔轉(zhuǎn)換的過程中，直到鎖閉前，列車不能進(jìn)入道岔內(nèi)，因此還要考慮道岔轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)列車所運(yùn)行的最大距離Sz。故列車與道岔間的最小安全防護(hù)距離SEOA為:

圖4 列車的速度-距離防護(hù)曲線[1]

(1)

其中，

Sz=vmaxtmax。

式中：

Sresp——軌旁控制器將道岔狀態(tài)信息反饋給車載子系統(tǒng)所需時(shí)間內(nèi)的列車運(yùn)行距離；

tmax——最大道岔轉(zhuǎn)換時(shí)間，按ZDJ-9型轉(zhuǎn)轍機(jī)取13 s；

vmax——列車在該進(jìn)路內(nèi)的最大限速。

4 結(jié)語

本文主要分析了基于車車通信的道岔邏輯電路如何實(shí)現(xiàn)高效控制道岔動作，闡述了列車控制道岔的安全防護(hù)距離設(shè)置原理及計(jì)算方法，可保證列車能夠在道岔鎖閉前安全地申請操控道岔。