普速鐵路自動(dòng)閉塞站間聯(lián)系應(yīng)急傳輸裝置的研究

于海波

（哈爾濱鐵路局哈爾濱電務(wù)段,黑龍江 哈爾濱）

概述

目前，普速鐵路自動(dòng)閉塞（ZPW-2000 系列無絕緣軌道電路設(shè)備）站聯(lián)信息傳輸通道為站間貫通電纜。當(dāng)在運(yùn)用中站聯(lián)電纜發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)致站間聯(lián)系信息中斷，影響列車在區(qū)間的正常通行，由于站間距離長（一般10 km），查找電纜故障時(shí)間長，如果電纜斷裂重新接續(xù)時(shí)間長（如果是冬天時(shí)間更長），很容易造成D21 事故，這種情況下對(duì)運(yùn)輸生產(chǎn)影響較大。

根據(jù)用戶實(shí)際需求，為降低對(duì)行車的影響，提出采用便攜式應(yīng)急裝置先恢復(fù)再搶修的應(yīng)急處理方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

替代站間聯(lián)系電纜的實(shí)現(xiàn)方案主要考慮極性電壓的可靠識(shí)別、安全信息傳輸、驅(qū)動(dòng)極性電壓安全輸出、站間光通道的適應(yīng)性，如圖1 所示。系統(tǒng)包括本站應(yīng)急傳輸裝置、鄰站應(yīng)急傳輸裝置、終端設(shè)備及站間FE 光通道。其中，終端設(shè)備可使用筆記本電腦。另外，站間通道可利用邏輯檢查在用1 路光通道。

圖1 應(yīng)急傳輸裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)站間聯(lián)系電纜出現(xiàn)故障，兩站分別將站間聯(lián)系電纜從分線盤拆下，通過應(yīng)急裝置配套線束對(duì)應(yīng)直接連接至分線盤端子上，用光纖跳線將應(yīng)急傳輸裝置與區(qū)間邏輯檢查設(shè)備在用的站間光通道連接到一起，用信號(hào)機(jī)械室照明電給應(yīng)急傳輸裝置供電，當(dāng)應(yīng)急傳輸裝置顯示站間通道連通時(shí)，站間聯(lián)系電路信息通過應(yīng)急傳輸裝置傳遞到對(duì)方站，恢復(fù)站間聯(lián)系電路正常工作。

圖2 所示為應(yīng)急傳輸裝置采用便攜式機(jī)箱結(jié)構(gòu)。

圖2 應(yīng)急裝置結(jié)構(gòu)示意圖

應(yīng)急傳輸裝置正面示意圖如圖3 所示，應(yīng)急傳輸裝置的供電、光通道、電源、繼電器、USB 接口、以太網(wǎng)口、電源/繼電器設(shè)置等接口連接均在面板上操作。并設(shè)置了電源供電表示燈、通信狀態(tài)表示燈、裝置報(bào)警表示燈、輸出極性電壓表示燈、驅(qū)動(dòng)繼電器表示燈。

圖3 應(yīng)急傳輸裝置正面示意圖

2 工作原理

應(yīng)急傳輸裝置主要包括主控卡（MCU）、輸入輸出卡（IOU）、電源卡（PCU）、顯示連接卡、總線板、防護(hù)板及光轉(zhuǎn)換器，見圖4。

圖4 應(yīng)急傳輸裝置原理框圖

應(yīng)急傳輸裝置共有12 路采集本站向?qū)Ψ秸景l(fā)送電源電壓接口和12 路對(duì)方站向本站發(fā)送電源電壓接口。這里我們把本站向?qū)Ψ秸景l(fā)送電源電壓稱之為“電源”，把對(duì)方站向本站發(fā)送電源電壓稱之為“繼電器”。其中，雙極性“電源”共4 路，單極性“電源”共8路；雙極性“繼電器”共4 路，單極性“繼電器”共8 路。使用時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際站間聯(lián)系電路情況進(jìn)行選用。

2.1 雙極性電路工作原理

如圖5 所示，以哈佳線站間聯(lián)系電路為例，當(dāng)乙站1GJ↑、GJ↑時(shí)，正極性的直流電壓接入應(yīng)急傳輸裝置，應(yīng)急傳輸裝置雙CPU 將直流電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后乙站的應(yīng)急傳輸裝置通過站間光通道將數(shù)字信號(hào)傳遞給甲站的應(yīng)急傳輸裝置，甲站將接收到的數(shù)字信號(hào)通過應(yīng)急裝置的雙CPU 進(jìn)行譯碼，最后驅(qū)動(dòng)DJ（鄰）↑、2GJ↑，此時(shí)繼電器兩端電壓為正極性。

圖5 雙極性電路工作原理圖

當(dāng)乙站1GJ↓、GJ↑時(shí)，負(fù)極性的直流電壓接入應(yīng)急傳輸裝置，應(yīng)急傳輸裝置雙CPU 將負(fù)極性的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后乙站的應(yīng)急傳輸裝置通過站間光通道將數(shù)字信號(hào)傳遞給甲站的應(yīng)急傳輸裝置，其次甲站將接收到的數(shù)字信號(hào)通過應(yīng)急傳輸裝置的雙CPU 進(jìn)行譯碼，最后驅(qū)動(dòng)DJ（鄰）↑、2GJ↓，此時(shí)繼電器兩端電壓為負(fù)極性。

當(dāng)乙站GJ↓、DJF↓時(shí)，乙站應(yīng)急傳輸裝置沒有采到電壓，因此，甲站應(yīng)急傳輸裝置沒有輸出驅(qū)動(dòng)電壓，則DJ（鄰）↓、2GJ↓，此時(shí)繼電器兩端電壓為0。

2.2 單極性電路工作原理

如圖6 所示，當(dāng)甲站GJ↑時(shí)，直流電壓接入應(yīng)急傳輸裝置，應(yīng)急傳輸裝置雙CPU 將直流電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后甲站的應(yīng)急傳輸裝置通過站間光通道將數(shù)字信號(hào)傳遞給乙站的應(yīng)急傳輸裝置，其次乙站將接收到的數(shù)字信號(hào)通過應(yīng)急裝置的雙CPU 進(jìn)行譯碼，最后驅(qū)動(dòng)GJ（鄰）↑吸起。

圖6 單極性電路工作原理

當(dāng)甲站GJ↓時(shí)，甲站應(yīng)急傳輸裝置沒有采到電壓，因此，乙站應(yīng)急傳輸裝置沒有輸出驅(qū)動(dòng)電壓，則GJ（鄰）↓，此時(shí)繼電器兩端電壓為0。

3 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)研究

應(yīng)急傳輸裝置產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用及維護(hù)滿足《Q/CR 623-2017 基于光通信的站間安全信息傳輸系統(tǒng)》[1]規(guī)定的要求，采用雙CPU 硬件結(jié)構(gòu)、輸出驅(qū)動(dòng)源采用動(dòng)態(tài)脈沖，并按“二取二”原則輸出、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元采用“安全與”硬件電路等措施保證設(shè)備故障導(dǎo)向安全；數(shù)據(jù)的傳輸滿足《TB/T 3528.1-2018 鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議 第1 部分：Ⅰ型協(xié)議》[2]的要求，采用了時(shí)間戳、超時(shí)檢查、源標(biāo)識(shí)符SID 識(shí)別、接收錯(cuò)誤時(shí)反饋消息及32 位CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)和32 位系統(tǒng)檢測(cè)字雙重校驗(yàn)等安全防御技術(shù)。有效地克服了數(shù)據(jù)接收時(shí)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)幀重復(fù)、數(shù)據(jù)幀丟失、數(shù)據(jù)幀插入、數(shù)據(jù)幀次序混亂、數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤及數(shù)據(jù)幀傳輸超時(shí)等六種安全威脅，保證了控制信息的功能安全[3]。

3.1 雙極性電壓的采集與識(shí)別

雙極性電壓的極性是根據(jù)電路中相關(guān)繼電器動(dòng)作條件決定的，應(yīng)急傳輸裝置只與分線盤站間聯(lián)系電路接線端子連接，來獲得本站送到對(duì)方站電壓的極性，為了保證極性電壓采集的準(zhǔn)確性，在采集電壓入口增加防護(hù)電路，并確定電壓有效范圍在DC15V～DC 60V、DC-60V～DC -15V 間。如圖7 所示，在應(yīng)急裝置中增加站間聯(lián)系電路線間直流電壓極性鑒別電路，并通過光電隔離輸出，將電壓極性變成開關(guān)量信息，再由應(yīng)急裝置雙CPU 采集，傳輸?shù)綄?duì)方站應(yīng)急傳輸裝置。

圖7 雙極性電壓的采集與識(shí)別原理框圖

3.2 驅(qū)動(dòng)繼電器電壓的輸出

本站應(yīng)急傳輸裝置接收到對(duì)方站應(yīng)急傳輸裝置極性電壓，也因?yàn)閼?yīng)急傳輸裝置只與分線盤站間聯(lián)系電路接線端子連接，為了保證電壓極性安全地驅(qū)動(dòng)繼電器，在應(yīng)急傳輸裝置內(nèi)部設(shè)置小型繼電器，該繼電器為故障導(dǎo)向安全繼電器，安全完整性等級(jí)達(dá)到SIL4級(jí)。如圖8 所示，選擇用2 個(gè)JWXC-1700 安全型繼電器（1 個(gè)是正電繼電器，1 個(gè)是負(fù)電繼電器），由應(yīng)急傳輸裝置驅(qū)動(dòng)，當(dāng)收到對(duì)方站傳遞信息為正極性電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)正電繼電器；當(dāng)收到對(duì)方站傳遞信息為負(fù)極性電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)負(fù)電繼電器。

圖8 繼電器驅(qū)動(dòng)原理圖

3.3 適應(yīng)邏輯檢查設(shè)備在用FE 光通道

應(yīng)急傳輸裝置利用區(qū)間邏輯檢查設(shè)備在用的站間通道實(shí)現(xiàn)站間聯(lián)系信息的傳輸，在哈爾濱局管內(nèi)邏輯檢查設(shè)備使用站間光通道有兩種類型，一種是同一個(gè)IP 網(wǎng)段內(nèi)的FE 光通道（2 層通信通道），這種通道占絕大多數(shù)；另一種是在兩個(gè)網(wǎng)段的FE 光通道（3 層通信通道），需要設(shè)置IP 地址和網(wǎng)關(guān)地址，這種通道較少，哈爾濱局管內(nèi)普速自動(dòng)閉塞線路有7 個(gè)。為了適應(yīng)區(qū)間邏輯檢查設(shè)備使用的2 種類型站間FE 光通道，選擇通用光通信轉(zhuǎn)換模塊。

4 結(jié)論

本應(yīng)急傳輸裝置適用于普速鐵路自動(dòng)閉塞（ZPW-2000 系列無絕緣軌道電路設(shè)備）站間聯(lián)系信息的傳輸，解決普速鐵路自動(dòng)閉塞線路運(yùn)用中發(fā)生站聯(lián)電纜故障恢復(fù)時(shí)間較長的問題，為實(shí)現(xiàn)先恢復(fù)再搶修的應(yīng)急處理提供了解決辦法?，F(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn)，應(yīng)急裝置能適應(yīng)區(qū)間邏輯檢查設(shè)備使用的站間FE 光通道,僅用15 分鐘完成站間聯(lián)系電路的恢復(fù)使用，這種快速恢復(fù)站間聯(lián)系電路正常工作采取的技術(shù)措施，大大降低了對(duì)運(yùn)輸生產(chǎn)的影響。