城軌交通道岔繼電器控制組合N+1冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

梅 滿，田文禮，田堂俊

對(duì)于早期開通的地鐵線路，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備較多采用以聯(lián)鎖驅(qū)動(dòng)和采集繼電器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)模式。由于繼電器部件眾多，任何一處發(fā)生故障都將影響設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致故障處理非常困難。反觀其他系統(tǒng)，為提高可用性，在設(shè)計(jì)方面都會(huì)考慮不同方式的冗余。為此，本文特別針對(duì)道岔控制繼電電路設(shè)計(jì)了冗余方案，可在道岔故障發(fā)生時(shí)手動(dòng)切換至備用道岔控制組合，實(shí)現(xiàn)故障部件整體隔離，維持道岔正常功能，直至運(yùn)營結(jié)束后再開展修復(fù)處理［1］。

1 設(shè)計(jì)方案及原理

冗余方案整體結(jié)構(gòu)及原理見圖1。在有岔站信號(hào)設(shè)備室內(nèi)組合柜中，額外配置1 套與原道岔控制組合相同的備用道岔控制組合，并在每組原道岔控制組合與室外轉(zhuǎn)轍機(jī)之間串入AX 安全型繼電器，通過切換控制裝置，將DC 24 V電源引入切換繼電器。切換控制裝置通過串口協(xié)議與工控機(jī)進(jìn)行通信，并利用切換繼電器前后接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)原道岔控制組合與備用道岔控制組合之間切換。

圖1 冗余方案整體結(jié)構(gòu)及原理

1）切換控制裝置中采用帶有強(qiáng)制導(dǎo)向作用的歐姆龍G2R-1 型繼電器（簡稱“歐姆龍繼電器”），每個(gè)歐姆龍繼電器由單DC 24 V 線圈和單10 A觸點(diǎn)組成，用來控制1臺(tái)切換繼電器。因體積較小，可按道岔動(dòng)作、控制、表示電路中切換點(diǎn)數(shù)的不同，自由拓展和靈活配置，并可將多個(gè)歐姆龍繼電器集成為繼電器模組，通過RS-485 串口通信協(xié)議接收來自工控機(jī)的驅(qū)動(dòng)命令。

2）備用道岔控制組合采用與原道岔控制組合完全相同的道岔定型組合。

3）各種切換繼電器均采用AX 型無極加強(qiáng)信號(hào)插入式繼電器（JWJXC-480），在線圈失磁或故障時(shí)，可依靠內(nèi)部的配重塊使繼電器落下，符合“故障導(dǎo)向安全”原則。JWJXC-480型繼電器共有4 組接點(diǎn)，其中2 組加強(qiáng)型接點(diǎn)用于切換轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電路內(nèi)的大電流，另2 組普通接點(diǎn)用于切換轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路內(nèi)小電流，且前接點(diǎn)連接備用道岔控制電路，后接點(diǎn)連接原道岔控制電路。當(dāng)任意某組道岔發(fā)生故障時(shí)，先由人工操作系統(tǒng)控制終端遠(yuǎn)程發(fā)送切換命令，再由切換控制裝置驅(qū)動(dòng)切換繼電器吸起，實(shí)現(xiàn)原道岔與備用道岔控制組合之間切換，使備用道岔控制組合執(zhí)行相應(yīng)的道岔轉(zhuǎn)換。

下面以地鐵最常用的三相交流五線制雙機(jī)牽引道岔控制電路為例，主要考慮道岔轉(zhuǎn)換過程中控制電路、動(dòng)作電路、聯(lián)鎖表示采集電路的切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冗余切換控制功能［2-3］。

2 切換電路設(shè)計(jì)

為同時(shí)對(duì)控制電路、動(dòng)作電路和聯(lián)鎖表示采集電路進(jìn)行切換，設(shè)計(jì)了控制切換繼電器KZQHJ、動(dòng)作切換繼電器DZQHJ和表示切換繼電器BSQHJ電路，并在備用道岔動(dòng)作電路中，配置換相繼電器HXJ、換相保證繼電器HXBZJ，以及表示電源接通繼電器BSDYJ 等，在切換控制裝置中通過一定動(dòng)作邏輯，實(shí)現(xiàn)電路間無擾、安全地相互切換。

2.1 道岔控制電路切換設(shè)計(jì)

道岔控制電路中的定操繼電器DCJ、反操繼電器FCJ 和鎖閉繼電器SJ 由計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)輸出命令進(jìn)行控制，基于安全性要求，在設(shè)計(jì)切換時(shí)以“不改變道岔控制命令原始邏輯，仍使用原道岔控制組合中的DCJ、FCJ 和SJ 作為道岔控制命令”為原則，保證備用道岔控制組合同樣可執(zhí)行來自聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全命令。

道岔控制電路切換設(shè)計(jì)見圖2，在每組道岔的DCJ、FCJ、SJ 前接點(diǎn)后部各串聯(lián)1 組KZQHJ 接點(diǎn)，用于主備用道岔控制電路間切換。所有KZQHJ的前接點(diǎn)并聯(lián)后，接通備用道岔控制電路。

圖2 道岔控制電路切換設(shè)計(jì)

2.2 道岔動(dòng)作電路切換設(shè)計(jì)

在主用轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電路的分線柜X1—X5 中，各串聯(lián)一個(gè)DZQHJ 加強(qiáng)接點(diǎn)，用作主備用道岔動(dòng)作電路間切換。以道岔第1 牽引點(diǎn)動(dòng)作電路為例，見圖3，DZQHJ 中接點(diǎn)接信號(hào)設(shè)備室分線柜，后接點(diǎn)接主用道岔動(dòng)作電路，前接點(diǎn)全部并聯(lián)后，接通備用道岔動(dòng)作電路。第2 牽引點(diǎn)動(dòng)作電路切換設(shè)計(jì)與之類似。

圖3 道岔動(dòng)作電路切換設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［2］描述過相同的五線制動(dòng)作電路切換設(shè)計(jì)，使用一套備用道岔控制組合作為全站所有道岔控制組合的冗余，但只介紹了道岔電氣控制部分N+1 的冗余結(jié)構(gòu)。由于根據(jù)線路工況以及道岔側(cè)向開通方向的不同，現(xiàn)場通常將轉(zhuǎn)轍機(jī)分為“正裝”和“反裝”2 種，即正裝轉(zhuǎn)轍機(jī)在定位時(shí)，自動(dòng)開閉器1/3 排接點(diǎn)閉合，反裝轉(zhuǎn)轍機(jī)在定位時(shí)，則是自動(dòng)開閉器2/4 排接點(diǎn)閉合。因此2 種安裝方式的五線制動(dòng)作電路是不同的［4］。

通常在道岔動(dòng)作電路圖中只呈現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)定位1/3 排接點(diǎn)閉合的圖紙，而在圖紙下方則會(huì)備注定位2/4排接點(diǎn)閉合的改線方式，即需完成以下內(nèi)容：① X2與X3交叉，X4與X5交叉（行業(yè)通用做法是在轉(zhuǎn)轍機(jī)室外電纜盒軟線側(cè)完成交叉）；② 現(xiàn)場二極管顛倒極性；③ DBQ的41、61端子互換，實(shí)現(xiàn)B/C相序顛倒，改變轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)的三相電相序。

所以，若要將一套備用道岔控制組合用作全站所有道岔控制組合的N+1 冗余，就要對(duì)任意一組道岔切換至備用道岔控制組合時(shí)，使備用道岔控制組合內(nèi)的電源相序與受控轉(zhuǎn)轍機(jī)所需要的相序相同。見圖4。

圖4 備用道岔動(dòng)作電路設(shè)計(jì)

在備用道岔動(dòng)作電路中，斷相保護(hù)器DBQ41與第1 啟動(dòng)復(fù)示繼電器1DQJF11 之間，以及DBQ61 與1DQJF21 之間串聯(lián)相應(yīng)數(shù)量的換相繼電器HXJ（只反裝轉(zhuǎn)轍機(jī)配置HXJ，正裝轉(zhuǎn)轍機(jī)不用）。其中，在B 相中串聯(lián)的稱為B_HXJ，C 相中串聯(lián)的稱為C_HXJ。B_HXJ 的前接點(diǎn)與C_HXJ 的后接點(diǎn)連接，后接點(diǎn)與C_HXJ的前接點(diǎn)連接。

按照上述設(shè)計(jì)，在備用道岔動(dòng)作電路控制正裝轉(zhuǎn)轍機(jī)時(shí)（不需換相），B/C 相電源通過HXJ 后接點(diǎn)接通轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電路，電源端相序?yàn)锳-B-C；若備用道岔動(dòng)作電路需要控制反裝轉(zhuǎn)轍機(jī)，則需三相電源B、C 相互換，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作電路電源端相序變?yōu)锳-C-B。

由于DBQ41 和DBQ61 帶有380 V 電壓，帶電轉(zhuǎn)換相序時(shí)，高壓會(huì)對(duì)接點(diǎn)產(chǎn)生灼傷，若B 相和C相的HXJ 動(dòng)作同步性一旦產(chǎn)生輕微誤差，就會(huì)造成短路。為此，需在備用道岔動(dòng)作電路中的B、C相電源端設(shè)置換相保證繼電器HXBZJ，通過HXBZJ的前接點(diǎn)斷開，可使備用道岔動(dòng)作電路長期處在無電狀態(tài)。

另外，在驅(qū)動(dòng)HXBZJ 時(shí)，應(yīng)設(shè)置繼電器線圈延時(shí)動(dòng)作（延時(shí)2 000 ms驅(qū)動(dòng)），使HXBZJ在切換命令下達(dá)過程中，滯后于其他功能屬性的切換繼電器，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電路“先換相，再供電”，B、C 相在無電狀態(tài)下?lián)Q相，從而保證切換電路可靠［5］。

2.3 表示電源接通保護(hù)設(shè)計(jì)

在備用道岔控制組合的表示變壓器電源端，設(shè)置若干表示電源接通繼電器BSDYJ，數(shù)量與所在車站轉(zhuǎn)轍機(jī)數(shù)量相同，連接方式見圖5。

圖5 表示電源接通繼電器保護(hù)設(shè)計(jì)

在備用道岔控制組合未被切換且處于空閑時(shí)，BSDYJ 斷開，表示變壓器輸入側(cè)無電源，可提高備用道岔控制組合長期處于開路狀態(tài)時(shí)的表示變壓器、電阻等器件的使用壽命，而整個(gè)電路處于無電狀態(tài)，還可提升電路的安全性［6］。

2.4 道岔表示采集電路切換設(shè)計(jì)

使用AX 安全型繼電器普通接點(diǎn)，在原道岔表示繼電器的中接點(diǎn)與聯(lián)鎖接口柜之間串聯(lián)若干表示切換繼電器BSQHJ，見圖6。在任意道岔進(jìn)行切換時(shí)，相應(yīng)的BSQHJ 動(dòng)作，切斷原表示采集電路，接通備用道岔控制組合中的表示采集電路（圖6 中藍(lán)線），聯(lián)鎖直接采集備用道岔控制組合中DBJ 和FBJ的狀態(tài)。

圖6 道岔表示采集電路切換設(shè)計(jì)

在使用主用道岔控制組合時(shí)，通過BSQHJ的后接點(diǎn)采集主用道岔控制組合中DBJ、FBJ 的狀態(tài)（圖6中黑線），后接點(diǎn)靠自身重力落下，使BSQHJ中接點(diǎn)與后接點(diǎn)保持接通。而備用道岔控制組合接通BSQHJ 前接點(diǎn)，除非人為驅(qū)動(dòng)BSQHJ，否則將永遠(yuǎn)處在落下狀態(tài)，保持原道岔表示聯(lián)鎖采集電路的安全性。同時(shí)根據(jù)《鐵路信號(hào)AX 系列繼電器》（GBT 7417—2010）中的標(biāo)準(zhǔn)，JWJXC-480繼電器在中接點(diǎn)落下時(shí)，中接點(diǎn)與前接點(diǎn)會(huì)保持3 mm 間隙，而備用道岔控制組合中此處電壓僅為12 V，因此可有效阻隔來自備用道岔控制組合對(duì)原道岔表示信息聯(lián)鎖采集電路的影響［7］。

2.5 切換繼電器配置

以一組地鐵常用的雙機(jī)牽引單動(dòng)道岔切換為例，完成道岔控制電路切換需要3 組普通接點(diǎn)；完成道岔動(dòng)作電路切換需要10 組加強(qiáng)接點(diǎn)；完成B/C 相序換相需要4 組加強(qiáng)接點(diǎn)；完成換相保證需要4 組加強(qiáng)接點(diǎn)；完成道岔表示采集電路切換需要8 組普通接點(diǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)一組雙機(jī)牽引交流道岔控制電路切換最多需要11 組普通接點(diǎn)，18 組加強(qiáng)接點(diǎn)。而JWJXC-480 安全型繼電器每臺(tái)具有2 組加強(qiáng)接點(diǎn)和2 組普通接點(diǎn)，即使用9臺(tái)JWJXC-480安全型繼電器就可滿足切換要求。每架標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)組合柜最多可插130 臺(tái)JWJXC-480 安全型繼電器，因此最多可集成14組雙機(jī)牽引單動(dòng)道岔所用的AX型切換繼電器。通常地鐵正線的雙存車線/雙站后折返線車站最多不超過10 組道岔，若再額外多考慮2 組站前折返道岔，1 組聯(lián)絡(luò)線道岔，即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)組合柜完全能夠滿足任何正線車站的道岔切換需求。

3 道岔電氣冗余切換控制操作系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)備用道岔控制組合N+1 的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為確保在同一時(shí)間內(nèi)僅允許有一組道岔與備用道岔控制組合相切換，就需從軟件層面對(duì)其切換控制邏輯加以限制，避免出現(xiàn)2 組道岔共用一套備用控制組合的情況發(fā)生。

1）在軟件UI層面，通過菜單按鈕的禁用與激活狀態(tài)，確保任何時(shí)候道岔備用組合切換按鈕可用的唯一性。

2）實(shí)時(shí)掃描切換控制板上歐姆龍繼電器的狀態(tài)，當(dāng)任意切換控制板上繼電器吸起，即禁止對(duì)其他切換控制板再次下發(fā)命令，確保備用道岔控制組合驅(qū)動(dòng)命令下發(fā)執(zhí)行的唯一性。

3）對(duì)以上2 種狀態(tài)實(shí)時(shí)校驗(yàn)核對(duì)，確保驅(qū)動(dòng)指令與UI按鈕可用狀態(tài)的一致性與唯一性。

3.2 主、備切換控制邏輯

道岔冗余切換操作系統(tǒng)界面見圖7。

圖7 道岔冗余切換操作系統(tǒng)界面

1）當(dāng)操作計(jì)算機(jī)與串口控制器通信建立時(shí)，在軟件界面中相應(yīng)的道岔編號(hào)圖標(biāo)顯示“綠色”，表示可以進(jìn)行備用道岔控制組合切換，任意道岔編號(hào)下的二級(jí)菜單“切換備用組合”選項(xiàng)被允許選擇，見圖7（1），而通信中斷，相應(yīng)道岔編號(hào)圖標(biāo)顯示灰色。

2）單擊“切換備用組合”，將跳出密碼提示框，見圖7 （2），輸入預(yù)先設(shè)定的密碼以驗(yàn)證操作。

3）密碼驗(yàn)證正確后隨即跳出彈窗提示，若密碼錯(cuò)誤，則切換命令將被切斷，見圖7（3）。為進(jìn)一步對(duì)切換操作加以安全確認(rèn)提醒，提示操作人員“在切換過程中禁止轉(zhuǎn)換道岔、確認(rèn)區(qū)段無車占用、在切換完成后，需將道岔單操一個(gè)往返以恢復(fù)表示”。

4）整個(gè)切換命令自下發(fā)到執(zhí)行完成的過程需2～3 s，同時(shí)提醒在此過程中避免發(fā)生道岔轉(zhuǎn)換命令。由于主備用道岔控制組合間是通過繼電器接點(diǎn)形成物理隔離的，因此即使切換過程中伴隨道岔轉(zhuǎn)換，而以繼電器前、后接點(diǎn)的作用，原道岔的轉(zhuǎn)換命令將被打斷，最終結(jié)果仍為“道岔失去表示”，即導(dǎo)向安全側(cè)。同時(shí)在任何情況下切換完成后，都需將道岔單操一個(gè)往返，從而確認(rèn)道岔的定、反位置表示。因此雖需盡量避免在切換過程中轉(zhuǎn)換道岔，但考慮到極端巧合情況，切換命令和道岔轉(zhuǎn)換命令同時(shí)下發(fā)，也不會(huì)影響安全。

5）在對(duì)安全限制事項(xiàng)確認(rèn)后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊確認(rèn)提示框，即對(duì)串口控制器發(fā)出動(dòng)作命令，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)切換繼電器動(dòng)作，道岔圖標(biāo)變?yōu)椤凹t色”，表示備用道岔控制組合被占用，見圖7（4）。此時(shí)受切換的道岔由備用道岔控制組合對(duì)其完成轉(zhuǎn)換、動(dòng)作、表示和采集。

6）所在車站任意道岔切換命令成功發(fā)送后，將在軟件層面限制其他道岔的切換命令，此時(shí)鼠標(biāo)在界面中點(diǎn)擊其他道岔則無任何反應(yīng)，只允許將備用道岔控制組合切換至原道岔控制組合的命令，見圖7（5）。

7）再次右鍵單擊該道岔圖標(biāo)，選擇“切換主用組合”將備用道岔控制組合切換至原道岔控制組合，重復(fù)完成“輸入密碼驗(yàn)證”“安全限制提示”確認(rèn)操作，恢復(fù)至原道岔控制組合，圖標(biāo)顏色由“紅色”變?yōu)椤熬G色”，見圖7（6），表示備用道岔控制組合解除占用，恢復(fù)空閑狀態(tài)，此時(shí)允許其他道岔發(fā)送備用道岔控制組合的切換命令。

3.3 切換動(dòng)作順序

在向串口控制器發(fā)送切換命令的過程中，對(duì)相應(yīng)的HXBZJ、BSDYJ 的驅(qū)動(dòng)碼位設(shè)置延時(shí)，其中BSDYJ 設(shè)置延時(shí)1 000 ms，實(shí)現(xiàn)A、B 機(jī)動(dòng)作電路中的表示變壓器電源滯后其他切換繼電器1 s 后再接通，從而實(shí)現(xiàn)備用道岔控制組合空閑狀態(tài)表示電源不接入電路；HXBZJ 延時(shí)2 000 ms，實(shí)現(xiàn)A、B機(jī)動(dòng)作電路中的B/C 相電源滯后其他切換繼電器2 s 后再接通，從而實(shí)現(xiàn)備用道岔控制組合先換相再供電的技術(shù)要求。整個(gè)動(dòng)作過程為：切換命令發(fā)送→表示電源接通→動(dòng)作電源接通→其他電路切換→完成切換。

4 道岔電氣冗余的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用場景

1）由于折返道岔每天動(dòng)作次數(shù)頻繁，故障發(fā)生的概率較大，因此對(duì)于折返站配置備用室內(nèi)控制電路，可有效應(yīng)對(duì)個(gè)別線路無備用折返線，或折返線必經(jīng)道岔故障對(duì)列車折返所造成的影響。

2）渡線道岔通常不承擔(dān)列車折返，而在運(yùn)營中，渡線道岔定位出現(xiàn)故障甚至比折返道岔影響更大，因?yàn)槎删€道岔涉及相鄰線路的進(jìn)路防護(hù)，受此影響上下行途徑列車都需停車再降級(jí)通過，造成上下行雙方向的列車堆積。因此正線通過車站配置備用道岔控制組合，也可有效緩解渡線道岔定位故障對(duì)運(yùn)營所造成的影響。

3）對(duì)于仍在使用繼電器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的地鐵線路，改造全電子聯(lián)鎖需要考慮現(xiàn)有聯(lián)鎖的生命周期，付出額外的置換成本和改造周期，適時(shí)采用該方案可有效提高道岔繼電電路的可用性，應(yīng)對(duì)故障對(duì)運(yùn)營造成的影響［8］。

4.2 備用道岔控制組合的啟用時(shí)機(jī)

道岔故障在ATS 終端中的顯示僅有“失去表示（或四開報(bào)警）”這一種故障現(xiàn)象，而排除故障則需要考慮區(qū)分故障范圍是室外、室內(nèi)、機(jī)械或電路等多種因素，運(yùn)營人員開展道岔故障排除的首要步驟便是要區(qū)分故障范圍和故障現(xiàn)象［9］。

當(dāng)?shù)啦砉收习l(fā)生時(shí)，一般首先由控制中心或車站對(duì)道岔進(jìn)行單操，同時(shí)聯(lián)絡(luò)搶修人員趕往現(xiàn)場準(zhǔn)備搶修。當(dāng)?shù)啦韱尾贌o效后，可遠(yuǎn)程操作切換系統(tǒng)將故障道岔切換至備用道岔控制組合，再次使用ATS 對(duì)道岔進(jìn)行單操；若表示恢復(fù)，則證明道岔故障點(diǎn)位于室內(nèi)控制部分，從而實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的隔離，故障道岔通過備用道岔控制組合維持至運(yùn)營結(jié)束，搶修人員可在信號(hào)設(shè)備室值守保駕；若遠(yuǎn)程切換備用道岔控制組合，道岔故障未排除，則也可幫助搶修人員排除室內(nèi)故障，立即組織排查室外部分，從而簡化區(qū)分故障范圍的時(shí)間。

按照地鐵運(yùn)營過程中道岔故障發(fā)生的概率和頻次，較難發(fā)生某個(gè)站場內(nèi)有多組道岔同時(shí)發(fā)生故障的概率；并且為保證一套備用道岔控制組合在被切換投入使用時(shí)是唯一的，同時(shí)兼顧改造成本，所以N+1 的冗余設(shè)計(jì)完全能夠滿足日常的運(yùn)營場景［10-11］。

5 結(jié)束語

該項(xiàng)目已通過杭州市交通運(yùn)輸局立項(xiàng)，獲得杭科研項(xiàng)目資金支持，目前已在杭州五常車輛段試驗(yàn)線投入應(yīng)用，為12 組道岔提供N+1 冗余配置。無論是終點(diǎn)站的折返道岔或是中間站的通過道岔，其部件一旦發(fā)生故障，無一例外地都將造成不同程度的列車延誤，且多數(shù)城市地鐵已經(jīng)成網(wǎng)運(yùn)行，單條線路的列車擁塞往往需要其他線路共同調(diào)整行車組織加以應(yīng)對(duì)，因此在運(yùn)營延誤指標(biāo)越來越嚴(yán)苛的背景下，信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)利用各種手段在保證安全的前提下提高設(shè)備可靠性。本設(shè)計(jì)方案對(duì)傳統(tǒng)繼電電路升級(jí)冗余功能，對(duì)標(biāo)“先通后復(fù)”的運(yùn)營理念，遵循故障導(dǎo)向安全原則，降低繼電電路發(fā)生故障對(duì)運(yùn)營造成的影響，提高故障處置效率。