溫仕明 上海鐵路局上海電務段

客運專線ZPW2000A軌道電路發(fā)送器冗余電路改進方案探討

溫仕明 上海鐵路局上海電務段

論述客運專線 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器的冗余模式,結合具體案例對發(fā)送器冗余電路的有效性進行探討，找出其中的不足，并提出改進方案。

客運專線；ZPW-2000A軌道電路；發(fā)送器冗余

客運專線ZPW-2000A軌道電路是在既有 ZPW-2000A無絕緣軌道電路的基礎上，針對客運專線的應用進行了適應性改造，它保留了既有 ZPW-2000A軌道電路穩(wěn)定、可靠的特點，具有我國自主知識產權、適用于客運專線列控系統(tǒng)?？瓦\專線 ZPW-2000A軌道電路包括區(qū)間設備和站內設備兩種，包括京滬高鐵在內的一大批客運專線均采用了此項設備。

客運專線 ZPW-2000A軌道電路相比既有線ZPW-2000A無絕緣軌道電路有了較明顯改進，特別是采用無接點的計算機編碼以及1+1的發(fā)送器冗余方式，取代了既有的繼電器編碼和N+1方式，大大提升了設備的可靠性。但是從京滬高鐵開通兩年來的運用情況來看，管內客運專線 ZPW-2000A軌道電路設備故障時有發(fā)生，有的故障對運輸產生了嚴重的影響。通過對管內2012年1月至2013年5月期間客運專線 ZPW-2000A軌道電路器材類設備故障進行統(tǒng)計，具體分析情況見表1。

由表1可知，發(fā)送器故障占了客運專線 ZPW-2000A軌道電路設備故障中的一大半。客運專線 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器由既有線的 N+1提高為1+ 1的備用模式，大大增強了設備的冗余程度，減少了因發(fā)送器不良帶來的不利影響。大部分情況下即使主發(fā)送器發(fā)生故障，也能通過1+1模式切換到備發(fā)送器工作，并通過集中監(jiān)測報警做到發(fā)現(xiàn)和處理，對整個軌道電路的正常工作影響較小。但從不斷發(fā)生的發(fā)送器故障來看，即使采用了1+1的冗余模式，也不能有效消除發(fā)送器故障帶來的不利影響，特別是在某些情況下冗余裝置會失去作用，此時就嚴重影響到軌道電路設備的正常使用?，F(xiàn)結合具體案例對發(fā)送器冗余電路進行分析，找出其中的不足，并探討改進方案。

表1 管內2012年1月至2013年5月期間ZPW-2000A軌道電路設備故障分析表

1 客運專線 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器冗余設計

（1）發(fā)送器采用 1+1方式。原理見圖1。

圖1 發(fā)送器1+1方式原理圖

由圖1可知：在正常情況下，主、備發(fā)送器均正常工作，則FBJZ、FBJB（安裝于衰耗器中）均正常吸起。此時客運專線ZPW-2000A軌道電路的功出電壓由主發(fā)送器通過FBJZ吸起接點及中接點提供，備發(fā)送器產生的功出電壓通過FBJB的吸起接點送至FBJZ落下接點；一旦主發(fā)送器發(fā)生故障，導致FBJZ失電，接點落下，此時客運專線 ZPW-2000A軌道電路的功出電壓由備發(fā)送器通過FBJB的吸起接點、FBJZ落下接點提供，實現(xiàn)主、備發(fā)送器輸出切換的冗余功能。

（2）發(fā)送器本身采用雙機熱備冗余方式。

發(fā)送器內部采用雙套相互獨立的CPU處理單元，對同一載頻、低頻編碼條件源，以反碼的形式分別通過互為冗余的兩條 CAND、CANE總線送至 CPU1及 CPU2。CPU1控制“移頻發(fā)生器”產生移頻信號，移頻信號分別送至 CPU1及CPU2進行頻率檢測。頻率檢測結果符合規(guī)定后，控制輸出信號，經“控制與門”使移頻信號送至“濾波”環(huán)節(jié)，實現(xiàn)方波-正弦波變換?！肮Ψ拧陛敵龅囊祁l信號送至 CPU1及 CPU2，進行功出電壓檢測，CPU1及 CPU2對移頻信號進行低頻、載頻、幅度特征檢測符合要求后，驅動“安全與門”電路使發(fā)送報警繼電器吸起，并使經過“功放”放大的移頻信號輸出至軌道，原理框圖見圖2。

圖2 發(fā)送器原理框圖

由上述原理可知，發(fā)送器冗余電路由發(fā)送器內部的雙CPU冗余電路和發(fā)送器1+1方式構成，理論上使得客運專線 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送電路的故障率大大降低，但是實際運用中因發(fā)送設備故障造成冗余失效的問題仍時有發(fā)生，具體案例如下。

2 案例分析

（1）案例一：2012年7月11日，管內某站11765BG突然出現(xiàn)無車占用紅光帶故障。處理人員趕赴現(xiàn)場后，檢查發(fā)現(xiàn)11765BG主、備發(fā)送器工作燈均正常顯示為綠燈，在送端模擬網絡盤設備側測試電壓為0V，在衰耗盒測試功出電壓為0V，主軌出為0V,調閱微機監(jiān)測顯示功出電壓、功出電流如圖3所示。

圖3 故障時功出電壓、電流圖

因此判斷為室內送端設備故障，更換衰耗冗余控制器后故障現(xiàn)象消失，設備恢復正常。

故障原因分析：經廠家對更換下的衰耗冗余控制器進行檢測后，發(fā)現(xiàn)衰耗冗余控制器內的主發(fā)送報警繼電器（FBJZ）63、64接點（見圖1圖示處）在繼電器上電后，不能可靠閉合，造成主發(fā)送功出電壓無法正常輸出，導致軌道電路故障。發(fā)送報警繼電器本是為實現(xiàn)發(fā)送器1+1冗余方式而設置的，所起的作用就是當主發(fā)送器故障時切換到備發(fā)送器輸出功出信號。但在本案例中正是因為主發(fā)送報警繼電器（FBJZ）的63、64接點在繼電器上電后不能可靠閉合而造成軌道電路故障。此時發(fā)送報警繼電器非但沒有起到冗余的作用，反而造成了設備故障。除此之外，從功出電壓日曲線圖上可以看到，故障發(fā)生的過程中主發(fā)送器的功出電壓劇列波動，但此時并未切換到備發(fā)送器提供功出電壓，1+1的冗余設置此時同樣沒能發(fā)揮作用，此現(xiàn)象將在下一個案例中進行詳細分析。

（2）案例二：2013年1月2日，管內某站值班人員在微機監(jiān)測瀏覽中發(fā)現(xiàn)，12749BG功出電壓急劇波動，從150V下降到50V左右。調閱主軌出電壓，發(fā)現(xiàn)主軌出電壓跟隨功出電壓波動而變化，故障時功出電壓曲線及主軌出電壓月曲線如圖4所示。

圖4 故障時功出電壓、主軌出電壓月曲線圖

圖4所示該區(qū)段主軌出電壓正常值為450mV，故障時急劇下降，最低達到250mV，處于使軌道繼電器可靠吸起的臨界值，隨時可能發(fā)生軌道電路無車占用紅光帶故障。值班人員立即對該區(qū)段發(fā)送設備進行檢查，發(fā)現(xiàn)主、備發(fā)送器工作燈均顯示正常工作綠燈，在冗余衰耗控制器測試主軌出電壓為250mV左右，說明此明功出電壓仍由主發(fā)送器提供，并未進行主備切換。于是申請更換主發(fā)送器后，功出電壓及主軌出電壓恢復正常。

故障原因分析：

發(fā)送器內部電路中，由功放電路對移頻信號進行放大，輸出可調整的 10種電平等級的功出電壓。功出電平級調整采用外部接線方式調整輸出變壓器變比，輸出的功出電壓范圍為31V到170V。發(fā)送器對輸出的移頻信號進行采樣并分別送至 CPU1及 CPU2進行低頻、載頻、幅度特征檢測，符合要求后，驅動“安全與門”控制發(fā)送報警繼電器吸起，從而控制功出電壓的最終輸出。雖然自檢電路已經對功出電壓幅度進行檢測，但是實際上功出電壓幅度并未完全作為驅動“安全與門”的必要條件，只有當發(fā)送端短路時，才會使“控制與門”有10s的關閉（休眠保護）。這也就是為什么雖然發(fā)送器功出電壓劇列波動，卻不產生發(fā)送器故障報警，也不切換到備發(fā)送進行輸出的原因。為什么自檢電路不將功出電壓幅度作為驅動“安全與門”的完全必要條件呢？那是因為發(fā)送器產生的功出電壓是隨電平級的不同而不同，而自檢電路恰恰缺少對功出電平級的識別功能，造成發(fā)送器無法得知當前使用的是哪一級功出電平，也就無法根據(jù)檢測到的功出電壓幅值來判斷功出電壓是否在正常范圍內，因此也就無法產生故障報警。在實際運用中，廠家采取的是在列控中心軌道電路監(jiān)測維護終端，通過配置區(qū)段信息表，設定功出電平級以及功出電壓范圍，由監(jiān)測實現(xiàn)對功出電壓的幅值判斷，并給出報警。但監(jiān)測報警只能起到警示提醒作用，即使主發(fā)送器的功出電壓幅值遠遠達不到使軌道電路正常工作的要求而產生無車占用紅光帶故障，也不能使故障的主發(fā)送器產生故障報警而切換到由正常工作的備發(fā)送器來提供功出電壓，只能通過人工更換發(fā)送器來解決，就如案例中一樣。在高鐵線路中有很多站是無人值守的中繼站，路途偏遠，一旦發(fā)生類似故障，就會產生較長的故障延時，給安全運輸帶來嚴重的影響。因此發(fā)送器本身的冗余電路也需要改進，加入功出電平識別功能，才能避免類似狀況的發(fā)生。

3 改進方案

由上述兩個案例分析的情況我們可以看到，客運專線 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器冗余電路確實存在缺陷而導致冗余失效，說明冗余設置還不能完全滿足現(xiàn)場實際的需要，這就需要通過進一步改進，克服這種缺陷，避免類似的問題再次發(fā)生，現(xiàn)分別就前述兩種情況提出改進方案：

（1）方案一：針對主、備發(fā)送報警繼電器發(fā)生故障的可能性進行分析，一是發(fā)送器都正常工作，送出正常的發(fā)送報警繼電器驅動電壓，此時分二種情況：①主、備發(fā)送報警繼電器均不吸起，此時就等同于主、備發(fā)送器同時故障，1+1冗余設置完全失效，軌道電路不能正常工作。②主、備發(fā)送報警繼電器中任一個不吸起，此時就等同于主、備發(fā)送器任一個發(fā)生故障，在這種情況下，冗余設置能正常發(fā)揮作用，不會影響軌道電路正常工作。二是發(fā)送報警繼電器都能正常吸起，但存在接點不能可靠閉合的情況，如案例1中故障，此時冗余設置也將失效。上述兩種失效情況均是是設計中存在的缺陷造成，使得1+1冗余方式存在瓶頸，無法真正發(fā)揮其應有的作用。就需對發(fā)送報警繼電器進行冗余，通過并聯(lián)冗余繼電器及接點的方式，大大提高1+1冗余方式的可靠性。即使出現(xiàn)個別繼電器不能正常工作或個別接點不通的現(xiàn)象，也不會影響軌道電路正常工作。但FBJZ/B內置于衰耗盒中，為微型繼電器，存在接點組數(shù)不夠而無法構置冗余電路，這就需要使用有足夠接點的新型繼電器或者再增加一個相同的冗余繼電器才能實現(xiàn)這一目標。

（2）方案二：針對發(fā)送器功出電壓波動過大，不產生發(fā)送報警、不進行發(fā)送器輸出切換的現(xiàn)象，正如案例中分析提到的，是由于發(fā)送器缺少功出電平識別功能造成的，那就需要給發(fā)送器加上這個功出電平識別功能。從可靠性上分析，對發(fā)送器內部電路進行改造，增加電平識別電路，如使用拔設開關等，在設置好電平級后，發(fā)送器就可以直接獲得功出電平級信息，實現(xiàn)對檢測到的功出電壓幅值進行比對判斷，當功出電壓幅值不能滿足軌道電路正常需要時，即時輸出發(fā)送報警，切換到由備發(fā)送器提供正常的功出電壓。但此種改造的成本高而且工作量較大，所以從改造成本及可操作性上分析，可以通過軟件設置實現(xiàn)。即在列控中心軟件中設置功出電平信息，通過實時比對發(fā)送器送至列控中心的功出電壓數(shù)據(jù)，判斷發(fā)送器送出的功出電壓是否正常，一旦發(fā)生功出電壓幅值不能滿足軌道電路正常需要時，即由列控中心發(fā)送特殊編碼信息，使得發(fā)送器即時輸出發(fā)送報警，切換到由備發(fā)送器提供正常的功出電壓。

通過以上改進，能克服客運專線ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器冗余電路中存在的不足，使冗余系統(tǒng)真正發(fā)揮作用，減少因設備器材不良帶來的故障，為鐵路的安全運輸提供真正可靠的保障。

責任編輯：萬寶安

來稿日期：2014-06-19