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        全自動(dòng)運(yùn)行防護(hù)區(qū)域人員防護(hù)開關(guān)的電路設(shè)計(jì)優(yōu)化

        2022-07-06 05:30:46王玉璽
        城市軌道交通研究 2022年5期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域

        王玉璽

        (蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司,215004,蘇州∥工程師)

        在城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行(FAO)系統(tǒng)中,列車自動(dòng)休眠、喚醒、準(zhǔn)備、自檢、自動(dòng)運(yùn)行、停車和開關(guān)車門。當(dāng)列車處于全自動(dòng)駕駛模式下,工作人員進(jìn)入站臺(tái)、區(qū)間、停車場和車輛段等軌行區(qū)作業(yè)時(shí),須對(duì)工作人員進(jìn)行必要的自動(dòng)安全防護(hù),以免發(fā)生人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失。各全自動(dòng)運(yùn)行防護(hù)區(qū)域都設(shè)置有人員防護(hù)開關(guān)(SPKS)。本文通過對(duì)比分析不同供應(yīng)商的SPKS的電路設(shè)計(jì)方案,提出針對(duì)較為冗雜電路的優(yōu)化方案。

        1 SPKS使用場景和功能描述

        通常情況下,SPKS有主路和旁路2個(gè)主要回路。主路有一個(gè)常態(tài)吸起的SPKS繼電器,當(dāng)某防護(hù)區(qū)域的SPKS被轉(zhuǎn)到“啟用”位時(shí),該SPKS繼電器因回路失電而落下,聯(lián)鎖機(jī)采集該SPKS繼電器接點(diǎn)狀態(tài)變化,此信息將在聯(lián)鎖邏輯中產(chǎn)生1條報(bào)警信息,同時(shí)告知WCU_ATP(軌旁列車防護(hù)子系統(tǒng));WCU_ATP根據(jù)TDB(軌道數(shù)據(jù)庫)中的配置,在該防護(hù)區(qū)域內(nèi)激活RAUZ(運(yùn)行授權(quán)區(qū)域)限制;運(yùn)行在該防護(hù)區(qū)域內(nèi)的CTC(連續(xù)式控制)級(jí)別列車施加緊急制動(dòng);運(yùn)行在該防護(hù)區(qū)域外的CTC級(jí)別列車將無法進(jìn)入該區(qū)域。當(dāng)某防護(hù)區(qū)域SPKS主路回路因故失效時(shí),會(huì)激活旁路開關(guān),驅(qū)動(dòng)旁路繼電器吸起,聯(lián)鎖機(jī)采集該SPKS旁路繼電器接點(diǎn)狀態(tài)變化,并告知WCU-ATP;WCU_ATP激活該防護(hù)區(qū)域內(nèi)RAUZ;該防護(hù)區(qū)域內(nèi)CTC級(jí)別列車正常運(yùn)行,避免因SPKS電路故障降低行車效率,提高信號(hào)系統(tǒng)可靠性。

        另外,鑒于普速鐵路和高速鐵路在天窗點(diǎn)內(nèi)作業(yè)時(shí),事故發(fā)生頻率較高。為避免在天窗內(nèi)作業(yè)時(shí),因各種原因造成列車進(jìn)入作業(yè)區(qū)域而造成傷害,亦可采用該防護(hù)手段。

        2 SPKS電路設(shè)計(jì)方案

        2.1 方案一SPKS電路設(shè)計(jì)

        方案一的設(shè)備供應(yīng)商為卡斯柯公司。在方案一SPKS電路(見圖1)中,1個(gè)站點(diǎn)共使用10個(gè)繼電器,包括4個(gè)方向的SPKS按鈕采集繼電器SPKS-D1 (下行)、SPKS-D2 (下行)、SPKS-U1 (上行)和SPKS-U2 (上行),1個(gè)SPKS旁路按鈕采集繼電器SPKS-siding,另外還有聯(lián)鎖機(jī)輸出4個(gè)SPKS狀態(tài)繼電器(SPKS-D1、SPKS-D2、SPKS-U1和SPKS-U2)和1個(gè)聯(lián)鎖機(jī)旁路輸出旁路狀態(tài)繼電器SPKS-siding(4個(gè)方向共用1個(gè)旁路繼電器)。

        圖1 方案一SPKS電路圖Fig.1 SPKS circuit diagram of scheme No.1

        SPKS常態(tài)時(shí),SPKS繼電器(SPKS-D1)吸起,聯(lián)鎖A機(jī)采集SPKS-D1繼電器的11-12和21-22接點(diǎn),聯(lián)鎖B機(jī)采集SPKS-D1繼電器的31-32和41-42接點(diǎn);當(dāng)聯(lián)鎖采集到SPKS繼電器(SPKS-D1)吸起時(shí),不會(huì)驅(qū)動(dòng)SPKS狀態(tài)繼電器SPKS-D1-SK,SPKS指示燈滅。SPKS激活時(shí),按鈕(非自復(fù)式)被按下,SPKS繼電器(SPKS-D1)驅(qū)動(dòng)回路斷開,繼電器落下,聯(lián)鎖采集到SPKS繼電器(SPKS-D1)落下時(shí),驅(qū)動(dòng)SPKS狀態(tài)繼電器SPKS-D1-SK,SPKS指示燈亮。旁路與主路的驅(qū)動(dòng)、采集原理一致,但其4個(gè)方向共用1個(gè)旁路繼電器。

        2.2 方案二SPKS電路設(shè)計(jì)

        方案二的設(shè)備供應(yīng)商為通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司。在方案二SPKS電路(見圖2)中,1個(gè)站點(diǎn)共使用6個(gè)繼電器,包括4個(gè)方向的SPKS繼電器和2個(gè)旁路繼電器。值得注意的是,方案二使用1個(gè)下行旁路繼電器和1個(gè)上行旁路繼電器來完成旁路,上行的頭和尾共用1個(gè)旁路繼電器SPKSPL1AJ,下行的頭和尾共用1個(gè)旁路繼電器SPKSPL2AJ。

        圖2 方案二SPKS電路圖Fig.2 SPKS circuit diagram of scheme No.2

        SPKS常態(tài)時(shí),SPKS1J吸起(1-2線圈得電),SPKS燈回路斷開,燈熄滅;同時(shí),聯(lián)鎖A機(jī)采集SPKS1J的前接點(diǎn)81-82,聯(lián)鎖B機(jī)采集SPKS1J的后接點(diǎn)81-83,形成對(duì)SPKS1J的異步采集。

        SPKS激活時(shí),SPKS1J的1-2線圈斷開失電,SPKS燈回路閉合,燈點(diǎn)亮。旁路激活時(shí),SPKSPL1AJ繼電器吸起,旁路繼電器的11-12和21-22兩組接點(diǎn)使SPKS1J勵(lì)磁,使SPKS1J繼電器吸起(3-4線圈得電)。

        2.3 方案三SPKS電路設(shè)計(jì)

        方案三的設(shè)備供應(yīng)商為交控科技股份有限公司。在方案三的電路中,1個(gè)站點(diǎn)共使用8個(gè)繼電器,包括4個(gè)方向的SPKS繼電器(SPKS1J、SPKS2J、SPKS3J、SPKS4J)和4個(gè)方向的旁路繼電器(SPKSPL1AJ、SPKSPL2AJ、SPKSPL3AJ、SPKSPL4AJ)。其激活和旁路原理與方案二一致,因此不再贅述。

        2.4 方案四SPKS電路設(shè)計(jì)

        方案四的設(shè)備供應(yīng)商為南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司。在方案四(見圖3)電路中,1個(gè)站點(diǎn)共使用32個(gè)(集中站)或40個(gè)(非集中站)繼電器。繼電器較多的原因是繼電器型號(hào)不同,1個(gè)小繼電器共有2組接點(diǎn),導(dǎo)致使用繼電器較多,但主要原因還是電路設(shè)計(jì)不合理,電路冗雜、繁多。

        圖3 方案四SPKS電路圖Fig.3 SPKS circuit diagram of scheme No.4

        方案四SPKS的主路電路簡單,驅(qū)動(dòng)電路采集電路清晰明了,符合SPKS人員防護(hù)設(shè)計(jì)初衷;其旁路的設(shè)計(jì)初衷是在主路故障后,操作旁路開關(guān)即可忽略主路故障,以此來保證信號(hào)系統(tǒng)的高可靠性。然而,實(shí)際上SPKS的旁路電路冗雜,繼電器驅(qū)動(dòng)采集冗雜繁多,驅(qū)動(dòng)采集電路中接點(diǎn)多,涉及機(jī)柜、端子多,導(dǎo)致設(shè)備失效率增高,可靠性降低,一旦線路出現(xiàn)故障,嚴(yán)重拉長排查故障時(shí)間。

        3 SPKS電路設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

        3.1 防護(hù)區(qū)域劃分方式

        常見的SPKS防護(hù)區(qū)域可根據(jù)影響范圍劃分,可分為一站一區(qū)間和一站兩區(qū)間2種劃分方式。圖4為一站一區(qū)間的SPKS防護(hù)區(qū)域劃分方式。將一個(gè)站點(diǎn)分為下行頭部、下行尾部、上行頭部和上行尾部4個(gè)防護(hù)區(qū)域。SPKS激活后,對(duì)提前定義好的一站一區(qū)間軌行區(qū)進(jìn)行防護(hù)。此方式中,SPKS防護(hù)區(qū)域劃分精細(xì),軌行區(qū)施工作業(yè)管理靈活方便。當(dāng)SPKS發(fā)生故障時(shí),對(duì)正線運(yùn)營行車組織的影響范圍僅為一站一區(qū)間,影響范圍小,線路行車組織調(diào)整時(shí)間充足。

        圖4 一站一區(qū)間SPKS防護(hù)區(qū)域劃分Fig.4 Protection area division of one-station-one-interval

        圖5為一站兩區(qū)間的SPKS防護(hù)區(qū)域劃分方式。以車站為中心,外加該站點(diǎn)兩端的區(qū)間,將一個(gè)站點(diǎn)劃分為上行和下行2個(gè)SPKS防護(hù)區(qū)域。SPKS激活后,對(duì)提前定義好的一站兩區(qū)間相關(guān)區(qū)域進(jìn)行防護(hù)。此方式的SPKS防護(hù)區(qū)域較大,當(dāng)SPKS發(fā)生故障時(shí),對(duì)正線運(yùn)營行車組織的影響范圍為一站兩區(qū)間,影響范圍大,線路行車組織調(diào)整時(shí)間不足。因此,一站一區(qū)間的SPKS防護(hù)區(qū)域劃分方式比一站兩區(qū)間的更具有可行性。

        圖5 防護(hù)區(qū)域設(shè)計(jì)Fig.5 Protection area design

        3.2 旁路防護(hù)區(qū)域劃分方式

        旁路旨在避免因SPKS而影響行車組織和行車效率。當(dāng)發(fā)生SPKS非人為激活故障時(shí),由車控室操作旁路按鈕,使SPKS故障無效。

        方案一和方案二在一個(gè)站點(diǎn)設(shè)置2個(gè)SPKS繼電器,對(duì)應(yīng)2個(gè)防護(hù)區(qū)域,雖然可以一定程度上減少成本,但旁路下行頭SPKS時(shí),可能會(huì)旁路實(shí)際有人作業(yè)的下行尾防區(qū),對(duì)下行尾作業(yè)人員產(chǎn)生生命威脅,不符合“故障導(dǎo)向安全”原則;方案三和方案四在1個(gè)站點(diǎn)設(shè)置4個(gè)SPKS旁路繼電器,對(duì)應(yīng)4個(gè)防護(hù)區(qū)域,不存在上述情況,符合“故障導(dǎo)向全”原則,故設(shè)置4個(gè)旁路防護(hù)區(qū)域方式更優(yōu)。

        3.3 按鈕和箱盒對(duì)比

        各方案SPKS按鈕和指示燈數(shù)量,及與門禁聯(lián)動(dòng)關(guān)系如表1所示。方案一4個(gè)方向SPKS旁路共用同一回路和繼電器,所以較方案二少1個(gè)按鈕和指示燈,且只在車控室IBP(綜合后備盤)處設(shè)置相應(yīng)按鈕和指示燈,在落軌梯處未進(jìn)行防護(hù);方案四在IBP盤(激活按鈕4個(gè)和旁路4個(gè))、落軌梯處(激活4個(gè))設(shè)置按鈕和指示燈各12個(gè),因在落軌梯處安裝激活開關(guān),且4個(gè)方向單獨(dú)設(shè)置旁路回路,提供IBP和落軌梯雙重防護(hù),在提高安全度和可靠性的同時(shí),也提高了成本。

        表1 各方案SPKS按鈕和指示燈數(shù)量及與門禁聯(lián)動(dòng)關(guān)系

        另外,方案四與門禁進(jìn)行聯(lián)動(dòng),當(dāng)激活SPKS時(shí),對(duì)應(yīng)的門禁才可以被打開??紤]到防護(hù)區(qū)域內(nèi)列車緊急制動(dòng)所需時(shí)間及相關(guān)信息傳輸時(shí)間,為最大限度地確保人員安全,聯(lián)鎖系統(tǒng)在SPKS激活開關(guān)被打到“啟用”位時(shí)仍無法確保防護(hù)區(qū)域內(nèi)所有列車均已停車,因此延時(shí) 15 s將SPKS 防護(hù)激活指示燈點(diǎn)亮。SPKS防護(hù)激活指示燈點(diǎn)亮前,對(duì)應(yīng)的門禁無法被打開。

        3.4 繼電器對(duì)比

        各方案SPKS電路中繼電器使用情況如表2所示。如方案中聯(lián)鎖同時(shí)采集繼電器同一組接點(diǎn)的前后接點(diǎn)信息,統(tǒng)計(jì)時(shí)則將繼電器前后接點(diǎn)算2個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

        表2 各方案SPKS電路中繼電器使用情況Tab.2 Relay usage condition of SPKS circuit in each scheme

        方案三采集1組繼電器接點(diǎn)的前后接點(diǎn),所以其接點(diǎn)利用率最高。方案四使用繼電器數(shù)量最多,達(dá)36個(gè),是因?yàn)槔^電器型號(hào)不同所致。1個(gè)DOLD型繼電器共有4組接點(diǎn)可以使用,而1個(gè)JWXC1700型繼電器有16組接點(diǎn)可以使用,后者接點(diǎn)組數(shù)是前者的4倍,且單個(gè)JWXC1700繼電器的可靠性高于多個(gè)DOLD繼電器的可靠性,所以建議使用JWXC1700繼電器,以提高整體可靠性。

        4 方案四SPKS電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

        對(duì)方案四電路進(jìn)行簡化 ,去掉R3、R4、R7和R8繼電器,減少繼電器的驅(qū)動(dòng)、采集環(huán)節(jié),減少線纜接點(diǎn)數(shù)量,以此來降低線路失效率,提高SPKS的可靠性,降低整個(gè)系統(tǒng)冗雜程度。

        4.1 去掉R3和R4繼電器的思考

        4.1.1 R3和R4繼電器在方案四中的作用

        R3、R4、R7和R8繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。首先分析R3和R4繼電器在整個(gè)SPKS電路中的作用。R3和R4繼電器的驅(qū)動(dòng),分別由R1和R2繼電器(R1的21-24接點(diǎn)和R2的21-24接點(diǎn))來驅(qū)動(dòng),其是R1和R2繼電器的復(fù)示繼電器。R3和R4繼電器的接點(diǎn)使用(采集)分2種情況:一是在集中站使用兩組接點(diǎn)(R3的11-14接點(diǎn)和R4的11-14接點(diǎn))來構(gòu)成激活指示燈的回路,另外兩組組接點(diǎn)(R3的21-24接點(diǎn)和R4的21-24接點(diǎn))構(gòu)成與門禁的接口回路;二是在非集中站先用R3和R4繼電器的21-24分別驅(qū)動(dòng)R9和R10繼電器,再用R9和R10繼電器的21-24這2組接點(diǎn)構(gòu)成與門禁的接口回路。

        圖6 R3、R4、R7和R8繼電器驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 R3、R4、R7、R8 relay drive circuit

        4.1.2 去掉R3和R4繼電器的優(yōu)點(diǎn)

        在激活指示燈回路中使用2組繼電器接點(diǎn)(R3的11-14接點(diǎn)和R4的11-14接點(diǎn)),此回路為安全側(cè)(燈亮或者燈滅不直接影響列車正常運(yùn)行和危機(jī)行車安全,僅對(duì)車控室或作業(yè)人員有提示作用),所以用2個(gè)繼電器共2組接點(diǎn)(R3的11-14接點(diǎn)和R4的11-14接點(diǎn))來構(gòu)成燈回路是完全沒必要的;且指示燈理論上應(yīng)直接反應(yīng)D1繼電器(JWXC1700型繼電器)的吸起或落下狀態(tài),也無需外加R3和R4繼電器復(fù)示,再給出相應(yīng)指示。

        綜上,若要去掉R3和R4繼電器,且不影響SPKS正常功能,可使用現(xiàn)有繼電器的空閑接點(diǎn)。SKPS激活燈指示燈直接采用D1繼電器(JWXC1700型繼電器)的接點(diǎn),利用大繼電器第三和第四組接點(diǎn)構(gòu)成激活指示燈回路;集中站與門禁的接口用R1和R2繼電器的21-24接點(diǎn)構(gòu)成與門禁的接口;非集中站與門禁的接口用R1和R2繼電器的21-24接點(diǎn)驅(qū)動(dòng)R9和R10繼電器,再用R9和R10繼電器的接點(diǎn)構(gòu)成與門禁的接口。如圖7所示。

        圖7 信號(hào)系統(tǒng)與門禁的接口Fig.7 Interface of signaling system and access control

        4.2 去掉R7和R8繼電器的思考

        4.2.1 R7和R8繼電器在方案四中的作用

        R7和R8繼電器分別由R5和R6繼電器的21-24接點(diǎn)驅(qū)動(dòng),是R5和R6繼電器的復(fù)示繼電器;R7和R8繼電器接點(diǎn)使用情況:11-14接點(diǎn)驅(qū)動(dòng)旁路指示燈回路,21-24向聯(lián)鎖板卡反饋信息。R5和R6繼電器共有2組接點(diǎn),其中11-14接點(diǎn)用來驅(qū)動(dòng)D1(JWXC1700型繼電器) ,21-24接點(diǎn)用來驅(qū)動(dòng)R7和R8繼電器。

        4.2.2 去掉R7和R8繼電器的優(yōu)點(diǎn)

        當(dāng)旁路激活時(shí),指示燈無論亮燈或滅燈,均不會(huì)為列車提供危險(xiǎn)側(cè)信號(hào)。值得注意的是,板卡采集R7和R8繼電器的信息是異步采集,即采集R7繼電器的后接點(diǎn)21-22和R8繼電器的前接點(diǎn)21-24。此時(shí)R7繼電器的后接點(diǎn)和R8繼電器的前接點(diǎn)空閑,可以利用這個(gè)特點(diǎn)來節(jié)約繼電器數(shù)量。

        綜上,若要去掉R7和R8繼電器,且不影響旁路功能,可使用現(xiàn)有繼電器的空閑接點(diǎn):2組前接點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)D1,即R5繼電器的11-14和R6繼電器的11-14;2組聯(lián)鎖板卡異步采集接點(diǎn),即R5繼電器的21-22和R6繼電器的21-24接點(diǎn);R5繼電器的21-24接點(diǎn)構(gòu)成旁路指示燈回路。

        此方案可將一個(gè)站點(diǎn)的繼電器減少16個(gè),繼電器總數(shù)降至20個(gè),繼電器接點(diǎn)使用率由原來的18.75%提高至28.00%,且在不改變電路原理的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)SPKS功能,一定程度上簡化了繼電器的驅(qū)動(dòng)和采集,簡化了故障處理步驟,降低了維護(hù)人員工作量。

        5 結(jié)語

        在GoA2(半自動(dòng)化列車運(yùn)行)級(jí)別下,即列車運(yùn)行模式為AM(自動(dòng)駕駛模式),控制級(jí)別為CTC(連續(xù)式控制級(jí)別)時(shí),是否設(shè)置SPKS,值得深思。列車按AM-CTC級(jí)別運(yùn)行時(shí),列車最高運(yùn)行速度可達(dá)80 km/h,一旦出現(xiàn)人員或異物侵入線路,在緊急情況下,司機(jī)不能及時(shí)讓列車停穩(wěn),將造成不必要的傷害。所以對(duì)既有線改造時(shí),亦可考慮加入SPKS,來提高GoA2級(jí)別下安全性能。SPKS還可以提高停車場和車輛段列車出庫能力,可對(duì)防護(hù)場段內(nèi)作業(yè)人員人身安全起到積極作用。不僅在城市軌道交通領(lǐng)域,甚至在普速鐵路和高速鐵路相應(yīng)場景中亦可考慮其應(yīng)用的可行性。

        SPKS既可用來在FAO系統(tǒng)中保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全,又可實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)高可靠性的和安全性,因此SPKS在FAO系統(tǒng)中不可或缺。而如何在確保SPKS電路安全可靠的前提下,節(jié)約建設(shè)成本、節(jié)約改造和維護(hù)成本、提高維護(hù)效率、降低系統(tǒng)冗雜性至關(guān)重要。

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