鐵路信號設備自動化控制技術研究

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【摘要】鐵路信號設備在鐵路安全運行中具有重要作用，由于鐵路信號設備多種多樣，而如何合理有效地進行控制操作，關系到鐵路的安全運行。因此，本文對鐵路信號設備的自動化控制技術進行了分析討論。由于鐵路信號設備具有重要作用，目前主要采取集中聯(lián)鎖控制，在條件不允許時才使用非集中聯(lián)鎖控制。文章著重對繼電聯(lián)鎖控制和計算機聯(lián)鎖控制兩種自動化控制技術進行討論，明確了基本的技術要點。

【關鍵詞】鐵路信號設備；繼電聯(lián)鎖控制；計算機聯(lián)鎖控制

1引言

鐵路信號設備的重要性不言而喻，它是信號、聯(lián)鎖、閉塞設備的總稱，是確保列車行車與調(diào)車安全和提升鐵路通過能力的關鍵裝備。隨著技術的進步，現(xiàn)代化鐵路信號設備的先進程度也在不斷提升。本文主要從集中聯(lián)鎖控制的角度分析鐵路信號設備的自動化控制技術[1]。

2鐵路信號設備

鐵路信號存在的目的是向有關行車人員和調(diào)車人員發(fā)出指示和命令，支撐這一目的的就是鐵路信號設備，包含了鐵路信號指示設備、聯(lián)鎖設備、閉塞設備。從鐵路信號的角度來講，設備的表現(xiàn)類型主要包括視覺和聽覺兩個部分，如常見的信號機、機車信號機、信號旗、信號牌、火炬、號角、響墩、機車鳴笛等。例如列車進站需要接收進站信號機的指令信號，該信號機主要目的是防護車站安全，指示列車能否由區(qū)間進入車站以及確認進站條件，通常設置在進站路線最外方道岔尖軌尖端不少于50m的地點。當信號機顯示紅色燈，則不準列車越過信號機停止線，黃色燈光（一個）準許列車經(jīng)由道岔直向位置進入正線準備停車。黃色燈（兩個）準許列車經(jīng)過道岔側(cè)向位置進入站內(nèi)準備停車。綠色燈，準許列車按照規(guī)定的速度經(jīng)過正線通過車站。一條鐵路線上擁有多種信號設備，這些信號設備與聯(lián)鎖設備、閉塞設備是聯(lián)動關系，共同發(fā)起鐵路信號指示列車。其中，信號設備和聯(lián)鎖設備具有相互制約的關系。就聯(lián)鎖來講，目前采取集中聯(lián)鎖和非集中聯(lián)鎖兩種模式。本文主要分析集中聯(lián)鎖。集中聯(lián)鎖分為繼電器聯(lián)鎖和計算機聯(lián)鎖兩種。聯(lián)鎖的要求是當開放某一進路，必須先完成進路上所有道岔的調(diào)整，保證全部處在正確位置，防護這一進路的鐵路信號機開放，當信號機開放通行，則這一進路上的道岔閉鎖，同時與該進路敵對的進路可能有若干條，只要有部分重疊或交叉，有可能引起沖突的進路上的信號機則應全部閉鎖。而閉塞設備相對特殊是為了防止一個區(qū)間內(nèi)同時進入相對運行的列車或者避免相向而行的列車發(fā)生追尾事故，區(qū)間兩端車站值班員需在區(qū)間發(fā)車前辦理行車聯(lián)絡手續(xù)，支撐這一目的的設備就是閉塞設備，其主要保證一個區(qū)間內(nèi)，在同一時間里只允許一輛列車占用。

3自動化控制技術

自動化控制技術在早期主要采用接觸器、繼電器等元器件來實現(xiàn)對電氣設備的邏輯控制和自動判斷電氣設備的機械狀況。在微電子技術發(fā)展過程中，自動化控制技術也發(fā)生變化，傳統(tǒng)的接觸器、繼電器被微電子產(chǎn)品所取代。目前比較主流的裝備是PLC（可編程邏輯控制器）和單片機等。其中，PLC是目前自動化控制領域最主要的裝備。目前，典型的自動化控制體系是PLC+變頻器+電氣設備的架構(gòu)，整個架構(gòu)為M2M形式，即機器連接機器的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。但是隨著技術進步，M2M連接形式的生產(chǎn)效率進入瓶頸，因而開始尋求在信息物理系統(tǒng)支持下，轉(zhuǎn)型為數(shù)字化形式的連接，即IOT。我國在鐵路方面發(fā)展已經(jīng)遠超世界上的大多數(shù)國家，鐵路建設情況、建設技術應用都處在世界領先水平。目前，鐵路是我國最安全的運輸方式，其安全性主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面是鐵路信號接收的安全性，另一方面則是鐵路運輸線上的信號接收、發(fā)射的穩(wěn)定性。現(xiàn)代科學技術手段融入鐵路信號設備之中，極大地促進了鐵路安全運輸能力。特別是計算機集中聯(lián)鎖的出現(xiàn)，信號機、聯(lián)鎖設備、閉塞設備的操作難度越來越低，有效降低了行車、調(diào)車人員的工作量，增強了行車安全性[2]。

4鐵路信號設備的自動化控制技術

鐵路信號設備的自動化控制技術在早期是基于繼電器來實現(xiàn)的，與電氣自動化控制技術的發(fā)展進程相當。隨著微電子信息技術的進步，計算機控制技術逐步應用于自動化控制領域，并且成為主流。目前，國內(nèi)鐵路信號設備的自動化控制，分為基于繼電器的自動化控制和基于計算機的自動化控制兩種情況，當然未來必定全面轉(zhuǎn)型為基于計算機的自動化控制[3]。

4.1繼電器聯(lián)鎖

早期鐵路信號設備的自動化控制技術，以繼電器為核心，在鐵路設備中繼電器也是非常基礎的設備。常見的繼電器有兩個部分，包括電磁系統(tǒng)和接電系統(tǒng)。其原理是當繼電器工作時，由于輸入電流存在一大一小的差異，進而使電磁系統(tǒng)的線圈產(chǎn)生電磁力，從而吸引周圍的銜鐵，接點系統(tǒng)工作，改變運行狀況。換言之，繼電器也類似電磁開關裝置。在早期使鐵路信號設備中使用極多的一種電氣元件，也是繼電集中聯(lián)鎖中的主要元件，通過繼電器控制道岔的轉(zhuǎn)換、信號繼電開放和關閉、以及進路的閉鎖與解鎖等。基于繼電器的自動控制體系下，道岔尖軌轉(zhuǎn)換位置主要利用轉(zhuǎn)轍裝置來帶動，電動轉(zhuǎn)轍機有電動機帶動轉(zhuǎn)轍機，通過控制電動機的繼電器來實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，進而使道岔具有兩種不同的開通位置。控制電路利用鐵路的鏈條鋼軌作為導線，其所構(gòu)成的電氣回路可反映線路和道岔區(qū)段是否存在列車占用情況和判斷鋼軌是否完整。當電流從電路電源正極發(fā)出，鋼軌流過鋼軌，并通過軌道繼電器進入另一股鋼軌電源的負極。當電流經(jīng)過繼電器時，繼電器通電工作，吸引銜鐵，后接點斷開，前接點閉合，接通綠燈電路，信號機綠燈亮起，表示列車可通行，此時表示軌道區(qū)間處在空閑狀態(tài)。而若軌道區(qū)間有列車占用，電流走向則是從正極發(fā)出電流經(jīng)過鋼軌、輪對到另一股鋼軌電源負極。繼電器沒有電流經(jīng)過，因而銜鐵釋放，前接點斷開、后接點閉合，接通紅燈電路，紅燈亮起，表示列車不得越過信號機停止線。在集中控制下，車站值班室設置有控制臺，其正面裝有照明盤、盤面帶有全站的軌道平面圖和各種進路按鈕、道岔按鈕、信號控制按鈕等。在需要辦理進站業(yè)務時，只需按壓控制臺模擬站場圖上進路控制按鈕，就可將進路道岔轉(zhuǎn)換至規(guī)定位置，信號機也聯(lián)動運作開放。

4.2計算機聯(lián)鎖

計算機聯(lián)鎖是更為先進的一種集中聯(lián)鎖控制方式，目前采用的全電子計算機聯(lián)鎖設備是鐵路信號控制中的新型聯(lián)鎖設備，是利用計算機對車站值班員的操作指令和現(xiàn)場表示信息進行邏輯運算，從而實現(xiàn)對信號機、道岔等控制設備進行集中控制的聯(lián)鎖設備。其具有體積小、能耗低、操作方便、監(jiān)控完善、故障指示到位、自檢索完善等特點，對我國進一步提升鐵路運行安全性和可靠性具有重要價值意義。它實現(xiàn)了從有接點到無接點的革新，使聯(lián)鎖設備更加小巧可靠。作為一種新型信號控制系統(tǒng)，其最大特點是實現(xiàn)車站聯(lián)鎖設備執(zhí)行層的全面電子化，隨著智能化分析技術的應用還能實現(xiàn)智能化。全電子化的執(zhí)行機構(gòu)和分布式的聯(lián)鎖機構(gòu)相結(jié)合，構(gòu)成計算機集中聯(lián)鎖控制體系，主要包括聯(lián)鎖機柜、執(zhí)行機柜和防護機柜3大模塊。其中，聯(lián)鎖機柜包含三重冗余聯(lián)鎖計算機、互為備用的監(jiān)控以及電務維修機，主要承擔自動控制軟件的運行，主要功能包括控制指令的下發(fā)、系統(tǒng)狀態(tài)檢測和相關運算。執(zhí)行機柜中，包含智能模塊和監(jiān)測模塊，完成軟件下發(fā)的指令，外部設備狀態(tài)采集和智能化處理。全站可不用設置繼電器，完全由聯(lián)鎖機柜進行集中控制，依據(jù)關系處理信號機開放閉鎖、道岔的轉(zhuǎn)換以及其他線路信號機的控制。智能模塊的加入通過現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)集成的傳感器等裝置采集的信息進行智能化判斷，直接處理命令信息至轉(zhuǎn)轍機、信號機、軌道電路、區(qū)間聯(lián)系電路和電碼化結(jié)合電路，實現(xiàn)車站、區(qū)間之間的聯(lián)動自動化控制。計算機聯(lián)鎖控制，以計算機控制技術為關鍵，以電力電子開關技術為基礎，并集成計算機通信、電子信息、傳感器技術等實現(xiàn)信號控制聯(lián)鎖。這一系統(tǒng)本質(zhì)上就是一個基于PLC的自動化控制體系架構(gòu)。例如K5B計算機聯(lián)鎖設備，使用的是單元控制臺，完成對站內(nèi)設備的操作以及狀態(tài)顯示。在控制臺上擁有自回復按鈕和非自回復按鈕兩種，前者包含信號按鈕、道岔按鈕、半自動閉塞按鈕、總?cè)∠粹o、人工解鎖按鈕、引導按鈕、道岔單獨操作按鈕、單獨鎖定按鈕、單獨解鎖按鈕、非進路故障恢復按鈕等。后者則包含區(qū)段按鈕、事故解鎖按鈕、人工解鎖按鈕、引導按鈕、自動閉塞故障恢復按鈕等。其操作方法也相對簡單，例如辦理以及取消非進路調(diào)車，只需按下非進路按鈕，系統(tǒng)自動完成非進路選路，選路過程中按鈕上方指示燈工作，進路閉鎖后停止。再按下按鈕使按鈕抬起，非進路延時30s解鎖，若延時解鎖失敗，指示燈提示故障，需要按下鉛封按鈕非進路故障恢復按鈕解鎖進路。注意上述自動閉塞，其根據(jù)列車運行和閉塞分區(qū)情況，對信號機進行自動變換顯示，列車只需要憑借信號機的顯示進行行車安排。其原理是將相鄰車站區(qū)間正線劃分為若干閉塞分區(qū)，一般以1200～1300m為一段，在每個分段起點設置色燈信號機，閉塞分區(qū)內(nèi)軌道上安裝有電路，通過電路來監(jiān)測軌道區(qū)間情況，集成在信號機中的控制器直接控制信號機顯示。計算機聯(lián)鎖是目前信號設備發(fā)展的主要方向，未來智能化則是研究的主要方向，現(xiàn)階段還需要完善執(zhí)行器件的電子化、使系統(tǒng)組成標準化，最大限度發(fā)揮所用資源潛力，進一步完善行車、調(diào)車、操作、維修的自動化，進一步提升系統(tǒng)的可靠性、安全性[4]。

作者：海鵬博 單位：寶雞文理學院