双机热备自动过分相控制系统方案设计

双机热备自动过分相控制系统方案设计DuplicateHotStandbyDesignofNeutralSectionAuto-PassControlSystem范俊成1，陈俊生1，吴晓男2，王国锋3FANJun-cheng1,CHENJun-sheng1,WUXiao-nan2,WANGGuo-feng3（沈阳铁路信号有限责任公司，沈阳辽宁110025）(ShenyangRailwaySignalCo.,Ltd,ShenyangLiaoning110025,China)摘要：针对电力机车自动过分相控制系统目前存在的问题，研制了双机热备自动过分相控制系统，并给出了系统结构、主机板、记录器的设计方案及双套切换电路的动作原理。文中对车感器产生的感应电压进行了理论分析并结合现场数据给出了车感器感应信号输入控制门限与确认时延的改进方案，提高了系统的接收灵敏度和抗干扰能力。文章最后对系统进行了可靠性分析。现场试验中系统分别在本务、重联和无线重联不同机车位置运行，经过多个交路的考验，其性能稳定可靠，并准备进一步的测试和推广运用。Abstract:Inrespecttotheproblemsexistinginthesolutionofelectroniclocomotiveneutralsectionauto-passcontrolsystem,duplicatehotstandbyneutralsectionauto-passcontrolsystemhasbeendeveloped.,andthestructuresofthesystem,thedesignofsystemboard,thedesignofdataregisterandswitchingcircuitofduplicatehotstandbyhavebeenprovidedbythewriter.Thedesignofcontrolthresholdandtimedelayhasbeenimprovedforreceivingsignalofsignalreceivingdevicebytheoreticalanalysisofsignalreceivingdeviceinductionvoltageandfielddata,sothereceivingsensitivityandanti-jammingabilityofthesystemareimproved.Finally,thereliabilityanalysisofthesystemisgivenbythispaper.Aftertestsoflotsoflocomotiveroutings,thesystemusedonleadinglocomotive,multi-locomotiveandwirelessmulti-locomotiveisstableandreliable,meanwhilethesystemisreadytofurthertestsandapplications.关键词：双机热备；自动过分相；记录器；感应电压；可靠性Keywords:duplicatehotstandby;neutralsectionauto-pass;dataregister;inductionvoltage;reliability目前，电气化铁路自动过分相主要有地面开关自动切换方式、柱上开关自动断电方式和车载自动控制过分相方式[1]。其中以地面埋点作为定位信息的车载方式投资小、性能好、可靠性高是我国铁路大规模使用的方式。本文作者通过对现有方案存在问题的分析，给出了双机热备自动过分相控制系统的设计方案。该方案通过双套切换电路实现双机热备，提高了系统可靠性，增加系统工作数据记录器，为其安全运行提供了可靠的数据支持，优化了信息源输入控制门限与感应信号确认时延，提高了系统接收灵敏度和抗干扰能力。1现有自动过分相控制系统方案分析1.1现有自动过分相方案在我国铁路上以地面埋点作为定位信息的车载自动过分相方式多用于时速在250Km以下的交流传动电力机车如HXD1、HXD3等和直流传动电力机车如SS3、SS4、SS7C等，其系统组成基本相同。系统由主机、地感器、车感器等组成，是以在分相区前后分别埋设地感器作为对分相区的定位，以安装在机车下面的车感器接收地面定位信息来判断机车所在的位置，主机通过逻辑处理输出过分相信号给机车控制系统，实现自动过分相。在每个分相区前后分别采用斜对称方式埋设两个地感器，实现备份配置，以确保自动过分相控制系统定位的安全和可靠，对于中高速线路a=35m，b=170m；对于重载线路a=60m，b=265m[2]，图1为地感器相对位置示意图。图1地感器相对位置示意图1.2现有方案存在的问题现有的自动过分相控制系统存在如下问题:1）系统是单机运行无备机，当系统出现故障时必须第一时间人工将系统切掉，转入手动过分相方式；2）系统没有完善的数据记录功能，这对系统后期维护和故障定位带来不便；3)缺乏对车感器和地感器相互做用产生感应信号的深入理论分析，造成感应信号的控制门限设计有一定缺陷，当机车在低速运行时感应到的信息源信号有时被当作干扰信号滤掉。同时系统在运用中有时会受到非地感器信息源信号的干扰如50Hz牵引电流、轨道电路信号干扰等，造成系统误动。2双机热备自动过分相控制系统设计方案2.1系统的结构设计方案如图2所示，系统主机采用一体化机箱设计，欧洲标准4U高度规格电路板，主机内部电路板和出线间采用“WAGO”端子，出线与航插、设备外电缆与航插间用可压接的国军标航插，全部用压接工艺，可充分保证连接的可靠性。机箱采用电磁兼容设计，提高了设备抗干扰能力，减少了设备对外干扰[3]。在系统主机中从左到右依次是记录板、主机板A、主机板B。图2系统主机结构图2.2系统主机板的设计方案对于交流传动电力机车，系统得到地面信息源信号并对信号进行逻辑处理，然后将过分相信号输出给机车车载控制系统，由机车车载控制系统处理并执行过分相过程。而对于直流传动电力机车，当系统得到地面信息源信号后要根据当时机车速度、位置由系统自身进行平滑降牵引电流、关闭辅助机组、关闭劈相机、分断主断路器。通过分相区后，再由系统自身闭合主断路器、闭合劈相机、闭合辅助机组、控制牵引电流平滑上升。所以在主机板的信号输入和逻辑处理输出设计上要针对交流传动电力机车和直流传动电力机车做相应的处理。适用于交流传动电力机车和直流传动电力机车的系统主机板均采用高可靠性的西门子S7-200PLC做控制核心来实现逻辑控制，硬件的组织结构基本相同，只是在输入信号、部分硬件电路设计和逻辑处理输出上有所不同。图3为系统主机板的硬件结构和工作框图。图3中实心箭头所指的输入信号同时适用于交流传动电力机车与直流传动电力机车的系统主机板，虚线箭头所指输出信号为交流传动电力机车系统主机板的控制输出，空心箭头所指的信号输入和控制输出为直流传动电力机车系统主机板的输入、输出信号。2.3双套切换电路的动作原理主机上电后随机由双套主机板中的一套占据输出位置，即处于工作状态，另外一套为备用状态。每个输出控制电路里的继电器线圈接入本主机板电源回路中，该继电器有两个触点，一个触点接入本主机板电源与其输出阵列之间，另一个触点接到他主机板继电器线圈的回路中。其中一套主机板发生故障时，可自动切换到备用主机板，保证系统正常运行，从而实现双机热备[4]。双机热备的动作原理见图4。(交流、直流)电力机车蜂鸣器工作灯I室工作灯向前电源工作蜂鸣器信号分主断合主断断合辅机断合劈相机Ⅰ调速Ⅱ调速断合风机Ⅱ室自检电路可编程逻辑控制器PLC输出及回读电路输入信号调理转换电路控制电路牵引电流控制电路显示电路主断状态零位蜂鸣器向后速度重联T1T2T3T4车感器车感器车感器车感器电源调理电路强迫信号预告/恢复图3系统主机板的硬件结构和工作框图110VA机输出阵列110V110地110地B机输出阵列110V110V转换控制装置KKD1D2D3D4C1C2R1R2R3R4JACJBC6486481113911139JABJAAJBBJBA图4双机热备的动作原理2.4系统记录器的设计方案记录功能不属于安全功能，因此只使用一个TI公司的定点运算处理器TMS320F2812实现控制功能。记录器对系统运行相关信息进行采集和存储，同时通过RS485总线将机车车载机务TAX2箱中的时间、时速、机车工况、车次、区段号、车站号、司机号、副司机号、机车号、机车型号等信息进行采集。记录器为独立结构，当它故障时不会影响整个自动过分相控制系统的工作。当系统不与TAX2箱连接时，记录事件以时间为坐标；当系统与TAX2箱连接时，记录事件以公里标和时间为坐标。记录器可存储30000条记录，记录时间约为15天。需要转储记录数据时，将U盘插入主机USB接口，连接灯亮，即可自动进行数据转储，转储过程中记录灯常亮，转储完毕后转储灯亮。采集到的数据通过地面数据分析处理系统进行回放与解析，为系统的维护和故障定位提供有效手段。图5为记录器的硬件原理框图。主控电路显示电路RS232口（调校时钟芯片使用）USB口双机热备自动过分相控制系统110V/5V电源模块5V/3.3V5V/1.9VA/D采集调理电路A/D采集调理电路电压跟随器隔离放大器USB控制器非易失性存储芯片SD卡SPI并行总线110V机车电源110V车感器接收信号光电隔离开关量485转换TTL电路485+485-隔离电路时钟芯片DS17487I/O口（模拟时钟芯片的工作时序）TAX2箱机车电源图5记录器硬件原理框图记录器地面数据分析处理系统对所记录的数据进行分析和处理。系统结构如图6所示，从总体上看，主要包括：计算机、软件锁、数据记录和转存设备（USB口的数据转存器、SD卡及其读卡器）、打印机和网络设备等。利用相应的数据转存设备将记录数据以指定类型的文件形式转存到计算机中，并可利用系统对相应的文件进行分析。在分析过程中，用户可直接通过显示器与计算机之间进行信息交互；设置参数；选择分析功能；控制分析过程；查看分析结果，并将分析结果通过打印机进行打印输出。此外，还可以在确保上网的前提下，通过网络设备，将相应的指定文件上传到指定的服务器上[3]。SD卡SD卡驱动器U盘软件锁过分相主机记录板数据分析处理软件数据库显示器（显示相应的结果）计算机数据转存打印机网络设备打印报表网络连接上传文件图6记录器数据分析处理系统结构框图2.5车感器感应信号控制门限与系统抗干扰性能的改进2.5.1地感器和车感器的标准安装与相应参数对于既有线地感器采取预制在水泥轨枕中的安装方式，安装在钢轨的外侧，磁体表面低于轨枕表面10mm～20mm，其中心距钢轨内侧工作边水平距离（335±15）mm，其水平作用距离至少为（250×1000÷3600）×（7÷1000）=0.486m。要求车感器通过处的磁感应强度不低于0.004T，车感器距轨面（110+10）mm，其有效输出脉宽大于7ms的要求[2]。选用钕铁硼永磁体作为地感器的材料，车感器由铁芯和接收线圈等组成，铁芯采用电工纯铁制成，由于其剩磁小、导磁率高有利于低速接收。车感器与地感器的参数如下：铁芯材料0#BT4A电工软铁铁芯直径φ38.7mm铁芯高度65mm漆包线QZY-2/180φ0.29mm线圈匝数11000匝线圈电阻620Ω带铁芯电感9.1H空心电感5.8±0.1H材料型号钕铁硼永磁铁CLRM-30永磁铁体积（单块）55mm×55mm×40mm拼装永磁铁数量（整块）4块整块永磁铁体积110mm×110mm×40mm密度7.4g/cm3硬度550HV整块永磁体磁感应强度≥40GS（磁铁上表面距线圈下表面300mm时量）抗压强度800MPa最大磁能积（BH）max230KJ/m3剩余磁感应强度Br1.1T2.5.2车感器所在位置磁场分析为了计算不同情况下车感器感应出的电压，首先要求取车感器所在位置的磁场，主要方法有等效磁荷法[5][6]、等效电流法[5]和有限元法[7]等。对车感器所在位置的磁场分析用发展