1、雙機熱備自動(zdng)過分相控制系統(tǒng)(kn zh x tn)方案(fng n)設(shè)計 Duplicate Hot Standby Design of Neutral Section Auto-Pass Control System范俊成1 ，陳俊生1，吳曉男2，王國鋒3FAN Jun-cheng 1, CHEN Jun-sheng1, WU Xiao-nan2, WANG Guo-feng3（沈陽鐵路信號有限責(zé)任公司，沈陽 遼寧 110025）(Shenyang Railway Signal Co.,Ltd, Shenyang Liaoning 110025, China)摘 要：針對電力機車

2、自動過分相控制系統(tǒng)目前存在的問題，研制了雙機熱備自動過分相控制系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主機板、記錄器的設(shè)計方案及雙套切換電路的動作原理。文中對車感器產(chǎn)生的感應(yīng)電壓進行了理論分析并結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)給出了車感器感應(yīng)信號輸入控制門限與確認時延的改進方案，提高了系統(tǒng)的接收靈敏度和抗干擾能力。文章最后對系統(tǒng)進行了可靠性分析?，F(xiàn)場試驗中系統(tǒng)分別在本務(wù)、重聯(lián)和無線重聯(lián)不同機車位置運行，經(jīng)過多個交路的考驗，其性能穩(wěn)定可靠，并準備進一步的測試和推廣運用。Abstract: In respect to the problems existing in the solution of electronic locomo

3、tive neutral section auto-pass control system, duplicate hot standby neutral section auto-pass control system has been developed., and the structures of the system, the design of system board, the design of data register and switching circuit of duplicate hot standby have been provided by the writer

4、. The design of control threshold and time delay has been improved for receiving signal of signal receiving device by theoretical analysis of signal receiving device induction voltage and field data, so the receiving sensitivity and anti-jammingabilityof the system are improved. Finally,thereliabili

5、tyanalysis of the system is given by this paper. After tests of lots of locomotive routings, the system used on leading locomotive, multi-locomotive and wireless multi-locomotive is stable and reliable, meanwhile the system is ready tofurthertests andapplications.關(guān)鍵詞：雙機熱備；自動過分相；記錄器；感應(yīng)電壓；可靠性Key words

6、: duplicate hot standby; neutral section auto-pass; data register; induction voltage; reliability目前，電氣化鐵路自動過分相主要有地面開關(guān)自動切換方式、柱上開關(guān)自動斷電方式和車載自動控制過分相方式1。其中以地面埋點作為定位信息的車載方式投資小、性能好、可靠性高是我國鐵路大規(guī)模使用的方式。本文作者通過對現(xiàn)有方案存在問題的分析，給出了雙機熱備自動過分相控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案通過雙套切換電路實現(xiàn)雙機熱備，提高了系統(tǒng)可靠性，增加系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)記錄器，為其安全運行提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，優(yōu)化了信息源輸入控制門

7、限與感應(yīng)信號確認時延，提高了系統(tǒng)接收靈敏度和抗干擾能力。1 現(xiàn)有自動過分相控制系統(tǒng)方案分析1.1 現(xiàn)有自動過分相方案在我國鐵路上以地面埋點作為定位信息的車載自動過分相方式多用于時速在250Km以下的交流傳動電力機車如HXD1、HXD3等和直流傳動電力機車如SS3、SS4、SS7C等，其系統(tǒng)組成基本相同。系統(tǒng)由主機、地感器、車感器等組成，是以在分相區(qū)前后分別埋設(shè)地感器作為對分相區(qū)的定位，以安裝在機車下面的車感器接收地面定位信息來判斷機車所在的位置，主機通過邏輯處理輸出過分相信號給機車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動過分相。在每個分相區(qū)前后分別采用斜對稱方式埋設(shè)兩個地感器，實現(xiàn)備份配置，以確保自動過分相控制系統(tǒng)

8、定位的安全和可靠，對于中高速線路a=35m，b=170m；對于重載線路a=60m，b=265m2，圖1為地感器相對位置示意圖。圖1 地感器相對(xingdu)位置示意圖1.2 現(xiàn)有(xin yu)方案存在(cnzi)的問題現(xiàn)有的自動過分相控制系統(tǒng)存在如下問題: 1）系統(tǒng)是單機運行無備機，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時必須第一時間人工將系統(tǒng)切掉，轉(zhuǎn)入手動過分相方式；2）系統(tǒng)沒有完善的數(shù)據(jù)記錄功能，這對系統(tǒng)后期維護和故障定位帶來不便；3)缺乏對車感器和地感器相互做用產(chǎn)生感應(yīng)信號的深入理論分析，造成感應(yīng)信號的控制門限設(shè)計有一定缺陷，當(dāng)機車在低速運行時感應(yīng)到的信息源信號有時被當(dāng)作干擾信號濾掉。同時系統(tǒng)在運用中有時會

9、受到非地感器信息源信號的干擾如50Hz牽引電流、軌道電路信號干擾等，造成系統(tǒng)誤動。 2 雙機熱備自動過分相控制系統(tǒng)設(shè)計方案2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖2所示，系統(tǒng)主機采用一體化機箱設(shè)計，歐洲標準4U高度規(guī)格電路板，主機內(nèi)部電路板和出線間采用“WAGO”端子，出線與航插、設(shè)備外電纜與航插間用可壓接的國軍標航插，全部用壓接工藝，可充分保證連接的可靠性。機箱采用電磁兼容設(shè)計，提高了設(shè)備抗干擾能力，減少了設(shè)備對外干擾3。在系統(tǒng)主機中從左到右依次是記錄板、主機板A、主機板B。圖2 系統(tǒng)主機結(jié)構(gòu)圖2.2 系統(tǒng)主機板的設(shè)計方案對于交流(jioli)傳動電力機車，系統(tǒng)(xtng)得到(d do)地面信息源信

10、號并對信號進行邏輯處理，然后將過分相信號輸出給機車車載控制系統(tǒng)，由機車車載控制系統(tǒng)處理并執(zhí)行過分相過程。而對于直流傳動電力機車，當(dāng)系統(tǒng)得到地面信息源信號后要根據(jù)當(dāng)時機車速度、位置由系統(tǒng)自身進行平滑降牽引電流、關(guān)閉輔助機組、關(guān)閉劈相機、分斷主斷路器。通過分相區(qū)后，再由系統(tǒng)自身閉合主斷路器、閉合劈相機、閉合輔助機組、控制牽引電流平滑上升。所以在主機板的信號輸入和邏輯處理輸出設(shè)計上要針對交流傳動電力機車和直流傳動電力機車做相應(yīng)的處理。適用于交流傳動電力機車和直流傳動電力機車的系統(tǒng)主機板均采用高可靠性的西門子S7-200 PLC做控制核心來實現(xiàn)邏輯控制，硬件的組織結(jié)構(gòu)基本相同，只是在輸入信號、部分硬件

11、電路設(shè)計和邏輯處理輸出上有所不同。圖3為系統(tǒng)主機板的硬件結(jié)構(gòu)和工作框圖。圖3中實心箭頭所指的輸入信號同時適用于交流傳動電力機車與直流傳動電力機車的系統(tǒng)主機板，虛線箭頭所指輸出信號為交流傳動電力機車系統(tǒng)主機板的控制輸出，空心箭頭所指的信號輸入和控制輸出為直流傳動電力機車系統(tǒng)主機板的輸入、輸出信號。2.3 雙套切換電路的動作原理主機上電后隨機由雙套主機板中的一套占據(jù)輸出位置，即處于工作狀態(tài)，另外一套為備用狀態(tài)。每個輸出控制電路里的繼電器線圈接入本主機板電源回路中，該繼電器有兩個觸點，一個觸點接入本主機板電源與其輸出陣列之間，另一個觸點接到他主機板繼電器線圈的回路中。其中一套主機板發(fā)生故障時，可自動

12、切換到備用主機板，保證系統(tǒng)正常運行，從而實現(xiàn)雙機熱備4。 雙機熱備的動作原理見圖4。圖3 系統(tǒng)主機板的硬件結(jié)構(gòu)和工作框圖圖4 雙機熱備的動作(dngzu)原理2.4 系統(tǒng)(xtng)記錄器的設(shè)計方案記錄功能不屬于安全(nqun)功能，因此只使用一個TI公司的定點運算處理器TMS320F2812實現(xiàn)控制功能。記錄器對系統(tǒng)運行相關(guān)信息進行采集和存儲，同時通過RS485總線將機車車載機務(wù)TAX2箱中的時間、時速、機車工況、車次、區(qū)段號、車站號、司機號、副司機號、機車號、機車型號等信息進行采集。記錄器為獨立結(jié)構(gòu)，當(dāng)它故障時不會影響整個自動過分相控制系統(tǒng)的工作。當(dāng)系統(tǒng)不與TAX2箱連接時，記錄事件以時間

13、為坐標；當(dāng)系統(tǒng)與TAX2箱連接時，記錄事件以公里標和時間為坐標。記錄器可存儲30000條記錄，記錄時間約為15天。需要轉(zhuǎn)儲記錄數(shù)據(jù)時，將U盤插入主機USB接口，連接燈亮，即可自動進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲，轉(zhuǎn)儲過程中記錄燈常亮，轉(zhuǎn)儲完畢后轉(zhuǎn)儲燈亮。采集到的數(shù)據(jù)通過地面數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)進行回放與解析，為系統(tǒng)的維護和故障定位提供有效手段。圖5為記錄器的硬件原理框圖。圖5 記錄(jl)器硬件原理(yunl)框圖記錄(jl)器地面數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)對所記錄的數(shù)據(jù)進行分析和處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，從總體上看，主要包括：計算機、軟件鎖、數(shù)據(jù)記錄和轉(zhuǎn)存設(shè)備（USB口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存器、SD卡及其讀卡器）、打印機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。利

14、用相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存設(shè)備將記錄數(shù)據(jù)以指定類型的文件形式轉(zhuǎn)存到計算機中，并可利用系統(tǒng)對相應(yīng)的文件進行分析。在分析過程中，用戶可直接通過顯示器與計算機之間進行信息交互；設(shè)置參數(shù)；選擇分析功能；控制分析過程；查看分析結(jié)果，并將分析結(jié)果通過打印機進行打印輸出。此外，還可以在確保上網(wǎng)的前提下，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將相應(yīng)的指定文件上傳到指定的服務(wù)器上3。圖6 記錄器數(shù)據(jù)分析處理(chl)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.5 車感器感應(yīng)(gnyng)信號(xnho)控制門限與系統(tǒng)抗干擾性能的改進2.5.1 地感器和車感器的標準安裝與相應(yīng)參數(shù)對于既有線地感器采取預(yù)制在水泥軌枕中的安裝方式，安裝在鋼軌的外側(cè)，磁體表面低于軌枕表面10mm2

15、0mm，其中心距鋼軌內(nèi)側(cè)工作邊水平距離（33515）mm，其水平作用距離至少為（25010003600）（71000）=0.486m。要求車感器通過處的磁感應(yīng)強度不低于0.004T，車感器距軌面（110 +10）mm，其有效輸出脈寬大于7ms的要求2。選用釹鐵硼永磁體作為地感器的材料，車感器由鐵芯和接收線圈等組成，鐵芯采用電工純鐵制成，由于其剩磁小、導(dǎo)磁率高有利于低速接收。車感器與地感器的參數(shù)如下： 鐵芯材料 0#BT4A電工軟鐵鐵芯直徑 38.7 mm鐵芯高度 65 mm車感器漆 包 線 QZY-2/180 0.29 mm線圈匝數(shù) 11000 匝線圈電阻 620 帶鐵芯電感 9.1 H空心電

16、感 5.80.1 H 材料型號 釹鐵硼永磁鐵CLRM-30 永磁鐵體積（單塊） 55 mm55 mm40 mm拼裝永磁鐵數(shù)量（整塊） 4 塊 整塊永磁鐵體積 110 mm110 mm40 mm地感器 密度 7.4 g/cm3 硬度 550 HV 整塊永磁體磁感應(yīng)強度 40 GS（磁鐵上表面距線圈下表面300 mm時量） 抗壓強度 800 MPa 最大磁能積（BH）max 230 KJ/m3 剩余磁感應(yīng)強度Br 1.1 T2.5.2 車感器所在位置磁場分析為了計算不同情況下車感器感應(yīng)出的電壓，首先要求取車感器所在位置的磁場，主要方法有等效磁荷法56、等效電流法5和有限元法7等。對車感器所在位置的

17、磁場分析用發(fā)展最為成熟的有限元方法進行求解。有限元法的求解首先通過單元剖分將所研究的區(qū)域離散化，然后從變分原理出發(fā)，求得與微分方程邊值問題等價的變分問題，在單元內(nèi)通過插值將二次泛函的極值問題化為一組多元非線性代數(shù)方程，最后求解該非線性方程組，得到單元節(jié)點上的磁位分布8。對于車感器需要研究電磁場在空間分布變化規(guī)律，所以進行的電磁場求解是一個三維空間的電磁場求解。對于50Hz的牽引(qinyn)電流（又見圖7）其對應(yīng)(duyng)的微分方程為：圖7 鋼軌(gnggu)及車感器位置示意圖式中：是求解區(qū)域，是第一類邊界條件，是第二類邊界條件。將以上方程等價為條件變分問題：通過對求解區(qū)域中的能量泛函取極

18、值可得方程組： 單元系數(shù)矩陣為：式中為單元形狀函數(shù)。求解(qi ji)方程可得空間磁場(cchng)分布。圖8為永磁體在標準(biozhn)安裝下的場強圖。圖8 標準安裝下的場強圖當(dāng)車速在10Km/h250 Km/h時永磁體所產(chǎn)生磁場的微分方程為：式中：是求解區(qū)域，是第一類邊界條件，是第二類邊界條件。將以上方程等價為條件變分問題：以通過對求解區(qū)域中的能量泛函取極值可得方程組： 單元系數(shù)矩陣為：式中為單元形狀函數(shù)。對于永磁材料從分子電流觀點出發(fā)，建立矩形永磁體分子環(huán)流模型910。由永磁體的電流模型可知，在磁體的邊界上，磁化強度M的切線分量不連續(xù)，所以產(chǎn)生安培面電流，其密度為： 其中(qzhng)

19、：為邊界(binji)外法線；為空氣(kngq)中的磁化強度；為磁體磁化強度。 對于永磁退磁曲線有：其中：為剩余磁感應(yīng)強度；為永磁材料的矯頑力；為永磁體的磁導(dǎo)率。2.5.3 車感器感應(yīng)電壓分析根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，單匝線圈的感應(yīng)電動勢為： 式中，為磁通，S為線圈的面積。對于多匝線圈：式中，為與整個車感器相交聯(lián)的磁鏈；為單匝車感器的平均磁通。所以，為了更準確的求得車感器中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，采用通過三維磁場求得磁感應(yīng)強度即磁通密度的空間分布并對車感器進行空間積分，求得整體車感器磁鏈隨時間的變化而得到車感器的感應(yīng)電壓。圖9為車感器鐵芯三維磁場計算生成剖分網(wǎng)格的示意圖（圖中鐵芯被分成5094個四面體單

20、元），通過對整個鐵芯的單元體進行積分計算，可求得該時刻車感器中通過的磁通值。當(dāng)時間變化時，重復(fù)進行上述操作，可根據(jù)公式求得感生電動勢的變化值。（a）剖分圖（b）磁場示意圖圖9 鐵芯三維網(wǎng)格(wn )剖分及磁場示意圖車感器對50Hz牽引干擾的接收(jishu)電壓和機車在10Km/h250Km/h速度條件下對地感器的感應(yīng)電壓(diny)的仿真計算圖形過程如下：在單軌回流1000A、50Hz車感器標準位置時，車感器對牽引回流感應(yīng)電壓圖形見圖10。圖10 車感器對鋼軌回流感應(yīng)電壓車感器下表面距地感器上表面150mm、機車速度10km/h時，車感器對地感器的感應(yīng)電壓見圖11。圖11 機車速度10 km

21、/h車感器感應(yīng)電壓車感器下表面距地感器上表面150mm,機車速度250km/h時，車感器對地感器的感應(yīng)電壓見圖12。圖12 機車(jch)速度250km/h車感器感應(yīng)(gnyng)電壓2.5.4 信息源輸入信號(xnho)控制門限及系統(tǒng)抗干擾能力的改進目前運用的自動過分相控制系統(tǒng)將門限定在2.1V，輸出確認時延定在7ms。通過2.5.2與2.5.3的理論分析，從圖9可以知道50Hz牽引回流干擾電壓峰值約400mV，而由圖11、圖12可知機車速度在10 km/h和250 km/h時，車感器對地感器感應(yīng)電壓峰值分別為1.9V和350V，因此2.1V的控制門限影響了系統(tǒng)在機車低速行駛時的接收靈敏度。

22、為了提高系統(tǒng)抗干擾性能又能保證低速行駛時的靈敏度，雙機熱備自動過分相控制系統(tǒng)采用雙路接收，將一路接收電平改為1.8V，確認時延由原來的7ms延長至20ms，通過計算可知適合50km/h以下速度的機車；另一路的確認時延保持原來的7ms不變，接收電平由原來的2.1V提高到7.2V，通過計算可知適合50km/h以上速度的機車。由于通過長時間的現(xiàn)場跟蹤得到干擾信號電壓幅值都在6V以下，干擾電壓脈寬都在13ms以下，因此通過雙路接收低速時機車由確認時延屏蔽干擾，高速時機車由電壓幅值屏蔽干擾。圖13為輸入信號雙路接收處理工作圖。圖13 輸入信號雙路接收處理工作圖3 雙機熱備自動過分相控制系統(tǒng)可靠性分析采用

23、(ciyng)應(yīng)力分析法對雙機熱備自動過分(gufn)相控制系統(tǒng)進行可靠性預(yù)計，使用串聯(lián)(chunlin)及并聯(lián)的可靠性模型。由于主機采用了熱備冗余結(jié)構(gòu)，有兩套主機設(shè)備，有單通路的轉(zhuǎn)換控制裝置因此要分別計算出單套主機的失效率和轉(zhuǎn)換控制裝置的失效率。系統(tǒng)的失效率可按圖14進行計算。圖14 系統(tǒng)可靠性框圖3.1 假設(shè)條件3.1.1 工作狀態(tài)在分析可靠性時考慮雙機熱備自動過分相控制系統(tǒng)處于連續(xù)不間斷工作狀態(tài)，即每天工作24小時，全年工作，工作應(yīng)力和工作負荷無周期性變化。占空比100。所有元器件的工作負荷為0.3（滿負荷為1）。3.1.2 工作模式系統(tǒng)運行模式包括以下兩種：1）正常運行模式：指設(shè)備任何

24、部分都無故障，系統(tǒng)沒有喪失任何功能；2）失效模式：系統(tǒng)處于不可工作（自檢不通過或失去自動過分相能力）失效模式下。3.1.3 工作環(huán)境環(huán)境溫度要求-40 +70 ；周圍空氣相對濕度不大于90%（溫度+25 時）；大氣壓力不低于70.1kPa；電磁兼容符合11的標注要求。 相關(guān)參數(shù)設(shè)定元器件的可靠性除了受溫度、工作負荷的影響之外，還包括以下幾個方面的影響：1）環(huán)境系數(shù)：參照12中表4.3-1的要求，對于良好地面Gb=1；2）質(zhì)量系數(shù)：不同質(zhì)量等級的元器件對器件失效率的影響，由于系統(tǒng)不會選用質(zhì)量系數(shù)小于1的低檔產(chǎn)品，因此，產(chǎn)品最低的質(zhì)量因數(shù)為1；3）元器件應(yīng)力：元器件自身對故障率的影響、如電容的電容

25、量系數(shù)和種類系數(shù)，感性器件的結(jié)構(gòu)系數(shù)等。參照12的要求，上述3個組成部分對元器件失效率的影響的結(jié)果在25的條件下得乘積接近于1，并參照歷史數(shù)據(jù)的量值，本次可靠性預(yù)計假設(shè)影響元器件可靠性指標的系數(shù)乘積為1即環(huán)境系數(shù)質(zhì)量系數(shù)元器件應(yīng)力=1，因此元器件的失效率僅取決于基本失效率。3.2 可靠性模型串聯(lián)可靠性模型沒有任何余度設(shè)計。MTBF = 1 / S式中，RS為系統(tǒng)可靠度，Ri為第i個設(shè)備的可靠度，s是系統(tǒng)的失效率, MTBF是系統(tǒng)的平均故障間隔時間, t為任務(wù)時間，i是系統(tǒng)中第i個設(shè)備的失效率，Ni是i個設(shè)備的總數(shù)量。對于并聯(lián)可靠性模型，考慮可修復(fù)性，當(dāng)2個單元的都相等時：式中，RS 為系統(tǒng)(x

26、tng)可靠度，MTBF 是平均(pngjn)無故障時間(shjin), t 為任務(wù)時間，是單元的失效率，為MTTR的倒數(shù)。3.3 可靠性分析結(jié)果假定公共部分的失效率為x，單套主機板的失效率為s1和s2，在系統(tǒng)中s1=s2=。由于系統(tǒng)屬于熱備冗余，其系統(tǒng)狀態(tài)空間圖如圖15。圖15 系統(tǒng)狀態(tài)空間圖故，系統(tǒng)MTBF為：采用備品替換的方法，可以快速使系統(tǒng)恢復(fù)正常。備品抵達現(xiàn)場需要3h，更換備品所需要的時間為45min，此時的1/3.75=0.267。通過12可以得到系統(tǒng)所有元器件的失效率值，其中主機板的失效率，轉(zhuǎn)換控制裝置失效率為x。在這種情況下，雙套同時恢復(fù)時間y=。由于記錄器故障不影響整個系統(tǒng)，

27、故記錄器失效率單獨計算，記錄器MTBF為2.27e5小時。除去記錄器的整個系統(tǒng)MTBF值為：1.06e6小時。4 結(jié)束語 本文指出了現(xiàn)階段在我國鐵路上廣泛應(yīng)用的自動過分相控制系統(tǒng)所存在的不足，并根據(jù)不足方面給出了解決方案。方案中采用冗余結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時增加了記錄功能對設(shè)備的后期維護和安全運行提供可靠的數(shù)據(jù)支持。目前系統(tǒng)處于試驗階段并在現(xiàn)場進行實際運用的檢驗。通過現(xiàn)場反饋，其性能穩(wěn)定可靠，準備進一步的測試并推廣運用。參考文獻1嚴云升.電力機車自動過分相方案的探討.機車電傳動,1999(6):1-7.2賀文、李鵬、曾曉安等.TB/T 3197-2008 車載控制自動過分相系統(tǒng)技術(shù)條件.北京:中華人民共和國鐵道部,2008,14(10).3邱寬民,等.JT1-CZ2000型機車信號車載系統(tǒng).北京:中國鐵道出版社,2007.4沈陽鐵路信號工廠.雙機熱備自動過分相控制系統(tǒng):中國,201020198730.4.2010,15(12).5李景天,宋一得,鄭勤紅等.用等效磁荷法計算