轮缘式ACS2000计轴系统的应用探讨

杨贤武

*中铁四局电气化工程有限公司 高级工程师，233000安徽蚌埠

由于传统的轨道电路工作性能对道床状态依赖性高，而有些地方道床电阻很低，轨道电路无法正常工作，特别是在潮湿的复杂隧道环境里，轨道继电器无法吸起，因此可以考虑采用计轴技术，以摆脱对钢轨和道床条件的严重依赖。下面以北京地铁亦庄线为例，介绍了ACS2000轮缘式计轴系统的工作原理及应用特性等。

1 ACS2000计轴系统工作原理

计轴设备是利用轨道传感器、计数器来记录和比较驶出轨道区段的轴数，以此确定轨道区段的占用或空闲。当列车驶入与驶出轨道区段的轴数相同时，该区段空闲;当列车驶入与驶出轨道区段的轴数不同时，该区段占用。如计轴磁头故障或受到干扰，则相应两轨道区段占用，符合信号“故障-安全”设计原则。

图1为ACS2000系统工作原理图。在轨道区段的两端各有1个车轮传感器，通过这2个传感器对进出此轨道区间的所有车轮进行计数，并检测车轮运行方向。车轮传感器所检测到的车轮信息通过4芯信号电缆传输到室内EB评估板。该板负责对此信息进行处理，同时负责给传感器供电。EB板将传感器检测的车轮数据进行预分析处理后，传送给计轴ACB板。计轴系统的ACB板主体是一个二乘二取二的故障-安全型计算机板，它根据与其相连的EB板检测数据，计算出相应计数轨道区段的状态是空闲、占用或者故障，并由ACB板输出驱动条件，表示计数轨道区间的状态。

图1 ACS2000系统工作原理图

计轴系统在初次上电和故障修复重启系统时，ACB板设置有复位按钮输入接口，由外部的复位继电器接口或电子接口提供初始化复位条件。

2 ACS2000计轴系统的先进功能

当前，实际应用的车轮传感器技术有轮幅式和轮缘式2种检测方式，其中轮幅式轮轴的拾取采用调相、调幅方式，室外必须设置轨旁设备计轴电子盒EAK，EAK将脉冲信号进行调制和解调后的FSK频移键控信息传输到室内;而轮缘式计轴则通过电磁振荡直接传输电流信号到室内，不需要设置对信号预先处理的室外轨旁设备电子盒。

2.1 传感器轮轴检测方式

轮缘式传感器基于磁力线偏转的原理，检测列车轮缘。发送、接收磁头是一体的，发射线圈产生的磁力线使传感器线圈产生磁化力。当金属物体在传感器上方或下方时，传感器的磁感应强度会因为磁力线的衍射作用而发生改变。利用这种作用原理来检测列车车轮轮缘，同时用来监测轨道上传感器的位置。轮缘式传感器检测原理图如图2所示。

图2 轮缘式传感器检测原理图

轮缘式传感器为电磁式有源传感器，基于磁力线偏转的电磁振荡原理，检测列车轮缘，具有很高的可靠性和良好的抗干扰性能。集发射器、接收器于一体的工作原理具有很多优点。

1.高抗干扰的特性，能够很好地抵抗如由轨道回流谐波或列车辐射而引起的磁场干扰。

2.利用涡流及延迟检测原理比轮轴采用调相、调幅拾取方式的轮幅式传感器相对优越，且无须在室外设置轨旁设备，用以对传送至室内的信息进行预处理。在城市轨道交通中，受安装位置空间的限制及考虑到维修便利，无轨旁设备的计轴在同等设备中具有较大的优势。

3.磁场的几何形状由于钢轨轨脚的存在位置而发生变化，只要一失效，就会产生一个明显不同于正常工作状态的信号。例如，传感器松动或从轨道上掉落等。所以，信号的评估过程变得非常简单，而高安全性也可轻松满足。

2.2 信号传输方式

传统的轮幅式传感器由于两磁头产生的轴脉冲在时间上先后不同，根据两脉冲的组合时序可确定列车的运行方向，从而进行相应的加轴或减轴运算。由于FSK频移键控信息需要传输到室内，所以室外必须设计轴电子盒EAK将脉冲信号进行调制和解调。

ACS2000轮缘式传感器无车时向室内传输静态电流电平;有车时，车轮通过对应线圈1、线圈2的室内系统1与2的时序，来确定列车运行方向，通过系统1与2的电流变化及阻尼范围检测运算，进行相应的加轴或减轴运算。如果车轮传感器松动或从轨道上脱落，就会造成2个传感器系统的持续阻尼，据此可测量电压检测传感器是否安装完好。由系统1行驶到系统2典型信号走向图如图3所示。

2.3 “预复位、复位”安全技术

因为断电等各种原因，轴计数器可能“忘记”一个区段内有多少轴，因此人工操作复位系统是必需的。如果计轴传感器遇到断电后恢复、电磁干扰、磁头处划过金属物等情况发生时，就需要人工复位，有的直接复位，有的预复位。为了增加安全级别，欧洲标准都增加有预复位技术。

在国铁上，增加计轴预复位后，联锁可以暂时跨过检查此区段空闲的条件，但行车人员不能确认对轨道空闲检查是否可靠。所以需通过一趟列车低速通过该区段后才复位，等设备检查无误后，相应区段继电器才吸合。这也是设置预复位的原因。

图3 由系统1行驶到系统2典型信号走向图

在既有的城市轨道交通线路，考虑到预复位的繁琐，都是直接复位操作，但是操作前必须人工确保该区段无车占用。复位操作是区段出现故障的区段清零操作，ACS2000计轴设备采用欧洲标准，根据故障级别设置安全等级，复位设置有“预复位”和“复位”2挡。当车轮驶进轨道区段时，安全等级高，需要先“预复位”，再“复位”才能完成整个区段的计轴复位动作;当车轮驶出轨道区段时，安全等级稍低，只需直接“复位”就能完成整个区段的计轴复位动作。

通过轮缘式计轴系统分析，轮缘式计轴系统具备以下功能特点。

1.具有很高的可靠性和良好的抗干扰性能，受干扰范围小。

2.室外传感器直接传输电流信号给室内，没有室外信息处理电子盒，减少了故障点。

3.卡具式安装方式简易，方便调试、检修维护，不用破坏钢轨，而且能在室内观察传感器是否安装、运行良好。

4.系统具有故障弱化功能，每个检测区段由独立的主机系统硬件板处理，不会因为某个区段故障影响其他区段。

5.室外车轮传感器直接连接室内计轴主机，检测点无需地线，节约成本。

6.面板指示简单明了，便于设备调试、故障查询及定位。

7.复零方式采用预复位、复位方式，安全级别高。

3 ACS2000计轴设备施工、调试技术

ACS2000计轴设备因技术改进，采用卡具式安装方式，一改当前钢轨打孔式安装，保证了钢轨的完整性，极大地提高了工作效率，施工方便、快捷。

3.1 施工工艺标准

1.车轮传感器RSR180安装在钢轨内侧面，轮缘侧距轨面高度标准:40～45 mm。

2.与钢轨接头或焊接之间的最小间距为1个短轨枕。

3.两个车轮传感器的最小间距为2个短轨枕。4.车轮传感器必须装在2个短轨枕的中间。5.避免将传感器安装在钢轨面波浪密集区。6.传感器的外壳不能接触轨头。

7.传感器避开护轮轨，远离强电牵引供电区。

3.2 调试内容

1.检查传感器室外安装标准是否符合要求。

2.传感器系统1与系统2的静态电压是否正常。

3.传感器的输入电压是否正常。

4.模拟行车一致性测试 ACB板是否工作正常。

5.计轴设备复位功能测试。

3.3 调试步骤

在室外传感器按照标准施工完成并检查合格，室内外线缆及设备施工完成后，就可以开始调试试验。调试流程图见图4。

图4 调试流程图

1.室外检查。完成施工后，在各项设备开始调试前，检查室外传感器是否正确安装并符合标准;接线盒电缆及传感器尾缆是否连接完好。

2.室内检查。①检查室内机柜配线是否完整及计轴机柜工作电压是否正常。计轴机柜评估单元无负载电压15～30 V，由电源屏供电，一般是24 V左右;②系统1和系统2内的静态电流必须在2.8～5.0 mA范围内，即设备定位口上的280～500 mV正常静态电压。如果达不到此要求，则需要检查室外传感器安装是否标准，且调整到最佳位置;③传感器供电电压，由计轴机柜供电，直流12～14 V。

3.室内模拟调试。室内机柜供电正常后，就可根据模拟条件 (模拟相应计轴区段的占用及出清)甩开室外设备模拟调试，检查室内设备通道是否正常工作。

4.模拟行车试验。

1)室内模拟列车行驶。计轴评估板上对应系统1、2设置有检测按钮TA1和TA2，利用每个区段的TA1和TA2模拟正向、反向列车行驶，观察相应继电器状态、联锁系统人机界面软件及评估板显示车轴数显示，确认室内的各个通道都无错误。

由于列车在行驶过程中，经过车轮传感器系统1及系统2有先后顺序，用此可判断行车方向。北京亦庄线规定正向行车时室内评估板先经过系统1再经过系统2。因此在模拟行车时，先往右按系统1的TA1后再按系统2的TA2，就可模拟一个车轮正向通过该区段计轴。若反方向行车则先往右按系统2的TA2后再按系统1的TA1。根据行车方向依次按一下系统1、2检测按钮TA1和TA2，则是一个轴，按两下则是2个轴。按照行车方向依次按压每个轨道区段，则可模拟行车。

2)室内外模拟列车行驶。室内试验完成后，就可进行室内外一致性测试模拟行车行驶。室外用模拟车轮设备滑过室外车轮传感器，可模拟列车行驶。

4 ACS2000轮缘式计轴应用效果

轮缘式计轴ACS2000是奥地利福豪舍尔公司生产的设备，该计轴设备获得欧洲电子标准CENELEC的SIL 4级安全认证，及德国联邦铁道署EBA认证，安全性能得到有效保证并已在国外大量应用。国内城市轨道交通首次应用在北京地铁亦庄线，经过运营效果检查，经受了四季的温度变化和复杂环境考验，应用效果良好，没有出现设备技术故障。

通过对轮缘式计轴ACS2000系统工作原理介绍，分析了功能特点。针对ACS2000计轴设备，探讨了其设备施工标准、调试技术，分析了应用效果。对国内计轴设备的引进、生产有一定的借鉴和参考意义。