铁路信号应答器的应用分析

2018-06-01赵德生

铁道运营技术 2018年2期

关键词：应答器有源无源

赵德生

（南京铁道职业技术学院，讲师南京，210031）

1 概述

应答器设备是基于电磁耦合原理的高速点式数据传输设备，是列车运行控制系统中的关键组成部分，用于实现地—车间的数据传输，向列车提供所必需的各种点式信息。

各种点式信息包括线路基本参数、线路速度、临时限速、车站进路、大号码道岔、特殊定位、桥梁隧道、固定障碍物、链接等信息，以保障列车安全运行［1］。

应答器安装在两根钢轨中央，车载天线安装在列车底部，其主要工作原理是当列车通过应答器上方时，应答器接收到车载天线发射的频率为27.095 MHz的电磁能量后，将其转化为工作电源，使地面应答器中的电子电路工作，以4.234 MHz的中心频率及±282 kHz的上下边频进行FSK调制，循环发送1023位数据报文，直至电能消失（即车载天线离去）。车载天线及应答器传输模块BTM接收应答器发送的数据报文，经过信号解调、报文解码后向车载ATP传输。

2 应答器的原理分析

2.1 无源应答器原理应答器作为一种依靠车载设备提供电源的设备，就要求其耗电量低。无源应答器采用低功耗器件，高效的天线结构减少应答器自身的功耗［1］。电路原理框图如图1所示。

图1 无源应答器原理框图

应答器要工作在高车速及传输速率一定的情况下，就要求其有快速的启动时间，标准规定应答器启动时间要小于150 μs。应答器采用高速器件，并对电源作了特殊处理，使应答器在小于150 μs内能够可靠工作。

无源应答器采用双工多频共用天线，用于应答器能量、信息接收、和信息发送，对27.095 MHz信号具备良好的能量获取能力和AM及PM响应能力；对中心频率为4.234 MHz的移频键控（FSK）信号具有良好的发送能力。该天线能够同时或分别工作在能量接收、信息接收、信息发送状态。

应答器天线包括印制电路板上的两个半环形铜箔天线体、谐振电容组、27.095 MHz频率隔离谐振电路模块、能量及接收信息提取模块。能量提取模块接收车载天线辐射的电磁能量，转化为应答器工作所需电源。

应答器无源核心处理模块得到电源后读取报文存储器内的报文数据送给数据发送模块，数据发送模块将报文数据以FSK的方式经天线发射出去。只要电源存在，无源核心处理模块就不间断地发送，这意味着车载天线一直在应答器上方。

编程模式条件由9 MHz信号和天线协议命令决定。当应答器收到9 MHz信号，并且从应答器天线接收到协议命令后，应答器进入编程模式，可以进行应答器报文读写、应答器ID号读写等操作，这样就保证了应答器报文∕ID的安全。

2.2 有源应答器原理有源应答器能量接收及数据发送与无源应答器相同。其原理框图如图2所示。

图2 有源应答器原理框图

来自LEU的信号经过防护与隔离后，由带通滤波器提取8.82kHz信号作为接口电路的工作电源、564kHz DBPL信号作为输入数据。有源逻辑处理模块监控电源和数据是否正常。来自LEU的报文数据在应答器内部不进行任何存储，采取透明传输的模式，保证报文数据的实时性和可靠性。

有源应答器的数据时钟还原自LEU送来的DBPL码，由于LEU输出C1接口输出容差在±200ppm（即±0.02%），而上传链路的容差在±2.5%，所以可以完全保证输出信号精度。

当车载天线经过应答器时，有源逻辑处理模块将数据送给无源逻辑处理模块。无源逻辑处理模块判断C接口的数据是否有效，决定发送有源部分数据还是发送应答器存储的报文。同时无源逻辑处理模块将过车信号送给有源逻辑处理模块，有源逻辑处理模块控制C4接口处理电路改变应答器阻抗，为LEU设备提供过车信号。

一旦无源逻辑处理模块作出报文选择(选择存储的报文还是C接口传来的数据)，在本次上电的工作周期内，无论C接口数据有效与否，应答器都不会发生变化。C接口工作电源仅用于该接口电路部分，不给无源部分供电。

3 应答器的维护

3.1 调整X、Y、Z轴的角度误差如果应答器安装角度和安装高度不达标，会产生应答器报文丢失现象，在集中检修时需要达到指标如下：要求绕X轴旋转，与Y轴最大偏差角不大于±2°；要求绕Y轴旋转，与X轴最大偏差角不大于±5°；要求绕Z轴旋转，与X轴最大偏差角不大于±10°；应答器Z基准轴与Y基准轴的中心面和轨道间中心的安装误差为±15 mm［2］。

3.2 检查应答器周边干扰源主要检查应答器周边是否有金属物，检查应答器与牵引回流地线之间的最小距离是否符合要求，避免干扰源对应答器信息传输产生影响，具体要求如图3所示。

图3 应答器距干扰源最小安全距离

3.3 应答器报文核对通过应答器报文读取工具校验无源应答器报文和有源应答器默认报文的正确性，或通过电务检测车接收应答器报文，检查应答器的工作情况。

3.4 检查有源应答器的尾缆防止尾缆损坏或绝缘降低导致应答器发送默认报文［3］。

3.5 应答器机械固定的检查检查应答器外壳有无裂纹、化学锚栓有无松动、位置有无偏移、支架有无机械损伤及锈蚀、安装底板背面焊接的螺母有无脱落等［3］。

3.6 应答器清扫及电缆绝缘测试冬季冰雪天气对应答器进行清扫、每年开终端盒检查是否进水、进灰等、每季度应进行应答器电缆对地绝缘测试并做好记录。

4 应答器典型故障分析

4.1 线路数据和报文错误由于施工过程中变更了设计，而在应答器报文写入过程中，没有全面修改应答器数据，从而造成线路数据错误，此类故障在联调联试期间较为普遍［4］。

案例一：如图4所示，某站排列X→IG接车进路时，列车越过进站信号机后，机车信号由黄码→红黄码，列车运行了653 m时，车载ATP输出制动，根据现场读取报文分析，X进站口的有源应答器接车进路长度为30+870 m，而无源应答器接车进路长度则为30+1468 m，没有符合《CTCS-2级列控系统应答器应用原则》中应答器的使用规定，由于缺少相关信息，使列车只运行了653 m便输出制动，没有到达规定停车位置；

图4 某车站平面简图

案例二：如图4所示，在某站联调联试期间，由于列控中心软件进行升级，列控中心通过LEU发送到进站口有源应答器的报文错误，车载ATP设备除了接收正常的临时限速信息包之外，还收到标识码为“1”的未知信息包，按照故障-安全原则，车载将该信息包弃之不用。

列车经过进站口有源应答器组时，DMI显示“应答器组信息缺失”，ATP进入无临时限速信息的完全模式，按照轨道电路低频码生成NBP速度为50 km∕h的控车模式曲线，监控动车组运行。

4.2 外界电磁干扰应答器周围有金属物、强电磁效应等造成报文失真［4］。

案例一：联调联试期间，某部门将施工用拉管机的临时电源线绑扎在应答器尾缆上，临时电源线产生的磁场谐波与应答器报文不一致，导致动车ATP输出制动。

案例二：联调联试期间，列车运行到分相区之前，部分司机会提前断开VCB，导致列车牵引回路瞬间产生的强磁场谐波分量与应答器报文传输频谱不一致，从而造成应答器报文接收、解调异常，ATP系统输出紧急制动。

4.3 有源应答器发送默认报文应答器除了在联调联试期间的故障外，在开通后，还会出现有源应答器发送默认报文的故障。

典型故障案例分析见图5所示：

应答器整个信息传送通道的关键环节包括：通信接口P或Q、通信接口S、LEU、ECI、切换单元、防雷单元、电缆、应答器。其中任意一个环节出现问题，都会导致有源应答器发送默认报文［5-6］。

图5 设备接口示意图

1）通信接口S故障：某次列车运行在XX南-XX西区间，由于列控中心机柜的TIU板故障，使列控中心与LEU的通信中断，应答器发送来自LEU存储的默认报文，更换已故障的TIU板后，故障解决。

2)室内防雷单元故障：根据工程设计和系统应用的要求，LEU的每个输出通道必须配置防雷单元，用于防护LEU设备［6］，图6为防雷单元电气简图。

图6 防雷单元电气简图

案例：由于某站电缆屏蔽线在分线盘处接地不良，导致有源应答器发送自身的默认报文。

原因分析：防雷模块的标称电压为24 V，当引入室内的干线电缆钢带和铝护套接地不良、电缆屏蔽线在分线盘处接地不良或防雷单元接地不良时，外界干扰信号无法有效快速泄入防雷地，如图6所示，就叠加在防雷单元输入端上。当叠加信号的电压大于防雷单元的标称电压时，防雷单元立刻动作，瞬态二极管D导通，此时该通道被瞬时短路，有源应答器发送自身的默认报文。

3）应答器C接口故障：有源应答器C接口电路简图如图7所示。

案例：由于受雷击影响，某站有源应答器C接口的2支TVS管呈现短路状态，有源应答器发送默认报文［6］。

原因分析：在输入端口有2支TVS管防护，当输入电压、电流和时间超过其限值时，TVS管的故障模型有两种状态，开路状态和短路状态。

图7 有源应答器C接口电路简图

如果2个TVS管均呈短路状态时，传输通道被故障的应答器短路，该应答器将不能接收来自LEU的数据，当车载天线经过时，应答器发送默认报文。

如果其中一个TVS管呈开路状态时，不会影响应答器的数据传输功能，但是，该应答器将不再具备抗冲击的能力。如果通道上出现浪涌干扰时，应答器C接口内部电路可能会被损坏。

对于防雷单元故障、应答器C接口故障、电缆开路、电缆短路等故障，可以通过ECI（电缆检测盒）检测到，并将故障状态反馈给LEU，同时记录在内存中。但在现场应用中，出现过电缆短路故障未被ECI检测到的情况。

4）电缆短路和开路故障（ECI未检测到）案例：列车经过有源应答器时，车载设备接收252默认报文，报LEU故障，停车3 min。

原因分析：经检查LEU至应答器尾缆终端盒时，发现电缆芯线绝缘不良，更换备用芯线后解决。

因为此故障应答器的连接电缆较长，从有线传输理论可知，长线路的特性阻抗与线路终端的开、短路无关，因此ECI没有检测到故障，即列控中心电务维修机无故障报警提示。对这种方式安装的LEU，现场维修人员要加强对列控中心LEU输出电压的测试，如高于或低于正常值，则数据传输电缆或尾缆有可能断线、短路(或虚断)。再进行甩线判断直至找到具体故障点为止［5］。

5）应答器本身故障案例：某次列车在某客专运行中，连续3次出现有源应答器发送默认报文。

原因分析：经过常温和低温条件下的有源应答器有源功能测试、I∕O测试、应答器启动测试、XRAY扫描测试，以及解剖后的详细测试，发现低温条件下电源芯片启动延迟超过了其器件手册给出的指标要求，导致应答器启动特性不满足要求，进而导致有源应答器偶尔出现发送默认报文的现象。

典型故障分析方法：

应答器以报文的形式发送信息，每条应答器报文内容：报文帧头（50位）+信息包1、信息包2…信息包n+结束包(8位)，共计830位。其中在报文帧头中含有一个8位的变量M_MCOUNT，定义为报文计数器，无源应答器的M_MCOUNT为255，有源应答器默认报文的M_MCOUNT为252，LEU默认报文的M_MCOUNT为0，列控中心默认报文的M_MCOUNT为253。报文计数器与故障的对应关系［6］：

1）M_MCOUNT=0，列控中心发送默认报文，可能原因为：a，列控中心部分故障；b.列控中心与联锁通信中断或故障；c.列控中心与CTC通信中断或故障。

2）M_MCOUNT=252稳态，LEU发送默认报文，可能原因：a.列控中心与LEU的通信中断或故障；b.LEU部分故障。

3）M_MCOUNT=253，有源应答器一直发送默认报文，可能原因：a.LEU故障；b.传输通道短路或开路；c.应答器C接口故障。

4）M_MCOUNT=255间歇，有源应答器时而发送默认报文，时而发送正常报文，可能原因为：a.传输通道特性变化，导致ECI判断通道短路或开路；b.应答器C接口特性变化，导致ECI判断通道短路或开路；c.列防雷或接地不良，外界干扰导致防雷单元动作，通道短路。