新型城市轨道交通道岔电气控制系统探索

2023-11-05张耀红

现代城市轨道交通 2023年9期

张耀红

（中铁宝桥集团有限公司，陕西宝鸡 721006）

1 引言

随着我国城镇化进程的发展，特大型城市人口密集中心区的交通拥堵问题以及城市边缘区、新区和二线城市的公共交通需求，促使城市轨道交通建设速度不断加快，同时催发了我国城市轨道交通由单一形式向多制式发展，形成了如跨座式单轨、磁悬浮、悬挂式空列交通等多种形式的新型城市轨道交通系统。道岔作为上述新型城市轨道交通系统中的关键设备，其自身运行的安全性、可靠性在线路运营过程中起着至关重要的作用。同时，道岔本身作为机电一体化产品具有结构复杂、机构众多的特点，该特点使得道岔设计和制造技术的要求高、难度大，进而对电气控制系统的控制逻辑和整体可靠性、安全性提出了更高的要求。

本文结合重庆市轨道交通2号和3号线（跨座式单轨系统）、北京地铁S1线（中低速磁悬浮系统）、长沙磁浮机场线、中唐空铁（悬挂式空列）、青岛高速磁悬浮试验线、武汉光谷旅游专线（悬挂式空列）等项目中道岔的电气控制系统设计及制造经验，就新型城市轨道交通系统中道岔的组成、电气控制系统设计要求、电气控制系统方案设计和应用情况做简要介绍。

2 道岔组成

新型城市轨道交通中的道岔类型随轨道交通形式不同而有所不同，通常按其交通类型分为跨座式单轨道岔、磁悬浮道岔、悬挂式空列道岔等，按其轨道梁转辙实现方式分为关节型、关节可挠型、弹性变形型、平移等类型，按其在线路中的开向分为单开道岔、三开道岔、五开道岔、单渡线道岔、交叉渡线道岔等。同时，相对于传统轮轨道岔，新型城市轨道交通道岔的结构复杂、动作机构多、控制过程逻辑严密、机构之间的动作衔接和检测可靠性要求高。例如，跨座式单轨三五开道岔含3 个转辙驱动机构，5个锁销驱动机构，单开道岔含1个转辙驱动机构，4个锁销驱动机构；中低速磁浮单开、三开道岔含1个转辙驱动机构，2个锁销驱动机构，平移道岔含1个或2个转辙驱动机构，锁销驱动机构的数量根据其安装位置不同而定。总的来说，无论上述哪种类型的道岔，在道岔系统组成上通常包含以下几个部分：实现车辆走行的轨道梁、实现道岔轨道梁转换动作的转辙机构、实现道岔锁定的锁闭机构以及实现动作控制和检测的电气控制系统。其中，道岔电气控制系统主要包括：控制装置（控制柜）、分布于道岔各机构的驱动电机、位置和状态检测传感器（如限位开关、接近开关、编码器等）、连接线缆、分接线箱等电气设备。在线路运营过程中，当道岔电气控制系统收到信号系统的转辙指令后，控制道岔各个机构按照解锁→转辙→锁闭的逻辑过程运转，并输出安全可靠的道岔位置表示信号，实现车辆运行中换轨的需求。

3 道岔电气控制系统设计要求

道岔设备作为城市轨道交通系统中的关键设备，其工作的可靠性、安全性直接关系到线路的运营效率和行车安全，因此，对道岔电气控制系统的设计提出了很高的要求，主要体现在以下几个方面。

（1）道岔电气控制系统能够实现对道岔的各动作机构的控制和检测，按照操作指令的要求，在规定的时间（如：15 s）内完成解锁→转辙→锁闭的转辙过程，同时将与道岔实际位置相一致的位置表示信号传送给信号系统。由于道岔转换过程的用时直接影响线路的整体行车间隔和运营效率，设计中应根据道岔各机构动作的特点选择合适的驱动和控制方式，实现道岔的转换动作和逻辑控制，以及严格的时间要求，并设置有必要的保护措施，保证道岔动作过程安全可靠。

（2）道岔电气控制系统设置的操作方式应满足线路运行控制和设备维护保养等不同工况的需求。一般情况下应设有信号遥控的远程操作方式和人工操作的就地操作方式。其中，就地操作方式应包含就地联动、单动和应急操作方式。

（3）城市轨道交通运营对道岔的可靠性、安全性要求高，电路设计应符合“故障-安全”原则。尤其是涉及行车安全的道岔信号接口电路，必须满足轨道交通信号系统的接口安全要求，安全完善度等级应达到SIL4 级。

（4）道岔电气控制系统应具有良好的外部接口条件，满足供电系统、信号系统和运营维护系统的接口要求。尤其是道岔控制系统和信号系统的接口，在实现转辙指令、道岔位置表示信号和道岔状态等信息交互传送的同时，还应设置有授权、收权联锁电路，使道岔多种操作方式协调一致，保证任何时间道岔控制信号源的唯一性，并确保当信号系统没有发出转换指令时，道岔不得进行转辙。

（5）道岔电气控制系统应有运行状态监测及故障报警的功能，并能够与线路维保和设备管理系统进行信息交换，方便故障抢修和设备维护。城市轨道交通对道岔设备可维护性要求高，特别是需要对道岔故障进行快速处理，以避免因道岔故障引起线路停运，这就要求道岔控制系统不但应具备相应的故障诊断功能，可以快速准确的判别道岔故障发生的原因，为道岔故障分析处理提供帮助以及必要的预防性维护保养建议，还应该考虑各个故障维修处理的便捷性，以提高系统的可维护性。

（6）道岔电气控制系统设备安装布置应满足线路限界要求，并方便道岔故障应急抢险和设备日常维护保养。

（7）道岔电气控制系统应具有良好的环境适应性。道岔通常安装在户外露天环境下，使用环境恶劣，使得电气控制系统对环境的适应性要求高。控制装置、驱动器、限位开关等各个元器件的选择及组装均需经过大量的实践测试和验证，以保证满足产品所在地的使用环境条件，特别是户外高温潮湿和低温条件下的应用。

（8）由于不同线路条件对道岔系统的技术要求不同，使得相应的道岔及其电气控制系统在满足基本功能的前提下，通常还需要针对线路特殊要求进行设计，如设置在高架线路的道岔和设置在隧道内的道岔设计要求就有所不同。

4 道岔电气控制系统方案设计

道岔作为机电一体化设备，其电气控制系统在设计过程中应充分考虑设备运行安全，遵循“故障-安全”原则，并结合各类型道岔的特点以及道岔电气控制系统的设计要求进行方案和电路设计。

道岔电气控制系统的方案和电路设计应采用模块化设计的理念，根据各模块实现的功能和技术要求，有针对性的进行电路设计。通常，道岔电气控制系统应包含电源控制单元（含供电接口）、信号接口单元、逻辑控制单元、驱动控制单元、运行监测与故障诊断单元（含道岔现场人机界面）等控制电路模块。

（1）电源控制单元主要完成道岔外部电源接入和各单元供电分配和变换，同时设置必要的过压、过流、漏电、浪涌、相序等保护功能。

（2）信号接口单元是实现道岔与信号系统进行道岔操作收授权控制与道岔状态、转辙命令、位置表示信号交互的电路，其中，道岔位置表示信号电路设计应独立于道岔控制系统其他部分，使得道岔其他电路故障或断电时不影响道岔的位置表示信号输出。由于信号接口单元SIL4级的安全完善度等级要求，通常在电路设计中采用以下措施：①信号接口电路设计采用双断电路设计或带有安全验证机制的网络通信方式；②构成接口电路的继电器采用安全继电器；③由于道岔位置表示信号直接影响行车安全，信号的生成需采集多个锁定检测和位置检测信号，且同一个信号检测开关（通常使用限位开关）均采用双元件设置；④道岔位置信号表示电路应采用限位开关+安全继电器的组合电路或直接提供限位开关等检测元件的接点组合信号，保证信号的生成不受其他电路影响；⑤接口电路通常需要和信号系统共同制定，并形成正式接口协议供双方共同执行，以确保行车安全。

（3）道岔动作逻辑控制单元为道岔动作控制的核心，接受不同控制源的指令，通过控制道岔各个机构的动作和先后顺序，实现道岔的位置转换以及动作过程中道岔的故障保护，其实现方式主要有以下2类：类型1为继电器联锁电路方式，通常采用安全型继电器实现道岔动作逻辑控制；类型2为可编程逻辑控制器（PLC）控制方式，通常采用PLC作为运算平台实现道岔逻辑动作控制，同时PLC也作为道岔运行监控与故障诊断的运算单元。由于PLC结合变频传动等技术对于复杂控制逻辑的适用性和可靠性高，在越来越多的道岔控制设计中采用该控制方式，特别是在平移道岔、替换梁道岔等产品的大惯量平移运动过程中，变频传动对精确定位和控制冲击有着不可替代的优势。同时，为了提高道岔转辙动作的可靠性，在逻辑控制电路的设计中应考虑电路的冗余设计。经过近年来的实践验证，在继电器联锁电路逻辑控制中采用点动操作的主回路冗余和在PLC控制中的冷备或热备冗余设计均可有效提高道岔控制故障时的可靠性，满足线路实际运行需求。

（4）驱动控制单元是电气控制系统的动作执行部分，根据各个机构运行的特点和动作时间要求，选择合适的驱动方式，实现道岔机构动作和整体转换动作的时间控制目标。常用的驱动方式有接触器、热继电器构成的正反转控制电路、变频器控制的变频传动电路等。

（5）运行监测与故障诊断单元的设置将提高道岔设备日常维护的保养质量和效率，为道岔故障分析和处理提供依据，尤其在线路运行过程发生故障时提供故障诊断，特别是为故障抢修提供依据，节约抢修时间。通常采用PLC或单片机等组成监测系统，通过采集道岔各部分传感器、控制元器件的状态和动作信息，经程序软件逻辑判断实现功能设计。另外，运行监测与故障检测单元通常在道岔控制装置设有显示屏作为人机界面，同时预留远程通信接口，满足道岔维保或设备管理系统的数据采集。

5 道岔电气控制系统的应用与发展

多年以来，我公司先后完成了重庆市轨道交通2号和3号线（跨座式单轨系统）、北京地铁S1线（中低速磁浮系统）、中唐空铁（悬挂式空列）、青岛高速磁悬浮试验线、武汉光谷旅游专线（悬挂式空列）等项目多种制式的新型城市轨道交通道岔设备的研发和应用。其中，在重庆跨坐式单轨道岔和北京地铁S1线磁悬浮道岔设计中采用了继电器联锁电路控制+接触器热继电器保护直接启动的驱动方式+宽温PLC监控和故障检测的电气控制系统设计方案；在中唐空铁道岔、青岛高速磁悬浮试验线道岔、武汉光谷旅游专线道岔的设计中采用了PLC控制和故障诊断+变频驱动的电气控制系统设计方案。电气控制系统的设计均很好的满足了线路运营的需求，取得了良好的应用效果。

道岔产品的发展、技术的进步离不开持续不断的验证和总结研究，结合道岔设备及其电气控制系统的制造安装和运行过程中情况，仍需在以下方面进行研究，进一步提升设备的性能。

（1）电气控制系统应按其构成采用工厂预装，安装模块化设计，提高产品安装质量和系统可靠性。道岔电气控制系统中，控制装置各类元器件多，接线复杂易错，各机构的动作检测传感器、限位开关数量多，需要精准的位置调试，故而安装过程质量控制难度大、对安装人员技能要求高。通过提高道岔电气控制系统的工厂预装、模块化生产，一方面可有效降低现场安装调试的技能要求，降低工程安装难度、缩短现场安装调试周期、提高易损件更换效率。另一方面也可降低运营过程中维护工作量产品的可用性，更进一步开发的目标是获得产品安装和维护过程的“即插即用”功能。

（2）控制系统智能化，产品全寿命周期信息化，延伸产品售后服务功能。随着通信技术、大数据分析技术和人工智能技术以及各种先进控制技术的飞速发展，数字化、网络化和信息化正日益融入各个生产生活领域之中，道岔产品的智能化发展是必然趋势，其主要表现在以下方面。第一，道岔机构控制技术将随着智能驱动控制技术的发展，对于动作的控制将更加精准和智能。高精度的机构动作控制和智能诊断，可有效降低运动冲击，延长产品使用寿命。对环境条件的实时监控，使产品对环境的适应性大大提升，可根据环境条件的变化智能调整道岔动作控制，提高电气控制系统的可靠性。第二，道岔运行过程中的运行状态监控、故障诊断分析，对其在日常维护和维修中的作用毋庸置疑，简单的单机故障诊断已远远不能满足道岔应用中的需求。充分利用数字化、网络化和信息化技术的发展，实现道岔运行状态远程集中处理。利用大数据分析为客户提供全面的使用维护信息，包括道岔使用情况、各部件各机构的运行状况以及维修维护保养提醒和建议、故障快速反馈、故障原因分析和处理对策提示等。由此可知，随着道岔智能化程度的进一步提高，精准的反馈道岔实时状态、提醒用户对道岔进行预防性维护、减少突发故障和抢险维修，对于降低运营成本有着很大的助益。