城轨交通道岔继电器控制组合N+1冗余系统的设计与应用

梅 满，田文礼，田堂俊

对于早期开通的地铁线路，道岔转换设备较多采用以联锁驱动和采集继电器为执行机构的设计模式。由于继电器部件众多，任何一处发生故障都将影响设备的正常运行，导致故障处理非常困难。反观其他系统，为提高可用性，在设计方面都会考虑不同方式的冗余。为此，本文特别针对道岔控制继电电路设计了冗余方案，可在道岔故障发生时手动切换至备用道岔控制组合，实现故障部件整体隔离，维持道岔正常功能，直至运营结束后再开展修复处理［1］。

1 设计方案及原理

冗余方案整体结构及原理见图1。在有岔站信号设备室内组合柜中，额外配置1 套与原道岔控制组合相同的备用道岔控制组合，并在每组原道岔控制组合与室外转辙机之间串入AX 安全型继电器，通过切换控制装置，将DC 24 V电源引入切换继电器。切换控制装置通过串口协议与工控机进行通信，并利用切换继电器前后接点实现原道岔控制组合与备用道岔控制组合之间切换。

图1 冗余方案整体结构及原理

1）切换控制装置中采用带有强制导向作用的欧姆龙G2R-1 型继电器（简称“欧姆龙继电器”），每个欧姆龙继电器由单DC 24 V 线圈和单10 A触点组成，用来控制1台切换继电器。因体积较小，可按道岔动作、控制、表示电路中切换点数的不同，自由拓展和灵活配置，并可将多个欧姆龙继电器集成为继电器模组，通过RS-485 串口通信协议接收来自工控机的驱动命令。

2）备用道岔控制组合采用与原道岔控制组合完全相同的道岔定型组合。

3）各种切换继电器均采用AX 型无极加强信号插入式继电器（JWJXC-480），在线圈失磁或故障时，可依靠内部的配重块使继电器落下，符合“故障导向安全”原则。JWJXC-480型继电器共有4 组接点，其中2 组加强型接点用于切换转辙机动作电路内的大电流，另2 组普通接点用于切换转辙机控制电路内小电流，且前接点连接备用道岔控制电路，后接点连接原道岔控制电路。当任意某组道岔发生故障时，先由人工操作系统控制终端远程发送切换命令，再由切换控制装置驱动切换继电器吸起，实现原道岔与备用道岔控制组合之间切换，使备用道岔控制组合执行相应的道岔转换。

下面以地铁最常用的三相交流五线制双机牵引道岔控制电路为例，主要考虑道岔转换过程中控制电路、动作电路、联锁表示采集电路的切换技术，实现冗余切换控制功能［2-3］。

2 切换电路设计

为同时对控制电路、动作电路和联锁表示采集电路进行切换，设计了控制切换继电器KZQHJ、动作切换继电器DZQHJ和表示切换继电器BSQHJ电路，并在备用道岔动作电路中，配置换相继电器HXJ、换相保证继电器HXBZJ，以及表示电源接通继电器BSDYJ 等，在切换控制装置中通过一定动作逻辑，实现电路间无扰、安全地相互切换。

2.1 道岔控制电路切换设计

道岔控制电路中的定操继电器DCJ、反操继电器FCJ 和锁闭继电器SJ 由计算机联锁系统输出命令进行控制，基于安全性要求，在设计切换时以“不改变道岔控制命令原始逻辑，仍使用原道岔控制组合中的DCJ、FCJ 和SJ 作为道岔控制命令”为原则，保证备用道岔控制组合同样可执行来自联锁系统的安全命令。

道岔控制电路切换设计见图2，在每组道岔的DCJ、FCJ、SJ 前接点后部各串联1 组KZQHJ 接点，用于主备用道岔控制电路间切换。所有KZQHJ的前接点并联后，接通备用道岔控制电路。

图2 道岔控制电路切换设计

2.2 道岔动作电路切换设计

在主用转辙机动作电路的分线柜X1—X5 中，各串联一个DZQHJ 加强接点，用作主备用道岔动作电路间切换。以道岔第1 牵引点动作电路为例，见图3，DZQHJ 中接点接信号设备室分线柜，后接点接主用道岔动作电路，前接点全部并联后，接通备用道岔动作电路。第2 牵引点动作电路切换设计与之类似。

图3 道岔动作电路切换设计

文献［2］描述过相同的五线制动作电路切换设计，使用一套备用道岔控制组合作为全站所有道岔控制组合的冗余，但只介绍了道岔电气控制部分N+1 的冗余结构。由于根据线路工况以及道岔侧向开通方向的不同，现场通常将转辙机分为“正装”和“反装”2 种，即正装转辙机在定位时，自动开闭器1/3 排接点闭合，反装转辙机在定位时，则是自动开闭器2/4 排接点闭合。因此2 种安装方式的五线制动作电路是不同的［4］。

通常在道岔动作电路图中只呈现转辙机定位1/3 排接点闭合的图纸，而在图纸下方则会备注定位2/4排接点闭合的改线方式，即需完成以下内容：① X2与X3交叉，X4与X5交叉（行业通用做法是在转辙机室外电缆盒软线侧完成交叉）；② 现场二极管颠倒极性；③ DBQ的41、61端子互换，实现B/C相序颠倒，改变转辙机内的三相电相序。

所以，若要将一套备用道岔控制组合用作全站所有道岔控制组合的N+1 冗余，就要对任意一组道岔切换至备用道岔控制组合时，使备用道岔控制组合内的电源相序与受控转辙机所需要的相序相同。见图4。

图4 备用道岔动作电路设计

在备用道岔动作电路中，断相保护器DBQ41与第1 启动复示继电器1DQJF11 之间，以及DBQ61 与1DQJF21 之间串联相应数量的换相继电器HXJ（只反装转辙机配置HXJ，正装转辙机不用）。其中，在B 相中串联的称为B_HXJ，C 相中串联的称为C_HXJ。B_HXJ 的前接点与C_HXJ 的后接点连接，后接点与C_HXJ的前接点连接。

按照上述设计，在备用道岔动作电路控制正装转辙机时（不需换相），B/C 相电源通过HXJ 后接点接通转辙机动作电路，电源端相序为A-B-C；若备用道岔动作电路需要控制反装转辙机，则需三相电源B、C 相互换，从而实现动作电路电源端相序变为A-C-B。

由于DBQ41 和DBQ61 带有380 V 电压，带电转换相序时，高压会对接点产生灼伤，若B 相和C相的HXJ 动作同步性一旦产生轻微误差，就会造成短路。为此，需在备用道岔动作电路中的B、C相电源端设置换相保证继电器HXBZJ，通过HXBZJ的前接点断开，可使备用道岔动作电路长期处在无电状态。

另外，在驱动HXBZJ 时，应设置继电器线圈延时动作（延时2 000 ms驱动），使HXBZJ在切换命令下达过程中，滞后于其他功能属性的切换继电器，即可实现转辙机动作电路“先换相，再供电”，B、C 相在无电状态下换相，从而保证切换电路可靠［5］。

2.3 表示电源接通保护设计

在备用道岔控制组合的表示变压器电源端，设置若干表示电源接通继电器BSDYJ，数量与所在车站转辙机数量相同，连接方式见图5。

图5 表示电源接通继电器保护设计

在备用道岔控制组合未被切换且处于空闲时，BSDYJ 断开，表示变压器输入侧无电源，可提高备用道岔控制组合长期处于开路状态时的表示变压器、电阻等器件的使用寿命，而整个电路处于无电状态，还可提升电路的安全性［6］。

2.4 道岔表示采集电路切换设计

使用AX 安全型继电器普通接点，在原道岔表示继电器的中接点与联锁接口柜之间串联若干表示切换继电器BSQHJ，见图6。在任意道岔进行切换时，相应的BSQHJ 动作，切断原表示采集电路，接通备用道岔控制组合中的表示采集电路（图6 中蓝线），联锁直接采集备用道岔控制组合中DBJ 和FBJ的状态。

图6 道岔表示采集电路切换设计

在使用主用道岔控制组合时，通过BSQHJ的后接点采集主用道岔控制组合中DBJ、FBJ 的状态（图6中黑线），后接点靠自身重力落下，使BSQHJ中接点与后接点保持接通。而备用道岔控制组合接通BSQHJ 前接点，除非人为驱动BSQHJ，否则将永远处在落下状态，保持原道岔表示联锁采集电路的安全性。同时根据《铁路信号AX 系列继电器》（GBT 7417—2010）中的标准，JWJXC-480继电器在中接点落下时，中接点与前接点会保持3 mm 间隙，而备用道岔控制组合中此处电压仅为12 V，因此可有效阻隔来自备用道岔控制组合对原道岔表示信息联锁采集电路的影响［7］。

2.5 切换继电器配置

以一组地铁常用的双机牵引单动道岔切换为例，完成道岔控制电路切换需要3 组普通接点；完成道岔动作电路切换需要10 组加强接点；完成B/C 相序换相需要4 组加强接点；完成换相保证需要4 组加强接点；完成道岔表示采集电路切换需要8 组普通接点。因此，实现一组双机牵引交流道岔控制电路切换最多需要11 组普通接点，18 组加强接点。而JWJXC-480 安全型继电器每台具有2 组加强接点和2 组普通接点，即使用9台JWJXC-480安全型继电器就可满足切换要求。每架标准信号组合柜最多可插130 台JWJXC-480 安全型继电器，因此最多可集成14组双机牵引单动道岔所用的AX型切换继电器。通常地铁正线的双存车线/双站后折返线车站最多不超过10 组道岔，若再额外多考虑2 组站前折返道岔，1 组联络线道岔，即一个标准的信号组合柜完全能够满足任何正线车站的道岔切换需求。

3 道岔电气冗余切换控制操作系统

3.1 设计原则

根据备用道岔控制组合N+1 的设计结构，为确保在同一时间内仅允许有一组道岔与备用道岔控制组合相切换，就需从软件层面对其切换控制逻辑加以限制，避免出现2 组道岔共用一套备用控制组合的情况发生。

1）在软件UI层面，通过菜单按钮的禁用与激活状态，确保任何时候道岔备用组合切换按钮可用的唯一性。

2）实时扫描切换控制板上欧姆龙继电器的状态，当任意切换控制板上继电器吸起，即禁止对其他切换控制板再次下发命令，确保备用道岔控制组合驱动命令下发执行的唯一性。

3）对以上2 种状态实时校验核对，确保驱动指令与UI按钮可用状态的一致性与唯一性。

3.2 主、备切换控制逻辑

道岔冗余切换操作系统界面见图7。

图7 道岔冗余切换操作系统界面

1）当操作计算机与串口控制器通信建立时，在软件界面中相应的道岔编号图标显示“绿色”，表示可以进行备用道岔控制组合切换，任意道岔编号下的二级菜单“切换备用组合”选项被允许选择，见图7（1），而通信中断，相应道岔编号图标显示灰色。

2）单击“切换备用组合”，将跳出密码提示框，见图7 （2），输入预先设定的密码以验证操作。

3）密码验证正确后随即跳出弹窗提示，若密码错误，则切换命令将被切断，见图7（3）。为进一步对切换操作加以安全确认提醒，提示操作人员“在切换过程中禁止转换道岔、确认区段无车占用、在切换完成后，需将道岔单操一个往返以恢复表示”。

4）整个切换命令自下发到执行完成的过程需2～3 s，同时提醒在此过程中避免发生道岔转换命令。由于主备用道岔控制组合间是通过继电器接点形成物理隔离的，因此即使切换过程中伴随道岔转换，而以继电器前、后接点的作用，原道岔的转换命令将被打断，最终结果仍为“道岔失去表示”，即导向安全侧。同时在任何情况下切换完成后，都需将道岔单操一个往返，从而确认道岔的定、反位置表示。因此虽需尽量避免在切换过程中转换道岔，但考虑到极端巧合情况，切换命令和道岔转换命令同时下发，也不会影响安全。

5）在对安全限制事项确认后，鼠标点击确认提示框，即对串口控制器发出动作命令，驱动相应切换继电器动作，道岔图标变为“红色”，表示备用道岔控制组合被占用，见图7（4）。此时受切换的道岔由备用道岔控制组合对其完成转换、动作、表示和采集。

6）所在车站任意道岔切换命令成功发送后，将在软件层面限制其他道岔的切换命令，此时鼠标在界面中点击其他道岔则无任何反应，只允许将备用道岔控制组合切换至原道岔控制组合的命令，见图7（5）。

7）再次右键单击该道岔图标，选择“切换主用组合”将备用道岔控制组合切换至原道岔控制组合，重复完成“输入密码验证”“安全限制提示”确认操作，恢复至原道岔控制组合，图标颜色由“红色”变为“绿色”，见图7（6），表示备用道岔控制组合解除占用，恢复空闲状态，此时允许其他道岔发送备用道岔控制组合的切换命令。

3.3 切换动作顺序

在向串口控制器发送切换命令的过程中，对相应的HXBZJ、BSDYJ 的驱动码位设置延时，其中BSDYJ 设置延时1 000 ms，实现A、B 机动作电路中的表示变压器电源滞后其他切换继电器1 s 后再接通，从而实现备用道岔控制组合空闲状态表示电源不接入电路；HXBZJ 延时2 000 ms，实现A、B机动作电路中的B/C 相电源滞后其他切换继电器2 s 后再接通，从而实现备用道岔控制组合先换相再供电的技术要求。整个动作过程为：切换命令发送→表示电源接通→动作电源接通→其他电路切换→完成切换。

4 道岔电气冗余的应用

4.1 应用场景

1）由于折返道岔每天动作次数频繁，故障发生的概率较大，因此对于折返站配置备用室内控制电路，可有效应对个别线路无备用折返线，或折返线必经道岔故障对列车折返所造成的影响。

2）渡线道岔通常不承担列车折返，而在运营中，渡线道岔定位出现故障甚至比折返道岔影响更大，因为渡线道岔涉及相邻线路的进路防护，受此影响上下行途径列车都需停车再降级通过，造成上下行双方向的列车堆积。因此正线通过车站配置备用道岔控制组合，也可有效缓解渡线道岔定位故障对运营所造成的影响。

3）对于仍在使用继电器执行机构的地铁线路，改造全电子联锁需要考虑现有联锁的生命周期，付出额外的置换成本和改造周期，适时采用该方案可有效提高道岔继电电路的可用性，应对故障对运营造成的影响［8］。

4.2 备用道岔控制组合的启用时机

道岔故障在ATS 终端中的显示仅有“失去表示（或四开报警）”这一种故障现象，而排除故障则需要考虑区分故障范围是室外、室内、机械或电路等多种因素，运营人员开展道岔故障排除的首要步骤便是要区分故障范围和故障现象［9］。

当道岔故障发生时，一般首先由控制中心或车站对道岔进行单操，同时联络抢修人员赶往现场准备抢修。当道岔单操无效后，可远程操作切换系统将故障道岔切换至备用道岔控制组合，再次使用ATS 对道岔进行单操；若表示恢复，则证明道岔故障点位于室内控制部分，从而实现故障点的隔离，故障道岔通过备用道岔控制组合维持至运营结束，抢修人员可在信号设备室值守保驾；若远程切换备用道岔控制组合，道岔故障未排除，则也可帮助抢修人员排除室内故障，立即组织排查室外部分，从而简化区分故障范围的时间。

按照地铁运营过程中道岔故障发生的概率和频次，较难发生某个站场内有多组道岔同时发生故障的概率；并且为保证一套备用道岔控制组合在被切换投入使用时是唯一的，同时兼顾改造成本，所以N+1 的冗余设计完全能够满足日常的运营场景［10-11］。

5 结束语

该项目已通过杭州市交通运输局立项，获得杭科研项目资金支持，目前已在杭州五常车辆段试验线投入应用，为12 组道岔提供N+1 冗余配置。无论是终点站的折返道岔或是中间站的通过道岔，其部件一旦发生故障，无一例外地都将造成不同程度的列车延误，且多数城市地铁已经成网运行，单条线路的列车拥塞往往需要其他线路共同调整行车组织加以应对，因此在运营延误指标越来越严苛的背景下，信号系统应利用各种手段在保证安全的前提下提高设备可靠性。本设计方案对传统继电电路升级冗余功能，对标“先通后复”的运营理念，遵循故障导向安全原则，降低继电电路发生故障对运营造成的影响，提高故障处置效率。