科安达计轴解析.docx

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科安达计轴解析

概述

为保证信号系统安全、稳定地工作，本工程配置计轴设备检测轨道区段占用情况，实现独立保护区段功能。

通过我们对目前轨道交通领域计轴设备产品的综合比较，为本工程选用科安达—提芬巴赫TAZII/S295型计轴设备。

TAZII计轴系统为品奇提芬巴赫第二代计轴系统，型号为S295。

该设备安全完整性等级为SIL4级。

车轮传感器采用单体封装设计、体积小，室外无其它电子设备，从而提高设备的可靠性。

配置灵活、通用性好，提供记录单元实时记录运行信息，具有防盗、防松、防震等特点。

在深圳地铁2号线、5号线，广州地铁2号线、8号线，武汉地铁2号线，北京地铁14号线，以及铁路沪昆线、黄骅港、青藏线柴达尔站等广泛应用，用户反应良好。

符合铁道部有关技术条件，满足铁路信号故障安全原则。

计轴设备的组成

TAZII/S295型计轴系统由室内设备和室外设备组成，具备外接复零条件以及与联锁和微机监测等设备的接口，其组成框图如下所示。

图8.21计轴系统框图

TAZII/S295型计轴系统室外电子设备为：

车轮传感器。

室内设备主要包括：

放大板、计轴板、输出板、复零板和电源板等单元。

其中车轮传感器与放大板组成车轴检测单元，计轴板与输出板等组成计轴运算单元。

其功能框图如下所示。

图8.22计轴系统功能框图

电源板输入50Hz交流220V电源，输出直流12V和24V电源，为其它板件提供工作电源。

车轮驶过传感器作用区域时，车轮传感器产生轮轴信号，并将该信号输出至放大板。

放大板接收到车轴传感器的轮轴信号，经放大和整形，形成轮轴脉冲，为计轴板和输出板提供工作条件。

计轴板有2套独立的计轴运算单元，分别根据放大板传送的车轮传感器信息，判断列车行进方向，并完成经过的列车轴数计入和计出统计，当两套计轴运算单元计算结果完全相同时，才输出空闲信息给输出板。

输出板由12个继电器组成，完成车轮传感器的状态输出和区间空闲或占用的条件输出。

复零板执行所属区段计轴电路的复零。

计轴机柜电源板采用“1+1”冗余配置，每台机柜提供两路220V交流供电。

如下图所示，电源机箱1与电源机箱2中的电源板互为冗余，其中任一电源板或冗余电源告警板故障，不会影响计轴设备正常供电。

电源机箱中电源板的数量可根据工程设计中主设备板卡的数量多少进行增减。

图8.23计轴冗余电源框图

计轴设备的功能

计轴系统是通过比较轨道区段两端驶入和驶出计轴点的列车轴数,来完成轨道区段空闲与占用状态自动检查的专用铁路信号设备，可用于站内或区间等场地。

TAZII/S295计轴系统具有以下功能

为联锁、列控、闭塞和其它信号系统提供轨道区段占用或空闲的安全开关量输出接口；

列车运行方向鉴别功能；

直接复位和预复位功能；

自诊断及故障检测功能，具备与信号微机监测系统、维护支持系统等监测、管理系统的接口。

复位功能

当TAZII/S295计轴系统进行维护或者由于轨行区的施工人员、维护人员作业导致计轴区段占用时，可通过复位使设备恢复到空闲状态。

TAZII/S295计轴系统有直接复位和预复位方式。

在设备无故障以及车轮传感器上方轮缘探测范围内无金属干扰物时，通过立即复位，可使计轴系统立即输出区段空闲状态。

当采用预复位方式执行复位操作时，计轴区轴数被清零，但计轴区段仍处于占用状态。

而只有当下一次计轴过程中，计入和计出轴数相等时才能给出轨道空闲状态，从而保障列车运行安全。

技术特点

TAZII/S295计轴系统技术特点

标准化设计，同型号板卡不需要做任何设置可直接更换；

按区段模块化设计，各区段计轴电路独立工作，互不影响；

可模拟单个区段占用；

计轴运算单元采用‘二取二’安全结构；

室外电子设备只有车轮传感器，安装维护简单；

各种板件均安装有鉴别销，能够避免设备安装或维护时将板件插错位置；

计轴板能自动适应各种类型区段，无需通过软件设置；

基于探测列车轮缘工作原理，受扰范围小；

车轮传感器采用单轨单侧（内侧）安装，施工简单；

所有数据处理设备全部位于室内，室外设备无需接地和加装防雷单元。

计轴设备的原理

计轴设备的基本原理是基于对所监视的轨道区段两端计数点驶入和驶出轴数的比较，以确定该区段的占用或空闲状态。

如下图所示，列车从所监视区段的A端驶入，计入轴数为CA，列车从所监视区段的B端驶出，计出轴数为CB。

当CA不等于CB时，区段占用；当CA等于CB时，区段空闲。

图8.41计轴系统原理

轨道占用和空闲状态检查方式可以分解为两个具体的操作

在轨道空闲状态下，计入一轴或探测到车轮，轨道转为占用状态；

在轨道占用状态下，计出最后一轴，轨道转为空闲状态。

计入一轴和计出最后一轴都由计轴板作出判断，给输出板传送相应的信息。

车轮传感器工作原理

传感系统构成

车轮传感器的壳体内有两个单独的传感单元SⅠ和SⅡ，每个传感单元独立执行同种任务。

如下图所示：

图8.42车轮传感器示意图

传感单元工作原理

车轮传感器的内部电路由一个高频有源振荡器和相应的一系列附属电路构成，电路的输出端也就是电源供电端，由外部直流恒流源供电。

当车轮接近传感器时，车轮的铁磁介质对内部元件有阻尼作用，致使电路的工作状态发生变化，电路输出端的端电压将升高，参见下图。

图8.43车轮传感器工作原理示意图

车轮传感器工作原理

车轮传感器由相互独立、电路分离的两套传感单元电路组成。

这种个体系统独立性是出于安全方面考虑，而且不能因为任何原因被取消。

使用单套传感电路或两套传感电路互相不独立，都被认为是不安全的。

车轮跨越车轮传感器，两套传感电路分别感应出车轮轮轴信号。

两路轮轴信号必须满足有先后有重叠的特征，才被认为是有效的车轮信号，如下图所示。

两路轮轴信号的相位关系代表车轮的运动方向，系统以此来识别车轮运行方向。

图8.44车轮传感器车轮脉冲信号示意图

车轮传感器的壳体内有两个单独的传感单元，每个传感器独立执行同种任务。

TAZII/S295型计轴系统工作过程

车轮驶过车轮传感器作用区域时，车轮传感器产生的轮轴信号经电缆传输到室内的放大板，由放大板将轮轴信号放大整形为轮轴脉冲，并传送到计轴板。

计轴板进行车列运行方向判别及轴数统计。

计轴板的运算单元比较区段计入和计出的轴数，确定区段占用或空闲状态，为输出板提供工作条件。

输出板根据计轴板和放大板提供的输入条件，输出区段空闲或占用信息。

电路安全性分析

二取二计数电路

计数电路由模拟或数字电子电路构成。

在数字电子电路中，电路输出有两种逻辑状态，如果电路出现故障，两种逻辑状态输出的概率均等，其输出所处的逻辑状态不确定。

即在数字电子电路中，无法确定何种状态为安全状态，电路本身不具备固有故障-安全特性。

因此，要实现电子电路的故障-安全特性，要采用两套电路输出进行裁决的组合故障-安全结构。

图8.45计数电路

车轮经过车轮传感器，两个独立传感单元分别感应出两路车轮信号，再通过缓冲放大板的双通道电路的放大和整形，分别输出两路轮轴。

两路车轮信号的感应、放大和整形过程是由两个相互独立的电路完成的，并且呈现相位差，代表了车轮运行方向。

计数板的内部也有两个相互独立的运算电路，每个运算电路都包括方向检测和二进制循环计数电路。

每个运算电路都要接收两路轮轴信号，分别进行车轮运行方向判别和轴计数。

两个运算电路的车轮运行方向和轴计数结果要进行比较，结果一致才能有输出。

从以上分析可知，计数电路是由两个电子电路构成的二取二故障-安全系统。

轨道占用和空闲检查电路

下图显示了轨道空闲和占用检查电路。

S1是车轮传感单元SⅠ占用继电器，S2是车轮传感单元SⅡ占用继电器，Oc1和Oc2分别是两个计数器占用继电器，Oc3为计数器组空闲继电器，CL是计轴器空闲继电器，CLH为计轴器占用继电器，BRKDN为计数器动作一致性检查继电器。

图8.46轨道空闲和占用检查电路

通过Oc1和Oc2接点，在电路中BRKDN用于检查两个计数器动作的一致性，当两个计数器动作不一致时，BRKDN落下。

正常情况下，两个计数器动作应该一致，因此BRKDN长期不会动作。

为了检查BRKDN是否失效，设置SETBRKDN和RESETBRKDN按钮，用于人工检查BRKDN的有效性。

若干个车轮经过计轴区段一端的车轮传感器进入区段，然后从区段另一端的车轮传感器离开区段，这是一个完整过程。

在这个过程中计轴设备完成了一个计轴过程，区段从空闲到占用状态，又从占用到空闲状态。

轨道空闲和占用检查电路的工作过程：

当车轮接近车轮传感器，其中的任意一个车轮传感单元被占用时，S1或S2吸起，CL落下；

车轮前进跨越车轮传感器，同时占用两个车轮传感单元时，CLH得电吸起，并在CL落下期间自保吸起状态；

车轮前进完全越过车轮传感器，计数器计入一轴，区段轴数为一，计数器切断继电器CL励磁电路的工作电源，同时Oc1和Oc2得电吸起，Oc3落下；

在随后的车轮计入和计出过程中，除了计数器不断计数以外，其它继电器均不动作；

最后一个车轮完全越过车轮传感器，计数器计出最后一轴，区段轴数变为零，计数器接通继电器CL励磁电路的工作电源，同时Oc1和Oc2失电，但要延时50mS才落下，Oc3吸起，因此CL才有机会得以吸起并自保。

在电路中，导致电路或系统占用的条件均有两个，只要其中一个条件能够正常工作，就能使电路或系统处于占用状态。

在电路中，任何一个继电器被机械式锁闭或不工作，始终保持吸起或落下状态时，系统均会保持占用状态。

以下举例说明：

当CL继电器被锁闭，始终吸起时：

计数器计入一轴后，Oc3落下指示区段占用。

由于CL被锁闭，CLH不会得电。

计数器计出最后一轴后，Oc1和Oc2同时落下，但由于CLH不得电，Oc3也不能得电。

所以没有机会使系统恢复空闲状态，区段永远占用；

当Oc1和Oc2中有一个不工作时：

继电器CL落下后再也没有机会吸起；

当Oc1和Oc2中有一个被锁闭得电时：

那么Oc3不会吸起；

当CLH被锁闭得电时：

因为CLH的落下接点串联在轨道占用和空闲条件的输出链路中，因此永远不能输出轨道空闲状态。

计轴设备的性能

电气条件

室外设备

室外设备的电气干扰：

AC250V连续干扰、AC1.6kV断续干扰、3.1kV放电；

车轮传感器对轨道牵引回流、磁轨缓行器、涡流缓行器及磁化轮对引起的问题有抵御能力。

按照要求，也对闪电、上方电缆短路造成的影响不敏感。

车轮传感器可以经受与地面交互电压2kV或系统间1kV的电压试验；

EMC：

根据EN50121－4（CENELEC）标准设计及试验；

室内设备

室内设备的电气干扰：

AC250V持续干扰、AC1.6kV间断干扰、2.3kV放电；

室内设备的空气流通通道根据DINVDE0106Part101设计，绝缘强度按污染等级2标准（DIN　VDE0110）设计；

EMC：

根据EN50121－4标准设计及试验；

供电（外电源通过后备电池供电或直接供电方式）；

EMC测试报告是由德国北威州电磁兼容测试中心出具的，根据EMC测试报告所提供的数据，就EMC试验等级参数与TB/T3073-2003标准进行对比，对比的结果是：

总共十一项EMC试验项目的试验等级均等同或优于TB/T3073-2003标准。

设计标准

TAZII/S295计轴系统是适用于各种轨型的轨道空闲检测设备，符合下表所示的标准和规范要求，等同或优于国家铁道部相关标准，可纳入国内外现有的各种联锁系统。

TAZII/S295计轴系统适用标准和规范

表格8.51计轴系统使用标准表

标准/规范

名称

发行人

EBO

铁路组织和作业规章

Eisenbahn-bundesamt（EBA）

VDV361

铁路信号设备非国有铁路信号原理

VDV

DINVDE0106

电磁脉冲防护

DIN

DINVDE0