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应答器培训资料
应答器及地面电子单元（LEU）
图索引
表索引
1.CTCS2级系统描述
图11既有线列控系统地面设备连接示意图
1）既有线CTCS-2级列控系统是基于轨道电路+点式应答器传输列车运行许可信息并采用目标距离模式监控列车安全运行的列车运行控制系统（以下简称列控系统）。
系统主要由车站列控中心、轨道电路、应答器、车载设备等构成,如图11所示。
2）车站列控中心根据进路状态、线路参数、临时限速命令等产生进路及临时限速等相关控车信息，通过有源应答器传送给列车。
3）采用ZPW-2000（UM）系列轨道电路，按自动闭塞、站内电码化方式，完成列车占用检测、产生列车运行许可并连续向列车传送。
4）采用应答器，设于各进站端、出站端、区间适当位置及特殊地点，向车载设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速信息等。
5）列控车载设备根据地面设备提供的信号动态信息、线路参数、临时限速信息及有关动车组信息生成控制速度和目标距离模式曲线，监控列车安全运行。
2.应答器及LEU
2.1.LEU功能及工作原理
LEU是故障安全型设备，为信号系统与应答器之间提供接口，主要有以下功能：
6）接收外部发送的应答器报文并连续向应答器转发。
7）当输入通道故障或LEU内部有故障时，向应答器发送预先存储的默认报文。
8）当有车载天线经过有源应答器上方时，LEU不转换新的报文。
9）一台LEU可以同时向4台有源应答器发送4种不同的报文。
10）设备自检及事件记录，并向外部设备上传。
LEU工作原理如图21所示。
图21：
LEU工作原理框图
2.1.1.报文接收
微处理器通过通信接口周期性地从TCC接收报文，并把报文传送到逻辑控制单元，由逻辑控制单元把周期性的报文输入变为连续的报文输出。
如果由于通道故障或LEU内部故障，微处理器无法接收到正确的报文，此时，便从报文存储器中选择出相应的默认报文，并传送到逻辑控制单元。
在采用透明传输模式时，报文存储器只存储LEU的默认报文，即对每一路输出只存储一条默认报文。
输入通道和接口单元是双套同时工作的，即使有一路通道或接口电路发生故障，也不会影响LEU与TCC之间的通信。
安全通信协议保证了通信的可靠性，除采用常见的编码、帧结构定义和CRC校验外，其最大的特点是引入时间戳概念，从而确保了通信信息的正确性、实时性、完整性以及信息顺序的正确性。
2.1.2.逻辑控制单元
微处理器收到报文后，把报文转储在逻辑控制单元中，逻辑控制单元相当于发送缓冲器，以564.48kbps的速率把这个1023位的报文循环地输出。
逻辑控制单元中采用了现场可编程门阵列FPGA，因此最大程度上减少了元件数量、缩小了体积、提高了可靠性和抗干扰能力。
逻辑控制单元除输出报文数据外，还产生C6接口所需要的8.82kHz方波。
2.1.3.功率放大
由于C接口定义的报文数据C1和接口供电信号C6在频率上相差很大，需要分别进行功率放大。
将经过放大后的C1和C6信号偶合到一个变压器内，从而实现了在一对传输线上传送两种信号。
2.2.应答器结构和原理
2.2.1.应答器结构
应答器的主要用途是向车载ATP控制设备提供可靠的地面固定信息和可变信息。
应答器系统是一种采用电磁感应原理构成的高速点式数据传输设备，用于在特定地点实现地面与机车间的相互通信。
安装于两根钢轨中心枕木上的地面应答器不要求外加电源，平时处于休眠状态，仅靠瞬时接收车载天线的功率而工作，并能在接收到车载天线功率的同时向车载天线发送大量的编码信息。
安装于机车底部的车载天线不断向地面发送功率并在机车通过地面应答器时接收来自应答器的编码信息。
当列车经过无源应答器上方时，无源应答器接收到车载天线发射的电磁能量后，将其转换成电能，使地面应答器中的电子电路工作，把存储在地面应答器中的1023位数据报文循环发送出去，直至电能消失（即车载天线已经离去）。
通过报文读写工具BEPT可以向改写无源应答器的数据报文。
通过BEPT可以对无源应答器存储的数据报文进行读出、校核。
有源应答器通过与LEU的连接，可实时改变传送的数据报文。
当与LEU通信故障时（接口“C”故障），有源应答器可以自动切换到无源应答器工作模式，发送缺省报文。
阿尔斯通的有源应答器和无源应答器完全相同，通过电缆及插接件与LEU连接，就做为有源应答器使用；
下面主要描述阿尔斯通应答器。
2.2.2.应答器机械特性
应答器由壳体（黄盒子）、电路板、灌封材料构成。
壳体是玻璃纤维类材料热压而成；电路板厚度为3.2mm，安装在壳体内，它包含了用于发送和接收的电磁感应耦合线圈。
应答器外部尺寸：
长480mm宽350mm高70mm
重量：
约7公斤
2.2.3.应答器抗杂物理能力
欧洲标准中，对应答器定义了2个等级的抗杂物能力，A级和B级，A级更为严格，其指标如表21所示。
表21应答器抗杂物A级参数
材料
规格
应答器的顶层（mm）
A级
水
清澈的
200
含0.1%的NaCl（重量）
100
雪
新鲜的，0℃
300
潮湿的，含20%的水份
300
冰
无孔
100
道碴
石头
100
沙子
干燥的
20
潮湿的Wet
20
泥浆
不含盐
50
含盐，0.5%的NaCl（重量）
50
铁矿石
赤铁矿（Fe2O3）
20
磁铁矿（Fe3O4）
20
铁尘
制动产生的铁粉
10
煤尘
含8%的硫磺
10
油和油脂
50
2.2.4.应答器运用环境
●运行温度范围：
-40℃到+70℃
●冷却：
自然对流
●储存：
-40℃到+70℃，在最后的检查和测试之后小于5年
●震动：
符合EN50125-3（表5）
●抗震：
根据标准EN60068-2-75，符合摆锤打桩机冲击试验，根据标准的表格2，最高级别是20J
●抵抗行人踩踏以2000N的最大力在安装的应答器上行走的可能性
●湿度范围：
根据EN60721-3-4表格1，为等级4K3
●压力范围：
根据EN60721-3-4表格1，为等级4K3
●风：
根据标准EN60721-3-4表2（50m/s）等级为4Z5
●防护等级：
根据标准EN60529，为IP68
●太阳辐射：
根据EN60721-3-4表1分类，为4K3
●生物：
根据EN60721-3-4表3分类，为4B2
●机械：
根据EN60721-3-4表5分类，为4S4
●MTBF：
λ=2,869.10-6/h/+40℃
●使用年限：
大于20年
●安全：
根据EN50129，为SIL4（电气系统）
2.2.5.应答器工作原理
一、电磁感应的基本原理
车载天线与应答器之间是按电感耦合的原理进行工作的，如图22所示，当能量频率≤30MHz时，磁场起着主导作用，电场起着次要作用。
图22天线与应答器之间的作用原理图
为便于分析，将矩形线圈按面积等效成圆型线圈计算。
如果被测线圈沿X轴方向运动，那么场强H随着距离X的增加不断减弱。
当被测线圈沿线圈X轴方向移动距离超过圆半径R时,场强急剧下降，为60dB/每10倍距离；当移动距离超过圆半径3R时,场强的衰减变得比较平缓约为20dB/每10倍距离。
当天线与应答器线圈垂直作用时，安装高度Y方向的场强曲线（H）可用下式计算:
式中N=线圈匝数；R:
圆半径；Y=Y轴偏离线圈中心的距离。
二．应答器的工作电源
应答器的电源是由感应电压获取，在应答器线圈中，应答器最小动作磁场强度Hmin，由下列公式求出：
式中:
R2=输入电阻，RL=线圈电阻，N=1匝；A=面积；μ0=1。
上述两个公式是应答器设计的基础，在频率、线圈结构一定的条件下，可计算出应答器临界动作的最小磁场强度，进而得出天线发射功率。
三．应答器工作方式及功能
●接收电能信号：
探测、解调远程能量信号
●上行链路信号产生，该功能是应答器通过接口A1向车传载传送报文
●启动时的方式选择，是发送自身存储的报文还是发送接口C来的报文
●串音防护：
对上行链路的限制
●操作/编程模式的管理
●接收来自接口C的数据
●I/O接口特性的控制
●产生“列车通过”信号
四．无线编程
此功能允许对应答器进行无线编程和维护。
执行这个过程不需要任何电缆的插拔，这就保证了安全等级。
无线编程具有下列功能：
●应答器报文的读写
编写的报文长度可以是1023或341位（分别有830和210位用户位）。
报文可以改写。
●应答器制造商数据的读出。
包括制造商认证、序列号、制造日期等数据
电路板原理框图
图23应答器原理框图
电路板原理框图23如所示，其工作过程如下：
当车载天线接近应答器时，应答器的耦合线圈感应到27MHz的磁场，能量接收电路将其转化为电能，从而建立起应答器工作所需要的电源，此时，应答器开始工作。
应答器控制模块是整个电路的控制核心，当电源建立后，它首先判断由C接口来的数据是否有效，若该数据无效或无数据，控制模块使用存储在报文存储器中的数据，将其进行FSK调制后，输出到数据收发模块，经功率放大后，由耦合线圈发送。
只要电源存在，控制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。
当控制模块上电时，判断出C接口的数据有效，则控制模块将发送C接口传来的数据。
一旦控制模块作出报文选择（选择存储的数据还是C接口传来的数据），在这次上电的工作周期内，无论C接口数据有效与否，应答器都不会改变发送的数据。
当车载天线离开应答器上方后，应答器失去了电源，便停止数据发送。
C接口工作电源仅用于该接口电路部分，不给控制模块和数据收发供电，因此，有源应答器也只有在车载天线出现时才发送数据。
制造数据存储器的数据只能被报文读写工具读取。
3.数据
3.1.用户数据
本节内容的详细说明参见“列控系统工程数据表编制规定（V1.0）-铁道部运基信号[2008]499号。
”，并以此为准。
3.1.1.用户数据表基本要求
（一）应答器用户数据表主要作用及内容：
在CTCS-2级列控系统中，地面线路的参数，如坡道，速度，轨道区段长度等信息，均是在列车经过安装在线路上的应答器上方时，利用应答器车载设备激活应答器，并接收应答器发送的报文，经过解码处理后，获得列车运行的线路参数，根据轨道电路等信息，生成列车控制曲线，控制列车安全运行。
应答器报文是根据应答器用户数据表中描述的线路参数，利用规定的应答器信息包格式，根据控车需要，组合编制成应答器用户报文，描述相应的线路参数。
应答器用户数据表是根据CTCS-2级应答器的报文定义及列车控制需要，对线路信息利用一套数据表格进行描述，其内容主要包括应答器位置表；正向区间信号点、轨道区段数据表；反向区间信号点、轨道区段数据表；区间线路坡度表；区间线路速度表；铁路线路里程断链明细表；车站列车进路数据表等。
（二）应答器用户数据表基本要求：
1、数据准确性
在CTCS-2级列车控制系统中，列车控制方式采用的是速度距离模式，在数据表格当中，长度信息对列车的控制至关重要，如果长度信息与线路实际情况误差较大，将直接影响行车安全。
2、数据完整性
应答器用户数据主要是编制CTCS-2级列控区段的线路数据，为了在ATP与LKJ切换后，保证切换后的列车能够安全运行，在ATP与LKJ的切换点往外，均应是切换前设备的控制范围，因此该范围内的线路坡度，速度，轨道区段等信息，均应编制在应答器用户数据表中。
3、文字及格式规范性
应答器用户数据表是应答器报文及列控中心设备的输入数据，因此，在应答器用户数据表编制中，应注意各种类型数据的规范性，如信号机名称的规范，长度数据的精度，公里标的表示等，都应该采用标准的格式，做到文字及格式的统一
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