《科安达计轴》word版.docx

1.1 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TAZ II/S295型计轴设备。TAZ II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。1.2 计轴设备的组成TAZ II/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 1.21 计轴系统框图TAZ II/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 1.22 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 1.23 计轴冗余电源框图1.3 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。TAZ II/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。1.3.1 复位功能当TAZ II/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。TAZ II/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。1.3.2 技术特点TAZ II/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。1.4 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 1.41 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。1.4.1 车轮传感器工作原理1.4.1.1 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S和S，每个传感单元独立执行同种任务。如下图所示：图 1.42 车轮传感器示意图1.4.1.2 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 1.43 车轮传感器工作原理示意图1.4.1.3 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 1.44 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。1.4.2 TAZ II/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。1.4.3 电路安全性分析1.4.3.1 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 1.45 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。1.4.3.2 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S占用继电器，S2是车轮传感单元S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 1.46 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SET BRKDN和RESET BRKDN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。1.5 计轴设备的性能1.5.1 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EN501214（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DIN VDE 0106 Part 101设计，绝缘强度按污染等级2标准（DINVDE 0110）设计；EMC：根据EN501214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/T 3073-2003 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/T 3073-2003 标准。1.5.2 设计标准TAZ II/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。TAZ II/S295计轴系统适用标准和规范表格 1.51 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)VDV 361铁路信号设备非国有铁路信号原理VDVDIN VDE 0106电磁脉冲防护DINDIN VDE 0110电子设备绝缘等级DINDIN VDE 0115铁路电子信号设备DINDIN VDE 0831铁路电子信号设备DINDIN VDE 0831A1铁路电子信号设备DINDIN EN 50121铁路应用：电磁兼容性CENELECDIN EN 50124铁路应用：绝缘等级CENELEC根据上述标准和规范设计的TAZ /S295型计轴设备同时满足以下国内外标准：表格 1.52 计轴系统适用的中国标准表标准/规范名称发行人RIA20抗冲击、振动RIA（国际电工学会）TB/T 2296-2011铁路信号计轴设备通用技术条件中华人民共和国铁道部TB/T 3073-2003铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值中华人民共和国铁道部TB/T 3074-2003铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件中华人民共和国铁道部铁运【2006】26号铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见中华人民共和国铁道部运输局运基信号【2006】317号信号微机监测系统技术条件（暂行）中华人民共和国铁道部运输局基础部运基信号【2007】535号铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护举例设计中华人民共和国铁道部运输局基础部1.5.3 环境条件室外设备温度：-40到+85；湿度：水密封、防尘保护级别为IP67，积雪、结冰、油污及脏物等都不能影响正常运行；气压：70kPa106kPa（相当于海拔高度3000m以下）。室内设备温度：-25到+70；湿度：相对湿度5%到95%；气压：70kPa106kPa（相当于海拔高度3000m以下）。1.5.4 机械条件室外设备振动：频率2530Hz，加速度60g；载荷：垂直方向小于200kg；抗冲击和震动能力须符合RIA20标准第1类的测试要求。室内设备振动：频率10到55Hz，加速度5g；冲击：10g。1.5.5 系统条件车轮直径：250mm-2000mm；轮缘高度：2536mm；最小轴距：700mm；适应列车运行速度（传感器）：450km/h；适应列车运行速度(系统)：0450km/h；适应钢轨类型：43kg/m、50kg/m、60kg/m及以上各种型号；牵引区段：电气化、非电气化区段。1.5.6 系统性能最大计轴容量：4096轴（循环计数）；平均正确计轴数：109轴；平均故障间隔（MTBF）： 2.4*105小时。平均故障修复时间：MTTR0.5h；TAZ II/S295计轴系统列车由空闲转为占用检测的应变响应时间为：最大值100ms，最小值90ms，平均值95ms；TAZ II/S295计轴系统列车由占用转为空闲检测的应变响应时间为：最大值770ms，最小值700ms，平均值735ms；设备供电：设备供电采用信号电源屏交流稳压电源单相220V，输入电压范围 220（110%）V，频率范围 50Hz1Hz；电磁兼容执行标准DIN EN55011和DIN EN61000,等同或优于TB/T 3073-2003要求。1.5.7 RAMS分析安全性和可靠性安全完整性等级达到SIL4级；通用性系统由通用的、标准的单元模块组合而成，同类单元模块可互换。可用性系统没有共用的主机单元，每个轨道区段配置一套计轴运算单元，各区段的计轴电路互相独立、互不影响。因此，一个故障只能影响单个计轴电路，不会影响多个计轴电路的正常工作。可维护性模块化设计，同类型单元模块都可以通用互换。数据处理设备全部位于室内，更有利于维护维修工作。设备的工作状态通过面板的LED和可选的监测设备来体现，有助于故障排查，缩短故障恢复时间。室内设备是免维护的。室外设备只要求每年检查一次。可扩展性对于每个计轴电路，最多能够连接8个车轮传感器；每个轨道区段配置一套计轴运算单元，因此，如果要增加轨道区段，相应的增加计轴运算单元和车轮传感器即可。1.5.8 车轮传感器技术指标车轮传感器的技术指标如下表所示：表格 1.53 车轮传感器DSS技术指标指标名称技术指标长宽高1808060mm重量约2.5公斤工作电压10V5%功率 12 mW工作频率38/42kHz200Hz电缆芯数4芯/DSS电缆型号Purwill 4*0.75保护形式（ISO）IP67环境温度-40C至+ 85C(NAMUR标准60947-5-6)壳体塑料，全铸1.6 计轴设备的接口1.6.1 电源接口TAZ II/S295计轴系统的电源接口为断路器干接点。如下图所示，外部电源接入计轴系统总开关（双位断路器）。系统设备供电采用220V AC电源，每台机柜耗电总功耗不大于360W。当使用冗余供电方案时，每台机柜提供2路电源，每路不小于500W。图 1.61 电源接口为了保障设备安全可靠工作，在总电源开关处设置了防雷保安器。同时，针对计轴主设备和监测系统等辅助设备分别设置独立控制空开。1.6.2 复零接口计轴系统可以外接复零条件。复零信号应该持续作用至少2s，然后撤销，这样才能对计轴系统进行有效的复零操作。图 1.62 采用内部24V电源复零电路原理外部复零条件可以通过连接外部按钮的开关接点或复零继电器触点闭合来实现。1.6.3 与联锁接口TAZ II/S295型计轴系统与联锁采用安全型继电器接口。如下图所示，计轴系统通过无源继电器接点为联锁系统输出轨道占用和空闲条件，使用欧洲安全小型继电器。继电器CL、Oc3和BRKDN的吸起接点与CLH的落下接点组成了轨道空闲检查链路，在轨道空闲情况下，继电器接点链路处于导通状态。当联锁仅用一组接点时，可不用外接计轴轨道继电器（JGJ）。如需要使用两组以上的接点时，须外接JGJ（见下图）。JGJ接入联锁的方式取决于运用的需求。图 1.63 计轴系统接入联锁图1.6.4 监测接口1.7 统设计与安装1.7.1 系统设计1.7.1.1 计轴点分布一个计轴点配置一个车轮传感器，用于探测车轮轴数及运行方向。计轴点设置原则是：一个计轴区段的所有能够通过列车的端头都必须设置计轴点。由于尽头线的末端不能通过列车，因此可以不设置计轴点。一个计轴区段计轴点的布置取决于区段线路特征，典型区段的计轴点布置方式如下图所示。图 1.71计轴点布置1.7.1.2 计轴点复用一个车轮传感器可以被两个相邻区段复用。如果两个相邻区段的室内设备不在同一个设备集中站，其分界点车轮传感器不能复用，应交叉布置两台车轮传感器。如下图所示。图 1.72 计轴点复用1.7.1.3 计轴点与计轴主机距离室外计轴点与室内设备之间的最大分布距离取决于车轮传感器信号传输距离。工程设计中，对于计轴点的分布，要求实际的电缆长度不大于车轮传感器信号传输距离。由于车轮传感器信号传输距离取决于所选择的电缆的电路环阻，因此，要依据实际要求选择电缆的规格。下表列出了使用不同线径电缆的传输距离。计轴区段的长度也要受限于室外计轴点与室内设备之间的最大分布距离。表格 1.71 使用典型铜缆的传输距离线径（mm）环阻（Ohms）距离（km）0.92003.51.02004.21.42008.61.7.1.4 电缆选型在非电化区段，应使用“综合护套信号电缆”或“综合护套铁路计轴专用电缆”。在电化区段，应使用“铝护套信号电缆”、“铝护套铁路计轴专用电缆”或“铁路内屏蔽数字信号电缆”，建议使用电缆型号为：PJZL23型6芯电缆，其中4芯接连接车轮传感器和分线盘防雷保安器，2芯备用。计轴电缆敷设可根据实际工程需要采用“点对点”或“合缆”敷设方式。车轮传感器与室内设备要求使用扭绞线进行连接，一个车轮传感器内部有两套独立的传感系统，每套传感系统分配一对扭绞线。一个车轮传感器可以使用电缆的两个对绞组、一个星绞组或者是不同星绞组的两个对绞线对。1.7.1.5 计轴主机机柜配置TAZ II/S295型计轴系统采用19英寸标准机柜。如下图所示，内部主要设备为机箱单元，其布置自上而下分别是电源机箱、放大机箱、计轴机箱和监测机箱。计轴机柜，柜内至少布置电源机箱、监测机箱、放大机箱和计轴机箱各一个，其中放大机箱和计轴机箱根据实际需要增加到相应的数量。图 1.73机柜布置TAZ II/S295型计轴系统计轴主机容量通常设计为11层（每层为3U），一般能够容纳36个计轴点，24个计轴区段。该配置满足后续30%设备扩容等需求。1.7.2 设备安装TAZ II/S295计轴系统室外车轮传感器的安装有两种方