基于计算机联锁系统的轨道电路设计

孙经伟　孙纬伟　许崇

摘要： 该文基于工大高科铁路联锁系统，在传统轨道电路设计的基础上提出了一种改进的二取二交流连续式轨道电路设计方法，通过对其特征、设计步骤以及工作原理的论述，并列举了应用实例，证明了该方案的可行性与可靠性。

关键词：轨道电路；二取二；联锁系统；交流连续式

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）04-0853-03

轨道电路是铁路联锁系统的重要组成部分，传统轨道电路在灵敏度与防雷性能等方面存在着很多缺点，该文在传统轨道电路设计的基础上提出了一种新型的二取二的交流连续式轨道电路，这种新型的阻抗调整电路模拟传统的480继电器阻抗特征，保证了与传统的交流连续式轨道电路的兼容性；采用二取二结构，具有两个独立且隔离的运算通道，提高分路灵敏度的检测水平；本实用新型可以取代传统的480继电器，有效提高轨道电路的防雷性和安全性。

1 背景

轨道电路是以一段铁路线路的钢轨为导体构成的电路，用于自动、连续检测这段线路是否被机车车辆占用，也用于控制信号装置或转辙装置，以保证行车安全的设备。轨道电路范围内，无轮对占用时的状态称为轨道电路调整状态，有轮对占用时的状态称为轨道电路的分路状态。

传统的交流连续式轨道电路采用480轨道电路，如图1所示，480轨道电路一般采用干线供电方式，即由信号楼内引出一对或两对供电干线（使用电缆芯线），向各轨道电路区段的送电端轨道电源变压器BG1-50供电，轨道继电器GJ采用JZXC-480型继电器，设在信号楼内，通过电缆与受电端的电缆盒（中继变压器）BZ4相连。该480轨道电路存在着分路灵敏度低、防雷性能差等缺点，并且不能避免共模干扰，影响了计算机联锁系统以及列车运行的安全性。

本设计的目的在于提供一种二取二的交流连续式轨道电路，以解决现有技术中存在的问题。

2 电路特征

1）二取二的交流连续式轨道电路，其特征包括：

阻抗调整电路，用于模拟传统的480继电器阻抗特征；以及分别与所述阻抗调整电路的输出端连接的第一运算单元和第二运算单元；

第一运算单元包括第一隔离器、第一电压调整电路、第一AD转换器和第一CPU；

第二运算单元包括第二隔离器、第二电压调整电路、第二AD转换器和第二CPU；

阻抗调整电路的输出端依次通过第一隔离器、第一电压调整电路和第一AD转换器与第一CPU的输入端连接，依次通过第二隔离器、第二电压调整电路和第二AD转换器与第二CPU的输入端连接；

第一CPU与第二CPU通过第三隔离器交互连接。

2）二取二的交流连续式轨道电路，其特征在于，第一运算单元还包括第一自检电路，第一自检电路用于在第一CPU的控制下切短第一电压调整电路的输入；

第二运算单元还包括第二自检电路，第二自检电路用于在第二CPU的控制下切短第二电压调整电路的输入。

第一隔离器具体为电流型隔离变压器，第二隔离器具体为电压型隔离变压器。

第一电压调整电路和第二电压调整电路具体为两个种类相同而型号不同的集成运算放大器。

第一自检电路和第二自检电路具体为低导通阻抗N型MOS管。

第三隔离器具体为数字隔离器或者光耦。

3 工作原理

轨道电压由电缆盒升压，经保险丝F1防护通过阻抗调整电路1输入第一隔离器21和第二隔离器22；第一隔离器21采用电流型隔离变压器，以电流耦合的方式将轨道电压传输至第一电压调整电路41，第二隔离器22采用电压型隔离变压器，以电压耦合的方式将轨道电压传输至第二电压调整电路42；第一电压调整电路41和第二电压调整电路42采用集成运算放大器，分别对输入其中的轨道电压进行调整，将轨道电压调节到AD转换器的输入电压范围，输出脉动直流信号；第一AD转换器51对第一电压调整电路41的输出信号进行采样并转换后传输至第一CPU61，第二AD转换器52对第二电压调整电路42的输出信号进行采样并转换后传输至第二CPU62；第一CPU61和第二CPU62分别对各自接收到的轨道电压信号进行运算，若轨道电压的数值高于预设的阈值，则判定为轨道调整状态，若轨道电压的数值低于预设的阈值，则判定为轨道分路状态；第一CPU61和第二CPU62分别将各自的判定结果通过第三隔离器7交换比较，若判定结果一致，则将判定结果上报至联锁系统，若判定结果不一致，则上报故障并输出导向安全测；第一自检电路31和第二自检电路32采用低导通阻抗N型MOS管，第一CPU61通过第一自检电路31定时切短第一电压调整电路41的输入信号，第二CPU62通过第二自检电路32定时切短第二电压调整电路42的输入信号，分别判断第一电压调整电路41和第二电压调整电路42是否处于正常的工作状态，保证对低压的可靠检测。

本设计采用二取二结构，将一路输入轨道电压转换为两路输出，分别送至两个微处理器，任意单个元器件的任意故障模式都不会导致微处理器输出导向危险侧。此外，两个微处理器CPU对各自接收到的轨道电压信号的波形分析比较后，可初步判断前级电路中隔离器的失效模式，提高电路故障定位和维修效率。对于两个及两个以上元器件同时故障，根据EN50126和IEC61508标准，计算得到的失效率远小于欧标中对铁路安全完整性等级4的要求，即该电路符合欧标中最高安全完整性等级要求。

具体考虑的元器件故障模式包括：1）电阻：短路、短路、阻值随机变化；2）隔离变压器：单边线圈断路、输入/输出端短路、初级和次级线圈短路、有效匝比变化；3）集成运算放大器：输入端短路、输入端开路、输出寄生震荡、固有失效等；4）电容：短路、短路、容值随机变化；5）NMOS管：任意两极间短路、任意两极间断路、导通电压变化。

一种二取二的交流连续式轨道电路，包括：阻抗调整电路，用于模拟传统的480继电器阻抗特征；以及分别与所述阻抗调整电路的输出端连接的第一运算单元和第二运算单元；第一运算单元包括第一隔离器、第一电压调整电路、第一AD转换器和第一CPU；所述第二运算单元包括第二隔离器、第二电压调整电路、第二AD转换器和第二CPU；阻抗调整电路的输出端依次通过第一隔离器、第一电压调整电路和第一AD转换器与第一CPU的输入端连接，依次通过第二隔离器、第二电压调整电路和第二AD转换器与第二CPU的输入端连接；所述第一CPU与第二CPU通过第三隔离器交互连接。

第一运算单元还包括第一自检电路，所述第一自检电路用于在第一CPU的控制下切短第一电压调整电路的输入；第二运算单元还包括第二自检电路，第二自检电路用于在第二CPU的控制下切短第二电压调整电路的输入。

二取二的交流连续式轨道电路，第一隔离器具体为电流型隔离变压器，第二隔离器具体为电压型隔离变压器。

第一电压调整电路和第二电压调整电路具体为两个种类相同而型号不同的集成运算放大器。

二取二的交流连续式轨道电路，第一自检电路和第二自检电路具体为低导通阻抗N型MOS管。

二取二的交流连续式轨道电路，第三隔离器具体为数字隔离器或者光耦。

本设计的阻抗调整电路模拟传统的480继电器阻抗特征，设计阻抗为480欧，保证了与传统的交流连续式轨道电路的兼容性；采用二取二结构，具有两个独立且隔离的运算通道，提高分路灵敏度的检测水平；本实用新型可以取代传统的480继电器，有效提高轨道电路的防雷性和安全性。

两个隔离器分别采用电流型隔离变压器和电压型隔离变压器设计，提高了电路抗共模干扰的能力，同时也提高了级间隔离度。

两个电压调整电路采用具有相同功能而性能不同的集成运算放大器，使电压范围满足AD转换器电压采样要求，提高了电路抗共模干扰能力。

通过设计自检电路，可定时对电压调整电路的工作状态进行自检，提高了电路的安全性。

4 实例说明

如图2所示，一种二取二的交流连续式轨道电路，包括阻抗调整电路1，第一隔离器21、第二隔离器22、第一自检电路31、第二自检电路32、第一电压调整电路41、第二电压调整电路42、第一AD转换器51、第二AD转换器52、第一CPU61、第二CPU62和第三隔离器7。第一隔离器21、第一自检电路31、第一电压调整电路41、第一AD转换器51和第一CPU61构成第一运算通道，第二隔离器22、第二自检电路32、第二电压调整电路42、第二AD转换器52、第二CPU62构成第二运算通道，两个运算通道之间独立且隔离。

阻抗调整电路1的输出端依次通过第一隔离器21、第一自检电路31、第一电压调整电路41和第一AD转换器51与第一CPU61的输入端连接，阻抗调整电路1的输出端依次通过第二隔离器22、第二自检电路32、第二电压调整电路42和第二AD转换器52与第二CPU62的输入端连接。第一CPU61与第二CPU62通过第三隔离器7交互连接。第一自检电路31设置在第一电压调整电路41的输入端，在第一CPU61的控制下切短第一电压调整电路41的输入；第二自检电路32设置在第二电压调整电路42的输入端，在第二CPU62的控制下切短第二电压调整电路42的输入。

阻抗调整电路1等效输入阻抗480欧，模拟传统的交流连续式轨道电路接收端JZXC-480继电器阻抗特征。第一隔离器21采用电流型隔离变压器，第二隔离器22采用电压型隔离变压器，采用两种不同工作模式的隔离器可以提高电路抗共模干扰的能力。第一电压调整电路41和第二电压调整电路42采用两个功能相同而性能不同的集成运算放大器，具体如通用型运算放大器、高阻型运算放大器、低温漂型运算放大器、高速型运算放大器、低功耗型运算放大器等同类运算放大器中不同型号的运算放大器，运算放大器正端接地，输出脉动直流信号。第一自检电路31和第二自检电路32采用低导通阻抗N型MOS管。用于第一CPU61和第二CPU62交换数据的第三隔离器7采用数字隔离器或者光耦。第一CPU61和第二CPU62包括单片机、含有AD转换的单片机、DSP处理器以及含有AD转换的DSP处理器等。

图3中的电阻R1、R2、R3、R4构成阻抗调整电路1，变压器T1及其外围电路构成第一隔离器21，变压器T2及其外围电路构成第二隔离器22，MOS管Q1及其外围电路构成第一自检电路31，MOS管Q2及其外围电路构成第二自检电路32，负反馈运算放大器U1及其外围电路构成第一电压调整电路41，负反馈运算放大器U2及其外围电路构成第二电压调整电路42。

5 结束语

二取二交流连续式轨道电路作为一种新型的轨道电路，与传统轨道电路相比有更高的安全性与可靠性，该文对新型轨道电路做了详细深入的论述与研究，并通过设计实例说明了该方案的可行性与正确性，该方案对提高系统安全性具有积极的意义。

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