铁路信号安全驱动实时检测电路实现

罗东海

摘要：本文根据铁路信号接口“故障导向安全”技术要求实现了电路实现和故障分析，同时在信号接口电路中引入“故障可用”设计原则以及故障实时检测，为铁路信号接口可靠性设计提供电路实现方法，具有较强的理论和实际指导意义。

关键词：故障导向安全；信号接口；故障可用；故障检测

1.概述

铁路信号是铁路信号系统或设备的简称，按应用场所不同可分为车站信号控制系统、编组站调车控制系统、区间信号控制系统、行车指挥控制系统及列车运行控制系统等，一般包括车站联锁、区间闭塞、机车信号、超速防护、调度监督、调度集中、调车场控制及道口信号等设备。铁路信号设备作为列车控制的核心设备对设备可靠性和安全性都提出了苛刻的要求，设备的完整度需要达到SIL4。为了达到sil4的技术要求铁路信号设备硬件采用硬件冗余架构（二乘二取二、三取二、双机热备等硬件冗余方式）软件采用容错和避错技术。信号接口电路作为对外驱动执行电路（主要驱动信号机、道岔等）安全性及为重要，接口电路发生错误动作将导致信号升级等严重后果（列车追尾、侧冲等）。

铁路信号设备现阶段的主要设计原则是故障导向安全，即设备故障后自动降级，这种设计原则虽然可以保证列车的安全运行但运行效率不高，铁路信号接口驱动电路采用的就是故障导向安全设计原则，驱动电路（常落继电器）故障后无法及时的发现故障需要到设备驱动输出时才可检测出故障并导向安全（不输出或者降级）。

基于以上原因设计开发一种可以实现检测电路故障状态（驱动故障、继电器线圈故障）和“故障可用”的信号接口电路十分有必要。

2.信号接口电路应用

铁路信号接口电路主要应在计算机联锁、ZPW2000轨道电路、站间安全信息传输设备等涉及列车控制的行车设备上，驱动的负载为铁路信号安全继电器。现阶段的在线使用的信号接口驱动电路设计实现全部采用了故障导向安全设计原则。

3.信号接口驱动电路原理

铁路信号接口驱动电路采用故障导向安全的设计原则，铁路信号接口驱动负责为信号安全继电器，驱动电路的单一元器件故障后电路自动关闭输出，主要的技术实现为采用动态方式驱动，提高电路的抗扰能力和可靠性。当驱动管故障后不会错误驱动。动态驱动分为电容型动态驱动和变压器型驱动电路两种实现方式。

电容型典型动态驱动电路工作原理：当驱动三极管为低电平时电源VCC通过D2给C1充电；当驱动三极管为高电平时C1通过D1和继电器线圈放电；当驱动三极管以一定频率驱动时，C1持续的进行充电电即可驱动继电器变压器型典型动态驱动电路工作原理：驱动三极管通过输入PWM信号驱动变压器实现能量转换，变压器次级线圈输出通过二极管整流后驱动继电器线圈。R1为限流电阻用于限制变压器进入磁饱和后最大电流。

变压器型动态电路和电容型动态驱动电路都可以实现故障导向安全，由于两种电路硬件区别，在实际应用过程中需要加以区分。在实际应用过程中根据信号设备特点、驱动类型、功耗、体积、驱动频率等考虑采用哪种电路实现方式。

4.信号接口驱动电路存在缺陷

信号接口驱动电路在继电器是常落时无法实时的检测驱动电路故障，在需要输出电路已经发生故障无法正常驱动，导致系统降级影响行车效率。驱动电路故障检测电路如下：

当驱动电路处于工作状态，继电器驱动，继电器节点导通、光耦可以回检到继电器吸启，说明驱动正常。但此电路只有在驱动电路工作时才可以正常测试驱动电路是否故障。

电路缺陷分析：

1.信号接口驱动电路只要在工作时才可以正常测试驱动电路是否故障，驱动关闭时电路故障无法及时检测发现故障暴露时间过长，大大的降低了系统可靠性当驱动电路工作时已经无法正常驱动继电器，导致系统降级甚至故障影响行车效率；

2.此电路只是实现了故障导向安全，没有硬件冗余备份当驱动管故障后此电路即失效，无法实现故障可用；

3.此电路无法实现检测继电器连线可靠性（如发生断线或者短路无法发现）。

5 改进型信号接口驱动电路

为了克服信号接口驱动电路的以上缺陷，需要对电路进行优化改进，增加驱动电路实时监测功能和硬件备份实现驱动电路故障可用。

改进型电路特点：

1.驱动管Q1Q2电源为相互独立電源，正常情况下只有驱动Q1工作，Q2处于关闭状态

2.驱动管输入连个频率PWM，正常驱动时为一个占空比（50%），关闭时为一个占空比（2%）

3.在关闭时由于输出的占空比很小（2%）驱动的电压很小不足以驱动继电器，驱动线圈会有一个很微弱的测试u安级别电流，高精度的电流传感器可以检测到，用以标识驱动电路正常

4.若在关闭时驱动Q1的电流传感器无法检测到电路切换至Q2工作；若Q2电流传感器可以正常检测到测试电流则确认驱动一路故障；若Q2也无法检测到则认为线缆断线

5.如检测到电流过大则认为线圈接线短路。

该电路主要特点为电路增加了硬件冗余解决了驱动故障可用、通过增加一个微弱的测试电流可以实现驱动电路的实时检测，减少了电路故障暴露时间，提高了设备可靠性以及提升了设备可维护性。

6结束语

铁路信号接口电路在铁路信号系统重要组成部分，基于现场多年的维护经验，现场信号设备故障大部分发生在接口电路（驱动板、采集板、防雷板等）经过优化后的信号接口驱动电路大大提高了可维护性和可靠性，在铁路信号设备系统中具有较大应用价值。此电路实现方法不止使用铁路同样使用于工业安全控制系统。

（作者单位：南京泰通科技股份有限公司）