1、第一节 计轴设备特性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，所有数据处理全部集中在室内设备。室内计轴机柜采用模块化设计，每个计轴区段由一套独立的计轴运算单元控制，具有安装方便、维护简单、故障影响面小等特点。一、 计轴设备的组成TAZ II/S295 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。计轴主机复零盘微机监测 联锁设备室外设备室内设备接口设备车轮传感器 车轮传感器组合柜 （ 复零继电器 ） 组合柜 （ 轨道继
2、电器 ）图 8.3.1 计轴系统框图TAZ II/S295 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 8.3.2 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
3、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。计轴主设备电源机箱 1 电源机箱 2电源一A C 2 2 0 V电源二A C 2 2 0 V图 8.3.3 计轴冗余电源框图二、 计轴设备的
4、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； 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 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。在设备无故障及车轮传感器无持续占用时，执行复位操作后，计轴区段轴数被清零
5、，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。“下一次计轴过程” 可以由列车实际行驶产生，也可以通过放大板的模拟行车按钮执行。三、 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 8.3.4 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
6、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。(一) 车轮传感器工作原理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 8.3.5 车轮传感器示意图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 8.
7、3.6 车轮传感器工作原理示意图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 8.3.7 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。(二) TAZ II/S295 计轴系统工作过程
8、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。(三) 电路安全性分析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
9、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 8.3.8 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
10、统。四、 计轴设备的性能(一) 电气条件1 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、磁轨制动器、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；2 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
11、强度按污染等级 2标准（DIN VDE 0110）设计；710计 数 器 复 零2二 进 制 循 环方 向 判 别计 轴 板放 大 板电 缆电 缆 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。五、 计轴设备的接口(一) 电源接口TAZ II/S295 计轴系统的电源接口为断路器干接
12、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 8.3.9 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。(二) 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 8.3.10 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。(三)
13、与联锁接口TAZ II/S295 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 8.3.11 计轴系统接入联锁图(四) 监测接口TAZ II/S295 计轴系统能够将系统的实时运行信息和设备故障信息保存在自身内存中，也可
14、将其通过外部监测接口传输至微机监测系统和 MSS 等其它监测设备。TAZ II/S295 计轴系统的监测系统可为微机监测或 MSS 等外部监测设备提供RS232/RS422/RJ45 等类型接口。六、 软件TAZ II/S295 计轴系统软件主要包括监测机箱 CPU 软件，能够监测并主动向外部监测设备传送包括但不限于以下信息： 系统供电情况； 车轮传感器及计轴电缆状态等； 系统复位记录； 区段空闲、占用状态； 主、从机通讯状态；监测机箱 CPU 软件监测机箱 CPU 软件是监测数据输出的基础。它是根据轨旁信号设备平面布置图设计的，由于每个站的设备配置不同，所以每个站的软件也不同。该软件在设备出
15、厂时已上传至 CPU 板内置存储设备中。当轨旁设备平面布置图发生变化时，需要更新监测机箱 CPU 板软件。七、 系统设计与安装(一) 系统设计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 8.3.12 计轴点布置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。
16、如下图所示。图 8.3.13 计轴点复用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。下表列中中A 中中B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。线径（mm） 环阻（Ohms） 距离（km）0.9 200 3.51.0 200 4.21.4 200 8.64 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
17、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。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。5 计轴主机机柜配置TAZ II/S295 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。S295
18、 计轴机柜，柜内至少布置电源机箱、记录机箱、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 8.3.14 机柜布置TAZ II/S295 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 20%设备扩容等需求。(二) 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式可供我们选择，一是在钢轨上打孔直接安装到轨腰，二是用专用夹具安装。1 钢轨打孔安装方式在钢轨上用专用打孔设备打完孔后，用防盗螺丝将车轮传感器固定到钢轨上，见下图。适用长期正式运营线路。图 8.3.15 钢轨
19、打孔安装方式2 专用夹具安装方式在钢轨上先安装专用夹具，在专用夹具上安装车轮传感器，见下图。 仅适用于临时开通线路或试验线路。图 8.3.16 专用夹具安装方式(三) 接地及防雷室外车轮传感器工作于雷电 LPZ0B 区域内。由于车轮传感器处于浮地工作状态，自身也具备足够的抵抗横向雷电方波的能力，因此不需要额外设置雷电防护元件。室内设备工作于雷电 LPZ2 区域内。由于车轮传感器传输电缆从 LPZ0B 区域跨入 LPZ2 区域内，雷电方波能够通过传输电缆传导到室内设备上，因此，在传输电缆分区界面上设置防雷保安器。在系统的电源输入端也要设置防雷保安器作为电源终端第三级防护。室外车轮传感器不接任何地
20、线，室内设备要设置机架接地线和通道防雷地线。1 机架接地在机柜内设有机架接地汇流排，该机架接地汇流排已与机柜体连接。工程中，机柜内的机架接地汇流排要与机房相应的总接地汇流排连接。在机柜侧，屏蔽线的屏蔽层也要与机架接地汇流排连接。机架接地电阻应不大于 4。2 通道防雷地在分线盘上设置了车轮传感器通道防雷保安器，对车轮传感器通道进行了横纵向防护。所有防雷保安器的地线均汇接于通道防雷地线汇流排，该汇流排要与机房相应的总接地汇流排连接。通道防雷地线电阻应不大于 4。八、 MTBF 指标平均故障间隔时间（MTBF）值是可靠性指标的最通用表示方法。它是英文（ Mean Time Between Failu
21、res）的缩写。MTBF 的计算方法和依据已经成为标准，其主体是考虑产品中每个元器件的失效率。但是由于电子产品的结构不同，应用环境不同等，会严重影响每个元器件失效率，从而导致总体 MTBF 值降低。因此在计算中，首先考虑的是环境因素；其次十分重要的因素是器件本身的可靠性参数；此外还有电子系统加工工艺和结构，如器件插座、焊接、过孔数、贴片器件、连线等等。数学模型1 串联系统：假设一个系统由 N 个子系统组成，当且仅当所有子系统都能正常工作时，系统才能正常工作，这种系统为串联系统。如果各个子系统的失效率为 1，2N，则整个系统的实效率为 =1+2+N。2 并联系统：假设一个系统由 N 个子系统组成
22、，当且仅当全部子系统都不能正常工作时，系统无法工作，只要有一个正常，系统就可以正常工作，假设各个子系统的失效率都为 ，设系统失效率为 U，则 1/U=1/(1+1/2+1/N) 。算法实现一般求一个系统的平均故障间隔时间，可以先求出各子系统的故障率，将它们进行组合（如串、并联运算）求出总系统的故障率，由下面公式可求出系统的总 MTBF。MTBF=1/。(一) 计轴室外电子设备 MTBF计轴室外电子设备只有车轮传感器，根据上述描述，我们可以根据车轮传感器各部件的故障率来计算车轮传感器的 MTBF 指标。组成车轮传感器的各部件故障率及总体失效率如下所示。序号 部件名称 失效率（1E-6 小时） 数
23、量 失效率合计（1E-6 小时）1 电路板单元 0.033213 2 0.066426 2 电路板平衡 0.022962 1 0.022962 序号 部件名称 失效率（1E-6 小时） 数量 失效率合计（1E-6 小时）3 电路板输入 0.019135 1 0.019135 4 晶体管 0.001361 12 0.016332 5 干扰抑制电路 0.021507 2 0.043014 6 感应器 0.000361 4 0.001444 7 陶瓷电容， 2，2nF 0.010397 10 0.103970 8 陶瓷电容， 22nF 0.012727 10 0.127270 9 陶瓷电容， 47n
24、F 0.013624 2 0.027248 10 陶瓷电容， 100nF 0.01452 2 0.029040 11 陶瓷电容， 470nF 0.01685 4 0.067400 12 箔电容， 220nF 0.009254 2 0.018508 13 金属膜电阻 0，6W 0.013333 34 0.453322 14 热敏电阻 0.016597 10 0.165970 15 轮对探测变压器 0.010403 2 0.020806 16 松动识别变压器 0.065016 2 0.130032 总体失效率 （1E-6 小时） 1.312879根据上表，车轮传感器的总体失效率为：=1.31287
25、9E-6 小时车轮传感器的 MTBF 指标为：MTBF=1/=1/(1.312879E-6)=7.6E5 小时(二) 计轴系统 MTBF 计算计轴系统的 MTBF 指标可根据组成单个计轴区段的设备失效率来计算。各组成部件的失效率也可按单位时间故障率 FIT 指标来表示，FIT=E3。我们将用这个指标来计算系统级的MTBF。由于 TAZ II/S295 计轴系统从室外设备至室内设备，任何一个部件故障均会影响到系统工。所以，我们应根据串联模式来计算系统级的 MTBF 指标。单个计轴区段的设备单位时间失效率如下表所示。序号 设备名称 型号 单位时间失效率 FIT 数量 单位失效率合计1 车轮传感器 2N59-1R-400RE-40 1312.9 2 2625.762 放大板 4AB10/1105/35 561.17 1 561.173 计轴板 ZB8/115/1 387.47 1 387.474 输出板 WST 8021 136.25 1 136.255 复零板 AK19/115 638.17 1 638.176 熔丝板 6sk2/1204 175.92 1 175.92单位时间失效率 FIT 4524.74TAZ II/S295 型计轴系统平均故障间隔为：MTBF=1E9*1/FIT=1E9*1/4524.74=2.2E5 小时。
