ระบบอาณัติสัญญาณของรถไฟ: ระบบทางตอน วงจรไฟตอนเบื้องต้น
ในตอนที่แล้วเราพูดถึงระบบห่วงทางสะดวกที่พัฒนามาจากการนำตราทางสะดวกไปใส่กระเป๋าหนังสายคล้องยาว และการใช้ระบบตราทางสะดวกร่วมกับสัญญาณระฆังซึ่งมีประสิทธิภาพ รวดเร็ว และปลอดภัย แต่การพัฒนาไม่หยุดยั้งของเทคโนโลยีนำมาซึ่งระบบใหม่ ๆ ที่มีประสิทธิภาพและรวดเร็วมากขึ้น ในบทความนี้เราจึงมาพูดถึงระบบวงจรไฟตอนซึ่งเป็นระบบวงจรไฟฟ้าที่อนุญาตให้เจ้าหน้าที่สามารถทราบว่ามีสิ่งกีดขวางหรือมีรถอยู่ในทางส่วนไหนบ้างโดยไม่จำเป็นต้องลงไปดู ณ สถานที่จริง
อ่านตอนก่อนหน้า: ระบบอาณัติสัญญาณของรถไฟ: ระบบทางตอน สัญญาณระฆัง และห่วงทางสะดวก
วงจรไฟตอน (Track Circuit)
วงจรไฟฟ้า เป็นสิ่งที่มนุษย์เราเข้าใจหลักการมาได้เป็นเวลาหลายศตวรรษแล้ว ในยุคแรกวงจรไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับสิ่งประดิษฐ์มากมาย ไม่ว่าจะเป็นหลอดไฟให้แสงสว่าง หรือเครื่องจักรขนาดเล็ก แต่สำหรับรถไฟแล้วเรื่องราวเริ่มต้นขึ้นในปี 1866 หรือกว่าสิบปีก่อนที่เอดิสันจะประดิษฐ์หลอดไฟได้สำเร็จ การใช้วงจรไฟฟ้ากับรางรถไฟเริ่มต้นขึ้นในสหราชอาณาจักร โดยบริษัท London Chatham and Dover Railway หรือ LCDR ได้ทดลองใช้วงจรไฟฟ้าสำหรับทางรถไฟสั้น ๆ ใน Brixton ชานกรุงลอนดอน ทางตะวันออกเฉียงใต้ แต่การพัฒนาระบบให้วงจรไฟฟ้าสำหรับทางตอนใช้งานได้จริง ปลอดภัย และมีประสิทธิภาพนั้นเกิดขึ้นในสหรัฐอเมริกาในอีก 6 ปีถัดมา
ในปี 1872 William Robinson นักประดิษฐ์และนักธุรกิจชาวอเมริกัน ได้ปรับปรุงและประดิษฐ์ระบบวงจรไฟตอนที่ใช้งานได้จริง และนับว่าเป็นวงจรไฟตอนที่มีระบบป้องกันที่เรียกว่า “Fail Safe” หรือในภาษาไทยใช้คำว่า ระบบปลอดภัยเมื่อผิดพลาด ซึ่งหมายถึงหากมีข้อผิดพลาดใด ๆ ในวงจร ระบบจะแปลค่าว่าตอนนั้นไม่ปลอดภัยทันที นั่นหมายความว่าระบบที่ Robinson ประดิษฐ์นั้นรับประกันว่าจะไม่มีข้อผิดพลาดโดยเฉพาะในกรณีที่ทางไม่ปลอดภัยสำหรับรถไฟ
ในบทความนี้อาจจะมีหลายส่วนที่สร้างความสับสนหรือมีเนื้อหาที่มีความซับซ้อน หากมีข้อสงสัยหรือต้องการอธิบายเพิ่มเติมสามารถติดต่อผู้เขียนได้โดยตรงไม่ว่าจะเป็นการทิ้งความเห็นไว้หรือส่งข้อความส่วนตัวหลักการทำงานและกลไก
หลักการทำงานของวงจรไฟฟ้าก็เหมือนวงจรทั่ว ๆ ไป คือเมื่อไฟฟ้าไหลครบวงจรกระแสจะเลือกเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำที่สุด นั่นหมายความว่าเมื่อวัสดุมีความต้านทานพอ ๆ กันกระแสไฟฟ้าจะผ่านตัวนำที่ใกล้ที่สุดก่อน (short circuit) และสำหรับรถไฟก็คือเพลาและชุดล้อนั่นเอง (ดูได้จากภาพ [1])
เมื่อวงจรไฟฟ้าถูก short หรือทำให้สั้นลงด้วยล้อและเพลาของรถไฟแล้ว (สังเกตจากเส้นสีฟ้า) รีเลย์ (Relay) ซึ่งเป็นขดลวดไฟฟ้าที่พันเข้ากับแท่งเหล็กจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจึงทำให้สภาพความเป็นแม่เหล็กของแท่งเหล็กและขดลวดหายไป สวิตซ์ (switch) หรือสะพานไฟ ซึ่งมักจะติดตั้งคู่กับสปริง หรือถูกถ่วงด้วยน้ำหนักจะกลับเข้าสู่สถานะที่ทำให้วงจรไฟแดงสมบูรณ์และแสดงท่าหยุดสำหรับตอนที่ไม่ว่างนั่นเอง
ในทางกลับกันหากตอนที่มีสัญญาณไฟตอนนี้ไม่มีรถหรือสิ่งกีดขวางภายในตอนกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านขดลวดในรีเลย์และส่งผลให้สะพานไฟที่ถูกถ่วงไว้ถูกเปลี่ยนสถานะมาปิดวงจรไฟเขียว ซึ่งทำให้วงจรไฟแดงเดิมไม่ครบวงจรและสัญญาณแสดงท่าไฟเขียวให้ทราบว่าทางในตอนนี้ว่างแล้วนั่นเอง
Fail Safe
หลายคนอาจจะเริ่มสงสัยว่า แล้วตรงไหนหละที่เรียกว่า Fail Safe หรือ ระบบปลอดภัยเมื่อผิดพลาด ก่อนจะอธิบายคำถามนี้ต้องขออธิบายถึงรีเลย์เป็นอันดับแรกก่อน Relay คือเครื่องมือสำหรับวงจรไฟฟ้าชนิดหนึ่งทำหน้าที่ควบคุมการเปิดปิดของวงจรไฟฟ้าด้วยไฟฟ้า เราจะสามารถพบเห็นรีเลย์ได้ในหลาย ๆ วงจรเช่นวงจรไฟฟ้าของฟิวส์อัตโนมัติในบ้าน หรือวงจรเครื่องจักรอุตสาหกรรมต่าง ๆ หลักการทำงานก็เหมือนกับที่ได้กล่าวไปข้างตนแล้ว แต่ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการอธิบายหลักการทำงานของวงจรไฟตอนแบบ fail safe นี้เราจะใช้รีเลย์ที่มีสวิทช์แบบ Single-Pole Double-Throw (SPDT) ในอธิบายการหลักการทำงาน SPDT สามารถแบ่งประเภทย่อยออกได้เป็นสองจำพวกคือ รีเลย์แบบ SPDT-NC (หรือ Normally Closed) และ SPDT-NO (หรือ Normally Opened) ซึ่งมีประโยชน์อย่างมากที่จะนำมาอธิบายเป็นตัวอย่างในหัวข้อนี้
อะไรคือ SPDT?
SPDT ย่อมาจาก Single-Pole Double-Throw ซึ่งหมายถึงวงจรที่มีเพียงสวิทช์เดียวแต่มีผลลัพธ์หรือ (output) สองอย่างให้เลือกสลับไปมา นั่นหมายความว่าไม่ว่าสวิทช์จะอยู่ในลักษณะใดวงจรก็จะปิด (ครบวงจร) อยู่เสมอ ดังตัวอย่างจากภาพ [3] จะเห็นได้ว่าไม่ว่าสวิทช์จะถูกสับไปในตำแหน่งใด (เปิด หรือ ปิด) ก็จะทำให้วงจรใดวงจรหนึ่งครบวงจรอย่างหลักเลี่ยงไม่ได้
เมื่อนำสวิทช์เหล่านี้มาใช้กับ Relay แล้วสวิทช์ที่เห็นในภาพ [3] จะกลายเป็นสวิทช์ไฟฟ้าทันที และเมื่อสวิทช์นั้นถูกควบคุมด้วยไฟฟ้าแล้วรีเลย์จะมีท่าปกติและท่าที่ถูกกระตุ้น ซึ่งสองท่านี้เข้ามาแทนการเปิด — ปิดสวิทช์ด้วยมือนั่นเอง และการกำหนดท่าปกติและท่าที่ถูกกระตุ้นนี่เองที่จะเป็นตัวชี้วัดว่าระบบดังกล่าวเป็น fail safe หรือไม่
การทำ fail safe ในสำหรับไฟตอนนั้น อย่างแรกต้องเข้าใจคำว่า fail ก่อน fail ในสถานการณ์ของระบบนี้คือ เกิดเหตุขัดข้อในระบบ ศัพท์ทางรถไฟเรียกว่า track failure เช่น
- มีท่อนเหล็กหรือสิ่งกีดขวางพาดระหว่างรางในตอนรถไฟนั้น ๆ (short circuit)
- รางโค้งงอ หัก หรือขาดออกจากกัน (หากรถไฟเข้าไปในตอนอาจจะเกิดอันตรายได้)
- แหล่งพลังงานไฟฟ้าที่จ่ายไฟให้รางรถไฟมีปัญหา เช่น สายไฟขาด หรือแม้แต่แบตเตอรี่อ่อนหรือหมด (ในกรณีที่ใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงาน)
ซึ่งปัญหาที่กล่าวมาข้างต้นล้วนสามารถสร้างความเสียหายและอันตรายให้กับขบวนรถไฟและส่งผลให้เกิดการสื่อสารที่ผิดพลาดได้ ดังนั้นหากดูจากแผนภาพเปรียบเทียบรูปแบบการทำงานของ relay switch ทั้งสองระบบแล้วจะเห็นได้ว่าหากเราใช้ relay switch รูปแบบ SPDT — NC หรือ รีเลย์สองทางแบบปกติปิด แล้วระบบจะไม่สามารถตรวจสอบการทำงานที่ผิดพลาดที่กล่าวมาข้างต้นได้เลย และนี่ส่งผลให้ความปลอดภัยในการใช้ทางของรถไฟมีน้อยลงอย่างแน่นอน
หากยังจินตนาการภาพไม่ออก ลองจินตนาการจากตัวอย่างของ track failure ที่กล่าวมาข้างต้น จะพบว่าทุกตัวอย่างที่กล่าวมาส่งผลให้ไม่มีกระแสไฟฟ้าเข้าไปยังรีเลย์ ซึ่งนั่นหมายความว่า รีเลย์ที่ดีจะต้องทำให้วงจรไฟเป็นสีแดงเมื่ออยู่ในท่าไม่ถูกกระตุ้น (ดังเช่นใน SPDT — NO) เพราะเมื่อกระแสไฟฟ้าในรางมีปัญหาระหว่างทางกระแสไฟจะเข้ามาไม่ถึงรีเลย์และรีเลย์จะอยู่ในท่าเปิดวงจรไฟสีแดงนั่นเอง ยกตัวอย่างเช่น หากรางรถไฟระหว่างตอนมีปัญหาคือรางเกิดขาดและเป็นช่องว่างระหว่างทาง กระแสไฟฟ้าที่วิ่งอยู่ในรางรถไฟ (เส้นสีฟ้าจากภาพ [2]) กระแสไฟฟ้าของวงจรรีเลย์ (Relay ในภาพ [3]) จะไหลไม่ครบวงจรส่งผลให้ relay อยู่ในท่าไม่ถูกกระตุ้น ซึ่งท่าไม่ถูกกระตุ้นนี้ต้องเปิดไฟแดงเพื่อทำให้สัญญาณไฟแสดงผลท่าห้ามซึ่งเป็นสีแดง
ถึงกระนั้นก็ตามยังมีปัญหาอื่น ๆ ที่ส่งผลให้ทางรถไฟมีปัญหาและค้างสถานะไว้ที่ไฟเขียว ยกตัวอย่างเช่น
- รีเลย์หลอมละลายเพราะความร้อนส่งผลให้สัญญาณไฟขึ้นไฟแสดงท่าเขียวอยู่ตลอดเวลา
- สายไฟฟ้าลัดวงจรจากสายไฟฟ้าอื่น ๆ ส่งผลให้ไฟฟ้าครบวงจรตลอดเวลาไม่ว่าจะมีรถไฟในตอนหรือไม่
- battery effect ซึ่งเกิดจากหินโรยรางหรือดินรอบ ๆ รางอยู่ในสภาพที่เป็นแบตเตอรี่ เช่นดินเหนียว หรือโคลนที่ชุ่มน้ำ ซึ่งสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้
ปัญหาเหล่านี้ล้วนสามารถแก้ได้ด้วยหลายวิธีไม่ว่าจะเป็นการบำรุงรักษาทางให้ดีอยู่เสมอ หรือหมั่นตรวจสอบสภาพการทำงานของรีเลย์อยู่อย่างสม่ำเสมอนั่นเอง
แม้วงจรไฟตอนจะเป็นเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยมากในสายของใครหลาย ๆ คน แต่ในความเป็นจริงแล้วอย่างที่ได้กล่าวไปข้างต้น วงจรไฟตอนเป็นเทคโนโลยีกลางศตวรรษที่ 19 เสียด้วยซ้ำ นั่นคือเมื่อกว่า 150 ปีก่อน ซึ่งแม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะเป็นเทคโนโลยีที่เก่าแต่ความนิยมของระบบเหล่านี้ไม่เคยเลือนหายไปไหน ทั้งยังเป็นเทคโนโลยีที่ถูกนำปรับมาใช้เพื่อสร้างทางตอนอัตโนมัติในยุค 1950s อีกด้วย
แม้ว่าบทความนี้ผู้เขียนจะตั้งเขียนขึ้นเพื่ออธิบายให้ผู้อ่านได้เข้าใจถึงหลักการทำงานเบื้องต้นเกี่ยวกับระบบวงจรไฟตอน แต่อาจจะมีหลายส่วนที่สร้างความสับสนและงงสำหรับผู้อ่านที่ไม่ได้มีพื้นฐานในบางเรื่องมาก่อนได้ ดังนั้นในบทความต่อไปในอนาคตอันใกล้นี้ เนื้อหาส่วนใหญ่จะเกี่ยวกับระบบอาณัติสัญญาแบบหางปลา และทางตอนของยุคแรงสำหรับไฟสี รวมทั้งอาจจะมีการเปรียบเทียบระบบอาณัติสัญญาณของประเทศไทยและเทศ ดังนั้นระหว่างสัปดาห์ที่มาถึงนี้เนื้อหาของบทความจะมุ่งไปสู่ระบบอาณัติสัญญาณแบบหางปลาและไฟสียุคแรกก่อน ซึ่งสำหรับผู้อ่านคนใดที่สนใจในเนื้อหาที่เกี่ยวกับระบบทางตอนอัตโนมัติจะขออธิบายในโอกาศต่อ ๆ ไปในภายภาคหน้า ดังนั้นหากใครอยากติดตามเกี่ยวกับเรื่องราวของบทความชุดนี้ อย่าลืมติดตามผู้เขียนไว้ทั้งใน Medium และช่องทางอื่น ๆ
อ่านเพิ่มเติมหรือแหล่งอ้างอิงภาพ
[0] ภาพจาก Wikipedia, https://ggwash.org/view/4412/how-track-circuits-detect-and-protect-trains และ https://archive.org/details/inventionoftrack00newyrich
[1] และ [2] https://en.wikipedia.org/wiki/File:Clear_track_circuit.PNG และ https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Occupied_track_circuit.svg
[3] https://atariage.com/forums/topic/275099-proper-name-for-a-push-button-rocker-switch/
