張治中

（中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞721006）

0 引言

隨著現(xiàn)代城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人口的不斷增長(zhǎng)，城市軌道交通得到快速發(fā)展，使人們有了更多的出行方式可供選擇。單軌交通作為軌道交通的一種形式已在重慶得到了大規(guī)模的應(yīng)用，在我國上海、唐山等地還有不同形式的單軌交通試驗(yàn)線。道岔作為單軌交通線重要的組成部分，在軌道交通線上大規(guī)模使用。

單軌交通道岔可分為單開道岔、三開道岔、五開道岔、單渡線道岔、交叉渡線道岔等多種形式。每組道岔均由規(guī)模不等的單套或多套道岔控制系統(tǒng)控制，道岔控制系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行通信，最終由信號(hào)系統(tǒng)集中控制線路上各道岔的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于軌道交通具有特殊的安全性和可靠性，因此，軌道線路上的道岔也必須具有相應(yīng)的安全性與可靠性。

目前，單軌交通道岔電氣控制系統(tǒng)由符合GB／T7417—2010標(biāo)準(zhǔn)的鐵路安全繼電器，按照故障—安全原則搭建的邏輯電路組成。在滿足控制系統(tǒng)功能和安全性的前提下，道岔控制系統(tǒng)不管是采用符合GB／T7417—2010標(biāo)準(zhǔn)的安全繼電器，還是采用符合BS EN ISO13849－1—2006或EN IEC62061—2005標(biāo)準(zhǔn)的安全繼電器，都存在著明顯的缺點(diǎn)：控制電路由分立器件組成，控制系統(tǒng)體積偏大，各器件間接線繁瑣，柜外控制電纜使用量大。針對(duì)這些問題，可以使用PILZ模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti作為解決方案。

1 模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti簡(jiǎn)介

模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti，也稱可編程安全繼電器，是一種多功能、可自由配置的模塊化安全系統(tǒng)，其功能介于安全繼電器和安全PLC之間。與其他安全繼電器或普通繼電器不同，PNOZmulti的安全電路可在計(jì)算機(jī)上使用圖形配置工具生成。該產(chǎn)品的特點(diǎn)是“配置而不是配線”，具有14個(gè)不同的安全功能可在基礎(chǔ)單元內(nèi)使用，可隨時(shí)進(jìn)行后續(xù)的配置更改，配線簡(jiǎn)單，能縮短調(diào)試運(yùn)行時(shí)間。模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti體積小，與普通PLC體積相當(dāng)，具有多種不同的基礎(chǔ)模塊和擴(kuò)展模塊可供選擇，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展。輸入回路具有短路檢測(cè)的功能，用戶友好的診斷選項(xiàng)可保證較短的停機(jī)時(shí)間和高度的可用性，實(shí)現(xiàn)包括評(píng)估設(shè)備，兼容傳感器技術(shù)、控制和信號(hào)設(shè)備等在內(nèi)的完整方案。

基礎(chǔ)模塊m1p?；A(chǔ)模塊m1p具有20個(gè)安全輸入點(diǎn)、4個(gè)測(cè)試脈沖輸出點(diǎn)、4個(gè)安全晶體管輸出點(diǎn)和2個(gè)安全繼電器輸出點(diǎn)。左側(cè)可以擴(kuò)展1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線和最多4個(gè)模塊，如安全連接模塊ml1p、連接模塊ml2p、模擬量輸入模塊ma1p；右側(cè)最多可以擴(kuò)展8個(gè)模塊，如輸入／輸出模塊、速度監(jiān)控模塊，但最多只能同時(shí)擴(kuò)展6個(gè)安全輸出模塊。

連接模塊ml2p。每個(gè)連接模塊ml2p最多可擴(kuò)展4個(gè)分布式模塊PDP67，每個(gè)PDP67可以連接8個(gè)安全輸入點(diǎn)，系統(tǒng)通過ml2p最多可以擴(kuò)展128個(gè)安全輸入點(diǎn)。分布式模塊PDP67安裝在道岔現(xiàn)場(chǎng)傳感器或行程開關(guān)附近，各傳感器或行程開關(guān)采集到的開關(guān)信號(hào)送入PDP67后，由總線送至模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti。

安全連接模塊ml1p。每個(gè)連接模塊ml1p可以擴(kuò)展32個(gè)虛擬安全輸入點(diǎn)，系統(tǒng)通過ml1p最多可以擴(kuò)展128個(gè)虛擬安全輸入／輸出點(diǎn)。2個(gè)基礎(chǔ)單元通過ml1p級(jí)聯(lián)后，擴(kuò)展的虛擬安全輸入／輸出點(diǎn)的關(guān)系如表1所示。

表1 擴(kuò)展的虛擬安全輸入／輸出點(diǎn)的關(guān)系

在安全性方面，模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti的所有安全模塊的安全等級(jí)，達(dá)到BS EN ISO13849－1—2006的PLe級(jí)和EN IEC62061—2005的SIL CL3級(jí)?？刂葡到y(tǒng)的安全等級(jí)與配置后系統(tǒng)的輸入和輸出有關(guān)，當(dāng)采用冗余輸入／輸出時(shí)，控制系統(tǒng)的安全等級(jí)可達(dá)到PLe級(jí)或SIL CL3級(jí)。

2 模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti在道岔上的應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)系統(tǒng)需要配置模塊，可通過輸入／輸出模塊或分布式模塊進(jìn)行輸入和輸出點(diǎn)的擴(kuò)展；通過安全連接模塊ml1p進(jìn)行系統(tǒng)間的級(jí)聯(lián)，可使各獨(dú)立控制系統(tǒng)融合為同一系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。單開或三開道岔電氣控制系統(tǒng)采用1個(gè)基礎(chǔ)模塊加擴(kuò)展模塊組成，硬件配置如圖1所示。單渡線道岔由2組單開道岔組成，2套單獨(dú)的控制系統(tǒng)可通過安全連接模塊ml1p級(jí)聯(lián)為1套控制系統(tǒng)；五開道岔由于輸入／輸出點(diǎn)數(shù)量多，1套模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti無法完成，必須采用2套系統(tǒng)級(jí)聯(lián)組成，硬件配置如圖2所示。交叉渡線道岔由1個(gè)旋轉(zhuǎn)梁和4組單開道岔組成，5套單獨(dú)的控制系統(tǒng)可通過安全連接模塊ml1p級(jí)聯(lián)為1套控制系統(tǒng)，硬件配置如圖3所示。

3 系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，最好從項(xiàng)目初期就考慮安全設(shè)計(jì)，如果在項(xiàng)目初始階段就考慮安全設(shè)計(jì)，對(duì)存在的危險(xiǎn)采用技術(shù)措施獲得可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平，那么其對(duì)機(jī)器的復(fù)雜性、成本等的影響將減到最小。為達(dá)到道岔控制系統(tǒng)的安全預(yù)期，必須采用安全型器件按照故障—安全原則組成一個(gè)安全型的控制系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用，在確定設(shè)備所需要的安全等級(jí)后，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須達(dá)到相應(yīng)的安全等級(jí)。

圖1 單開道岔或三開道岔控制系統(tǒng)圖

圖2 單渡線道岔或五開道岔控制系統(tǒng)圖

圖3 交叉渡線道岔控制系統(tǒng)級(jí)聯(lián)圖

在BS EN ISO13849－1—2006標(biāo)準(zhǔn)中，將安全等級(jí)由低到高劃分為5個(gè)等級(jí)：PLa、PLb、PLc、PLd和PLe，對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)也從低到高。以單軌交通道岔為例，經(jīng)過分析，由于道岔信號(hào)失效，會(huì)對(duì)乘客造成重傷或死亡的危害時(shí)，選擇S2；道岔信號(hào)連續(xù)工作時(shí)，選擇F2；當(dāng)?shù)啦硇盘?hào)失效，乘客幾乎不可避免這類危險(xiǎn)時(shí)，選擇P2。從圖4中我們可以得出，道岔控制系統(tǒng)所要求的安全等級(jí)為PLe級(jí)。

圖4 用于確定安全功能的PLr風(fēng)險(xiǎn)圖

在圖4中，1表示控制系統(tǒng)安全相關(guān)性部件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的起始點(diǎn)；S表示損傷的嚴(yán)重程度，可分為S1和S2，S1為輕微損傷，S2為嚴(yán)重?fù)p傷或死亡；F表示暴露于危險(xiǎn)中的頻率或期限，可分為F1和F2，F(xiàn)1為從很少到經(jīng)?；蚨虝罕┞镀谙?，F(xiàn)2為從頻繁到連續(xù)或長(zhǎng)期暴露期限；P表示防止危險(xiǎn)的可能性，可分為P1和P2，P1為特定條件下可能，P2為幾乎不可能。

模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti的各模塊使用年限為20年，在有效使用期限內(nèi)，每個(gè)模塊都有危險(xiǎn)失效平均概率（PFH），可方便計(jì)算控制系統(tǒng)的整體PFH值。以圖1單開道岔控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)由1個(gè)基礎(chǔ)模塊m1p、1個(gè)安全輸入模塊mi1p、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出模塊mc1p、6個(gè)安全繼電器輸出模塊mo4p、2個(gè)連接模塊ml2p、8個(gè)分布式模塊PDP67組成。在冗余輸入／輸出的條件下，計(jì)算得出此控制系統(tǒng)的危險(xiǎn)失效平均概率PFH＝2．99×10－8（由于mc1p是標(biāo)準(zhǔn)輸出模塊，在計(jì)算時(shí)不予考慮），查表2可以得出單開道岔控制系統(tǒng)的安全等級(jí)達(dá)到PLe級(jí)，滿足系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求。

表2 安全執(zhí)行等級(jí)（PLr）

4 模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti在道岔應(yīng)用上的優(yōu)缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性分析

模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti可替代傳統(tǒng)安全繼電器控制加PLC檢測(cè)組成的控制系統(tǒng)，在不需要改變道岔產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)的前提下，滿足單軌交通道岔產(chǎn)品的控制功能需要。控制系統(tǒng)采用冗余輸入／輸出后，系統(tǒng)的安全等級(jí)達(dá)到PLe級(jí)或SIL CL3級(jí)。輸入回路具有短路、混線檢測(cè)的功能，信號(hào)柜安裝體積可縮小50%，用總線電纜替代控制電纜后，柜間以及柜內(nèi)外接線大大減少，制造成本降低。

模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti存在的不足：目前五開道岔采用PLC加絕對(duì)值編碼器檢測(cè)多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行的同步性，模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti雖然能擴(kuò)展速度監(jiān)控模塊，但該模塊只能連接增量型編碼器，功能有限，不能檢測(cè)多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行的同步性。因此，當(dāng)五開道岔采用模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti時(shí)，PLC加絕對(duì)值編碼器檢測(cè)電機(jī)同步性不能被替代。當(dāng)系統(tǒng)要求的安全功能超出了模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti的能力時(shí)，可以考慮使用安全PLC。

在經(jīng)濟(jì)性方面，模塊化安全系統(tǒng)PNOZmulti成本比歐標(biāo)安全繼電器加PLC組成的系統(tǒng)成本低，與符合GB／T7417—2010標(biāo)準(zhǔn)的鐵路安全繼電器加PLC組成的系統(tǒng)成本相近。

［1］Configurable control system PNOZmulti ＆ Configurable safety relays PNOZmulti Mini

［2］BS EN ISO13849－1—2006 Safety of machinery—Safetyrelated parts of control systems—Part 1：General principles for design

［3］PNOZmulti圖形編程工具