陳 源,尹燕萍

(中車浦鎮(zhèn)阿爾斯通運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司,安徽 蕪湖 241000)

轉(zhuǎn)盤道岔是膠輪路軌APM系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“APM”)中的一種道岔類型,轉(zhuǎn)盤道岔的設(shè)計(jì)為列車折返提供了多種方案,相比于一般類型的道岔,轉(zhuǎn)盤道岔在實(shí)際應(yīng)用中可以滿足更加復(fù)雜的線路條件。現(xiàn)有的APM轉(zhuǎn)盤道岔的控制系統(tǒng),均為繼電器邏輯控制,即通過繼電器的常開與常閉觸點(diǎn),完成一系列的邏輯組合,繼而完成轉(zhuǎn)盤道岔的邏輯控制。雖然可以滿足轉(zhuǎn)盤道岔的控制功能,但控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使用的繼電器數(shù)量多,在實(shí)際應(yīng)用中容易發(fā)生故障,且故障不易被發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致維修難度大。因此,有必要對(duì)轉(zhuǎn)盤道岔的控制方案進(jìn)行研究和優(yōu)化。

本文以APM300轉(zhuǎn)盤道岔為例,根據(jù)轉(zhuǎn)盤道岔的結(jié)構(gòu)組成及動(dòng)作原理,研究轉(zhuǎn)盤道岔的控制系統(tǒng),提出一種基于PLC控制的轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng),減少繼電器的使用,降低故障率;并通過PLC對(duì)道岔的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能,提升轉(zhuǎn)盤道岔的運(yùn)行可靠性。

1 轉(zhuǎn)盤道岔的結(jié)構(gòu)組成及動(dòng)作原理

1.1 轉(zhuǎn)盤道岔的結(jié)構(gòu)組成

轉(zhuǎn)盤道岔結(jié)構(gòu)組件主要包括轉(zhuǎn)動(dòng)梁、4個(gè)固定導(dǎo)梁總成、環(huán)軸承支架組件、皮帶、鎖銷組件、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、限位開關(guān)等,如圖1所示。轉(zhuǎn)盤道岔通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)梁轉(zhuǎn)動(dòng)約60°,將導(dǎo)梁旋轉(zhuǎn),直至其兩端在切換渡線的4個(gè)固定導(dǎo)梁之間對(duì)齊,實(shí)現(xiàn)路徑切換[1],引導(dǎo)列車通行。

圖1 轉(zhuǎn)盤道岔組件

1.2 轉(zhuǎn)盤道岔的動(dòng)作原理

轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)道岔各部件進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè),即按照信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)轍指令,完成道岔的解鎖、轉(zhuǎn)轍、鎖定等作業(yè),并將道岔的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)反饋給信號(hào)系統(tǒng),轉(zhuǎn)盤道岔有3種操作方式,即自動(dòng)、手動(dòng)和手動(dòng)斷電模式[2]。圖2為轉(zhuǎn)盤道岔系統(tǒng)描述框圖,道岔切換操作順序如下:

圖2 轉(zhuǎn)盤道岔系統(tǒng)描述框圖

(1)當(dāng)接收到信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)轍命令后,鎖定道岔的2個(gè)鎖銷通過鎖銷驅(qū)動(dòng)收回,將轉(zhuǎn)動(dòng)梁上的鎖銷完全從2個(gè)鎖銷接收器上收回。

(2)激活驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤渦輪/環(huán)軸承組件的電機(jī)。該電機(jī)通過1條同步帶、傳動(dòng)轉(zhuǎn)輪和1條驅(qū)動(dòng)軸與渦輪/環(huán)軸承組件連接。

(3)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),同步帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪和驅(qū)動(dòng)渦輪的驅(qū)動(dòng)軸。渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)軸承,使其旋轉(zhuǎn)附帶的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)梁與2條固定渡線導(dǎo)梁對(duì)齊。反向驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)梁逆向旋轉(zhuǎn),與渡線導(dǎo)梁中的另2條對(duì)齊。

(4)在轉(zhuǎn)動(dòng)梁對(duì)齊后激活鎖銷驅(qū)動(dòng)器。這時(shí),鎖銷完全延伸至對(duì)齊移動(dòng)導(dǎo)梁的2個(gè)鎖銷接收器中,使其鎖定到位。

(5)道岔控制柜將道岔的實(shí)時(shí)狀態(tài)發(fā)送到信號(hào)系統(tǒng)并控制道岔指示器。

道岔控制系統(tǒng)主要由道岔控制柜、限位開關(guān)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鎖銷電機(jī)、道岔指示器等組成。道岔控制包括驅(qū)動(dòng)控制、鎖銷控制、位置狀態(tài)檢測(cè)及手動(dòng)操作等,并與信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連鎖,保證道岔系統(tǒng)能夠安全、高效地運(yùn)行[3]。

2 基于PLC控制的轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)盤道岔控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)的組成及功能,基于PLC的轉(zhuǎn)盤道岔控制電路設(shè)計(jì)主要包括:

(1)可編程控制器PLC輸入輸出回路

如圖3所示,PLC的輸入包括限位開關(guān)的位置狀態(tài)、自動(dòng)/手動(dòng)模式選擇、手動(dòng)操作旋鈕/按鈕、信號(hào)系統(tǒng)的命令、故障報(bào)警、故障復(fù)位;PLC的輸出包括鎖銷的伸出/收回控制、導(dǎo)梁的正反轉(zhuǎn)及速度控制、道岔指示燈、計(jì)數(shù)器等。

圖3 轉(zhuǎn)盤道岔可編程控制器PLC控制示意圖

(2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制回路

驅(qū)動(dòng)電機(jī)由變頻器控制,PLC輸出正反轉(zhuǎn)及速度控制信號(hào)。

(3)鎖銷電機(jī)控制回路

4臺(tái)鎖銷電機(jī)由4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器控制,PLC輸出伸出/收回控制信號(hào)。

(4)限位開關(guān)控制回路

限位開關(guān)包括正位對(duì)齊限位,反位對(duì)齊限位;4組鎖銷伸出,收回限位;導(dǎo)梁上2個(gè)已鎖定限位;限位開關(guān)與位置繼電器連接,并將繼電器的觸點(diǎn)作為PLC的輸入,以此反饋道岔的位置狀態(tài)。

(5)道岔與信號(hào)系統(tǒng)接口回路

道岔與信號(hào)系統(tǒng)接口回路包括信號(hào)系統(tǒng)命令回路及道岔反饋回路[3],信號(hào)控制命令直接接入PLC的輸入端。

道岔的位置反饋回路如圖4所示,根據(jù)故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)原則,采用冗余加互鎖的電路結(jié)構(gòu)。K1、K2為正位表示繼電器;K3、K4為反位表示繼電器,繼電器的常開和常閉觸點(diǎn)都采用冗余設(shè)計(jì),并兩兩互鎖。

圖4 道岔位置狀態(tài)反饋回路

轉(zhuǎn)盤道岔原控制系統(tǒng)采用繼電器控制,共使用了50個(gè)繼電器,其中:安全繼電器40個(gè),中間繼電器1個(gè),延時(shí)繼電器9個(gè)?；赑LC控制的道岔控制系統(tǒng),使用安全繼電器19個(gè),中間繼電器1個(gè),共計(jì)20個(gè)繼電器,大幅減少了繼電器的使用,降低因繼電器故障導(dǎo)致的道岔故障,而且通過PLC還可以收集繼電器觸點(diǎn)狀態(tài),進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì),定位故障回路,實(shí)現(xiàn)故障的定位。

2.2 轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要基于PLC編程,通過PLC的輸入收集轉(zhuǎn)動(dòng)命令及位置繼電器的狀態(tài)并進(jìn)行邏輯運(yùn)算,輸出控制信號(hào)控制鎖銷電機(jī)、梁驅(qū)動(dòng)電機(jī),指示燈等,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)盤道岔轉(zhuǎn)轍的控制;而且通過PLC可以對(duì)道岔的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過監(jiān)測(cè)的狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷,實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能[4]。

為了將轉(zhuǎn)盤道岔PLC 軟件程序的各個(gè)部分有序地組織起來,使程序可讀性強(qiáng),便于調(diào)整和修改,采用了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法。按照不同功能分為不同子程序模塊,一方面便于調(diào)用,另一方面也便于相關(guān)人員的閱讀、理解和后期修改,PLC程序包括以下程序:

(1)主程序

主要功能為程序初始化和子程序調(diào)用。

(2)輸入子程序

輸入子程序收集PLC的輸入信號(hào),程序內(nèi)容包括:道岔轉(zhuǎn)轍命令、自動(dòng)/手動(dòng)模式、道岔位置狀態(tài)、循環(huán)操作、手動(dòng)操作、故障報(bào)警、故障復(fù)位等程序。

(3)輸出子程序

輸出子程序是輸出控制指令,控制轉(zhuǎn)盤道岔的相關(guān)動(dòng)作,程序內(nèi)容包括:梁移動(dòng)至正位或反位、梁加速、鎖銷驅(qū)動(dòng)的伸出和收回、邏輯正確判斷(判斷道岔整個(gè)運(yùn)動(dòng)流程是否按照正確順序進(jìn)行)、對(duì)于循環(huán)過程進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)、指示燈等程序。

(4)循環(huán)子程序

循環(huán)子程序內(nèi)包括循環(huán)操作時(shí)的道岔運(yùn)行邏輯,程序內(nèi)容包括:確定移動(dòng)梁方向、將鎖銷收回、移動(dòng)梁向指定位置移動(dòng)、指定位置的鎖銷伸出,讓移動(dòng)梁鎖定在指定位置等程序。

(5)故障監(jiān)測(cè)子程序

故障監(jiān)測(cè)子程序是對(duì)于道岔運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷,可以判別多種故障類型并利用計(jì)數(shù)器對(duì)故障次數(shù)進(jìn)行記錄[5]。 可以監(jiān)控的故障類型包括:梁移動(dòng)超時(shí)、梁停止超時(shí)、鎖銷伸出超時(shí)、鎖銷收回超時(shí)、輸入邏輯錯(cuò)誤等。

3 基于PLC控制的轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況

轉(zhuǎn)盤道岔的主要用途是創(chuàng)建一條交叉渡線。這種解決方案在增加一個(gè)額外道岔的同時(shí),減少了雙渡線的總長(zhǎng)度,降低了土地總占用,同時(shí)可以讓折返更接近車站而減小行車間隔。

原繼電器控制系統(tǒng),國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用在上海8號(hào)線3期APM浦江線,廣州市珠江新城APM線的轉(zhuǎn)盤道岔。在實(shí)際應(yīng)用中存在單個(gè)繼電器出現(xiàn)故障導(dǎo)致道岔失表的案例,且故障不易排查,往往耗費(fèi)大量人力進(jìn)行搶修及維護(hù)。

基于PLC控制的轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng),已經(jīng)過一系列的測(cè)試驗(yàn)證,測(cè)試內(nèi)容主要有道岔控制柜測(cè)試以及道岔系統(tǒng)功能測(cè)試。道岔控制柜的測(cè)試內(nèi)容包括IP等級(jí)測(cè)試、絕緣耐壓測(cè)試、導(dǎo)通測(cè)試等;道岔系統(tǒng)功能測(cè)試主要包括控制功能測(cè)試、道岔循環(huán)功能測(cè)試、外部接口測(cè)試,故障報(bào)警測(cè)試等。測(cè)試結(jié)果滿足T/CCAATB 0016—2021《民用機(jī)場(chǎng)膠輪旅客捷運(yùn)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》以及DB34/T 4251.1—2022《低運(yùn)量導(dǎo)軌式膠輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》中對(duì)道岔的設(shè)計(jì)要求。

對(duì)比原繼電器控制方案,基于PLC控制方案在驗(yàn)證時(shí)增加了故障報(bào)警測(cè)試,通過模擬故障發(fā)生的條件,觸發(fā)PLC的報(bào)警,驗(yàn)證故障監(jiān)測(cè)及定位功能。目前基于PLC控制的轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)已在深圳寶安機(jī)場(chǎng)APM線上投入使用,效果良好。

4 結(jié)語

針對(duì)APM轉(zhuǎn)盤道岔原控制系統(tǒng)的繼電器控制存在繼電器故障點(diǎn)多,且故障發(fā)生后難以判斷定位的缺點(diǎn),文中根據(jù)轉(zhuǎn)盤道岔的結(jié)構(gòu)組成及動(dòng)作原理,提出了一種將PLC作為控制器的道岔控制系統(tǒng)方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)盤道岔進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

基于PLC的轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng),減少了繼電器的使用,降低故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)通過PLC軟件的開發(fā),可實(shí)現(xiàn)道岔運(yùn)動(dòng)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷,在轉(zhuǎn)盤道岔發(fā)生故障時(shí),輸出故障報(bào)警,便于維護(hù)人員快速確定故障發(fā)生原因和故障位置,從而能夠快速解決故障,提高了轉(zhuǎn)盤道岔設(shè)備的可靠性。