整體梁型跨座式單軌道岔電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李琦

摘 要：道岔是跨座式單軌系統(tǒng)的三大關(guān)鍵技術(shù)之一，道岔電控系統(tǒng)的可靠性和安全性對(duì)整個(gè)道岔起著至關(guān)重要的作用。本文在對(duì)整體梁型跨座式單軌道岔的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹的基礎(chǔ)上對(duì)道岔電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究進(jìn)行了闡述。本次設(shè)計(jì)研發(fā)使用了道岔故障在線診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了道岔各關(guān)鍵部件從計(jì)劃性到狀態(tài)修的突破。增設(shè)了在人工駕駛模式下的道岔的位置與鎖閉信息自檢功能，安全性得到了大幅度的提升。在電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的過(guò)程中，首先選用高精度的伺服系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)裝置的控制方式。但在調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)，該方案不能精準(zhǔn)地控制道岔梁活動(dòng)端在每次轉(zhuǎn)轍后的位置。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的不斷試驗(yàn)，將控制點(diǎn)從驅(qū)動(dòng)裝置改為終端。即在設(shè)計(jì)中增設(shè)道岔梁在終端處控制點(diǎn)（梁減速傳感器和梁到位傳感器）。較好地解決了閉環(huán)伺服方案在試驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。并在實(shí)際項(xiàng)目中得到了良好的應(yīng)用，有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：跨座式單軌道岔;電控系統(tǒng);故障在線診斷

中圖分類(lèi)號(hào)：U213.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 整體梁型跨座式單軌道岔的結(jié)構(gòu)及工作原理

跨座式單軌道岔從結(jié)構(gòu)形式上可分為節(jié)段梁型和整體梁型兩種，其中節(jié)段梁型道岔已應(yīng)用在重慶跨座式單軌交通系統(tǒng)中。整體梁型道岔又可分為樞軸型和換梁型兩類(lèi)，此類(lèi)型道岔將應(yīng)用在蕪湖跨座式單軌交通系統(tǒng)中。以整體梁型道岔為例，道岔主要由道岔梁、轉(zhuǎn)轍驅(qū)動(dòng)裝置、鎖定裝置、臺(tái)車(chē)、尾軸、底板、軌道以及電氣控制系統(tǒng)等部分組成。

其工作原理為：在集中控制模式下，當(dāng)?shù)啦硎盏睫D(zhuǎn)轍信號(hào)后，鎖定裝置的電動(dòng)推桿帶動(dòng)鎖銷(xiāo)收回。當(dāng)?shù)啦斫怄i后，驅(qū)動(dòng)裝置的電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)道岔梁轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)轍到位后，鎖定裝置的電動(dòng)推桿帶動(dòng)鎖銷(xiāo)伸出，此時(shí)道岔鎖定在給定位置的信息傳至中控室，允許車(chē)輛正常通車(chē)。

2 電控系統(tǒng)概述

道岔電控系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)控制、鎖銷(xiāo)控制、狀態(tài)檢測(cè)及手動(dòng)操作等，它負(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)動(dòng)指令，完成道岔的鎖銷(xiāo)解鎖、道岔梁轉(zhuǎn)動(dòng)、鎖銷(xiāo)鎖定、檢測(cè)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)，保證道岔系統(tǒng)能夠安全、高效地運(yùn)行。

本次設(shè)計(jì)的道岔電控系統(tǒng)研發(fā)使用了故障在線診斷系統(tǒng)，智能化水平大幅度提升。并增設(shè)了在人工駕駛模式下的道岔的位置及鎖閉信息自檢功能，極大提升了系統(tǒng)的安全性及可靠性。電控系統(tǒng)的程序編制采用模塊化編程思路，一套程序適用于不同類(lèi)型的換梁型及樞軸型道岔，效率更高、可維護(hù)性更好。系統(tǒng)支持RS485、MODBUS以及TCP/IP等多種通訊協(xié)議，系統(tǒng)兼容性更好。在道岔控制柜內(nèi)設(shè)人機(jī)交互式觸摸屏，人機(jī)界面更加友好，可擴(kuò)展性更強(qiáng)。

道岔的控制方式分為集中控制、本地控制以及手動(dòng)控制三種模式，有且僅有一種控制方式有效。道岔電控系統(tǒng)的邏輯流程圖如圖1所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 增設(shè)了故障在線診斷系統(tǒng)

本次設(shè)計(jì)研究研發(fā)使用了故障在線診斷系統(tǒng)，通過(guò)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)道岔的鎖銷(xiāo)狀態(tài)，接縫板與走行面的平齊狀態(tài)，推桿、連桿、驅(qū)動(dòng)安裝座處的螺栓狀態(tài)等關(guān)鍵部件的智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了從計(jì)劃修到狀態(tài)修的突破。通過(guò)基于傳感器采集技術(shù)及MFC框架平臺(tái)對(duì)道岔在轉(zhuǎn)轍過(guò)程中道岔梁的振動(dòng)、噪聲以及電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行歸納匯總并描繪出樣條分析曲線，實(shí)現(xiàn)了線路所有道岔的系統(tǒng)化與網(wǎng)絡(luò)化管理及道岔設(shè)備的全壽命周期管理，為智能運(yùn)維的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 增設(shè)了獨(dú)立的發(fā)光警示裝置及標(biāo)簽控制單元

當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)失效時(shí)，列車(chē)將由全自動(dòng)駕駛模式轉(zhuǎn)為人工駕駛模式，在人工駕駛模式下，常規(guī)的電控設(shè)計(jì)并沒(méi)有可行的有效措施確保列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)的可靠性及安全性，存在一定的安全隱患。為了保證行車(chē)安全，提高智能化水平。本次研究設(shè)計(jì)的道岔電控系統(tǒng)增設(shè)了獨(dú)立的發(fā)光警示裝置及標(biāo)簽控制單元，不受信號(hào)系統(tǒng)的影響。

其中樞軸型道岔的發(fā)光警示裝置安裝于活動(dòng)端固定段的走行面上，換梁型道岔的發(fā)光警示裝置安裝于樞軸端固定段的走行面上。發(fā)光警示裝置內(nèi)部由4個(gè)發(fā)光區(qū)域組成，2紅2綠，其能見(jiàn)度不低于100 m，并以1 Hz 的頻率閃爍。當(dāng)?shù)啦礞i閉在列車(chē)行進(jìn)方向的相應(yīng)位置時(shí)，駕駛員觀察到的發(fā)光警示裝置為綠色，可安全通行。當(dāng)?shù)啦懋惓；蛭存i閉到位時(shí)，發(fā)光警示裝置為紅色，禁止通行。

標(biāo)簽控制單元由道岔狀態(tài)分析柜、信標(biāo)裝置及車(chē)載設(shè)備等組成，道岔狀態(tài)分析柜就近安裝在道岔控制柜旁，并在距道岔端部200 m左右的位置增設(shè)信標(biāo)裝置。當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)失效，車(chē)輛在人工駕駛模式下，若道岔未鎖閉在列車(chē)行進(jìn)方向的規(guī)定位置，在電控系統(tǒng)的邏輯判斷下，信標(biāo)裝置將觸發(fā)經(jīng)過(guò)此處的列車(chē)緊急制動(dòng)，避免車(chē)輛沖出道岔等意外事故發(fā)生。

3.3 模塊化的程序編制

在電控系統(tǒng)的程序編制方面采用了模塊化的編程思路，較線性編程而言更簡(jiǎn)潔，邏輯性更強(qiáng)。在編程過(guò)程中考慮了不同類(lèi)型的換梁型道岔及樞軸型道岔在控制邏輯上的共性及差異，研發(fā)出了一套綜合程度較高、包容性較強(qiáng)的程序。一套程序即可適用于不同類(lèi)型的道岔，無(wú)需為不同類(lèi)型道岔上載不同的程序，降低了出錯(cuò)率、提高了工作效率，使后期的可維護(hù)性更便捷。

4 存在問(wèn)題及改進(jìn)措施

在整體梁型跨座式單軌道岔電控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)研究的初期階段，選用伺服系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)裝置的控制方式，利用閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有高精度的特性，通過(guò)伺服電機(jī)的脈沖來(lái)控制電動(dòng)推桿的動(dòng)作。但在調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)，這種利用閉環(huán)伺服系統(tǒng)的控制方式雖然精準(zhǔn)地控制了電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)行程，但不能精準(zhǔn)地控制道岔梁活動(dòng)端在每次轉(zhuǎn)轍后的位置。以至于當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)轍到位后，鎖銷(xiāo)在鎖閉過(guò)程中有較為明顯的撞擊聲（鎖銷(xiāo)與鎖銷(xiāo)槽碰撞時(shí)發(fā)出的聲音）。經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下，道岔梁活動(dòng)端在每次轉(zhuǎn)轍后的位置存在差異。通過(guò)研究分析后得出造成此現(xiàn)象的原因如下：

雖然閉環(huán)伺服系統(tǒng)有極高的精確度，但是驅(qū)動(dòng)裝置大致位于整個(gè)道岔梁的中部，加之制造誤差、安裝誤差以及道岔在轉(zhuǎn)轍過(guò)程中的一些不可控因素（例如：“旁彎”，由于道岔梁整體為箱型鋼結(jié)構(gòu)，且道岔的使用環(huán)境在室外，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)易引起道岔梁的“旁彎”，且形變不可控），即便精準(zhǔn)地控制了驅(qū)動(dòng)裝置電動(dòng)推桿的行程，也不能很好地控制終端處道岔梁活動(dòng)端的位置?？刂泣c(diǎn)不在終端導(dǎo)致誤差在終端處被放大且不可控。

通過(guò)試驗(yàn)得出的結(jié)論，在設(shè)計(jì)中增設(shè)道岔梁在終端處控制點(diǎn)（梁減速傳感器和梁到位傳感器）。即將控制點(diǎn)從驅(qū)動(dòng)裝置改為終端。該方案經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后證實(shí)更符合整體梁型跨座式單軌道岔的實(shí)際工況，較好地解決了閉環(huán)伺服方案在試驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

5 結(jié)論

截止目前，跨座式單軌交通系統(tǒng)已在我國(guó)重慶及世界多個(gè)國(guó)家建成并運(yùn)營(yíng)。重慶軌道交通七號(hào)線及蕪湖市跨座式單軌一號(hào)線一期和二號(hào)線正在建設(shè)中。而道岔及道岔電控系統(tǒng)對(duì)跨座式單軌交通系統(tǒng)的安全、可靠性有著密切的聯(lián)系。本文就整體梁型跨座式單軌道岔電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究做了闡述。系統(tǒng)增設(shè)的故障在線診斷系統(tǒng)、獨(dú)立的發(fā)光警示裝置及標(biāo)簽控制單元大大提升了系統(tǒng)的智能化水平及安全性能。并通過(guò)試驗(yàn)的方式發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，得出結(jié)論，解決問(wèn)題。并在實(shí)際項(xiàng)目中得到了良好的應(yīng)用，有一定的推廣價(jià)值。

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