APM轉(zhuǎn)盤道岔PLC控制系統(tǒng)的方案設(shè)計

陳 源,尹燕萍

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

轉(zhuǎn)盤道岔是膠輪路軌APM系統(tǒng)(以下簡稱“APM”)中的一種道岔類型,轉(zhuǎn)盤道岔的設(shè)計為列車折返提供了多種方案,相比于一般類型的道岔,轉(zhuǎn)盤道岔在實際應(yīng)用中可以滿足更加復(fù)雜的線路條件?，F(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,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,有必要對轉(zhuǎn)盤道岔的控制方案進行研究和優(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對道岔的狀態(tài)進行監(jiān)測實現(xiàn)故障報警功能,提升轉(zhuǎn)盤道岔的運行可靠性。

1 轉(zhuǎn)盤道岔的結(jié)構(gòu)組成及動作原理

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)動梁、4個固定導(dǎo)梁總成、環(huán)軸承支架組件、皮帶、鎖銷組件、驅(qū)動電機、限位開關(guān)等,如圖1所示。轉(zhuǎn)盤道岔通過電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動梁轉(zhuǎn)動約60°,將導(dǎo)梁旋轉(zhuǎn),直至其兩端在切換渡線的4個固定導(dǎo)梁之間對齊,實現(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)盤道岔的動作原理

轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)負責對道岔各部件進行控制和監(jiān)測,即按照信號系統(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)信息實時反饋給信號系統(tǒng),轉(zhuǎn)盤道岔有3種操作方式,即自動、手動和手動斷電模式[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)當接收到信號系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)轍命令后,鎖定道岔的2個鎖銷通過鎖銷驅(qū)動收回,將轉(zhuǎn)動梁上的鎖銷完全從2個鎖銷接收器上收回。

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

(3)隨著電機轉(zhuǎn)動,同步帶動轉(zhuǎn)輪和驅(qū)動渦輪的驅(qū)動軸。渦輪轉(zhuǎn)動環(huán)軸承,使其旋轉(zhuǎn)附帶的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動梁與2條固定渡線導(dǎo)梁對齊。反向驅(qū)動電機時,轉(zhuǎn)動梁逆向旋轉(zhuǎn),與渡線導(dǎo)梁中的另2條對齊。

(4)在轉(zhuǎn)動梁對齊后激活鎖銷驅(qū)動器。這時,鎖銷完全延伸至對齊移動導(dǎo)梁的2個鎖銷接收器中,使其鎖定到位。

(5)道岔控制柜將道岔的實時狀態(tài)發(fā)送到信號系統(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)動電機、鎖銷電機、道岔指示器等組成。道岔控制包括驅(qū)動控制、鎖銷控制、位置狀態(tài)檢測及手動操作等,并與信號系統(tǒng)實現(xiàn)連鎖,保證道岔系統(tǒng)能夠安全、高效地運行[3]。

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

2.1 轉(zhuǎn)盤道岔控制電路設(shè)計

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/手動模式選擇、手動操作旋鈕/按鈕、信號系統(tǒng)的命令、故障報警、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)動電機控制回路

驅(qū)動電機由變頻器控制,PLC輸出正反轉(zhuǎn)及速度控制信號。

(3)鎖銷電機控制回路

4臺鎖銷電機由4個伺服驅(qū)動器控制,PLC輸出伸出/收回控制信號。

(4)限位開關(guān)控制回路

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

(5)道岔與信號系統(tǒng)接口回路

道岔與信號系統(tǒng)接口回路包括信號系統(tǒng)命令回路及道岔反饋回路[3],信號控制命令直接接入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都采用冗余設(shè)計,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個繼電器,其中:安全繼電器40個,中間繼電器1個,延時繼電器9個?；赑LC控制的道岔控制系統(tǒng),使用安全繼電器19個,中間繼電器1個,共計20個繼電器,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狀態(tài),進行軟件的設(shè)計,定位故障回路,實現(xiàn)故障的定位。

2.2 轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要基于PLC編程,通過PLC的輸入收集轉(zhuǎn)動命令及位置繼電器的狀態(tài)并進行邏輯運算,輸出控制信號控制鎖銷電機、梁驅(qū)動電機,指示燈等,從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)盤道岔轉(zhuǎn)轍的控制;而且通過PLC可以對道岔的狀態(tài)進行實時監(jiān)測,通過監(jiān)測的狀態(tài)進行邏輯判斷,實現(xiàn)故障報警功能[4]。

為了將轉(zhuǎn)盤道岔PLC 軟件程序的各個部分有序地組織起來,使程序可讀性強,便于調(diào)整和修改,采用了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法。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,程序內(nèi)容包括:道岔轉(zhuǎn)轍命令、自動/手動模式、道岔位置狀態(tài)、循環(huán)操作、手動操作、故障報警、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)動作,程序內(nèi)容包括:梁移動至正位或反位、梁加速、鎖銷驅(qū)動的伸出和收回、邏輯正確判斷(判斷道岔整個運動流程是否按照正確順序進行)、對于循環(huán)過程進行次數(shù)統(tǒng)計、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)操作時的道岔運行邏輯,程序內(nèi)容包括:確定移動梁方向、將鎖銷收回、移動梁向指定位置移動、指定位置的鎖銷伸出,讓移動梁鎖定在指定位置等程序。

(5)故障監(jiān)測子程序

故障監(jiān)測子程序是對于道岔運動過程進行監(jiān)測和判斷,可以判別多種故障類型并利用計數(shù)器對故障次數(shù)進行記錄[5]。 可以監(jiān)控的故障類型包括:梁移動超時、梁停止超時、鎖銷伸出超時、鎖銷收回超時、輸入邏輯錯誤等。

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額外道岔的同時,減少了雙渡線的總長度,降低了土地總占用,同時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),國內(nèi)主要應(yīng)用在上海8號線3期APM浦江線,廣州市珠江新城APM線的轉(zhuǎn)盤道岔。在實際應(yīng)用中存在單個繼電器出現(xiàn)故障導(dǎo)致道岔失表的案例,且故障不易排查,往往耗費大量人力進行搶修及維護。

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

對比原繼電器控制方案,基于PLC控制方案在驗證時增加了故障報警測試,通過模擬故障發(fā)生的條件,觸發(fā)PLC的報警,驗證故障監(jiān)測及定位功能。目前基于PLC控制的轉(zhuǎn)盤道岔控制系統(tǒng)已在深圳寶安機場APM線上投入使用,效果良好。

4 結(jié)語

針對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多,且故障發(fā)生后難以判斷定位的缺點,文中根據(jù)轉(zhuǎn)盤道岔的結(jié)構(gòu)組成及動作原理,提出了一種將PLC作為控制器的道岔控制系統(tǒng)方案,實現(xiàn)對轉(zhuǎn)盤道岔進行精準控制。

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)生的風險;同時通過PLC軟件的開發(fā),可實現(xiàn)道岔運動過程的實時監(jiān)測及故障診斷,在轉(zhuǎn)盤道岔發(fā)生故障時,輸出故障報警,便于維護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。