APM转盘道岔PLC控制系统的方案设计

陈 源,尹燕萍

(中车浦镇阿尔斯通运输系统有限公司,安徽 芜湖 241000)

转盘道岔是胶轮路轨APM系统(以下简称“APM”)中的一种道岔类型,转盘道岔的设计为列车折返提供了多种方案,相比于一般类型的道岔,转盘道岔在实际应用中可以满足更加复杂的线路条件。现有的APM转盘道岔的控制系统,均为继电器逻辑控制,即通过继电器的常开与常闭触点,完成一系列的逻辑组合,继而完成转盘道岔的逻辑控制。虽然可以满足转盘道岔的控制功能,但控制系统结构复杂,使用的继电器数量多,在实际应用中容易发生故障,且故障不易被发现,导致维修难度大。因此,有必要对转盘道岔的控制方案进行研究和优化。

本文以APM300转盘道岔为例,根据转盘道岔的结构组成及动作原理,研究转盘道岔的控制系统,提出一种基于PLC控制的转盘道岔控制系统,减少继电器的使用,降低故障率;并通过PLC对道岔的状态进行监测实现故障报警功能,提升转盘道岔的运行可靠性。

1 转盘道岔的结构组成及动作原理

1.1 转盘道岔的结构组成

转盘道岔结构组件主要包括转动梁、4个固定导梁总成、环轴承支架组件、皮带、锁销组件、驱动电机、限位开关等,如图1所示。转盘道岔通过电机驱动转动梁转动约60°,将导梁旋转,直至其两端在切换渡线的4个固定导梁之间对齐,实现路径切换[1],引导列车通行。

图1 转盘道岔组件

1.2 转盘道岔的动作原理

转盘道岔控制系统负责对道岔各部件进行控制和监测,即按照信号系统发出的转辙指令,完成道岔的解锁、转辙、锁定等作业,并将道岔的状态信息实时反馈给信号系统,转盘道岔有3种操作方式,即自动、手动和手动断电模式[2]。图2为转盘道岔系统描述框图,道岔切换操作顺序如下:

图2 转盘道岔系统描述框图

(1)当接收到信号系统发出的转辙命令后,锁定道岔的2个锁销通过锁销驱动收回,将转动梁上的锁销完全从2个锁销接收器上收回。

(2)激活驱动转盘涡轮/环轴承组件的电机。该电机通过1条同步带、传动转轮和1条驱动轴与涡轮/环轴承组件连接。

(3)随着电机转动,同步带动转轮和驱动涡轮的驱动轴。涡轮转动环轴承,使其旋转附带的转盘转动梁与2条固定渡线导梁对齐。反向驱动电机时,转动梁逆向旋转,与渡线导梁中的另2条对齐。

(4)在转动梁对齐后激活锁销驱动器。这时,锁销完全延伸至对齐移动导梁的2个锁销接收器中,使其锁定到位。

(5)道岔控制柜将道岔的实时状态发送到信号系统并控制道岔指示器。

道岔控制系统主要由道岔控制柜、限位开关、驱动电机、锁销电机、道岔指示器等组成。道岔控制包括驱动控制、锁销控制、位置状态检测及手动操作等,并与信号系统实现连锁,保证道岔系统能够安全、高效地运行[3]。

2 基于PLC控制的转盘道岔控制系统设计

2.1 转盘道岔控制电路设计

根据转盘道岔控制系统的组成及功能,基于PLC的转盘道岔控制电路设计主要包括:

(1)可编程控制器PLC输入输出回路

如图3所示,PLC的输入包括限位开关的位置状态、自动/手动模式选择、手动操作旋钮/按钮、信号系统的命令、故障报警、故障复位;PLC的输出包括锁销的伸出/收回控制、导梁的正反转及速度控制、道岔指示灯、计数器等。

图3 转盘道岔可编程控制器PLC控制示意图

(2)驱动电机控制回路

驱动电机由变频器控制,PLC输出正反转及速度控制信号。

(3)锁销电机控制回路

4台锁销电机由4个伺服驱动器控制,PLC输出伸出/收回控制信号。

(4)限位开关控制回路

限位开关包括正位对齐限位,反位对齐限位;4组锁销伸出,收回限位;导梁上2个已锁定限位;限位开关与位置继电器连接,并将继电器的触点作为PLC的输入,以此反馈道岔的位置状态。

(5)道岔与信号系统接口回路

道岔与信号系统接口回路包括信号系统命令回路及道岔反馈回路[3],信号控制命令直接接入PLC的输入端。

道岔的位置反馈回路如图4所示,根据故障导向安全的设计原则,采用冗余加互锁的电路结构。K1、K2为正位表示继电器;K3、K4为反位表示继电器,继电器的常开和常闭触点都采用冗余设计,并两两互锁。

图4 道岔位置状态反馈回路

转盘道岔原控制系统采用继电器控制,共使用了50个继电器,其中:安全继电器40个,中间继电器1个,延时继电器9个。基于PLC控制的道岔控制系统,使用安全继电器19个,中间继电器1个,共计20个继电器,大幅减少了继电器的使用,降低因继电器故障导致的道岔故障,而且通过PLC还可以收集继电器触点状态,进行软件的设计,定位故障回路,实现故障的定位。

2.2 转盘道岔控制系统软件设计

转盘道岔控制系统的软件设计主要基于PLC编程,通过PLC的输入收集转动命令及位置继电器的状态并进行逻辑运算,输出控制信号控制锁销电机、梁驱动电机,指示灯等,从而实现对转盘道岔转辙的控制;而且通过PLC可以对道岔的状态进行实时监测,通过监测的状态进行逻辑判断,实现故障报警功能[4]。

为了将转盘道岔PLC 软件程序的各个部分有序地组织起来,使程序可读性强,便于调整和修改,采用了结构化的程序设计方法。按照不同功能分为不同子程序模块,一方面便于调用,另一方面也便于相关人员的阅读、理解和后期修改,PLC程序包括以下程序:

(1)主程序

主要功能为程序初始化和子程序调用。

(2)输入子程序

输入子程序收集PLC的输入信号,程序内容包括:道岔转辙命令、自动/手动模式、道岔位置状态、循环操作、手动操作、故障报警、故障复位等程序。

(3)输出子程序

输出子程序是输出控制指令,控制转盘道岔的相关动作,程序内容包括:梁移动至正位或反位、梁加速、锁销驱动的伸出和收回、逻辑正确判断(判断道岔整个运动流程是否按照正确顺序进行)、对于循环过程进行次数统计、指示灯等程序。

(4)循环子程序

循环子程序内包括循环操作时的道岔运行逻辑,程序内容包括:确定移动梁方向、将锁销收回、移动梁向指定位置移动、指定位置的锁销伸出,让移动梁锁定在指定位置等程序。

(5)故障监测子程序

故障监测子程序是对于道岔运动过程进行监测和判断,可以判别多种故障类型并利用计数器对故障次数进行记录[5]。 可以监控的故障类型包括:梁移动超时、梁停止超时、锁销伸出超时、锁销收回超时、输入逻辑错误等。

3 基于PLC控制的转盘道岔控制系统的应用情况

转盘道岔的主要用途是创建一条交叉渡线。这种解决方案在增加一个额外道岔的同时,减少了双渡线的总长度,降低了土地总占用,同时可以让折返更接近车站而减小行车间隔。

原继电器控制系统,国内主要应用在上海8号线3期APM浦江线,广州市珠江新城APM线的转盘道岔。在实际应用中存在单个继电器出现故障导致道岔失表的案例,且故障不易排查,往往耗费大量人力进行抢修及维护。

基于PLC控制的转盘道岔控制系统,已经过一系列的测试验证,测试内容主要有道岔控制柜测试以及道岔系统功能测试。道岔控制柜的测试内容包括IP等级测试、绝缘耐压测试、导通测试等;道岔系统功能测试主要包括控制功能测试、道岔循环功能测试、外部接口测试,故障报警测试等。测试结果满足T/CCAATB 0016—2021《民用机场胶轮旅客捷运系统建设规范》以及DB34/T 4251.1—2022《低运量导轨式胶轮系统设计规程》中对道岔的设计要求。

对比原继电器控制方案,基于PLC控制方案在验证时增加了故障报警测试,通过模拟故障发生的条件,触发PLC的报警,验证故障监测及定位功能。目前基于PLC控制的转盘道岔控制系统已在深圳宝安机场APM线上投入使用,效果良好。

4 结语

针对APM转盘道岔原控制系统的继电器控制存在继电器故障点多,且故障发生后难以判断定位的缺点,文中根据转盘道岔的结构组成及动作原理,提出了一种将PLC作为控制器的道岔控制系统方案,实现对转盘道岔进行精准控制。

基于PLC的转盘道岔控制系统,减少了继电器的使用,降低故障发生的风险;同时通过PLC软件的开发,可实现道岔运动过程的实时监测及故障诊断,在转盘道岔发生故障时,输出故障报警,便于维护人员快速确定故障发生原因和故障位置,从而能够快速解决故障,提高了转盘道岔设备的可靠性。