基于PLC的軌道車換端操作安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐家凱，楊坤怡，杜海若

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

軌道車是鐵路建設(shè)、線路施工、設(shè)備修理、搶險(xiǎn)和檢查等工作的主要運(yùn)輸設(shè)備。為了配合高速鐵路發(fā)展以及保證鐵路運(yùn)輸安全，鐵道部對(duì)鐵路施工部門提出了新的要求，擔(dān)負(fù)著鐵路維護(hù)工程的各種類型軌道車上線運(yùn)行作業(yè)更加頻繁，對(duì)廣大的鐵路軌道車駕駛員提出了更高的要求。

現(xiàn)有軌道車運(yùn)行安全是在規(guī)章和車載行車安全設(shè)備的共同作用下完成的。車載行車安全設(shè)備的使用，解決了軌道車超速行駛、冒進(jìn)信號(hào)、溜逸等主要問(wèn)題，增強(qiáng)了軌道車的運(yùn)行安全。換端操作時(shí)非操縱端處理規(guī)定有：（1）關(guān)閉自動(dòng)制動(dòng)閥通向列車管的截?cái)嗳T；（2）手油門操縱桿放到熄火位置；（3）換向轉(zhuǎn)換開關(guān)放在中立位置。并且要防止非操縱端的以上操作開關(guān)在運(yùn)行過(guò)程中的人為碰觸。本文研究的是通過(guò)PLC控制系統(tǒng)來(lái)簡(jiǎn)化駕駛員的操作，杜絕因誤操作而引起的安全問(wèn)題。

1 系統(tǒng)組成

軌道車換端操作安全控制系統(tǒng)由選端按鈕、PLC控制器和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

（1）選端按鈕。在兩操作端各有選端按鈕，用于選擇操作端，為了防止非主觀意愿而碰到選端按鈕的誤操作，每端各有2個(gè)選端按鈕，放在不同位置但能一人同時(shí)按下，這樣只有司機(jī)在有意的情況下才能同時(shí)按下同一端的2個(gè)選端按鈕，繼而選擇該操作端有效。另外，2個(gè)操作端還各有一個(gè)綠色的指示燈用于指示該操作端有效。

（2）PLC控制器。它是系統(tǒng)的核心，根據(jù)選端按鈕信號(hào)及軌道車速度信號(hào)，通過(guò)程序控制各端的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而完成自動(dòng)控制功能。

（3）電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了描述方便將兩端標(biāo)記為A、B兩端，當(dāng)軌道車速度為0，當(dāng)A 端選擇按鈕按下時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功能是B端的制動(dòng)管關(guān)閉、換向開關(guān)失效、手油門被鎖死，A端的制動(dòng)管導(dǎo)通、換向開關(guān)有效、手油門可用。

2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 制動(dòng)管路控制方案

軌道車空氣制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)制動(dòng)閥的下面都有一個(gè)截?cái)嗳T（以H-6型為例），用來(lái)關(guān)閉制動(dòng)管，截?cái)嗫傦L(fēng)缸向制動(dòng)管充風(fēng)的通路。該塞門在制動(dòng)操縱端必須打開，非制動(dòng)操縱端則要求關(guān)閉。控制方案為在自動(dòng)制動(dòng)閥的兩端都安裝一個(gè)電動(dòng)球閥，去掉自閥手柄下的截?cái)嗳T。這樣就可以自動(dòng)截?cái)喾遣倏v端的制動(dòng)管路，并且能保證不管非操縱端的自閥手柄處于什么位置都不會(huì)影響操縱端的制動(dòng)。改進(jìn)后的制動(dòng)系統(tǒng)如圖1，球閥帶電時(shí)管道導(dǎo)通，不帶電時(shí)關(guān)閉管道，并且即使出現(xiàn)故障也可人工轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)球閥更正。

圖1 軌道車改進(jìn)后的制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.2 換向開關(guān)的控制方案

目前軌道車的換向基本采用氣動(dòng)換向，即在兩端操作臺(tái)上采用開關(guān)操作，給出信號(hào)，通過(guò)電磁換向閥控制進(jìn)入換向氣缸的壓力空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)換向。換向開關(guān)有3個(gè)位置:前進(jìn)、中立和后退。軌道車運(yùn)行前，非操作端的換向開關(guān)必須放到中立位，操作端的開關(guān)放到運(yùn)行方向位。換向必須在車未開動(dòng)，即速度為0時(shí)才能進(jìn)行。目前，是以規(guī)章形式來(lái)要求司機(jī)和隨乘人員，即非操縱端嚴(yán)禁坐人、轉(zhuǎn)換開關(guān)放到中立位，換向時(shí)，先停車。如果是有隨乘人員動(dòng)了非操縱端的轉(zhuǎn)換開關(guān)，或司機(jī)對(duì)操縱端的開關(guān)誤操作了，都會(huì)引起嚴(yán)重后果，比如換向箱齒輪損壞。

用一個(gè)換向開關(guān)（萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開關(guān)）輪流接通回路來(lái)變換軌道車的行進(jìn)方向，簡(jiǎn)化接線圖如圖2。當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)在前進(jìn)位時(shí)，1號(hào)線和2號(hào)線接通形成回路控制電磁轉(zhuǎn)向閥，在后退位置時(shí)，1號(hào)線和3號(hào)線接通形成回路控制電磁轉(zhuǎn)向閥。在中立位時(shí)1號(hào)線不與任何線路接通。

圖2 轉(zhuǎn)向開關(guān)的簡(jiǎn)化接線圖

控制方案把2號(hào)和3號(hào)線斷開，一端連接PLC的輸入接口X04、X05，另一端連接PLC同一個(gè)COM1口的兩輸出點(diǎn)Y04、Y06，再把1號(hào)線斷開，一端接上電源正極，另一端接入輸出端的COM1口，將軌道車的速度信號(hào)也輸入到PLC，如圖3。

圖3 變換后的換向開關(guān)接線圖

對(duì)PLC進(jìn)行編程并實(shí)現(xiàn)以下功能：當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)在前進(jìn)位時(shí)，1號(hào)線和2號(hào)線接通，PLC的X04接口得電，控制軌道車前進(jìn)，在后退位置時(shí)，1號(hào)線和3號(hào)線接通，PLC的X05接口得電，控制軌道車后退；只有操縱端的轉(zhuǎn)向開關(guān)才會(huì)有效；當(dāng)速度為0時(shí)，操縱端的轉(zhuǎn)向開關(guān)才會(huì)有效，即在行駛過(guò)程中即使不小心扳動(dòng)轉(zhuǎn)向開關(guān)也不會(huì)有影響；在前進(jìn)時(shí)自動(dòng)打開百葉窗，后退時(shí)自動(dòng)打開倒車風(fēng)斗。其梯形圖編程如圖4（其中X003為軌道車速度信號(hào)、Y015為選端信號(hào)、Y004為控制軌道車前進(jìn)信號(hào)，Y005控制百葉窗按鈕信號(hào)、Y006為軌道車后退信號(hào)、Y007為控制倒車風(fēng)斗按鈕信號(hào)）。

圖4 換向開關(guān)控制梯形圖

2.3 手油門控制方案

按規(guī)章要求，在換端操作時(shí)，非操縱端手油門應(yīng)放到熄火位置，不能動(dòng)。但非操作端手油門放到熄火位后，并無(wú)保障措施，如果有人在非操作端對(duì)其進(jìn)行操作或是誤動(dòng)，將會(huì)使操作端的工作人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門失去控制，造成嚴(yán)重后果。因此，要求在換端時(shí)，要把非操縱端的手油門鎖死在熄火位或讓手油門失效。

控制方案為添加如圖5所示的機(jī)構(gòu)，在非操縱端通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°來(lái)推動(dòng)連桿1向右移動(dòng)，從而阻止手油門轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)添加位置傳感器，如果連桿沒(méi)有到指定位置，傳感器將會(huì)給PLC一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生報(bào)警。這樣既能將非操縱端的手油門鎖死，又能在非操縱端手油門沒(méi)有在熄火位置時(shí)報(bào)警（因?yàn)槭钟烷T沒(méi)在熄火位置時(shí)連桿1不能達(dá)到指定位置）。

圖5 手油門鎖死機(jī)構(gòu)

3 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)是以PLC為控制核心。PLC根據(jù)輸入信號(hào)按照程序控制兩操作端的輸出裝置動(dòng)作。硬件系統(tǒng)配置如圖6。

圖6 硬件系統(tǒng)配置圖

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)利用PLC編程語(yǔ)言的特點(diǎn)，使各種信號(hào)的輸入和改變只有在軌道車速度為0的情況下才有效，當(dāng)軌道車速度不為0時(shí)，通過(guò)PLC編程能使信號(hào)保持在速度為0時(shí)的狀態(tài)。利用PLC語(yǔ)言的互鎖功能，使A、B兩端的選端信號(hào)只有一端有效。整個(gè)系統(tǒng)流程如圖7。

圖7 系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

在軌道車進(jìn)行換端操作時(shí)，該系統(tǒng)將軌道車司機(jī)繁瑣的操作轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的按鈕操作，通過(guò)按鈕向PLC輸入信號(hào)后，通過(guò)PLC自動(dòng)控制相應(yīng)動(dòng)作的完成。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)既簡(jiǎn)化了司機(jī)的工作量，又能消除因司機(jī)的誤操作而引起的安全隱患，即使PLC控制出現(xiàn)異常也能人為更正，并且沒(méi)有改變司機(jī)原先的操作習(xí)慣。

[1] 胡躍進(jìn)，李志鋒. 軌道車與接觸網(wǎng)作夜車駕駛資格考試專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)教材[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

[2] 廖常初. FX系列PLC編程及應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.