市域列車可編程邏輯自動(dòng)化門控試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

翟中炎

(浙江省軌道交通運(yùn)營(yíng)管理集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310000)

城市軌道交通是綠色出行的重要方式。列車車門的故障占運(yùn)營(yíng)列車故障的比例約為30%。車門系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開關(guān)頻繁等原因,導(dǎo)致故障頻發(fā),嚴(yán)重影響乘客乘坐地鐵的舒適性和快捷性[1]。列車車門是乘客出入列車客室的重要通道,車門故障不但會(huì)影響乘客的人身安全,而且還會(huì)導(dǎo)致列車晚點(diǎn),列車晚點(diǎn)會(huì)影響正點(diǎn)率、服務(wù)可靠度、列車延誤事件、清客頻率、乘客滿意度、安全指標(biāo)等多項(xiàng)運(yùn)營(yíng)指標(biāo)。以某城市軌道交通4號(hào)線最高速度為80 km/h的列車計(jì)劃?rùn)z修(2018年2月)為例,列車車門故障占到整車故障的29%,而且故障類型多,涉及零部件分布廣(見(jiàn)圖1和圖2)。車門無(wú)法正常關(guān)閉是導(dǎo)致列車晚點(diǎn)的主要原因之一,而列車晚點(diǎn)是運(yùn)營(yíng)公司的重要考核指標(biāo)。地鐵車輛車門系統(tǒng)的安全維護(hù)是列車安全運(yùn)行的重要保障[2]。

圖1 某城市軌道交通4號(hào)線2018年2月故障記錄表

圖2 故障分布圖

根據(jù)實(shí)測(cè)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知,城市軌道交通列車車門系統(tǒng)故障主要涉及機(jī)械類、門控器以及門體電機(jī)等3類,其次還發(fā)生一些頻率較低的車門故障,主要包括行程開關(guān)故障、斷線故障、氣缸故障、傳感器故障、電源模塊故障、指示燈故障等[3]。某市域鐵路列車全線速度目標(biāo)值為120 km/h,配車數(shù)共為42列,共1 008個(gè)車門。每天每個(gè)車門的開關(guān)門次數(shù)為數(shù)百次,車門頻繁的關(guān)閉和開啟,很容易導(dǎo)致車門的電氣控制元件和機(jī)械零部件的損壞,所有列車所有門開關(guān)次數(shù)接近10萬(wàn)次,只要一個(gè)車門出現(xiàn)一次開關(guān)門故障,就會(huì)造成不良影響;而且相對(duì)于傳統(tǒng)80 km/h的城市軌道交通,旅行速度更高,車體更容易變形,車門更容易出現(xiàn)故障頻繁。為提高地鐵車輛正線運(yùn)營(yíng)的可靠性,新車、大故障檢修以及大修后在上線運(yùn)營(yíng)前,應(yīng)對(duì)每個(gè)門進(jìn)行數(shù)百次開關(guān)門試驗(yàn)。

目前,行業(yè)內(nèi)主要通過(guò)人工、繼電器或單片機(jī)控制方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)門控制試驗(yàn)。通過(guò)人工手動(dòng)頻繁按壓按鈕,工作量大,效率低,機(jī)械按鈕產(chǎn)生無(wú)功磨耗。繼電器或單片機(jī)控制很難做到“開/關(guān)門時(shí)間(3.5±0.5) s,開關(guān)門延時(shí)0～3.0 s”范圍內(nèi)的無(wú)極可調(diào)和不同工況組合,一旦焊接完成,功能單一固定,缺乏通用性,無(wú)法實(shí)現(xiàn)后續(xù)功能擴(kuò)展。前者最大的“硬傷”相對(duì)于可編程邏輯控制器穩(wěn)定性低和故障率高,一旦出現(xiàn)故障,一次試驗(yàn)時(shí)間(約3 h)重做,次日不能上線,列車閑置一天的無(wú)形損耗和上線率代價(jià)太大,而且無(wú)法仿真或仿真無(wú)法和現(xiàn)場(chǎng)完全符合,一旦出錯(cuò),試驗(yàn)設(shè)備就會(huì)報(bào)廢。

隨著微處理器和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展,具有通用性廣、穩(wěn)定性好、故障率低、擴(kuò)展性強(qiáng)的可編程邏輯控制器(簡(jiǎn)稱PLC)在自動(dòng)化控制中越來(lái)越受歡迎和應(yīng)用。PLC具有操作便捷、安全可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[4]。把PLC應(yīng)用于列車控制系統(tǒng)很少,應(yīng)用于車門試驗(yàn)的控制國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有。因此,把可編程邏輯控制應(yīng)用于列車車門開關(guān)試驗(yàn)控制,并開發(fā)出集程序和設(shè)備于一體的控制系統(tǒng),對(duì)列車檢修的智能運(yùn)維細(xì)分領(lǐng)域意義很大。

1 門控試驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能及原理

分析和了解列車車門的功能和技術(shù)參數(shù)是基礎(chǔ)。既能模擬列車車門在運(yùn)營(yíng)中的工況,又能保證列車上線前,車門狀態(tài)穩(wěn)定可靠。開發(fā)車門控制程序,模擬列車車門在運(yùn)營(yíng)中的工況,功能需求如下:開關(guān)門時(shí)間(3.5±0.5) s,延時(shí)0～4 s,無(wú)極可變,可根據(jù)客流量的增加調(diào)整乘客通過(guò)車門的時(shí)間;障礙物自動(dòng)檢測(cè)和防夾功能:關(guān)門時(shí),有障礙物(20 mm×40 mm)車門將重新打開。第1次施加關(guān)緊力150 N,0.5 s后門開度為200 mm;第2次關(guān)緊力加載至150～180 N,0.5 s后門開度為200 mm;第3次關(guān)緊力加載至180～200 N,0.5 s后車門開度為1 300 mm。同時(shí)保證列車上線前,車門狀態(tài)穩(wěn)定可靠,試驗(yàn)需求為次數(shù)累計(jì)300～1 000次,無(wú)極可變,車門大故障維修完成后,進(jìn)行無(wú)故障開關(guān)門試驗(yàn)300～500次;新車或大修完成后,在AW0、AW3、AW3→AW0等3種負(fù)載工況下,連續(xù)進(jìn)行無(wú)故障開關(guān)門試驗(yàn)1 000次;清零或繼續(xù)試驗(yàn)為試驗(yàn)過(guò)程中,車門本身的故障或試驗(yàn)設(shè)備故障排除后,計(jì)數(shù)器置0,試驗(yàn)重做。貼合現(xiàn)場(chǎng)的多種模式為單個(gè)門、多個(gè)門組合、單側(cè)門(12個(gè))和雙側(cè)門(24個(gè))等模式。

為達(dá)到上述功能,系統(tǒng)的原理(見(jiàn)圖3和圖4)設(shè)計(jì)如下。外接開關(guān)給PLC輸入模塊一路程序啟動(dòng)信號(hào),控制器CPU按照編寫好的邏輯程序運(yùn)行,按設(shè)定的開關(guān)門間隔時(shí)間在輸出模塊輸出兩路24 V數(shù)字信號(hào),高低電平交替一次為一次開關(guān)門,同時(shí)程序中的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為1。開關(guān)門信號(hào)輸入車門控制單元(見(jiàn)圖5)實(shí)現(xiàn)車門開關(guān)試驗(yàn)一次。程序自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行,開關(guān)門次數(shù)自動(dòng)累加,當(dāng)開關(guān)門次數(shù)達(dá)到設(shè)定的總次數(shù)時(shí),程序運(yùn)行停止,開關(guān)門自動(dòng)試驗(yàn)完成。如果中途車門由于自身的故障停止開關(guān)門,排除故障后,另一個(gè)外接開關(guān)給可編程邏輯控制器輸入模塊一路計(jì)數(shù)清零信號(hào),重新試驗(yàn)。

圖3 電氣控制原理圖

圖4 程序邏輯控制流程圖

圖5 四編組車門控制單元的網(wǎng)絡(luò)通信圖

2 研究?jī)?nèi)容、方法和結(jié)果

SIMATIC S7-300PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),各個(gè)單獨(dú)的模塊之間可以進(jìn)行廣泛組合用于擴(kuò)展;它的大量功能有助于用戶進(jìn)行編程、啟動(dòng)和維護(hù);它還具有多種不同的通信接口,可以通過(guò)PROFIBUS-DP與工控機(jī)通信;它還有多種輸入/輸出模板,可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視診斷和對(duì)過(guò)程信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。

門控試驗(yàn)系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。硬件由西門子PLCSIMATICS7-314C-2 PN/DP(見(jiàn)圖6)、自復(fù)位開關(guān)、手動(dòng)開關(guān)、導(dǎo)線、蜂鳴器和閃光燈等組成。編程軟件為STEP7,是SIMATIC PLC組態(tài)和編程的基本軟件包,它包括SIMATIC管理器、程序編輯器、符號(hào)編輯器、硬件組、態(tài)硬件診斷和NetPro等6種組件[5]。

圖6 SIMATICS7-314C-2 PN/DP

2.1 編寫邏輯程序并虛擬仿真

按照硬件的參數(shù)在STEP7編程軟件中配置虛擬的CPU、I/O模塊、地址和計(jì)數(shù)器等。用程序軟件的基礎(chǔ)代碼編寫邏輯程序并進(jìn)行仿真。通過(guò)操作虛擬控制面板的開關(guān)量,可以在程序段中的邏輯能流圖和變量實(shí)時(shí)輸出面板中看到I/O模塊中的變量是否按照設(shè)定的邏輯運(yùn)行(見(jiàn)圖7)。

圖7 程序的邏輯能流圖和輸入輸出變量的仿真

2.2 建立PC和PLC以及PLC和主門控器單元的通信

利用一根雙絞線連接PC上的網(wǎng)卡和PLC上的PN/DP接口。PLC與車門主門控器上開關(guān)門I/O端子和關(guān)門到位位置傳感器I/O通信。車門主要是通過(guò)MDCU與列車總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,每輛車的兩個(gè)MDCU位于每節(jié)車廂的5號(hào)門、6號(hào)門。車輛通信數(shù)據(jù)通過(guò)MVB總線從TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))傳輸至MDCU,然后通過(guò)CAN局部總線從MDCU傳輸至LDCU,反之亦然;正常工作時(shí),只有一套MDCU充當(dāng)主門控器;如果該MDCU不能在MVB車輛總線上進(jìn)行通信,將由另外一套MDCU接替。

I/O模塊給車門電子門控器發(fā)出關(guān)門信號(hào),在規(guī)定的時(shí)間(1 s)未達(dá)到門關(guān)好位置傳感器就不會(huì)觸發(fā)脈沖信號(hào)。電子門控器就判斷車門監(jiān)測(cè)到障礙物,第1次施加0.5 s的關(guān)門力(150 N),0.5 s后車門自動(dòng)打開到200 mm;門停在當(dāng)前位置1 s后,開始第2次施加0.5 s的關(guān)門力(180 N),0.5 s后車門自動(dòng)打開到200 mm;門停在當(dāng)前位置1 s后,開始第3次施加0.5 s的關(guān)門力(200 N),0.5 s后車門自動(dòng)打開到1 300 mm。I/O模塊發(fā)出指令到車門3次嘗試關(guān)門約為7 s,再過(guò)2 s,如果門關(guān)好位置傳感器還未觸發(fā)脈沖信號(hào),即可判斷門成功監(jiān)測(cè)到障礙物。

2.3 首列列車調(diào)試試驗(yàn)并優(yōu)化

通過(guò)對(duì)車門多次開關(guān)門試驗(yàn),能夠?qū)囕v制造過(guò)程中車門安裝和配合性的檢驗(yàn)進(jìn)行把控,對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行調(diào)試整改,做好同類問(wèn)題的全線列車普查,確保運(yùn)營(yíng)安全。

3 主要成效

經(jīng)濟(jì)效益主要從如下4個(gè)方面進(jìn)行分析:設(shè)備的購(gòu)置成本C1、人工成本C2、相關(guān)設(shè)備損耗C3和由于人工失誤和設(shè)備故障導(dǎo)致列車不能上線的列車無(wú)形損耗C4。試驗(yàn)成本為:

C=C1+C2+C3+C4

(1)

某市域列車為42列四編列車,30年全壽命周期內(nèi)架修共4次(4年一次),大修共計(jì)12次(8年一次),分為3種負(fù)載工況AW0、AW3、AW3→AW0,且平均30年每個(gè)門出現(xiàn)11次大故障,一次開關(guān)門試驗(yàn)開關(guān)門1 000次。

1)人工開關(guān)門成本計(jì)算。

每列車每次試驗(yàn)人工成本:

C2=t2×1 000÷3 600×50×n2

(2)

式中,t2為開關(guān)門時(shí)間;n2為試驗(yàn)人數(shù)。人工試驗(yàn)t2=10 s,n2=2。稅前人工成本為50元/h,人工開關(guān)門8 s。則人工成本C2=10×1 000÷3 600×50×2= 278 (元)。

人工試驗(yàn)設(shè)備損耗為開關(guān)門按鈕的損耗,需要按壓1 000次列車4個(gè)開門按鈕和4個(gè)關(guān)門按鈕。開門按鈕單價(jià)650元,關(guān)門按鈕單價(jià)350元,按鈕無(wú)功損耗折舊20元/1 000次,則:每列車每次試驗(yàn)設(shè)備損耗C3=(650+350)×20÷1 000×4=80 (元)。

每列車每次試驗(yàn)列車無(wú)形損耗:

C4=M÷30÷365×γ

(3)

式中,M為列車30年總成本,M約為9 000萬(wàn)元;γ為由于人工或試驗(yàn)設(shè)備故障導(dǎo)致第2天扣車率,人工試驗(yàn)γ=8%?？圮?天的無(wú)形損耗C4=9 000×104÷30÷365×8%=658 (元)。

每列車每次人工開關(guān)門試驗(yàn)成本C=C2+C3+C4=278+80+658=1 016 (元)。

2)單片機(jī)開關(guān)門成本計(jì)算。

每列車每次試驗(yàn)單片機(jī)成本C=C2+C3+C4=222+0+246=960 (元),此時(shí),t2=8 s,n2=2,γ=3%。

單片機(jī)、繼電器和開關(guān)的購(gòu)置成本C1為3 652元。

3)PLC開關(guān)門成本計(jì)算。

PLC、繼電器和開關(guān)的購(gòu)置成本C1為9 372元。

全壽命周期內(nèi)列車3種試驗(yàn)方法的試驗(yàn)成本對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 全壽命周期內(nèi)42列四編列車3種試驗(yàn)方法的試驗(yàn)成本對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

PLC和繼電器元件組合在一起,體積小,重量輕,外接驅(qū)動(dòng)電源直接從列車上取電,不需要隨身攜帶電源?？梢詰?yīng)用到軌道交通系統(tǒng)的站臺(tái)安全門5 000次的開關(guān)門試驗(yàn),也可以單個(gè)門、單側(cè)門和雙側(cè)門同時(shí)試驗(yàn),也可以擴(kuò)展到更多組合,通用性廣;可以參與列車車門培訓(xùn),應(yīng)用于列車PIS和空調(diào)的試驗(yàn)中,擴(kuò)展性強(qiáng);一個(gè)可編程邏輯控制器和一個(gè)繼電器就可以實(shí)現(xiàn),元件數(shù)量少,核心設(shè)備可編程邏輯控制器性能穩(wěn)定,可靠性好,穩(wěn)定性好,故障率低。擴(kuò)展性強(qiáng),方便列車維修保養(yǎng),提高了作業(yè)效率,降低了維修成本,提高了運(yùn)營(yíng)安全和品質(zhì),提升了運(yùn)營(yíng)考核指標(biāo),填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白,同時(shí)借此契機(jī)應(yīng)用于列車和軌道交通其他大系統(tǒng)中意義重大。