基于智慧交通的道岔轉轍機控制系統設計研究

趙欣然，展明星

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616）

城市軌道交通車輛段是地鐵系統的重要一環，承擔著地鐵車列入庫停放，出庫運行、轉線等作業。城市軌道交通車輛段作業不同于鐵路站場的接發車作業和調車作業，采用計算機聯鎖成本高，而城市軌道交通車輛段的聯鎖關系相對沒有那么復雜，從作業性質和接發車頻率來說使用計算機聯鎖系統是不匹配的。使用可編程控制器的車輛段道岔轉轍機控制系統可以降低造價，提高交通運輸設備的自動化程度，減少投資，實現智慧交通。

1 原理設計研究

使用可編程控制器實現對道岔轉轍機的轉換操作，同時用觸摸屏代替聯鎖設備操作臺，可以實現道岔轉轍機的控制，替代計算機聯鎖用排列進路的方式轉換道岔。

本設計采用FX3U系列PLC實現對道岔轉轍機進行控制，以S700K電動轉轍機為例：S700K型電動轉轍機使用三相交流電動機作為動力牽引系統，完成尖軌的移動從而使線路開通不同方向。轉轍機內部有道岔機械鎖閉裝置完成對尖軌的鎖閉和位置表示，通過可編程控制器輸出端子控制繼電器的通電吸合，分別控制交流電動機正反轉，完成道岔尖軌的定位和反位牽引。

操作臺使用HMI，人機交互界面采用昆侖通態MCG S（TPC7062K）觸摸屏實現對車列路徑上道岔位置的選擇和給出道岔定反位表示，從而完成地鐵車列的入庫、出庫及轉線作業。S700K轉轍機控制電路保留1DQJ、2DQJ，BHJ，DBJ和FBJ，道岔的操作控制在觸摸屏完成，同時觸摸屏顯示道岔位置，用綠燈表示道岔定位，黃燈表示道岔反位。通過軌道繼電器吸合確保無車時對道岔的轉轍機控制系統進行控制，防止在有車占用時錯誤轉換道岔，為了安全起見，采用PLC故障診斷系統對可編程控制器進行故障檢測分析。

2 硬件設備

設備包括室外轉轍機及連接桿件、室內繼電電路、可編程控制器、觸摸屏等，控制器選用三菱FX3U系列PLC，網絡以CC_Link或工業以太網的形式組網，MCGS觸摸屏采用三菱系統觸摸屏連接到PLC的RS232端口。

2.1 系統組成

包括三菱Q00UCPU、三菱HMI、道岔控制及表示繼電電路，交流電動機及轉轍機內部傳動、鎖閉、表示、報警裝置，連接尖軌的機械傳動構件。

2.1.1 保護電路

每個道岔劃分為一個區段，設置軌道繼電器區分有車占用、軌道區段正常和軌道區段故障，用軌道繼電器吸合作為道岔轉換、交流電動機啟動的必要聯鎖條件，用來確保車列作業安全。

2.1.2 車輛段設備控制與試車線接口控制

連接正線的試車線的道岔全部由車輛段道岔控制器控制。試車線用于進行車載ATP/ATO設備的動態和靜態功能測試，通過接口電路能夠與車輛段完成對接。試車線上的道岔均由車輛段聯鎖控制，其余試車線上設置的信號設備由試車線控制。列車由車輛段進入試車線和從試車線進入車輛段的進路也完全由車輛段控制器控制。試車線開始試車前，車輛段控制器在列車進入試車線后，通過非進路方式將試車線道岔鎖閉在定位并開放非進路調車信號，之后交接控制權給試車線開始試車，試車結束，試車線聯鎖將控制權交給車輛段表明試車結束，之后的列車運行完全由車輛段控制。

圖1 硬件系統結構圖

2.1.3 車輛段與正線的接口

從車輛段控制系統至正線聯鎖安全輸入的電氣要求為：

每個來自車輛段的接口信號會在正線聯鎖通過一臺安全繼電器進行復示。

復示繼電器電路使用車輛段狀態繼電器的兩組接點（采用雙斷方式）。電路需要的直流電源由正線提供。

圖2 車輛段對正線的控制

從正線聯鎖至車輛段控制系統安全輸入的電氣要求為：

每個來自正線聯鎖的接口信號會在車輛段通過一臺安全繼電器進行復示。

復示繼電器電路使用正線繼電器的兩組接點（采用雙斷方式）。電路需要的直流電源由車輛段提供。

2.2 PLC控制單元

本系統涉及的I／O點數多，使用觸摸屏完成道岔的操作控制，如站場股道多、道岔數量多，控制器可以使用擴展模塊。控制器型號根據地鐵線路長度及車輛段規模決定，本設計以中等規模站場為例，以20組道岔控制需要完成分配。從性價比、技術性能、維護方便性等方面考慮，可采用FX3U－128MR／ES－A，內置64入、64出（繼電器及表示燈），必要時添加擴展模塊，AC電源供電。輸入部分主要連接MCGS等單元，輸出部分連接繼電器、道岔位置表示燈、檢查表示燈等設備。

2.3 HMI上位機

采用北京昆侖通態MCGS觸摸屏（TPC7062 K），通過RS－232數據線將其與FX3UPLC控制器通信。觸摸屏實現20組道岔的定反位控制，定反位表示，檢查表示，對工作狀態進行顯示，表明是“進路排列狀態”或“維修狀態”。

3 系統軟件設計

使用觸摸屏完成對入庫、出庫及轉線車列進路的控制，控制交流電動機正轉（定位）、反轉（反位），觸摸屏顯示道岔實際位置，觸摸屏針對行車人員和信號工檢修員組態有兩種工作模式。根據作業的要求，行車人員憑權限登錄“正常模式”，在正常模式下可進行道岔的轉換控制，PLC根據道岔原來位置，選擇定位操縱或反位操縱，并實時顯示基于PLC與HMI的道岔轉換后位置。信號工檢修員憑權限登錄“維修模式”，在該模式下可通過人機界面監測道岔的運行狀態和進行單臺道岔轉轍機的測試。

3.1 MCGS組態設計

圖4 觸摸屏平時界面示意圖

3.2 PLC與HMI接線圖

圖5 PLC部分端子接線圖

3.3 維修模式程序設計

道岔轉轍機的轉換控制進入維護狀態時，一是需要進行室外道岔及轉轍機的檢修工作，此時觸摸屏顯示“維護狀態”，檢查按鈕（非自復式）按下，此時不能進行道岔的控制及轉換；當室外道岔及轉轍機完成檢修工作后，需要對控制器進行檢測和診斷，結束后再次按下檢查按鈕恢復正常模式。（1）程序初始化。（2）MCGS觀察道岔表示燈并進行逐個控制，確認擠岔燈滅（外部電路）。（3）進行PLC故障診斷。

4 系統可行性及推廣價值分析

使用可編程控制器不但可以完成對站場道岔進行控制，還能對車站信號機及區間信號機進行點燈控制。PLC對信號設備控制可以取代計算機聯鎖完成控制及保護，尤其是對于聯鎖關系并不復雜的車輛段、編組站等場所。

5 結語

對于城市軌道交通高速發展的今天，交通設備的現代化、智能化尤為重要，采用PLC和HMI系統實現對道岔控制進行地鐵車列的進路排列，大大簡化了城市軌道交通車輛段的信號設備系統，提高了城市軌道交通設備的自動化程度，降低了建設成本。該系統安全、穩定可靠，值得推廣應用。