市域列車可編程邏輯自動化門控試驗系統的研制

翟中炎

(浙江省軌道交通運營管理集團有限公司,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營列車故障的比例約為30%。車門系統因其結構復雜、開關頻繁等原因,導致故障頻發,嚴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,車門故障不但會影響乘客的人身安全,而且還會導致列車晚點,列車晚點會影響正點率、服務可靠度、列車延誤事件、清客頻率、乘客滿意度、安全指標等多項運營指標。以某城市軌道交通4號線最高速度為80 km/h的列車計劃檢修(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(見圖1和圖2)。車門無法正常關閉是導致列車晚點的主要原因之一,而列車晚點是運營公司的重要考核指標。地鐵車輛車門系統的安全維護是列車安全運行的重要保障[2]。

圖1 某城市軌道交通4號線2018年2月故障記錄表

圖2 故障分布圖

根據實測的故障數據進行統計分析可知,城市軌道交通列車車門系統故障主要涉及機械類、門控器以及門體電機等3類,其次還發生一些頻率較低的車門故障,主要包括行程開關故障、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值為120 km/h,配車數共為42列,共1 008個車門。每天每個車門的開關門次數為數百次,車門頻繁的關閉和開啟,很容易導致車門的電氣控制元件和機械零部件的損壞,所有列車所有門開關次數接近10萬次,只要一個車門出現一次開關門故障,就會造成不良影響;而且相對于傳統80 km/h的城市軌道交通,旅行速度更高,車體更容易變形,車門更容易出現故障頻繁。為提高地鐵車輛正線運營的可靠性,新車、大故障檢修以及大修后在上線運營前,應對每個門進行數百次開關門試驗。

目前,行業內主要通過人工、繼電器或單片機控制方式實現開關門控制試驗。通過人工手動頻繁按壓按鈕,工作量大,效率低,機械按鈕產生無功磨耗。繼電器或單片機控制很難做到“開/關門時間(3.5±0.5) s,開關門延時0～3.0 s”范圍內的無極可調和不同工況組合,一旦焊接完成,功能單一固定,缺乏通用性,無法實現后續功能擴展。前者最大的“硬傷”相對于可編程邏輯控制器穩定性低和故障率高,一旦出現故障,一次試驗時間(約3 h)重做,次日不能上線,列車閑置一天的無形損耗和上線率代價太大,而且無法仿真或仿真無法和現場完全符合,一旦出錯,試驗設備就會報廢。

隨著微處理器和數字通信技術的飛速發展,具有通用性廣、穩定性好、故障率低、擴展性強的可編程邏輯控制器(簡稱PLC)在自動化控制中越來越受歡迎和應用。PLC具有操作便捷、安全可靠性強、抗干擾能力強、編程簡單等優點[4]。把PLC應用于列車控制系統很少,應用于車門試驗的控制國內外還沒有。因此,把可編程邏輯控制應用于列車車門開關試驗控制,并開發出集程序和設備于一體的控制系統,對列車檢修的智能運維細分領域意義很大。

1 門控試驗系統需要實現的功能及原理

分析和了解列車車門的功能和技術參數是基礎。既能模擬列車車門在運營中的工況,又能保證列車上線前,車門狀態穩定可靠。開發車門控制程序,模擬列車車門在運營中的工況,功能需求如下:開關門時間(3.5±0.5) s,延時0～4 s,無極可變,可根據客流量的增加調整乘客通過車門的時間;障礙物自動檢測和防夾功能:關門時,有障礙物(20 mm×40 mm)車門將重新打開。第1次施加關緊力150 N,0.5 s后門開度為200 mm;第2次關緊力加載至150～180 N,0.5 s后門開度為200 mm;第3次關緊力加載至180～200 N,0.5 s后車門開度為1 300 mm。同時保證列車上線前,車門狀態穩定可靠,試驗需求為次數累計300～1 000次,無極可變,車門大故障維修完成后,進行無故障開關門試驗300～500次;新車或大修完成后,在AW0、AW3、AW3→AW0等3種負載工況下,連續進行無故障開關門試驗1 000次;清零或繼續試驗為試驗過程中,車門本身的故障或試驗設備故障排除后,計數器置0,試驗重做。貼合現場的多種模式為單個門、多個門組合、單側門(12個)和雙側門(24個)等模式。

為達到上述功能,系統的原理(見圖3和圖4)設計如下。外接開關給PLC輸入模塊一路程序啟動信號,控制器CPU按照編寫好的邏輯程序運行,按設定的開關門間隔時間在輸出模塊輸出兩路24 V數字信號,高低電平交替一次為一次開關門,同時程序中的計數器計數為1。開關門信號輸入車門控制單元(見圖5)實現車門開關試驗一次。程序自動循環運行,開關門次數自動累加,當開關門次數達到設定的總次數時,程序運行停止,開關門自動試驗完成。如果中途車門由于自身的故障停止開關門,排除故障后,另一個外接開關給可編程邏輯控制器輸入模塊一路計數清零信號,重新試驗。

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絡通信圖

2 研究內容、方法和結果

SIMATIC S7-300PLC是模塊化結構設計,各個單獨的模塊之間可以進行廣泛組合用于擴展;它的大量功能有助于用戶進行編程、啟動和維護;它還具有多種不同的通信接口,可以通過PROFIBUS-DP與工控機通信;它還有多種輸入/輸出模板,可以對信號進行監視診斷和對過程信號進行監控。

門控試驗系統包含硬件和軟件兩部分。硬件由西門子PLCSIMATICS7-314C-2 PN/DP(見圖6)、自復位開關、手動開關、導線、蜂鳴器和閃光燈等組成。編程軟件為STEP7,是SIMATIC PLC組態和編程的基本軟件包,它包括SIMATIC管理器、程序編輯器、符號編輯器、硬件組、態硬件診斷和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

按照硬件的參數在STEP7編程軟件中配置虛擬的CPU、I/O模塊、地址和計數器等。用程序軟件的基礎代碼編寫邏輯程序并進行仿真。通過操作虛擬控制面板的開關量,可以在程序段中的邏輯能流圖和變量實時輸出面板中看到I/O模塊中的變量是否按照設定的邏輯運行(見圖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上的網卡和PLC上的PN/DP接口。PLC與車門主門控器上開關門I/O端子和關門到位位置傳感器I/O通信。車門主要是通過MDCU與列車總線接口進行數據交換,每輛車的兩個MDCU位于每節車廂的5號門、6號門。車輛通信數據通過MVB總線從TCMS(列車控制與管理系統)傳輸至MDCU,然后通過CAN局部總線從MDCU傳輸至LDCU,反之亦然;正常工作時,只有一套MDCU充當主門控器;如果該MDCU不能在MVB車輛總線上進行通信,將由另外一套MDCU接替。

I/O模塊給車門電子門控器發出關門信號,在規定的時間(1 s)未達到門關好位置傳感器就不會觸發脈沖信號。電子門控器就判斷車門監測到障礙物,第1次施加0.5 s的關門力(150 N),0.5 s后車門自動打開到200 mm;門停在當前位置1 s后,開始第2次施加0.5 s的關門力(180 N),0.5 s后車門自動打開到200 mm;門停在當前位置1 s后,開始第3次施加0.5 s的關門力(200 N),0.5 s后車門自動打開到1 300 mm。I/O模塊發出指令到車門3次嘗試關門約為7 s,再過2 s,如果門關好位置傳感器還未觸發脈沖信號,即可判斷門成功監測到障礙物。

2.3 首列列車調試試驗并優化

通過對車門多次開關門試驗,能夠對車輛制造過程中車門安裝和配合性的檢驗進行把控,對發現的問題及時進行調試整改,做好同類問題的全線列車普查,確保運營安全。

3 主要成效

經濟效益主要從如下4個方面進行分析:設備的購置成本C1、人工成本C2、相關設備損耗C3和由于人工失誤和設備故障導致列車不能上線的列車無形損耗C4。試驗成本為:

C=C1+C2+C3+C4

(1)

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

1)人工開關門成本計算。

每列車每次試驗人工成本:

C2=t2×1 000÷3 600×50×n2

(2)

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

人工試驗設備損耗為開關門按鈕的損耗,需要按壓1 000次列車4個開門按鈕和4個關門按鈕。開門按鈕單價650元,關門按鈕單價350元,按鈕無功損耗折舊20元/1 000次,則:每列車每次試驗設備損耗C3=(650+350)×20÷1 000×4=80 (元)。

每列車每次試驗列車無形損耗:

C4=M÷30÷365×γ

(3)

式中,M為列車30年總成本,M約為9 000萬元;γ為由于人工或試驗設備故障導致第2天扣車率,人工試驗γ=8%?？圮?天的無形損耗C4=9 000×104÷30÷365×8%=658 (元)。

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

2)單片機開關門成本計算。

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

單片機、繼電器和開關的購置成本C1為3 652元。

3)PLC開關門成本計算。

PLC、繼電器和開關的購置成本C1為9 372元。

全壽命周期內列車3種試驗方法的試驗成本對比見表1。

表1 全壽命周期內42列四編列車3種試驗方法的試驗成本對比

4 結語

PLC和繼電器元件組合在一起,體積小,重量輕,外接驅動電源直接從列車上取電,不需要隨身攜帶電源?？梢詰玫杰壍澜煌ㄏ到y的站臺安全門5 000次的開關門試驗,也可以單個門、單側門和雙側門同時試驗,也可以擴展到更多組合,通用性廣;可以參與列車車門培訓,應用于列車PIS和空調的試驗中,擴展性強;一個可編程邏輯控制器和一個繼電器就可以實現,元件數量少,核心設備可編程邏輯控制器性能穩定,可靠性好,穩定性好,故障率低。擴展性強,方便列車維修保養,提高了作業效率,降低了維修成本,提高了運營安全和品質,提升了運營考核指標,填補了國內外空白,同時借此契機應用于列車和軌道交通其他大系統中意義重大。