模块化安全系统在单轨交通道岔上的应用

张治中

（中铁宝桥集团有限公司，陕西 宝鸡721006）

0 引言

随着现代城市规模的不断扩大和人口的不断增长，城市轨道交通得到快速发展，使人们有了更多的出行方式可供选择。单轨交通作为轨道交通的一种形式已在重庆得到了大规模的应用，在我国上海、唐山等地还有不同形式的单轨交通试验线。道岔作为单轨交通线重要的组成部分，在轨道交通线上大规模使用。

单轨交通道岔可分为单开道岔、三开道岔、五开道岔、单渡线道岔、交叉渡线道岔等多种形式。每组道岔均由规模不等的单套或多套道岔控制系统控制，道岔控制系统与信号系统进行通信，最终由信号系统集中控制线路上各道岔的运转。由于轨道交通具有特殊的安全性和可靠性，因此，轨道线路上的道岔也必须具有相应的安全性与可靠性。

目前，单轨交通道岔电气控制系统由符合GB／T7417—2010标准的铁路安全继电器，按照故障—安全原则搭建的逻辑电路组成。在满足控制系统功能和安全性的前提下，道岔控制系统不管是采用符合GB／T7417—2010标准的安全继电器，还是采用符合BS EN ISO13849－1—2006或EN IEC62061—2005标准的安全继电器，都存在着明显的缺点：控制电路由分立器件组成，控制系统体积偏大，各器件间接线繁琐，柜外控制电缆使用量大。针对这些问题，可以使用PILZ模块化安全系统PNOZmulti作为解决方案。

1 模块化安全系统PNOZmulti简介

模块化安全系统PNOZmulti，也称可编程安全继电器，是一种多功能、可自由配置的模块化安全系统，其功能介于安全继电器和安全PLC之间。与其他安全继电器或普通继电器不同，PNOZmulti的安全电路可在计算机上使用图形配置工具生成。该产品的特点是“配置而不是配线”，具有14个不同的安全功能可在基础单元内使用，可随时进行后续的配置更改，配线简单，能缩短调试运行时间。模块化安全系统PNOZmulti体积小，与普通PLC体积相当，具有多种不同的基础模块和扩展模块可供选择，从而实现系统的扩展。输入回路具有短路检测的功能，用户友好的诊断选项可保证较短的停机时间和高度的可用性，实现包括评估设备，兼容传感器技术、控制和信号设备等在内的完整方案。

基础模块m1p。基础模块m1p具有20个安全输入点、4个测试脉冲输出点、4个安全晶体管输出点和2个安全继电器输出点。左侧可以扩展1个现场总线和最多4个模块，如安全连接模块ml1p、连接模块ml2p、模拟量输入模块ma1p；右侧最多可以扩展8个模块，如输入／输出模块、速度监控模块，但最多只能同时扩展6个安全输出模块。

连接模块ml2p。每个连接模块ml2p最多可扩展4个分布式模块PDP67，每个PDP67可以连接8个安全输入点，系统通过ml2p最多可以扩展128个安全输入点。分布式模块PDP67安装在道岔现场传感器或行程开关附近，各传感器或行程开关采集到的开关信号送入PDP67后，由总线送至模块化安全系统PNOZmulti。

安全连接模块ml1p。每个连接模块ml1p可以扩展32个虚拟安全输入点，系统通过ml1p最多可以扩展128个虚拟安全输入／输出点。2个基础单元通过ml1p级联后，扩展的虚拟安全输入／输出点的关系如表1所示。

表1 扩展的虚拟安全输入／输出点的关系

在安全性方面，模块化安全系统PNOZmulti的所有安全模块的安全等级，达到BS EN ISO13849－1—2006的PLe级和EN IEC62061—2005的SIL CL3级。控制系统的安全等级与配置后系统的输入和输出有关，当采用冗余输入／输出时，控制系统的安全等级可达到PLe级或SIL CL3级。

2 模块化安全系统PNOZmulti在道岔上的应用实例

根据系统需要配置模块，可通过输入／输出模块或分布式模块进行输入和输出点的扩展；通过安全连接模块ml1p进行系统间的级联，可使各独立控制系统融合为同一系统进行统一控制。单开或三开道岔电气控制系统采用1个基础模块加扩展模块组成，硬件配置如图1所示。单渡线道岔由2组单开道岔组成，2套单独的控制系统可通过安全连接模块ml1p级联为1套控制系统；五开道岔由于输入／输出点数量多，1套模块化安全系统PNOZmulti无法完成，必须采用2套系统级联组成，硬件配置如图2所示。交叉渡线道岔由1个旋转梁和4组单开道岔组成，5套单独的控制系统可通过安全连接模块ml1p级联为1套控制系统，硬件配置如图3所示。

3 系统风险评估

在新产品设计时，最好从项目初期就考虑安全设计，如果在项目初始阶段就考虑安全设计，对存在的危险采用技术措施获得可接受的风险水平，那么其对机器的复杂性、成本等的影响将减到最小。为达到道岔控制系统的安全预期，必须采用安全型器件按照故障—安全原则组成一个安全型的控制系统。实际应用，在确定设备所需要的安全等级后，控制系统的设计必须达到相应的安全等级。

图1 单开道岔或三开道岔控制系统图

图2 单渡线道岔或五开道岔控制系统图

图3 交叉渡线道岔控制系统级联图

在BS EN ISO13849－1—2006标准中，将安全等级由低到高划分为5个等级：PLa、PLb、PLc、PLd和PLe，对应的危险也从低到高。以单轨交通道岔为例，经过分析，由于道岔信号失效，会对乘客造成重伤或死亡的危害时，选择S2；道岔信号连续工作时，选择F2；当道岔信号失效，乘客几乎不可避免这类危险时，选择P2。从图4中我们可以得出，道岔控制系统所要求的安全等级为PLe级。

图4 用于确定安全功能的PLr风险图

在图4中，1表示控制系统安全相关性部件风险评估的起始点；S表示损伤的严重程度，可分为S1和S2，S1为轻微损伤，S2为严重损伤或死亡；F表示暴露于危险中的频率或期限，可分为F1和F2，F1为从很少到经常或短暂暴露期限，F2为从频繁到连续或长期暴露期限；P表示防止危险的可能性，可分为P1和P2，P1为特定条件下可能，P2为几乎不可能。

模块化安全系统PNOZmulti的各模块使用年限为20年，在有效使用期限内，每个模块都有危险失效平均概率（PFH），可方便计算控制系统的整体PFH值。以图1单开道岔控制系统为例，系统由1个基础模块m1p、1个安全输入模块mi1p、1个标准输出模块mc1p、6个安全继电器输出模块mo4p、2个连接模块ml2p、8个分布式模块PDP67组成。在冗余输入／输出的条件下，计算得出此控制系统的危险失效平均概率PFH＝2．99×10－8（由于mc1p是标准输出模块，在计算时不予考虑），查表2可以得出单开道岔控制系统的安全等级达到PLe级，满足系统风险评估要求。

表2 安全执行等级（PLr）

4 模块化安全系统PNOZmulti在道岔应用上的优缺点及经济性分析

模块化安全系统PNOZmulti可替代传统安全继电器控制加PLC检测组成的控制系统，在不需要改变道岔产品结构、机械设计的前提下，满足单轨交通道岔产品的控制功能需要。控制系统采用冗余输入／输出后，系统的安全等级达到PLe级或SIL CL3级。输入回路具有短路、混线检测的功能，信号柜安装体积可缩小50%，用总线电缆替代控制电缆后，柜间以及柜内外接线大大减少，制造成本降低。

模块化安全系统PNOZmulti存在的不足：目前五开道岔采用PLC加绝对值编码器检测多台电机运行的同步性，模块化安全系统PNOZmulti虽然能扩展速度监控模块，但该模块只能连接增量型编码器，功能有限，不能检测多台电机运行的同步性。因此，当五开道岔采用模块化安全系统PNOZmulti时，PLC加绝对值编码器检测电机同步性不能被替代。当系统要求的安全功能超出了模块化安全系统PNOZmulti的能力时，可以考虑使用安全PLC。

在经济性方面，模块化安全系统PNOZmulti成本比欧标安全继电器加PLC组成的系统成本低，与符合GB／T7417—2010标准的铁路安全继电器加PLC组成的系统成本相近。

［1］Configurable control system PNOZmulti ＆ Configurable safety relays PNOZmulti Mini

［2］BS EN ISO13849－1—2006 Safety of machinery—Safetyrelated parts of control systems—Part 1：General principles for design

［3］PNOZmulti图形编程工具