市域列车可编程逻辑自动化门控试验系统的研制

翟中炎

(浙江省轨道交通运营管理集团有限公司,浙江 杭州 310000)

城市轨道交通是绿色出行的重要方式。列车车门的故障占运营列车故障的比例约为30%。车门系统因其结构复杂、开关频繁等原因,导致故障频发,严重影响乘客乘坐地铁的舒适性和快捷性[1]。列车车门是乘客出入列车客室的重要通道,车门故障不但会影响乘客的人身安全,而且还会导致列车晚点,列车晚点会影响正点率、服务可靠度、列车延误事件、清客频率、乘客满意度、安全指标等多项运营指标。以某城市轨道交通4号线最高速度为80 km/h的列车计划检修(2018年2月)为例,列车车门故障占到整车故障的29%,而且故障类型多,涉及零部件分布广(见图1和图2)。车门无法正常关闭是导致列车晚点的主要原因之一,而列车晚点是运营公司的重要考核指标。地铁车辆车门系统的安全维护是列车安全运行的重要保障[2]。

图1 某城市轨道交通4号线2018年2月故障记录表

图2 故障分布图

根据实测的故障数据进行统计分析可知,城市轨道交通列车车门系统故障主要涉及机械类、门控器以及门体电机等3类,其次还发生一些频率较低的车门故障,主要包括行程开关故障、断线故障、气缸故障、传感器故障、电源模块故障、指示灯故障等[3]。某市域铁路列车全线速度目标值为120 km/h,配车数共为42列,共1 008个车门。每天每个车门的开关门次数为数百次,车门频繁的关闭和开启,很容易导致车门的电气控制元件和机械零部件的损坏,所有列车所有门开关次数接近10万次,只要一个车门出现一次开关门故障,就会造成不良影响;而且相对于传统80 km/h的城市轨道交通,旅行速度更高,车体更容易变形,车门更容易出现故障频繁。为提高地铁车辆正线运营的可靠性,新车、大故障检修以及大修后在上线运营前,应对每个门进行数百次开关门试验。

目前,行业内主要通过人工、继电器或单片机控制方式实现开关门控制试验。通过人工手动频繁按压按钮,工作量大,效率低,机械按钮产生无功磨耗。继电器或单片机控制很难做到“开/关门时间(3.5±0.5) s,开关门延时0～3.0 s”范围内的无极可调和不同工况组合,一旦焊接完成,功能单一固定,缺乏通用性,无法实现后续功能扩展。前者最大的“硬伤”相对于可编程逻辑控制器稳定性低和故障率高,一旦出现故障,一次试验时间(约3 h)重做,次日不能上线,列车闲置一天的无形损耗和上线率代价太大,而且无法仿真或仿真无法和现场完全符合,一旦出错,试验设备就会报废。

随着微处理器和数字通信技术的飞速发展,具有通用性广、稳定性好、故障率低、扩展性强的可编程逻辑控制器(简称PLC)在自动化控制中越来越受欢迎和应用。PLC具有操作便捷、安全可靠性强、抗干扰能力强、编程简单等优点[4]。把PLC应用于列车控制系统很少,应用于车门试验的控制国内外还没有。因此,把可编程逻辑控制应用于列车车门开关试验控制,并开发出集程序和设备于一体的控制系统,对列车检修的智能运维细分领域意义很大。

1 门控试验系统需要实现的功能及原理

分析和了解列车车门的功能和技术参数是基础。既能模拟列车车门在运营中的工况,又能保证列车上线前,车门状态稳定可靠。开发车门控制程序,模拟列车车门在运营中的工况,功能需求如下:开关门时间(3.5±0.5) s,延时0～4 s,无极可变,可根据客流量的增加调整乘客通过车门的时间;障碍物自动检测和防夹功能:关门时,有障碍物(20 mm×40 mm)车门将重新打开。第1次施加关紧力150 N,0.5 s后门开度为200 mm;第2次关紧力加载至150～180 N,0.5 s后门开度为200 mm;第3次关紧力加载至180～200 N,0.5 s后车门开度为1 300 mm。同时保证列车上线前,车门状态稳定可靠,试验需求为次数累计300～1 000次,无极可变,车门大故障维修完成后,进行无故障开关门试验300～500次;新车或大修完成后,在AW0、AW3、AW3→AW0等3种负载工况下,连续进行无故障开关门试验1 000次;清零或继续试验为试验过程中,车门本身的故障或试验设备故障排除后,计数器置0,试验重做。贴合现场的多种模式为单个门、多个门组合、单侧门(12个)和双侧门(24个)等模式。

为达到上述功能,系统的原理(见图3和图4)设计如下。外接开关给PLC输入模块一路程序启动信号,控制器CPU按照编写好的逻辑程序运行,按设定的开关门间隔时间在输出模块输出两路24 V数字信号,高低电平交替一次为一次开关门,同时程序中的计数器计数为1。开关门信号输入车门控制单元(见图5)实现车门开关试验一次。程序自动循环运行,开关门次数自动累加,当开关门次数达到设定的总次数时,程序运行停止,开关门自动试验完成。如果中途车门由于自身的故障停止开关门,排除故障后,另一个外接开关给可编程逻辑控制器输入模块一路计数清零信号,重新试验。

图3 电气控制原理图

图4 程序逻辑控制流程图

图5 四编组车门控制单元的网络通信图

2 研究内容、方法和结果

SIMATIC S7-300PLC是模块化结构设计,各个单独的模块之间可以进行广泛组合用于扩展;它的大量功能有助于用户进行编程、启动和维护;它还具有多种不同的通信接口,可以通过PROFIBUS-DP与工控机通信;它还有多种输入/输出模板,可以对信号进行监视诊断和对过程信号进行监控。

门控试验系统包含硬件和软件两部分。硬件由西门子PLCSIMATICS7-314C-2 PN/DP(见图6)、自复位开关、手动开关、导线、蜂鸣器和闪光灯等组成。编程软件为STEP7,是SIMATIC PLC组态和编程的基本软件包,它包括SIMATIC管理器、程序编辑器、符号编辑器、硬件组、态硬件诊断和NetPro等6种组件[5]。

图6 SIMATICS7-314C-2 PN/DP

2.1 编写逻辑程序并虚拟仿真

按照硬件的参数在STEP7编程软件中配置虚拟的CPU、I/O模块、地址和计数器等。用程序软件的基础代码编写逻辑程序并进行仿真。通过操作虚拟控制面板的开关量,可以在程序段中的逻辑能流图和变量实时输出面板中看到I/O模块中的变量是否按照设定的逻辑运行(见图7)。

图7 程序的逻辑能流图和输入输出变量的仿真

2.2 建立PC和PLC以及PLC和主门控器单元的通信

利用一根双绞线连接PC上的网卡和PLC上的PN/DP接口。PLC与车门主门控器上开关门I/O端子和关门到位位置传感器I/O通信。车门主要是通过MDCU与列车总线接口进行数据交换,每辆车的两个MDCU位于每节车厢的5号门、6号门。车辆通信数据通过MVB总线从TCMS(列车控制与管理系统)传输至MDCU,然后通过CAN局部总线从MDCU传输至LDCU,反之亦然;正常工作时,只有一套MDCU充当主门控器;如果该MDCU不能在MVB车辆总线上进行通信,将由另外一套MDCU接替。

I/O模块给车门电子门控器发出关门信号,在规定的时间(1 s)未达到门关好位置传感器就不会触发脉冲信号。电子门控器就判断车门监测到障碍物,第1次施加0.5 s的关门力(150 N),0.5 s后车门自动打开到200 mm;门停在当前位置1 s后,开始第2次施加0.5 s的关门力(180 N),0.5 s后车门自动打开到200 mm;门停在当前位置1 s后,开始第3次施加0.5 s的关门力(200 N),0.5 s后车门自动打开到1 300 mm。I/O模块发出指令到车门3次尝试关门约为7 s,再过2 s,如果门关好位置传感器还未触发脉冲信号,即可判断门成功监测到障碍物。

2.3 首列列车调试试验并优化

通过对车门多次开关门试验,能够对车辆制造过程中车门安装和配合性的检验进行把控,对发现的问题及时进行调试整改,做好同类问题的全线列车普查,确保运营安全。

3 主要成效

经济效益主要从如下4个方面进行分析:设备的购置成本C1、人工成本C2、相关设备损耗C3和由于人工失误和设备故障导致列车不能上线的列车无形损耗C4。试验成本为:

C=C1+C2+C3+C4

(1)

某市域列车为42列四编列车,30年全寿命周期内架修共4次(4年一次),大修共计12次(8年一次),分为3种负载工况AW0、AW3、AW3→AW0,且平均30年每个门出现11次大故障,一次开关门试验开关门1 000次。

1)人工开关门成本计算。

每列车每次试验人工成本:

C2=t2×1 000÷3 600×50×n2

(2)

式中,t2为开关门时间;n2为试验人数。人工试验t2=10 s,n2=2。税前人工成本为50元/h,人工开关门8 s。则人工成本C2=10×1 000÷3 600×50×2= 278 (元)。

人工试验设备损耗为开关门按钮的损耗,需要按压1 000次列车4个开门按钮和4个关门按钮。开门按钮单价650元,关门按钮单价350元,按钮无功损耗折旧20元/1 000次,则:每列车每次试验设备损耗C3=(650+350)×20÷1 000×4=80 (元)。

每列车每次试验列车无形损耗:

C4=M÷30÷365×γ

(3)

式中,M为列车30年总成本,M约为9 000万元;γ为由于人工或试验设备故障导致第2天扣车率,人工试验γ=8%。扣车1天的无形损耗C4=9 000×104÷30÷365×8%=658 (元)。

每列车每次人工开关门试验成本C=C2+C3+C4=278+80+658=1 016 (元)。

2)单片机开关门成本计算。

每列车每次试验单片机成本C=C2+C3+C4=222+0+246=960 (元),此时,t2=8 s,n2=2,γ=3%。

单片机、继电器和开关的购置成本C1为3 652元。

3)PLC开关门成本计算。

PLC、继电器和开关的购置成本C1为9 372元。

全寿命周期内列车3种试验方法的试验成本对比见表1。

表1 全寿命周期内42列四编列车3种试验方法的试验成本对比

4 结语

PLC和继电器元件组合在一起,体积小,重量轻,外接驱动电源直接从列车上取电,不需要随身携带电源。可以应用到轨道交通系统的站台安全门5 000次的开关门试验,也可以单个门、单侧门和双侧门同时试验,也可以扩展到更多组合,通用性广;可以参与列车车门培训,应用于列车PIS和空调的试验中,扩展性强;一个可编程逻辑控制器和一个继电器就可以实现,元件数量少,核心设备可编程逻辑控制器性能稳定,可靠性好,稳定性好,故障率低。扩展性强,方便列车维修保养,提高了作业效率,降低了维修成本,提高了运营安全和品质,提升了运营考核指标,填补了国内外空白,同时借此契机应用于列车和轨道交通其他大系统中意义重大。