跨坐式單軌道岔電氣故障診斷系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

陳 源 倪 尉 楊 銳

(1. 中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司,241060，蕪湖；2. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究院總院(集團(tuán))有限公司，200092，上海//第一作者，工程師)

如何提高跨坐式單軌系統(tǒng)道岔發(fā)生故障后的搶修能力是一個(gè)新的課題。現(xiàn)有的單軌道岔(如重慶市跨坐式單軌線路的道岔)只在信號(hào)系統(tǒng)中對(duì)道岔進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，只能反映出道岔是否失去定、反位表示，無法對(duì)道岔故障進(jìn)行精確診斷及定位。在一些地鐵項(xiàng)目中增加了道岔故障診斷功能，可以通過監(jiān)測道岔狀態(tài)的開關(guān)量及模擬量，對(duì)道岔電路故障進(jìn)行有效定位[1]，方便現(xiàn)場人員縮小范圍進(jìn)行故障排查，但是由于這些地鐵項(xiàng)目所采用的道岔與跨坐式單軌系統(tǒng)所采用的道岔在結(jié)構(gòu)和控制原理方面均不盡相同，因而需要結(jié)合跨坐式單軌道岔的特點(diǎn)，開發(fā)具有針對(duì)性的診斷系統(tǒng)。本文以PBTS跨坐式單軌道岔為例，分析了該道岔的工作流程和故障類型，并對(duì)其道岔故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

1 道岔的故障診斷

1. 1 道岔的工作流程

跨坐式單軌系統(tǒng)道岔的基本工作流程如下圖1所示[2]。

圖1 跨坐式單軌道岔的工作流程

每個(gè)單軌道岔均安裝了1個(gè)道岔控制面板(SCP)。SCP包括電源模塊、監(jiān)視和控制設(shè)備，其中：控制系統(tǒng)用以保證道岔接收信號(hào)命令，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成解鎖、位置轉(zhuǎn)換和鎖閉工作，并將道岔位置信息反饋至信號(hào)系統(tǒng)[3-4]。

1) 道岔啟動(dòng)過程。當(dāng)需要操動(dòng)道岔時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)給道岔提供使能，道岔反饋使能狀態(tài)。信號(hào)系統(tǒng)確定使能正常后，道岔在接收到信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的操動(dòng)命令后啟動(dòng)。

2) 道岔解鎖過程。在道岔轉(zhuǎn)動(dòng)前需先進(jìn)行解鎖，鎖定推桿運(yùn)行完成機(jī)械解鎖，解鎖傳感器得電后確定解鎖過程完成。

3) 道岔轉(zhuǎn)轍過程。解鎖完成后，主梁驅(qū)動(dòng)推桿運(yùn)行，推動(dòng)梁體到達(dá)指定的位置。到位傳感器得電，確定轉(zhuǎn)換至規(guī)定位置。

4) 道岔鎖閉過程。道岔轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，鎖定推桿運(yùn)行完成機(jī)械上鎖。上鎖傳感器得電，確定鎖閉完成。

1. 2 道岔的故障診斷原理

跨坐式單軌系統(tǒng)道岔故障主要分為機(jī)械故障及電氣故障兩種，本文主要對(duì)電氣故障進(jìn)行分析。根據(jù)道岔的工作流程，道岔電氣故障可分為繼電器、傳感器等電氣元件故障，以及驅(qū)動(dòng)鎖定裝置故障兩類[5]。

繼電器和傳感器等電氣元件的故障診斷，可通過采集繼電器和傳感器接入點(diǎn)的開關(guān)量信息，記錄開關(guān)量的開閉時(shí)間、開閉次數(shù)。如果其開關(guān)量異常(開閉時(shí)間過長或過短)，則可判斷并定位故障的繼電器和傳感器。

驅(qū)動(dòng)及鎖定裝置的故障診斷，可通過采集電機(jī)道岔動(dòng)作時(shí)的電流、電壓和功率等電參數(shù)模擬量，并根據(jù)這些模擬量的異常來判斷定位電機(jī)的故障點(diǎn)。

2 道岔故障診斷系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2. 1 道岔故障的邏輯判斷及數(shù)據(jù)采集

每個(gè)道岔都是通過邏輯控制單元(PLC)采集繼電器及傳感器狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行控制的。道岔的故障診斷也是通過PLC進(jìn)行分析判斷，并輸出故障信號(hào)。

2. 1. 1 故障診斷PLC邏輯

1) 接收到道岔轉(zhuǎn)動(dòng)命令后的故障診斷邏輯：在單軌道岔遠(yuǎn)程操作模式下，當(dāng)接收到道岔轉(zhuǎn)換命令后，道岔的動(dòng)作過程主要分成解鎖過程、轉(zhuǎn)轍過程和鎖閉過程。PLC依次監(jiān)測每個(gè)過程中傳感器的狀態(tài)，并設(shè)置超時(shí)時(shí)間。每個(gè)傳感器的超時(shí)時(shí)間設(shè)置為5 s，當(dāng)發(fā)生超時(shí)情況，則可判斷為傳感器故障。 在對(duì)解鎖過程及鎖閉過程進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，設(shè)置鎖定電機(jī)的超時(shí)時(shí)間為5 s，若發(fā)生超時(shí)則可判斷為鎖定電機(jī)故障；監(jiān)測轉(zhuǎn)轍過程時(shí)，設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的超時(shí)時(shí)間為15 s(相鄰位置)，若發(fā)生超時(shí)則判斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障。接收到轉(zhuǎn)換命令后道岔故障的診斷步驟如圖2所示。

圖2 接收轉(zhuǎn)換命令后道岔故障診斷流程圖

圖3 無轉(zhuǎn)轍命令時(shí)道岔故障診斷框圖

2) 無轉(zhuǎn)轍命令時(shí)的故障診斷邏輯:在沒有收到道岔轉(zhuǎn)換命令狀態(tài)下，道岔應(yīng)該保持當(dāng)前位置的鎖閉狀態(tài)，電機(jī)停止運(yùn)行。此時(shí)，需監(jiān)測傳感器狀態(tài)、PLC輸出及電機(jī)的停止?fàn)顟B(tài)。若有任何運(yùn)行異常，都可判斷為發(fā)生故障。其故障診斷如圖3所示。

2. 1. 2 電機(jī)參數(shù)采集

采用變頻器及伺服驅(qū)動(dòng)器測量驅(qū)動(dòng)鎖定裝置的電流和電壓大小，通過檢測判斷電機(jī)電流、電壓的異常狀態(tài)來確定故障點(diǎn)。

每一次道岔梁完成轉(zhuǎn)轍且到位后，可獲得下列數(shù)據(jù)：移動(dòng)時(shí)間、電動(dòng)機(jī)電流、電動(dòng)機(jī)電壓、電動(dòng)機(jī)功率等。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤、監(jiān)測，不僅能夠確定此類故障的故障點(diǎn)，同時(shí)還能監(jiān)測道岔可靠性及可用性，跟蹤道岔的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

2. 2 道岔故障診斷系統(tǒng)構(gòu)成與功能

跨坐式單軌道岔故障診斷系統(tǒng)的組成包括設(shè)備端、服務(wù)器端和客戶端，如圖4所示。

圖4 道岔故障診斷系統(tǒng)組成示意圖

1) 設(shè)備端:通過PLC采集傳感器、繼電器的狀態(tài)，對(duì)道岔狀態(tài)進(jìn)行分析判斷，并輸出故障信息。通過驅(qū)動(dòng)控制器變頻器及伺服驅(qū)動(dòng)器采集電機(jī)狀態(tài)模擬量電流、電壓、功率等。在現(xiàn)場道岔附近安裝攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控查看實(shí)時(shí)畫面。

數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊安裝在道岔控制箱內(nèi)。監(jiān)控模塊通過以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過串行通信協(xié)議(modbus)與變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通訊，監(jiān)控模塊采用直流24 V進(jìn)行供電。數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊與道岔監(jiān)控平臺(tái)或云端對(duì)接。通過互聯(lián)網(wǎng)云系統(tǒng)(以太網(wǎng)、通用分組無線服務(wù)GPRS、4G等)，將現(xiàn)場不同設(shè)備大量的數(shù)據(jù)及信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的云數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備診斷、程序維護(hù)和故障報(bào)警等功能。

2) 服務(wù)器端:采用云服務(wù)器。

3) 客戶端:客戶端包括電腦客戶端、網(wǎng)頁程序(WEB)客戶端和手機(jī)應(yīng)用程序(APP)客戶端。數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊通過計(jì)算機(jī)客戶端、手機(jī)APP訪問云服務(wù)器客戶端，實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1) 數(shù)據(jù)監(jiān)控功能：采用監(jiān)控模塊的電腦客戶端對(duì)監(jiān)控模塊進(jìn)行組態(tài)設(shè)置;通過道岔編號(hào)對(duì)監(jiān)控模塊命名,并監(jiān)測道岔的狀態(tài)。

(2) 報(bào)警功能：根據(jù)故障診斷邏輯設(shè)置報(bào)警條件和報(bào)警內(nèi)容。當(dāng)設(shè)備層輸出故障時(shí)，系統(tǒng)用戶可以得到報(bào)警提示，并了解報(bào)警發(fā)生時(shí)間及其內(nèi)容，可通過綁定微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的自動(dòng)推送，也可向指定手機(jī)號(hào)發(fā)送報(bào)警信息，以方便維護(hù)人員及時(shí)了解故障信息，盡快排除故障。

(3) 視頻監(jiān)控功能：系統(tǒng)和云端可以通過設(shè)置在現(xiàn)場道岔附近的攝像頭監(jiān)控查看實(shí)時(shí)畫面，也可以調(diào)節(jié)攝像頭的方向，擴(kuò)大視野范圍，看到更多的圖像畫面。

(4) 歷史數(shù)據(jù)回看功能：將需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)按組分類，分為有轉(zhuǎn)轍命令和無轉(zhuǎn)轍命令兩類。在對(duì)應(yīng)的模式中添加需要的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并將重要的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行登記保存，供日后調(diào)用查看。

3 結(jié)語

針對(duì)跨坐式單軌道岔發(fā)生故障后存在故障修復(fù)時(shí)間較長、難以診斷故障類型、不能及時(shí)定位故障點(diǎn)等問題，本文對(duì)其故障診斷及定位系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了一種基于跨坐式單軌道岔的故障診斷及定位方法，并提出了故障診斷系統(tǒng)平臺(tái)的搭建方案。

跨坐式單軌道岔故障診斷及定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控單軌道岔的運(yùn)行狀態(tài)，判斷道岔是否正常工作，并對(duì)故障進(jìn)行定位。該系統(tǒng)可為道岔的日常維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持，減輕維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高跨坐式單軌線路的運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率及設(shè)備可靠度。