地鐵防淹防護(hù)密閉門驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)研究

潘 峰 畢晶晶 馬小嬌 解 峰

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

0 背景

越來(lái)越多的地鐵線路跨江過(guò)河，如果自然災(zāi)害或突發(fā)事故破壞隧道過(guò)河段的主體結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)漏水涌水問(wèn)題，將造成重大災(zāi)難。結(jié)合地鐵全線防護(hù)單元的劃分，需要在地鐵線路過(guò)河段兩端設(shè)置防淹防護(hù)密閉門（以下簡(jiǎn)稱防淹門），以便在發(fā)生事故時(shí)能緊急關(guān)閉，封閉過(guò)河隧道區(qū)間，保護(hù)地鐵線內(nèi)的列車、車站設(shè)備安全以及人員安全，防止事故擴(kuò)大。起到平時(shí)防災(zāi)、戰(zhàn)時(shí)防空的雙重作用[1]。

由于防淹門關(guān)閉時(shí)，將引起地鐵供電接觸網(wǎng)斷開(kāi)，造成列車停運(yùn)，同時(shí)還需要保證列車的安全。因此，防淹門只能在地鐵隧道破裂或嚴(yán)重滲水、且區(qū)間內(nèi)無(wú)列車的情況下，才能夠關(guān)閉。此時(shí)能否及時(shí)、準(zhǔn)確、安全地關(guān)閉防淹門，其啟閉控制系統(tǒng)將發(fā)揮重要作用。基于此，我們研制了一種智能防淹門驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其可以根據(jù)地鐵隧道內(nèi)水位的變化及區(qū)間內(nèi)列車的運(yùn)行情況自動(dòng)啟閉。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1 系統(tǒng)組成

圖1 控制系統(tǒng)框架原理圖

防淹門為升降式，主要由門扇、門框、下壓機(jī)構(gòu)、機(jī)械鎖定裝置（擋板小車）、啟閉機(jī)、信號(hào)采集裝置、控制系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)等部分組成。門框作為埋件預(yù)先埋設(shè)在土建結(jié)構(gòu)中，門扇在啟閉機(jī)的作用下，在門框內(nèi)上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)門扇的升降，通過(guò)下壓機(jī)構(gòu)克服水的阻力，確保關(guān)門到位。擋板小車裝置用于門扇平時(shí)開(kāi)啟狀態(tài)的安全鎖定，通過(guò)擋板小車裝置將門扇頂至軌行區(qū)上方，確保門扇固定牢固，減輕啟閉機(jī)鋼絲繩的受力。可以采用自動(dòng)與就地手動(dòng)2 種控制方式實(shí)現(xiàn)門扇的開(kāi)關(guān)與升降。

防淹門控制系統(tǒng)原理如圖1 所示。新型防淹門啟閉控制系統(tǒng)由冗余熱備PLC、隧道水位檢測(cè)裝置、啟閉設(shè)備、防淹防護(hù)密閉門、電動(dòng)鎖定裝置組成。并通過(guò)車控室、綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)防淹門狀態(tài)及啟閉的監(jiān)視與控制。

防淹門供電系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。控制系統(tǒng)由1 路AC400V 電源系統(tǒng)和1 路UPS 電源供電。

1.2 簡(jiǎn)要技術(shù)說(shuō)明

圖2 供電系統(tǒng)原理圖

主要包括5 個(gè)方面的內(nèi)容。1）PLC 上設(shè)置了冗余熱備雙CPU，檢測(cè)裝置包括安裝在防護(hù)區(qū)間隧道最低處的水位傳感器，水位傳感器與PLC 相連接，PLC 分別與啟閉設(shè)備和電動(dòng)鎖定裝置相連接，啟閉設(shè)備與防淹門相連接，電動(dòng)鎖定裝置鎖定防淹門，PLC 分別與車控室、綜合監(jiān)控系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行通信[2]。2）控制柜表面設(shè)置了觸摸屏和多個(gè)指示燈，觸摸屏和各個(gè)指示燈分別由PLC 進(jìn)行控制。3） 防淹門上設(shè)置了位置行程傳感器，其位置信號(hào)接入PLC 系統(tǒng)。4）控制柜上設(shè)置了選擇開(kāi)關(guān)，選擇開(kāi)關(guān)設(shè)置了檢修、就地和遠(yuǎn)方控制3 個(gè)檔位。5）水位傳感器采用3 套同型號(hào)水位傳感器與PLC 相連，3套傳感器采用3選2的表決方式?jīng)Q定水位信號(hào)的有效性和可靠性，PLC 程序經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)處理能夠完成表決計(jì)算和運(yùn)行。

1.3 系統(tǒng)安全裝置原理

防淹門安裝在地鐵隧道上端，通過(guò)啟閉設(shè)備控制其升降。為防止防淹門非正常關(guān)閉，在防淹門底端設(shè)置有承載的平板小車等安全鎖定機(jī)構(gòu)。正常情況下，防淹門由電動(dòng)鎖定裝置鎖定在檢修平臺(tái)上，防淹門落于小車上，確保防淹門不會(huì)下滑關(guān)門。

當(dāng)發(fā)生緊急事故需要關(guān)閉防淹門時(shí)，先通過(guò)安裝在防護(hù)區(qū)間隧道最低處內(nèi)的水位傳感器檢測(cè)水位，同時(shí)水位傳感器將檢測(cè)到的隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)水位值發(fā)送給控制柜內(nèi)的PLC。下面結(jié)合具體數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明：水位傳感器設(shè)在各防護(hù)區(qū)間隧道最低處區(qū)間的水泵房?jī)?nèi)，共設(shè)置3 套液位傳感器，控制系統(tǒng)按3 選2 的表決方式確認(rèn)水位報(bào)警信號(hào)。區(qū)間水位按四級(jí)監(jiān)視、兩級(jí)報(bào)警設(shè)置，區(qū)間最低處鋼軌底面以下100 mm 處為一級(jí)水位（此時(shí)區(qū)間隧道開(kāi)始出現(xiàn)集水），區(qū)間最低處鋼軌頂面以上60 mm 處為四級(jí)水位（此水位將危及列車行車）。一級(jí)與四級(jí)水位之間，水位高程差為336 mm（100 mm+鋼軌高度176 mm+60 mm）。一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)間水位差為+100 mm，三級(jí)、四級(jí)間水位差為136 mm。區(qū)間水位達(dá)到一級(jí)水位時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出區(qū)間水位預(yù)報(bào)警信號(hào)。區(qū)間水位達(dá)到四級(jí)水位或區(qū)間水位在一級(jí)與四級(jí)水位之間，但水位上漲速度≥系統(tǒng)設(shè)定的某一值（暫定100 mm/0.1 h）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向車控室及信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出區(qū)間危險(xiǎn)水位報(bào)警信號(hào)（水位上漲速度僅監(jiān)測(cè)平均水位上漲速度，各級(jí)水位高程和水位上漲速度屬可調(diào)參數(shù)）。從預(yù)報(bào)警水位起，PLC 根據(jù)水位傳感器發(fā)送的隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)水位值，自動(dòng)計(jì)算在設(shè)定時(shí)間內(nèi)水位的上漲值，計(jì)算出水位上漲速度，當(dāng)水位上漲速度超過(guò)設(shè)定值，即區(qū)間隧道列車運(yùn)行安全已受到威脅時(shí)，PLC 自動(dòng)將危險(xiǎn)報(bào)警水位發(fā)送至車控室以及綜合監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)需要關(guān)閉防淹門時(shí)，車控室向信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求關(guān)門信號(hào)，當(dāng)PLC 接收到信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送的允許關(guān)門信號(hào)時(shí)，PLC 自動(dòng)控制啟閉設(shè)備關(guān)閉防淹門。當(dāng)事故處理完畢后需要開(kāi)啟防淹門時(shí)，車控室向防淹門控制系統(tǒng)發(fā)送開(kāi)門信號(hào)，此時(shí)PLC 控制啟閉設(shè)備開(kāi)啟防淹門。

1.3.1 關(guān)門操作流程

具體流程包括9 步。1） 就地或者在車控室發(fā)送關(guān)門請(qǐng)求信號(hào)。 2） 信號(hào)系統(tǒng)檢測(cè)到隧道區(qū)間無(wú)列車且可以關(guān)閉防淹門時(shí)，發(fā)送關(guān)門允許信號(hào)。3）防淹門控制系統(tǒng)收到關(guān)門允許信號(hào)，開(kāi)始自動(dòng)關(guān)門操作。4）防淹門提升至全開(kāi)位置。5）擋板小車退回到原位。6）防淹門下降至全關(guān)位置。7）擋板小車推出至下壓位。8）下壓機(jī)構(gòu)下壓，直至下壓到位。9）控制系統(tǒng)發(fā)出防淹門全關(guān)且鎖閉信號(hào)，關(guān)門操作完成。

1.3.2 開(kāi)門操作流程

具體流程包括8 步。1）車控室發(fā)送開(kāi)門命令。2）防淹門控制系統(tǒng)收到開(kāi)門信號(hào)，開(kāi)始自動(dòng)開(kāi)門操作。3）下壓機(jī)構(gòu)收回至下壓收回位。4）擋板小車退至原位。5）防淹門提升至全開(kāi)位。6）擋板小車推出至托位。7）防淹門下降至小車上，確保防淹門不會(huì)非正常下落。8）控制系統(tǒng)發(fā)出防淹門全開(kāi)且鎖閉信號(hào)，開(kāi)門操作完成。

2 系統(tǒng)可靠性分析

主要從以下5 個(gè)方面進(jìn)行分析。1）實(shí)現(xiàn)了防淹門的自動(dòng)啟閉功能，發(fā)生事故時(shí)能夠緊急關(guān)閉，封閉過(guò)河隧道，保護(hù)地鐵線內(nèi)的列車等設(shè)備以及人身安全。2）研制的PLC 采用冗余熱備雙CPU 設(shè)計(jì)，一用一備，當(dāng)處于工作模式的CPU出現(xiàn)故障時(shí)，處于備用模式的CPU 自動(dòng)切換為工作模式，且切換為無(wú)擾動(dòng)切換，不影響系統(tǒng)運(yùn)行。并自動(dòng)切除故障模塊同時(shí)發(fā)出報(bào)警，以確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。3）系統(tǒng)采用地鐵供電系統(tǒng)和UPS 電源的雙電源設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)罔F供電系統(tǒng)停電時(shí)，控制柜內(nèi)自配的UPS 電源通過(guò)自動(dòng)切換電路自動(dòng)切換供電，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。4） 系統(tǒng)控制柜上設(shè)置了多個(gè)指示燈和觸摸屏，指示燈包括故障、水位報(bào)警指示、防淹門及安全小車狀態(tài)等，用來(lái)顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，觸摸屏用于查詢防淹門的啟閉時(shí)間和次數(shù)，故障報(bào)警統(tǒng)計(jì)等。5）系統(tǒng)設(shè)置了位置行程傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)防淹門啟閉過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置，可將防淹門的實(shí)時(shí)位置發(fā)送給PLC，PLC 根據(jù)防淹門的實(shí)時(shí)位置來(lái)啟閉設(shè)備并控制電動(dòng)鎖定裝置。

3 研究結(jié)果

防淹防護(hù)密閉門作為地鐵線路中最為重要的一道關(guān)卡，必須確保其可靠性。該文介紹的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)能較好地解決系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性、測(cè)量操控性、環(huán)境適應(yīng)性等問(wèn)題。其主要貢獻(xiàn)包括3 個(gè)方面。1）PLC 采用冗余熱備CPU 設(shè)計(jì)，確保控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行。PLC 上的部分關(guān)鍵控制流程采用不可清除模式固化在PLC 中，避免程序出現(xiàn)斷電丟失或電腦病毒感染，需要時(shí)直接調(diào)用處理。除具有數(shù)據(jù)采集和處理功能外，還具有故障自診斷功能，包括模件故障、接口故障、通信控制故障等，當(dāng)診斷出故障點(diǎn)時(shí)，能自動(dòng)閉鎖控制出口，并將故障信息發(fā)送至綜合監(jiān)控系統(tǒng)。2） 控制系統(tǒng)具有多種模式。包括就地檢修、就地和遠(yuǎn)方控制3 個(gè)檔位，能實(shí)現(xiàn)就地或者遠(yuǎn)程操作，方便維護(hù)檢修和緊急控制。3）控制柜表面設(shè)置了觸摸屏和多個(gè)指示燈，可實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警統(tǒng)計(jì)、顯示當(dāng)前工作狀態(tài)等功能。