移動式架車機(jī)西門子PLC 控制程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

張清濤

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511430）

0 引言

廣州地鐵三北線嘉禾車輛段YJC16t 移動式架車機(jī)為中鐵工程設(shè)計(jì)院有限公司制造， 于2010 年投入使用，用于二號線、三北線電客車的架車作業(yè)，整套移動式架車機(jī)包含一個(gè)控制臺和十二架車機(jī)單體，可單機(jī)手動操作、四臺架車機(jī)單體聯(lián)機(jī)操作、 十二臺架車機(jī)單體聯(lián)機(jī)操作三種基本操作模式，滿足現(xiàn)場A、B 型車的單節(jié)車、三節(jié)車架車作業(yè)，以及設(shè)備維修作業(yè)需求。 YJC16t 移動式架車機(jī)采用西門子PLC 可編程控制器為總控制器，負(fù)責(zé)12臺架車機(jī)的上升、下降控制，同時(shí)對12 臺架車機(jī)的高度值進(jìn)行時(shí)時(shí)分析判斷，確保12 臺架車機(jī)同一組內(nèi)、組與組之間的高度差在允許范圍內(nèi)， 實(shí)現(xiàn)所有架車機(jī)的同步上升、 下降， 避免出現(xiàn)架車過程中個(gè)別架車機(jī)過高或過低，導(dǎo)致架車機(jī)頂翻列車或列車失穩(wěn)傾覆的事故。 但該移動式架車機(jī)在設(shè)備操作和架車安全防護(hù)的程序設(shè)計(jì)上存在一定的缺陷，包括確認(rèn)按鈕、遠(yuǎn)控手柄和主控制臺上升下降按鈕自保持、 清零開關(guān)和編碼器或連軸節(jié)故障時(shí)無法及時(shí)報(bào)警停機(jī)等，存在一定的安全隱患，為保障架車作業(yè)時(shí)設(shè)備安全和人員安全， 需要對移動式架車機(jī)PLC 控制程序進(jìn)行優(yōu)化。

1 移動架車機(jī)同步控制介紹

在架車作業(yè)中， 由于每臺架車機(jī)的升降速度略有差異，一旦長時(shí)間架車，車體將出現(xiàn)傾斜，嚴(yán)重時(shí)將損壞車體間的車鉤甚至出現(xiàn)車體墜落， 易造成人員傷亡和設(shè)備損壞， 因此在架車作業(yè)中保證架車機(jī)組的同步升降動作尤為重要。 可編程控制器PLC 通過一系列的運(yùn)算指令實(shí)現(xiàn)對移動式架車機(jī)各個(gè)單體高度精確的同步控制， 使所有架車機(jī)在抬升或下放列車時(shí)始終處于同一高度， 有效避免了電客車傾斜事故的發(fā)生[1]。

移動式架車機(jī)組聯(lián)動時(shí)， 系統(tǒng)對十二臺架車機(jī)各個(gè)單位的高度值進(jìn)行比較， 若同組四臺架車機(jī)的高度差在4～8mm 內(nèi)或三組架車機(jī)的平均高度差在4～10mm 內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)（系統(tǒng)調(diào)節(jié)），調(diào)節(jié)方式為上升時(shí)高度值大的架車機(jī)停止動作，等待高度值小的架車機(jī)；下降時(shí)高度值小的架車機(jī)停止動作，等待高度值大的架車機(jī)，待差值≤2mm 時(shí)，再同步上升或下降，若同組四臺架車機(jī)的高度差超出8mm 或三組架車機(jī)的平均高度差超出10mm，聯(lián)動功能失效系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，只能進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，使列車達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

2 存在隱患及優(yōu)化目標(biāo)

2.1 操作按鈕功能程序優(yōu)化

移動式架車機(jī)上升、下降按鈕操作均無需常按，例如點(diǎn)按一下上升，架車機(jī)會一直上升，直至點(diǎn)按停止按鈕，上升、下降的啟停需要切換不同按鈕，存在發(fā)現(xiàn)異常后無法及時(shí)停機(jī)的隱患。

需對確認(rèn)按鈕、 遠(yuǎn)控手柄和主控制臺上升下降按鈕自保持改為常按，將確認(rèn)按鈕、單組遠(yuǎn)控手柄和控制臺的上升及下降的操作優(yōu)化為常按， 而不是只按一次就一直有效，直至按下停止按鈕。 通過程序優(yōu)化確保停機(jī)及時(shí)。

2.2 清零開關(guān)故障判斷程序優(yōu)化

移動式架車機(jī)托頭處設(shè)置有清零開關(guān)， 用于聯(lián)機(jī)過程中在托頭托住車底后停止、清除高度數(shù)據(jù)，待所有單機(jī)的托頭均托住車底后，即所有清零開關(guān)均有信號了，再聯(lián)機(jī)一起托起電客車， 確保所有架車機(jī)單體在聯(lián)機(jī)上升前托頭均能有效接觸到車底， 避免因個(gè)別托頭未有效接觸車底導(dǎo)致電客車上升不平衡。若有一個(gè)清零開關(guān)故障，因?yàn)樵撛O(shè)備無清零信號， 聯(lián)機(jī)上升時(shí)系統(tǒng)會誤判該架車機(jī)的托頭還未托住車底，該架車機(jī)會一直上升，而其它有清零信號的架車機(jī)會停止上升， 一直上升的架車機(jī)存在將電客車頂翻的隱患。

需增加架車機(jī)托頭處清零開關(guān)故障的保護(hù)程序。 聯(lián)機(jī)上升或下降過程中， 某一組架車機(jī)只要出現(xiàn)一臺機(jī)的清零開關(guān)接觸到或脫離車底，5 秒內(nèi)應(yīng)當(dāng)組內(nèi)所有清零開關(guān)接觸到或脫離車底，否則停機(jī)報(bào)警、不能繼續(xù)操作。確保不因清零開關(guān)故障導(dǎo)致相應(yīng)的架車機(jī)一直上升或下降，進(jìn)而引發(fā)電客車傾覆的事故。

2.3 編碼器和連軸節(jié)故障判斷程序優(yōu)化

移動式架車機(jī)的電機(jī)設(shè)置有編碼器及連軸節(jié)， 用于將電機(jī)、絲桿的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換為脈沖，使控制器能計(jì)算出架車機(jī)的上升高度，同時(shí)架車機(jī)設(shè)置有同步控制程序，例如單組內(nèi)四臺架車機(jī)上升時(shí)若最大高度差達(dá)4mm， 最低的架車機(jī)保持上升其他三臺停機(jī)等待， 待高度差小于4mm后四臺機(jī)恢復(fù)同步上升。若有一臺架車機(jī)的編碼器故障，其高度值會一直為0， 高度差達(dá)4mm 后其他機(jī)停機(jī)等故障機(jī)，而故障機(jī)會因?yàn)檎`判為上升/下降最慢而一直上升/下降，進(jìn)而引發(fā)電客車傾覆的事故[2]。

需增加編碼器及連軸節(jié)故障保護(hù)程序。 聯(lián)機(jī)上升或下降過程中某一組架車機(jī)中出現(xiàn)三臺機(jī)等一臺機(jī)時(shí)，5s內(nèi)應(yīng)當(dāng)恢復(fù)全部運(yùn)行或全部停機(jī)的狀態(tài)，否則停機(jī)報(bào)警、不能繼續(xù)操作。 確保不因編碼器或連軸節(jié)故障導(dǎo)致相應(yīng)的架車機(jī)一直上升或下降[3]。

3 程序優(yōu)化

3.1 確認(rèn)按鈕、 遠(yuǎn)控手柄和主控制臺上升下降按鈕自保持改為常按的優(yōu)化

移動式架車機(jī)控制臺按鈕及對應(yīng)輸入點(diǎn)如下， 聯(lián)動I0.3、上升I0.5、下降I0.6、停止I0.7、架車確認(rèn)I1.4（由一人在控制臺對側(cè)使用確認(rèn)手柄進(jìn)行安全確認(rèn)）。

3.1.1 單組架車的優(yōu)化

第一組單動上升程序段中，刪除上升保持程序，保留遠(yuǎn)控一組上升互鎖點(diǎn)Q35.6，實(shí)現(xiàn)一旦確認(rèn)按鈕或主控制臺上升按鈕松開時(shí)，立即停機(jī)，并且當(dāng)遠(yuǎn)控操作上升時(shí)控制臺無法操作上升[4]，見圖1 和圖2。

圖1 一組單動上升輸出改造前

圖2 一組單動上升輸出改造后

第一組遠(yuǎn)控上升程序段中，刪除上升保持程序，保留主控一組上升互鎖點(diǎn)Q30.2，實(shí)現(xiàn)一旦確認(rèn)按鈕或遠(yuǎn)程線控手柄上升按鈕松開時(shí)，立即停機(jī)，并且控制臺操作上升時(shí)不允許遠(yuǎn)控操作上升，見圖3 和圖4。

圖3 一組遠(yuǎn)控上升輸出改造前

圖4 一組遠(yuǎn)控上升輸出改造后

第一組單動下降、 第一組遠(yuǎn)控下降、 第二組單動上升、第二組遠(yuǎn)控上升、第二組單動下降、第二組遠(yuǎn)控下降、第三組單動上升、第三組遠(yuǎn)控上升、第三組單動下降、第三組遠(yuǎn)控下降程序段的修改與上述的修改類似。

3.1.2 兩組架車的優(yōu)化

第一二組上升、下降程序段中，刪除上升和下降保持程序， 實(shí)現(xiàn)一旦確認(rèn)按鈕或主控制臺上升下降按鈕松開時(shí)，立即停機(jī)。第二三組上升、下降程序人修改與此類似，見圖5 和圖6。

圖5 第一二組上升下降輸出改造前

圖6 第一二組上升下降輸出改造后

3.1.3 三組架車的優(yōu)化

一二三組上升程序段中，刪除上升保持程序，實(shí)現(xiàn)一旦確認(rèn)按鈕或主控制臺上升按鈕松開時(shí)，立即停機(jī)。下降程序段的修改與此類似，見圖7 和圖8。

圖7 一二三組上升輸出改造前

圖8 一二三組上升輸出改造后

3.2 增加清零開關(guān)故障保護(hù)程序

在FC16 故障報(bào)警功能塊中增加程序段12-18。 聯(lián)機(jī)上升或下降過程中只要出現(xiàn)一臺架車機(jī)托頭的清零開關(guān)接觸到或脫離車底，5s 內(nèi)所有清零開關(guān)應(yīng)當(dāng)接觸到或脫離車底， 否則判斷為某個(gè)清零開關(guān)故障， 架車機(jī)停機(jī)報(bào)警、不能繼續(xù)操作。確保不因清零開關(guān)故障導(dǎo)致該臺架車機(jī)一直上升或下降。

硬件方面，需要將12 臺架車機(jī)清零開關(guān)的信號線接至備用的PLC 輸入口， 一組對應(yīng)I11.2-I11.5， 二組對應(yīng)I13.0-I13.3，三組對應(yīng)I13.4-I13.7，見圖9。

圖9 接線電路圖

第一組運(yùn)行過程中（運(yùn)行狀態(tài)Q26.3），有一個(gè)及以上清零開關(guān)接觸到或脫離車底， 即四個(gè)清零開關(guān)狀態(tài)不一致時(shí)，使能定時(shí)器T110，開始計(jì)時(shí)5s。 第二組和第三組與此類似，分別使能定時(shí)器T111、T112，均定時(shí)5s（架車機(jī)上升速度為200mm/min，5s 上升高度約16.7mm），見圖10。

圖10 清零開關(guān)啟動定時(shí)器

當(dāng)?shù)谝唤M架車機(jī)清零開關(guān)全接觸到車底或全脫離車底，正常狀態(tài)，復(fù)位倒數(shù)定時(shí)器T110，停止倒計(jì)時(shí)。 第二組和第三組與此類似，分別復(fù)位定時(shí)器T111、T112，見圖11。

圖11 清零開關(guān)復(fù)位定時(shí)器

聯(lián)機(jī)運(yùn)行過程中某一組有一個(gè)及以上清零開關(guān)接觸到車底，倒計(jì)時(shí)5s 了該組還沒全部接觸車底或全部脫離車底，輸出Q5.0，報(bào)警停機(jī)，見圖12。

圖12 清零開關(guān)的定時(shí)器輸出報(bào)警停機(jī)

3.3 增加編碼器故障保護(hù)程序

聯(lián)機(jī)上升或下降過程中某一組架車機(jī)中出現(xiàn)三臺機(jī)等一臺機(jī)時(shí)，5s 內(nèi)應(yīng)當(dāng)恢復(fù)全部運(yùn)行或全部停機(jī)的狀態(tài)，否則判斷為某一臺機(jī)的編碼器或連軸節(jié)故障， 架車機(jī)停機(jī)報(bào)警、不能繼續(xù)操作。確保不因編碼器或連軸節(jié)故障導(dǎo)致相應(yīng)的架車機(jī)一直上升或下降。

第一組聯(lián)機(jī)運(yùn)行過程中， 如果只有一臺機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，即處于最低或最高位，其他機(jī)停機(jī)等待該臺機(jī)時(shí)，啟動定時(shí)器T113。 第二組和第三組也設(shè)置了類似的定時(shí)器監(jiān)控程序，分別對應(yīng)定時(shí)器T114、T115[5]，見圖13。

圖13 一組電機(jī)等待狀態(tài)啟動定時(shí)器

第一組四臺機(jī)都處于運(yùn)行或停止，并且未超過5s 倒計(jì)時(shí)（通過Q5.0 是否輸出判斷是否超5s），則復(fù)位定時(shí)器T113。 第二組和第三組定時(shí)器T114 和T115 的復(fù)位條件與此一致[6]，見圖14。

圖14 一組電機(jī)等待狀態(tài)復(fù)位定時(shí)器

當(dāng)三組中有某一臺機(jī)在最高或最低位一直處于運(yùn)行狀態(tài)，被其他三臺停機(jī)等待超5s，即自動調(diào)整超過5s 時(shí)，判斷為該臺機(jī)的編碼器或連軸節(jié)故障，架車機(jī)報(bào)警停機(jī)，見圖15。

圖15 電機(jī)等待狀態(tài)的定時(shí)器輸出報(bào)警停機(jī)

4 結(jié)束語

本文所論述程序優(yōu)化設(shè)計(jì)， 主要是通過合理選用西門子PLC 程序指令中的定時(shí)器的類型， 并設(shè)置相應(yīng)的定時(shí)器啟動、復(fù)位、輸出的程序邏輯，對確認(rèn)按鈕、單組遠(yuǎn)控手柄和主控制臺的上升下降按鈕改為常按操作的程序優(yōu)化、增加架車機(jī)托頭處的清零開關(guān)故障保護(hù)程序、增加編碼器及連軸節(jié)故障保護(hù)程序。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，此次程序優(yōu)化使嘉禾車輛段YJC16t 移動式架車機(jī)的安全保護(hù)性能更加完善， 保障了現(xiàn)場作業(yè)過程中作業(yè)人員的人身安全和電客車及設(shè)備的安全，消除安全隱患。