故障安全技術在舉升裝置中的應用

周剛

（徐州地鐵運營有限公司，江蘇 徐州 221000）

舉升裝置的應用較為普遍,其包含固定式和移動式兩種形態(tài)，固定式舉升裝置能在列車不解開掛鉤的情況下進行列車運行狀態(tài)和功能檢修，為后期的運行管理提供支撐，檢修過程較為方便，精度較高，故應用十分廣泛。受諸多因素影響，固定式舉升裝置在使用中會出現(xiàn)故障，嚴重影響自身使用性能的發(fā)揮,新時期，要實現(xiàn)地鐵車輛運行狀態(tài)的有效管理，應進一步加大車輛段固定式舉升裝置故障的檢查和改進。

影響固定式舉升裝置操作安全性的因素有很多，因此，要對各方面因素進行全面的控制。一般情況下，在固定式舉升裝置操作的過程中，是受多項控制因素影響的，一旦這些控制因素的任意一項出現(xiàn)問題，都會對固定式舉升裝置的操作造成一定的影響，甚至引發(fā)地鐵列車運行的安全事故，為地鐵列車埋下安全隱患，因此，在固定式舉升裝置操作前，必須要先確定這些控制因素，并逐一進行檢測和完善，這也是保證固定式舉升裝置正常操作、防止列車出現(xiàn)安全隱患的關鍵因素。現(xiàn)階段，對固定式舉升裝置起到影響的控制因素主要有轉向架承載螺母、車體架承載螺母、防塵罩、減速錐齒輪箱、高撓性傳動軸、縫隙蓋板、承重結構、轉向架絲桿、轉向架感應傳感器、車體架負載限位開關、驅動電機、軸向絲桿軸承、潤滑泵等。為了保證固定式舉升裝置的作業(yè)安全，已有文獻利用物理原理、冗余設計、位置限定等思路對設備加裝安全裝置，通過軟硬件共同配合，來確保設備的安全穩(wěn)定運行。設備故障率是設備使用者所關心的最重要的指標之一，隨著科技的發(fā)展，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了很大的提高，其連續(xù)無故障運行時間也發(fā)生了翻天覆地的變化；但是，存在設備就必然會發(fā)生故障，而設備發(fā)生故障時，需要有一種技術將設備故障導向安全狀態(tài)，這種技術也就是故障安全技術。故障安全已經(jīng)是一種比較成熟的技術，其包含故障安全型處理器和故障安全模塊；此外，在系統(tǒng)外圍，包含故障安全型傳感器、故障安全型執(zhí)行器等；在設備設計過程中應用了故障安全理念，并符合故障安全要求，即可使設備達到一定的安全等級。

1 控制系統(tǒng)安全性能

故障安全型控制系統(tǒng)，通常分為三個子系統(tǒng)：檢測、評估和響應。可以簡單地理解為信號輸入子系統(tǒng)，邏輯控制子系統(tǒng)，輸出執(zhí)行子系統(tǒng)都應符合相應故障安全等級的要求。

（1）信號輸入子系統(tǒng)。現(xiàn)場信息的采集如用于緊急關閉的按鈕、安全門鎖和用于電機控制的光幕等；在舉升裝置中，主要指關鍵位置檢測信號和關鍵操作信號等，如極限位、升降控制按鈕等。

（2）邏輯控制子系統(tǒng)。安全輸入模塊采集傳感器的信號狀態(tài)并提供給故障安全型控制器，安全系統(tǒng)通過執(zhí)行用戶編寫的安全程序，將計算結果傳遞向安全的DO輸出模塊；在舉升裝置中，主要指故障安全型可編程邏輯控制器，即PLC。

（3）輸出執(zhí)行子系統(tǒng)。執(zhí)行安全模塊的輸出響應功能，如用于電機控制的接觸器、變頻器等；在舉升裝置中，主要指控制電機啟停的接觸器等輸出器件。

依據(jù)《ISO 13849-1:2006 Safety of machinery -Safety-related parts of control systems - Part 1:General principles for design》中關于故障安全性能等級的劃分，以及設備應用風險評估；舉升裝置整體控制系統(tǒng)性能應滿足PLd 等級安全需求。因此，控制系統(tǒng)各輸入、輸出等控制環(huán)節(jié)應按照PLe 等級要求進行設計。

舉升裝置控制系統(tǒng)采用Profinet 分布式控制系統(tǒng)架構形式，其CPU 采用西門子公司的S7-1500F 系列CPU，如圖1 所示。此外，大量采用了安全型輸入輸出模塊。設備所采用的安全模塊最高能滿足PLe 安全等級要求，并經(jīng)過國際安全認證機構認證，符合當前最新的國際安全標準要求，適用于絕大多數(shù)安全要求較高的場合。西門子公司的故障安全型PLC性能先進、可靠性極高。

圖1 控制算法中關于故障安全功能塊應用（急停和安全門鎖）

故障安全系統(tǒng)中的功能安全主要是通過安全型CPU和安全信號模塊以及下載到CPU 中的安全程序實現(xiàn)的，在發(fā)生危險事件時，控制系統(tǒng)執(zhí)行安全功能將系統(tǒng)切換到或保持在安全狀態(tài)，從而避免人、設備受到損害。故障安全CPU 同時執(zhí)行標準用戶程序和安全程序。安全程序由一個或多個安全運行組(F-runtime group)構成，每個安全運行組有一個安全組織塊(Fail-safe organization block)。安全組織塊實際上是循環(huán)中斷組織塊(Cyclic interrupt organizaton block)，由操作系統(tǒng)周期性調用。

此外，在控制算法中，所應用的所有涉及安全性能的功能及功能塊均經(jīng)過安全機構認證，如圖1 所示，能夠有效保護設備及操作人員的安全；設備控制系統(tǒng)中，采用了安全急停（E-STOP）控制算法、安全門（SFDOOR）控制算法等。

故障安全型分布式控制系統(tǒng)中，其通訊也必須符合安全性要求的。在舉升裝置中，安全CPU 中的安全運行程序和安全輸入輸出模塊之間數(shù)據(jù)交互采用的是PROFIsafe 安全通信，它是在標準的PROFINET 物理總線的基礎上進行的。PROFIsafe 安全通信在標準數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程中，附加了安全措施的安全功能用戶數(shù)據(jù)；其最高可實現(xiàn)SIL3(IEC61508)故障安全等級。

2 檢測系統(tǒng)安全性能

舉升裝置共包含上極限位、下極限位、螺母磨損、螺母脫開、輪對到位、人孔門等6 種關鍵位置檢測開關；包含轉向架上升、轉向架下降、車體上升、車體下降等4 種關鍵動作指令；在控制系統(tǒng)中，要求上述關鍵位置檢測信號和關鍵動作指令信號滿足故障安全設計要求。上述輸入信號傳感器采用1oo2 雙通道異步接線形式，并進行短路檢測，能夠達到PLe 等級要求，如圖2 所示。

圖2 1oo2 雙通道異步設置示意圖

在檢測系統(tǒng)中，將全部安全相關故障信息接入安全模塊中，包括上下極限報警、螺母磨損脫扣報警等故障檢測，以及上升、下降等控制指令信號。同時，檢測傳感器也使用符合安全標準要求的設備，包括急停按鈕，限位檢測開關、磨損脫開檢測開關、人孔門檢測開關等。

3 執(zhí)行機構安全性能

設備執(zhí)行機構中，動力控制部分大量使用了雙線圈控制，一個點的兩個線圈中有任何一個線圈不能正常導通，設備都不能執(zhí)行相應動作；只有兩個線圈同時導通，設備的相應動作才會執(zhí)行。采用此種控制方式，可避免執(zhí)行故障條件下不能有效停止運行的問題，極大地提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，使執(zhí)行機構安全等級可達到PLe 等級要求。

此外，在安全相關的控制功能，大量使用了符合國際安全標準要求帶有強制導功能的中間繼電器，如歐姆龍公司的帶強制導向點的安全繼電器。

4 舉升裝置的使用

設備包含主控制臺、分控箱、旁路控制器、現(xiàn)場控制器、轉向架舉升裝置、車體舉升裝置等部分組成。

（1）通過轉向架架升系統(tǒng)架升1 ～3 輛編組列車。將需要檢修的列車準確停在架車位上，觸摸屏上顯示輪對檢測狀態(tài)；選擇當前需要架升的車輛，按下“電鈴預警”按鈕，警告現(xiàn)場工作人員準備架車；現(xiàn)場作業(yè)人員發(fā)出上升允許指令信號，按下面板上的“轉向架上升”按鈕，轉向架架升系統(tǒng)托舉輪對，架起3 輛編組的整列車。（2）車體架升系統(tǒng)上升。現(xiàn)場作業(yè)人員發(fā)出上升允許指令信號，按下面板上的“車體上升”按鈕，車體架升系統(tǒng)開始上升，當車體架升系統(tǒng)上升到托頭與車體接觸時，自動停止。（3）現(xiàn)場模式轉向架架升系統(tǒng)下降（拆卸轉向架）。在觸摸屏上選擇已拆解的轉向架，按下現(xiàn)場控制器的“轉向架下降”按鈕，對應坑內的轉向架舉升系統(tǒng)開始下降，轉向架下降到下限位自動停止，并推出轉向架。注：單坑模式下轉向架下降，要求所在坑的2 個車體托頭接觸信號必須全部有效，控制系統(tǒng)認定車體可有效支撐車輛，方可允許單坑模式下轉向架下降操作。（4）現(xiàn)場模式轉向架架升系統(tǒng)上升（安裝轉向架）。將需要安裝的轉向架推入正確的架車位置，在觸摸屏上選擇要安裝的轉向架；按下現(xiàn)場控制器的“轉向架上升”按鈕，對應坑內的轉向架舉升系統(tǒng)開始上升，將轉向架舉升到對應的2 車體托頭脫開高度后，安裝轉向架。將所有需要安裝的轉向架按此步驟依次安裝完畢。（5）轉向架高度調平。在觸摸屏上點擊“轉向架更換完成”按鈕，系統(tǒng)自動記錄此時最大高度，并以此高度為同步起點；現(xiàn)場作業(yè)人員發(fā)出上升允許指令信號，按下面板上的“轉向架上升”按鈕，轉向架架升系統(tǒng)托舉輪對到該最大高度后自動停止；全部轉向架到達該舉升高度后轉向架舉升裝置達到同步要求。繼續(xù)舉升轉向架舉升裝置直至車體托頭脫開后停止上升。（6）車體架升系統(tǒng)下降。現(xiàn)場作業(yè)人員發(fā)出下降允許指令信號，按下面板上的“車體下降”按鈕，車體舉升系統(tǒng)開始下降，下降至下限位自動停止。注：全部托頭接觸信號消失后，方可進行以下步驟。（7）轉向架架升系統(tǒng)下降。現(xiàn)場作業(yè)人員發(fā)出下降允許指令信號，按下面板上的“轉向架下降”按鈕，轉向架舉升系統(tǒng)開始下降，此時，已檢修完成車輛隨轉向架舉升系統(tǒng)的下降而下降，直至下降至柜面后停止。

5 其他

在故障安全型控制系統(tǒng)中，為了保護人員的操作安全，我們將人孔蓋板檢測機構接入故障安全控制系統(tǒng)。一旦人孔蓋板打開，坑內所有執(zhí)行機構停機，其控制電源斷電，能夠有效地保護坑內作業(yè)人員的安全。在設備檢修間斷，如需在坑內有的情況下進行緊急檢修作業(yè)；設備還提供緊急檢修授權鑰匙開關，相關作業(yè)人員需到安全管理部門取得緊急檢修授權鑰匙開關并進行備案；只有在使用緊急檢修授權鑰匙開關時，坑內執(zhí)行機構才可在人孔蓋板打開的條件下動作。故障安全型控制系統(tǒng)用于舉升裝置中，使其具有較高級別安全要求，對生產過程進行控制，當發(fā)生意外操作或故障時，控制系統(tǒng)可以立即進入安全狀態(tài)。這些過程受故障安全系統(tǒng)控制，控制系統(tǒng)的安全狀態(tài)不會危及人員或環(huán)境。

6 結語

人們生活離不開地鐵等軌道列車，在地鐵軌道車輛運行中車輛發(fā)生故障不可避免，為不影響乘車出行，需將故障列車分離出來進行檢修，固定式舉升裝置是分離故障車輛，并進行檢修的重要載體，在固定式舉升裝置使用中，工作人員只有充分認識到舉升裝置的作用，并結合實際應用情況，分析舉升裝置故障形成原因，提出解決方案，系統(tǒng)化的制定檢修車輛規(guī)程，才能提升車輛段固定式舉升裝置檢修和應用水平，推動城市軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展。