技术交流

PSS4000控制系统在新一代索道中的应用
时间:2021-05-02 浏览次数:
内容类型:技术交流

作者:赵忠强

国家高山滑雪中心的C号索道(下称:C索)是多贝玛亚公司的UNI G型索道产品,与国家高山滑雪中心其他的几条多贝玛亚公司的索道一样均采用了PSS40001.1电控系统,该型电控系统是多贝玛亚基于皮尔兹公司的PSS4000型安全PLC研发的一款索道控制系统,全面接替了上一代PSS3000索道电控系统。2018年桃花源索道新设备采用的是PSS3000系统的最高版本,2019年建设的国家高山滑雪中心——2022年北京冬奥会高山滑雪赛场的索道大多数采用了PSS4000电控系统,多贝玛亚公司作为世界索道行业的翘楚,其索道电控系统在迭代,也标志着主流索道新型的电控系统将快速走向新高度。

PSS4000控制系统给我的第一印象是控制系统实现了多中心分布式控制。在C索的控制室、动力室、站内支撑架、车库中均设有多面控制柜,每一个重要的或可以作为独立布置的部位都设有PSS4000 u单元,用于实现就地自动控制;而这些PSS4000 u单元又通过工业控制网络联系在一起形成以中央控制单元PLC为核心的电控系统,每个控制点的PLC都独立运行各自独立的功能,又在中央控制PLC的协调下步调一致的作业,实现对索道的运行控制、安全监测、故障诊断等等控制功能,强大而又灵巧。  

图 1C索的网络示意图

 如图1所示在C索的电控系统中驱动、迂回两站通过光纤、路由器、交换机等基础网络组件构成了索道的分布式电控网络。对比两站的设备配置:驱动站多出了主动力系统、制动与紧急驱动系统,而迂回站则多出了液压张紧系统、车库系统。其中车库系统采用倍福PLC实现自动、半自动、手动操作模式下的车库运行控制,同样具备位置控制、速度控制、环境控制(温度、湿度检控)、安全检测与报警、网络通讯等功能。图2是主控柜内的网络基础设备,它们是构成索道两站各级VLAN,连接两站以及外部通讯网络的部分硬件。

图 2主控柜内的网络基础设备

电控系统中各个控制单元都有独自的PLC,可以实现相应的控制功能和必要的通讯。以迂回站的“站内辅助驱动设备控制单元”为例,此单元具备对站内道岔1的运动控制与位置检测功能、站内弯道处力矩补偿变频电机在主驱动和紧急驱动工况下的调速控制与安全保护功能、张紧电动机的启停控制、站内防雪门的运动控制与位置检测、驱动模式识别、网络通讯等功能。该单元的PLC通过93A1PLC以太网交换机)与主控PLC联络,接受操作指令、反馈信息。比如操作站内道岔的流程:主控PLC收到操作按钮的指令后根据运行的安全条件去判断是否允许道岔操作,如复合安全条件则主控PLC向站内辅助驱动设备控制单元的PLC下达操作指令,当道岔按照站内辅助驱动设备控制单元的PLC内的运动控制程序完成所有动作后,站内辅助驱动设备控制单元的PLC检测到各轨道就位向主控PLC发送道岔“到位”的信息,如果在这一运动过程中再次按下控制道岔的按钮则主控PLC向站内辅助驱动设备控制单元的PLC发出“道岔运动停止”的指令,道岔立即停止运动。这一过程还受索道运行模式选择的限制,当主控系统选择了索道以“载客”模式运行时道岔控制按钮的操作无效,只有选择了“维修”模式的“收车”或“发车”时道岔控制按钮的操作才会有效。道岔的操作看似是一个简单的运动控制过程,但是在PSS4000系统中将其细分成:控制决策、状态控制、多组件系统的运动控制、安全防护、操作容错等各个环节,更加优化了操作的安全性、便捷性。如果采用PSS3000系统集中控制的信息传递方式和电气配线方式则需要在弯道区与控制室之间连接数十根电线,采用PSS4000信息化分布式控制系统后站内辅助驱动设备控制单元作为一个独立的单元布置到弯道区的350A1电气柜中,除了必要的主电源线、网线以外就是为数很少辅助线路,大大减小了布线的距离、数量和难度,让复杂的控制系统变得简洁,让不可能实现的功能变得轻而易举。

图 3PSS4000系统PLC

同样的例子还有,车库的控制系统如果不采用PSS4000的架构而是采用PSS3000集中控制的方式要从控制室向车库连接数百根线路,用以给十余台电机、电机风扇、电机转速编码器、十几个接近开关、数十个开关等等设备与控制点配置动力线、控制线、信号线,其工程的复杂程度可见一斑。如今使用PSS4000系统的分布式控制系统后车库的PLC承担起本地运动控制功能,同时配合主控PLC完成与索道其他单元的协调运动控制、安全控制等动作,而且只需要通过网络从主控PLC获取吊厢间距数据,通过信号变送器、比较器获取索道的运行速度,通过安全信号线路获取或发送复位、开车、停车等信号即可安全、便捷地控制车库设备实现各项功能。车库电控系统的倍福PLC如下图:

图 4车库电控系统的PLC

信息化也让索道的安全性大为提高,由于上述方式有效地节约了大量布线空间和投资成本,添加更多的安全冗余更加可行。例如“维修闭锁开关”在过去的系统中通常采用一个具有一组常闭触点的旋钮开关作为检测开关,其优点是只需要配2根导线即可完成功能,其缺点是存在“误闭合”的可能,这一缺点致使“维修闭锁开关”从正常状态转为断开状态的操作没有校验,一旦两根配线发生短路,该开关的安全保护功能就会丧失,而且不容易被监测出来,形成安全隐患。新型“维修闭锁开关”更名为“维护开关”,结构以及其应用方式、控制理念也发生巨大改变。如下图5所示:

图 5维护开关的结构与应用

该开关内置4组触点需要外接8根配线,可以实现3种控制状态。在0位是所有驱动均不能运行;在1位是仅可以驱动辅助设备,如道岔、升降站台等;在2位是既可以运行辅助驱动也可也运行主驱动。并且从2位拨至1位后直接拨回2位PLC将认定是“无效操作”,必须从1位拨至0位再依次拨回1位和2位PLC才会认可“释放辅助驱动+系统”的状态。这一过程中校验了各配线是否短路、断路,开关是否正常,人员操作是否是主观意图(排除误操作,提高操作的安全冗余),从器件(设备)、人员、操作三个层面提高了设备的本质安全性;但是其配线数量也非常多,所需要的PLC检测端口也多达8个,这就需要控制系统有充分的资源供给;PSS4000的架构形式用本地化控制加SafeyNET P网络通讯的方式更加有效地整合利用有限的资源,很好地解决了这一矛盾。

SafeyNET P实时以太网通讯是皮尔兹公司研发的一种安全型工业通讯协议,适用于对安全性要求高的工业控制领域。它把通讯分为“安全通讯”和“非安全通讯”两部分,放在同一条电缆中传输,不仅可以通过交换机、路由器等网络与具有相同协议的PLC组成骨干网络,还可以连接Ethernet/IP、EtherCAT、Modbus TCP Profinet和Profibus-DP,通过网关与第三方连接成控制系统。这些特点使PSS4000应用更加灵活、可靠,具有了很强的兼容性、扩展性以及模块化,从而可以将来自不同供应商的设备、不同组合的设备模块、不同功能的系统单元有机地结合起来实现安全可靠的实时控制。

观察C索的电控系统可以感受到,在PSS3000系统中需要使用PSS3047独立运行控制的RPD功能单元在PSS4000系统中已经是主控PLC系统中的一个子程序,所涉及的通讯、供电、检测、故障诊断、档案等等均融入到PSS4000的系统中;它既是PSS4000控制系统可扩展性和兼容性的例证也是PSS4000强大计算能力和资源配置能力的例证。C索的直流电源管理单元和车库单元中使用了倍福PLC,站内使用了POE电话,网络使用了WLAN,涉及的通讯协议、器件、检测手段等等很好地展示了PSS4000系统依托SafeyNET P协议独特的安全性和网络兼容性在跨类别优化资源配置方面的强大能力。

在PSS4000系统中可以使用PMI停用部分安全监测功能,方便消除因安全监控设备发生故障导致的“误报警”、“误动作”,确保索道在特殊情况下的运行安全。打开PMI界面上的“停用”菜单,可以看到若干个折叠的下拉菜单,根据需要打开菜单选定将要停用的项目,确定后系统在自动屏蔽该项目同时限定索道的安全运行速度(共分4个安全运行等级)。以往遇到类似的运行情况,维修人员需要先人工排除信号故障,再人工监护运行或启用紧急驱动;不仅对维修人员能力要求高、操作难度大、耗时长,还容易发生误操作、违规超限操作留下安全隐患,PSS4000具备此功能后从技术与设计层面解决了这一系列的问题,索道的操作、维修更安全更便捷,索道运行管理的本质安全性也大为提高。图6所示是C索PMI的“停用”界面

图 6C索PMI的“停用”界面


模块化是PSS4000不得不说的一个特点,也正是基于模块化,PSS4000在分布控制和系统整合、系统调试、功能修改等方面凸显优势。还是以C索迂回站的控制系统为例,它的几个功能模块均可以在PAS4000下独立调试、单独修改达到要求后再进行系统调试。例如运载索张紧系统的控制预测量功能可以在“站内设备控制单元”进行调试,动力电机的启、停、转向可以在“辅助驱动单元”进行调试,两方均合格后再进行联合调试。模块化的结构使得在调试过程中,一旦发现程序或硬件配置不妥可以很方便的对这一单元进行局部修改,无需对整个系统进行修改;另外如果发现某一被系统反复使用的功能模块有参数需要修改,可以通过修改其中一个模块的参数,然后在整个系统进行替换即可完成全系统的修改;相反如果同一模块在不同位置的应用要求不同也可以单独去修改,很好地适应不同场景下的系统运行要求,给系统设计、安装调试、设备升级带来便利条件。

信息化让PSS4000的人机界面更友好。国家高山滑雪中心所有PSS4000系统的索道,人机交互都采用了可视化的PMI(触摸屏)终端并且配备了移动PMI终端,操作人员可以非常直观的通过这一界面完成对设备运行数据的查看、调取、设置、修改、拷贝,也可以便捷的调取故障信息、运行档案,非常方便;特别是移动PMI终端以常用PAD为载体,功能全面而小巧便携,可以很方便的在作业现场使用它查看设备的运行参数、控制运行状态,甚至可以随时调取设备的图纸资料、检测方法、历史数据等,可以说很方便很实用。如至图7图11所示。

图 7用平板电脑做无线移动终端

图 8移动终端与PMI都可以调阅故障信息存档

图 9可以在终端查阅图纸

图10故障停车信息较为完善

图 11直观生动的运行数据界面



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