城市軌道交通站臺(tái)安全門系統(tǒng)門控制單元設(shè)計(jì)

闞庭明，王富章，魏 奇

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

0 引言

城市軌道交通站臺(tái)安全門系統(tǒng)是一種專用于地鐵站臺(tái)的防護(hù)性系統(tǒng)。通過安全門的控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地鐵列車的車門與該系統(tǒng)站臺(tái)安全門中的活動(dòng)門之間的同步操作。列車未到站時(shí)，站臺(tái)安全門關(guān)閉，將候車旅客與軌道隔離開；在列車到站以后，站臺(tái)安全門的活動(dòng)門與列車車門同步打開，乘客可以通過活動(dòng)門直接出入列車車廂，為候車旅客提供了絕對(duì)的安全保障。站臺(tái)安全門控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通站臺(tái)安全門設(shè)備的精確控制，是一個(gè)復(fù)雜的分布參數(shù)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集建筑、機(jī)械、電子和控制等科學(xué)于一體，對(duì)信息傳遞速率、同步性、系統(tǒng)可靠性和電磁兼容性等方面的要求十分嚴(yán)格。控制系統(tǒng)中，最核心的部件是門控制單元（Door Control Unit, DCU）。

1 站臺(tái)安全門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

站臺(tái)安全門控制系統(tǒng)主要由中央接口盤PSC、就地控制盤PSL、門控單元DCU、通訊介質(zhì)及通訊接口等設(shè)備組成。其中：

1）中央控制盤(PSC)是整個(gè)安全門控制系統(tǒng)的核心，收集并處理來自各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的控制／狀態(tài)/事件信息，并將處理后的控制／狀態(tài)/ 事件信息傳向各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。

2）就地控制盒(PSL)是列車駕駛員與安全門系統(tǒng)交互的設(shè)備，用于在非正常狀態(tài)下(比如信號(hào)系統(tǒng)故障) 或緊急狀態(tài)下由列車駕駛員實(shí)現(xiàn)對(duì)安全門的操作。

3）門控制單元(DCU)是現(xiàn)場(chǎng)控制單元，執(zhí)行來自PSC 的控制命令，收集來自現(xiàn)場(chǎng)及自身的狀態(tài)信息，并將此信息傳向PSC。

4）控制系統(tǒng)將系統(tǒng)的控制及監(jiān)視集中進(jìn)行處理，系統(tǒng)中重要的控制命令及狀態(tài)信號(hào)通過硬線進(jìn)行連接，系統(tǒng)中其他的事件及狀態(tài)信息則通過通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。

2 DCU控制原理

DCU對(duì)電機(jī)的控制方式為電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速。DCU輸入端為30V，DC，內(nèi)部采用一個(gè)橋式電路進(jìn)行PWM斬波輸出所需要的直流控制電壓。

1）傳動(dòng)系統(tǒng)描述

門機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)為典型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。主要由：

（1）主回路系統(tǒng)：由整流器UR，逆變器UPEM，電動(dòng)機(jī)組成。先由整流器 將交流電整流為直流，再由逆變器將直流電壓施加到電機(jī)上；

（2）電流閉環(huán)控制、PWM信號(hào)生成、IGBT門級(jí)觸發(fā)系統(tǒng)：由電流調(diào)節(jié)器ACR、UPW、GD、電流反饋環(huán)節(jié)TA及其電平轉(zhuǎn)換電路組成。主要作用是對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，產(chǎn)生PWM脈沖及最后IGBT觸發(fā)；

（3）速度控制系統(tǒng)：由速度調(diào)節(jié)器ASR、速度反饋編碼器TG及其電平轉(zhuǎn)換電路組成。主要作用是對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行閉環(huán)控制。

2）主回路描述

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)主電路由IGBT VT1～4及其續(xù)流二極管VD1～4組成。VT1～2和VT3～4交替導(dǎo)通，在電機(jī)電樞上產(chǎn)生電壓。當(dāng)平均值為正，電機(jī)正向運(yùn)行；平均值為負(fù)，則反向運(yùn)行；平均值為零，電機(jī)停止。

3 DCU功能設(shè)計(jì)

1）接口單元

對(duì)信號(hào)系統(tǒng)通過PSC傳來的指令信號(hào)和門體安全開關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理，提供給邏輯單元及驅(qū)動(dòng)單元。

2）邏輯單元

由功能強(qiáng)大的微處理器及安全相關(guān)器件組合構(gòu)成，一旦接收到由PSC或按鈕開關(guān)傳來的指令，結(jié)合對(duì)安全開關(guān)狀態(tài)的探測(cè)，邏輯單元便激活驅(qū)動(dòng)器，并解脫鎖定裝置，開始運(yùn)行開，關(guān)門循環(huán)。具體包括：

（1）此單元監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，用于障礙物探測(cè)及處理保護(hù)。

（2）判斷門體位置，從而在非正常情況，按預(yù)定的方式控制門體運(yùn)動(dòng)。

（3）存儲(chǔ)，形成歷史和故障記錄。

（4）可通過PTE接口（RS232）改變運(yùn)行參數(shù)和下載新的軟件。

（5） 可 通 過Profi bus總線接口，與PSC構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，向PSC發(fā)送安全門各類信息，實(shí)行監(jiān)控。

（6）速度控制參數(shù)存儲(chǔ)在邏輯單元中，故可存儲(chǔ)產(chǎn)生大量所需的速度運(yùn)行曲線。（其他參數(shù)如門體夾緊力閥值，重關(guān)門間隔時(shí)間，延遲時(shí)間，重關(guān)門次數(shù)）形成速度曲線的關(guān)鍵參數(shù)是開/關(guān)門速度設(shè)定，開/關(guān)門加、減速度斜率設(shè)定，低速關(guān)門值設(shè)定等。這樣設(shè)定理論上可以形成無數(shù)條曲線（遠(yuǎn)超過60條）。由于對(duì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如開/關(guān)門時(shí)間，開關(guān)門啟動(dòng)時(shí)間差，需在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同的門進(jìn)行細(xì)調(diào)，因而這樣的方式更利于調(diào)試；對(duì)存儲(chǔ)在不同存儲(chǔ)器單元中的下列參數(shù)可調(diào)為門體加緊閥值：133N；重關(guān)門延遲時(shí)間0～10s；障礙物探測(cè)間隔時(shí)間0～2s；重關(guān)門次數(shù)1～5次。

3）驅(qū)動(dòng)單元

由功能強(qiáng)大的微處理器，安全相關(guān)器件組合，以及PWM（脈寬調(diào)制）功率開關(guān)放大器組成。它主要負(fù)責(zé)直流電機(jī)的控制，包括PWM控制、速度環(huán)、電流限制、PI調(diào)節(jié)器，基于碼盤的行程控制和分析電機(jī)電流及溫度的測(cè)量。實(shí)現(xiàn)按電流閥值進(jìn)行障礙物探測(cè)及處理功能：電機(jī)電流和速度限幅值，過流，過溫保護(hù)。電機(jī)及門體開關(guān)的控制原理如圖1所示。

圖1 DCU電機(jī)控制原理框圖

4 DCU的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）冗余功能

在驅(qū)動(dòng)單元和邏輯單元中均使用微處理器以保證功能冗余安全性，它們不僅通過串行口相聯(lián)，還通過硬線相聯(lián)。其測(cè)量參數(shù)相互比較、處理保證所有與安全相關(guān)的功能都通過冗余的方式處理，如圖2所示。

圖2 冗余功能構(gòu)成示意圖

電機(jī)上的斷電安全繼電器作為電機(jī)安全的釋放開關(guān)。DCU始終監(jiān)視著繼電器的狀態(tài)。繼電器由兩個(gè)微處理器冗余控制。通過邏輯單元或驅(qū)動(dòng)單元的處理，系統(tǒng)可防止電機(jī)由于錯(cuò)誤的“開門命令”被通電。

與電機(jī)安全繼電器功能一樣，解鎖信號(hào)也由兩個(gè)微處理器冗余控制。通過執(zhí)行觸點(diǎn)，監(jiān)視繼電器的狀態(tài)。

為了保證滿足安全等級(jí)要求，電機(jī)的超速保護(hù)也用冗余方式處理。

2）障礙物探測(cè)

在開/關(guān)門過程中一旦出現(xiàn)障礙物，門控單元（DCU）的兩個(gè)處理器可以從電機(jī)速度降低和電流增大的現(xiàn)象中探測(cè)出異常，而無需觸點(diǎn)和專門的傳感器，保證充分的冗余度。

DCU控制門速度克服門運(yùn)動(dòng)阻力。如果門的運(yùn)行速度與速度圖相差較大，DCU將根據(jù)門的速度計(jì)算出符合速度圖的值。如果門的速度低于設(shè)置的障礙物速度或檢測(cè)后速度急劇下降，DCU就會(huì)認(rèn)為原因不是運(yùn)動(dòng)阻力造成。DCU將會(huì)啟動(dòng)反向制動(dòng)以停止PSD運(yùn)動(dòng)。關(guān)門過程中遇到障礙物時(shí)，關(guān)門力立即釋放，滑動(dòng)門門扇各自動(dòng)反方向運(yùn)動(dòng)50mm,延遲2s(0～10s內(nèi)可調(diào))再重關(guān)門，重復(fù)關(guān)門三次，門仍不能關(guān)閉，滑動(dòng)門全開并報(bào)警待處理。

開門過程中遇到障礙物時(shí)，開門力立即釋放，滑動(dòng)門門扇各自動(dòng)反方向運(yùn)動(dòng)50mm,延遲2s(0～10s內(nèi)可調(diào))再重開門，重復(fù)開門三次，門仍不能開，滑動(dòng)門全關(guān)并報(bào)警待處理。

1） 邏輯單元監(jiān)測(cè)速度

如果速度低于預(yù)定的值，則微處理器認(rèn)定為存在障礙物，并立即向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出停止指令，若驅(qū)動(dòng)單元沒有返回正確的應(yīng)答，安全繼電器使電機(jī)失電。

2） 驅(qū)動(dòng)單元監(jiān)測(cè)電流

如果電機(jī)電流高于預(yù)定數(shù)值，則微處理器認(rèn)定為存在障礙物，并立即發(fā)出停止指令，若電流未見減小，同一安全繼電器使電機(jī)失電。二者互為冗余。若二者同時(shí)發(fā)生，電機(jī)立即停止。

圖3 開關(guān)門障礙物探測(cè)系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)束語

站臺(tái)安全門系統(tǒng)已成為地鐵安全運(yùn)營(yíng)中重要的一個(gè)專業(yè)設(shè)備，直接影響地鐵的安全和正常運(yùn)營(yíng)。站臺(tái)安全門的DCU是門體控制的核心部件，其性能直接決定站臺(tái)安全門運(yùn)行的安全系數(shù)。本文通過對(duì)站臺(tái)安全門系統(tǒng)DCU的控制原理進(jìn)行分析，給出了DCU的接口、邏輯及驅(qū)動(dòng)單元功能設(shè)計(jì)，并根據(jù)運(yùn)營(yíng)需要設(shè)計(jì)了冗余設(shè)計(jì)和障礙物檢測(cè)的優(yōu)化功能，對(duì)于站臺(tái)安全門系統(tǒng)核心設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化具有重要意義。

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