城市軌道交通車輛門控單元運(yùn)行工況下檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

劉 鵬 張俊良 寧 慶 張 峰 張士文

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，200240，上海∥第一作者，碩士研究生)

在大城市，由于軌道交通發(fā)車頻次高、開(kāi)行平穩(wěn)迅速、運(yùn)營(yíng)受天氣影響小，已成為城市居民生活的首選交通方式［1］。但同時(shí)這也給城市軌道交通車輛各組成部件的維修保養(yǎng)帶來(lái)巨大壓力，尤其是車門部分，由于使用頻次高，門控制單元最容易出現(xiàn)故障。然而國(guó)內(nèi)尚無(wú)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的門控單元檢測(cè)儀器，運(yùn)營(yíng)方主要依賴外國(guó)廠商提供的服務(wù)［2］。因此，設(shè)計(jì)一款用于門控單元運(yùn)行工況下的檢測(cè)平臺(tái)顯得尤為重要。本文所研制的檢測(cè)平臺(tái)可以對(duì)iFE公司兩種門控單元的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行模擬，并對(duì)其進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷，可以實(shí)現(xiàn)維修前的故障初步確定和修理完畢后的狀態(tài)確認(rèn)等，提高檢修和維修的工作效率。

1 門控單元原理分析

目前城市軌道交通車輛的門控單元按照其功能分為主門控單元和從門控單元。其中主門控單元的通信協(xié)議為MVB(多功能車輛總線)協(xié)議，其除負(fù)責(zé)所管車門的開(kāi)啟關(guān)閉外，還要搜集車輛其余門控單元的狀態(tài)信息，再作為MVB 上的節(jié)點(diǎn)向上級(jí)機(jī)構(gòu)傳遞本車廂所有的門系統(tǒng)的狀態(tài)信息。而從門控單元的通信協(xié)議為RS-485/232 協(xié)議，其主要負(fù)責(zé)所管轄車門的開(kāi)啟關(guān)閉，并將該車門與自身狀況上報(bào)給MVB 主門控單元。一般情況下，以一節(jié)車廂10 扇車門計(jì)，需配備2 個(gè)主門控單元，其中一個(gè)工作在主門控單元的狀態(tài)，另一個(gè)工作在備份狀態(tài)，平時(shí)為從門控單元，當(dāng)主門控單元發(fā)生故障時(shí)，立即切換至主門控單元狀態(tài)。余下8 個(gè)均為從門控單元。

1.1 門控單元輸入輸出口

本文所研究的門控制單元，針對(duì)于iFE 公司所生產(chǎn)的基于 RS- 485/232 通信協(xié)議的 PMC20-110R 型門控單元，以及基于 MVB 通信協(xié)議的PMCB20/2-110S 型門控單元。以下文中為稱謂方便起見(jiàn)，將前者稱為R 型門控單元，將后者稱為M型門控單元。R 型門控單元由2 組16 引腳的插排構(gòu)成其輸入輸出通道，數(shù)據(jù)通信接口為DB-9 型的RS-232 以及RS-485 通信接口。M 型門控單元的輸入輸出通道則由3 組16 引腳插排組成。數(shù)據(jù)通信接口也為DB-9 型的MVB 通信接口，如圖1及圖2所示。

圖1 PMC20-110R 型門控單元接口

圖2 PMCB20/2-110S 型門控單元接口

從圖1 及圖2 中可以看出，兩款門控制單元的通信總線不同，接口引腳分配上也不相同，但端口的大致功能還是較為一致的，主要分為電源端口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口、16 路輸入端口和8 路輸出端口。輸入端口用于接收開(kāi)關(guān)門指令和一些位置傳感器的輸入信息，而輸出端口主要用于驅(qū)動(dòng)蜂鳴器、指示燈和電磁閘等負(fù)載。

1.2 門控單元工作原理

上述兩類門控單元雖然在I/O 口分配和總線協(xié)議選取上有所不同，但作為控制單個(gè)門開(kāi)關(guān)的門控單元時(shí)，均要遵循相同的開(kāi)關(guān)門時(shí)序和外部命令，因此，從這點(diǎn)上看，門控單元開(kāi)關(guān)門的工作原理是相同的。下面介紹開(kāi)關(guān)門的過(guò)程。

門的開(kāi)啟或關(guān)閉是由“零速”、“開(kāi)門”和“關(guān)門”車輛控制線的電平?jīng)Q定的。如果要開(kāi)門，必須有零速信號(hào)，否則門不可能打開(kāi)，正在打開(kāi)的或出于打開(kāi)位置的門，失去零速信號(hào)后立刻轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)門狀態(tài)［3-4］。

(1)開(kāi)門。在關(guān)門信號(hào)線置低1 s 后，可以通過(guò)激活開(kāi)門車輛控制線開(kāi)門，開(kāi)門信號(hào)必須激活至少0.5 s，否則就忽略開(kāi)門指令(開(kāi)門次序中斷)并且門操作指示燈關(guān)閉。開(kāi)門循環(huán)如圖3所示。

圖3 開(kāi)門操作示意圖

(2)關(guān)門。通過(guò)置高關(guān)門車輛控制線關(guān)門，在激活關(guān)門信號(hào)線后3 s，門開(kāi)始關(guān)閉。關(guān)門信號(hào)線至少要維持0.5 s，否則將忽略關(guān)門指令。如果在關(guān)門過(guò)程中關(guān)門信號(hào)線置低且開(kāi)門信號(hào)線置高，關(guān)門順序終止，1 s 后門重新打開(kāi)到開(kāi)門終點(diǎn)位置。關(guān)門循環(huán)如圖4所示。

值得注意的是，任何情況下，零速信號(hào)一旦丟失，門均將立刻轉(zhuǎn)換成關(guān)閉狀態(tài)。

(3)開(kāi)關(guān)門過(guò)程中指示燈狀態(tài)。每套門的入口處，都在蓋子和右門板上安裝了一盞黃色的門操作燈，并且還在蓋子上安裝了一個(gè)門蜂鳴器。開(kāi)關(guān)門時(shí)指示燈的狀態(tài)見(jiàn)圖5。

圖4 關(guān)門操作示意圖

圖5 開(kāi)關(guān)門指示燈狀態(tài)

2 檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)平臺(tái)可以對(duì)門控單元的輸入和輸出端口進(jìn)行故障檢測(cè)。其中輸入端口主要包括零速信號(hào)線、開(kāi)門和關(guān)門列車線、門位置傳感器、“門關(guān)閉”限位開(kāi)關(guān)和供電端口。輸出端口主要包括指示燈、蜂鳴器、電磁閘和電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)下門控制單元檢測(cè)軟硬件最大程度的共用，需要實(shí)現(xiàn)軟硬件的通用性。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得通用化測(cè)量真正成為可能。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可以不更改硬件電路，而只通過(guò)頂層軟件的改寫和切換檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試目的，將傳統(tǒng)的軟硬件捆綁式測(cè)試工具進(jìn)行了拆解，并實(shí)現(xiàn)了軟件重構(gòu)帶來(lái)的目標(biāo)多樣性［5］。

2.1 檢測(cè)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

由于兩種型號(hào)門控單元在硬件和功能上存在差異，即輸出引腳分配和通信端口不同，需從硬件設(shè)計(jì)上將檢測(cè)平臺(tái)分為2 個(gè)檢測(cè)電路，分別用來(lái)模擬R型門控單元和M 型門控單元的運(yùn)行環(huán)境。

由于R 型門控單元所使用的RS-485/232 協(xié)議碼率相對(duì)較低，可以通過(guò)在電腦上安裝RS-485/232 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通道的建立。而MVB 協(xié)議不僅碼率較高，且應(yīng)用較少，沒(méi)有專門的轉(zhuǎn)換裝置，需設(shè)計(jì)專用的數(shù)據(jù)采集裝換裝置。使用ARM 芯片配合FPGA 芯片的方式可以較好地滿足要求。通過(guò)其進(jìn)行串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)后碼率下降，再傳遞給ARM 芯片，根據(jù)MVB 協(xié)議進(jìn)行信號(hào)提取，最后將獲得的信號(hào)通過(guò)常用的RS-232 協(xié)議提交給上位機(jī)，進(jìn)一步處理。上位機(jī)對(duì)門控單元詢問(wèn)指令發(fā)送通路與前者相同。除可以共用的門控單元輸入引腳接口模塊外，輸出引腳接口模塊因引腳分配不盡相同，而且需要直接接上不同仿真負(fù)載，因此將對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)一塊電路板。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電路板進(jìn)行指令發(fā)送和數(shù)據(jù)回收。

對(duì)于輸入輸出端口，按門控單元的運(yùn)行時(shí)序來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器為輸入端口接入相應(yīng)的電壓。輸出端口一直連接著燈、電磁閘等負(fù)載，需要通過(guò)大約1 A 左右電流，因此，這里同樣通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)繼電器將輸出端口連接相應(yīng)的仿真電阻。

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口，當(dāng)門正常開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)大約輸出24 V 左右的電壓。在門打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)中，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)電流較小，約為0.3 A;當(dāng)門開(kāi)到位或關(guān)到位時(shí)，電機(jī)被堵轉(zhuǎn)，此時(shí)電樞電流急劇上升，最高可達(dá)10 A 左右(過(guò)載電流是門控單元判斷門開(kāi)關(guān)門有無(wú)到達(dá)極限位置的判據(jù)之一)。當(dāng)出現(xiàn)緊急狀態(tài)時(shí)，門需要急速關(guān)閉時(shí)，該端口電壓值可上升至48 V 左右。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到電機(jī)等效電阻在正常運(yùn)轉(zhuǎn)和堵轉(zhuǎn)時(shí)分別為72 Ω 和3.3 Ω。同樣通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)繼電器控制負(fù)載電阻根據(jù)開(kāi)關(guān)門過(guò)程中的具體時(shí)刻進(jìn)行切換。

兩款門控單元對(duì)于門速的測(cè)定方式是相同的，均是靠固定在電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)光柵編碼器實(shí)現(xiàn)［6］。門控單元在運(yùn)行的工況下，需要為其輸入2 路相位相差90°的門位置傳感器信號(hào)來(lái)指示門的位置，此信號(hào)為方波信號(hào)，頻率在50 Hz 以下，可以由數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)光耦并外接上拉電阻產(chǎn)生。同時(shí)，對(duì)各輸出端口串接霍爾傳感器以檢測(cè)輸出電流的大小。

檢測(cè)平臺(tái)一方面通過(guò)監(jiān)控門控單元的通信端口所發(fā)出的診斷信息，來(lái)判斷其各部分模塊在運(yùn)行工況下是否工作正常;另一方面還通過(guò)測(cè)量各輸出端口的電流值來(lái)輔助判斷是否有故障發(fā)生。

綜上所述，得到如圖6所示的檢測(cè)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 檢測(cè)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

圖6 檢測(cè)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖

本文在設(shè)計(jì)思路中明確了采用虛擬儀器技術(shù)的結(jié)構(gòu)形式，相關(guān)軟件也隨硬件的選擇而確定下來(lái)。即檢測(cè)平臺(tái)與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)的交換選用NI 公司的數(shù)據(jù)采集卡，而頂層界面的設(shè)計(jì)和后臺(tái)仿真流程控制程序的編寫采用NI 公司的LabVIEW 語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)軟件硬件的無(wú)縫銜接。

由于硬件電路的設(shè)計(jì)不同，檢測(cè)軟件也應(yīng)設(shè)計(jì)為2 套，以確保每個(gè)子模塊可以以最佳的流程來(lái)實(shí)現(xiàn)。在用戶操作界面上應(yīng)盡可能保持一致，提高軟件的自動(dòng)測(cè)試程度，減少不同型號(hào)門控單元帶來(lái)的檢測(cè)操作的變化。

R 型門控單元運(yùn)行工況需要首先通過(guò)門控單元上的RS-232 接口將運(yùn)行固件燒寫進(jìn)門控單元的E2PROM 中。在上電復(fù)位50 ms 以內(nèi)，固件需要以規(guī)定的格式逐位通過(guò)串口寫入，該程序?qū)嵸|(zhì)為串口通信。完成固件寫入后，門控單元開(kāi)機(jī)即工作在運(yùn)行工況下，此時(shí)可通過(guò)仿真外部輸入量及負(fù)載來(lái)仿真門控單元的工作環(huán)境，開(kāi)關(guān)門仿真大致可分為門開(kāi)啟中、門完全打開(kāi)、門關(guān)閉中、門關(guān)緊這幾個(gè)階段。與此同時(shí)，檢測(cè)程序通過(guò)上位機(jī)的RS-485 端口模擬列車信息系統(tǒng)和門控單元之間的通信，此時(shí)上位機(jī)模擬的列車信息系統(tǒng)作為總線上的主站發(fā)送問(wèn)詢請(qǐng)求，門控單元作為從站應(yīng)答回復(fù)。上位機(jī)通過(guò)門控單元本身監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，判斷出門控單元工作正常與否。最后可以通過(guò)點(diǎn)擊生成報(bào)表按鈕來(lái)記錄測(cè)試過(guò)程中所有故障信息。

對(duì)于M 型門控單元，由于采用了MVB 通信協(xié)議，數(shù)據(jù)處理相對(duì)RS-485 協(xié)議較多。但由于采用了專門的信號(hào)處理變換電路去進(jìn)行MVB 總線協(xié)議至串口協(xié)議的轉(zhuǎn)換，因此從上位機(jī)編程角度看，該門控單元運(yùn)行工況程序與R 型門控單元運(yùn)行工況原理相同。只是目前該型門控單元只有運(yùn)行工況下的固件，因此亦無(wú)需研究固件燒寫程序。同樣，可以在測(cè)試結(jié)束之后生成檢測(cè)報(bào)告。

綜上所述，R 型和M 型門控單元運(yùn)行工況的檢測(cè)程序流程圖分別如圖7、圖8所示。

圖7 R 型門控單元運(yùn)行工況下檢測(cè)程序流程圖

圖8 M 型門控單元運(yùn)行工況下檢測(cè)程序流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 R型門控單元運(yùn)行工況下的試驗(yàn)

在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，檢測(cè)平臺(tái)為門控單元提供正常的運(yùn)行環(huán)境，并通過(guò)RS 485 端口發(fā)出問(wèn)詢信息，對(duì)回復(fù)的自診斷信息進(jìn)行解碼，顯示在運(yùn)行面板上。同時(shí)通過(guò)檢測(cè)門控單元輸出口電流來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充判斷。

此試驗(yàn)的檢測(cè)對(duì)象是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有故障的PMC20-110R 型門控單元。雖然外部所加的零速信號(hào)、開(kāi)門信號(hào)、關(guān)門信號(hào)等輸入量均與正常運(yùn)行環(huán)境下的輸入量相同，但通過(guò)對(duì)RS 485 端口的診斷信息進(jìn)行解碼，得到了門控單元電機(jī)線斷裂的診斷信息，同時(shí)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口的電流進(jìn)行測(cè)量，并沒(méi)有檢測(cè)到有電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生。由此可以判斷出在門控單元的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路存在故障，從而得到了正確的故障檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了檢測(cè)平臺(tái)對(duì)此型號(hào)門控單元檢測(cè)的有效性。

3.2 M型門控單元運(yùn)行工況下的試驗(yàn)

在試驗(yàn)中，檢測(cè)平臺(tái)模擬門控單元的正常運(yùn)行環(huán)境，并通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板卡向MVB 通信端口發(fā)出問(wèn)詢信息，門控單元在接到問(wèn)詢后，將回復(fù)對(duì)應(yīng)診斷信息至MVB 接口。這些信息被實(shí)時(shí)解碼并對(duì)應(yīng)到前面板上的各個(gè)指示燈上，形成M 型門控單元運(yùn)行檢測(cè)中主要診斷信息的來(lái)源。同時(shí)檢測(cè)平臺(tái)也對(duì)門控單元的輸出端口進(jìn)行電流測(cè)量，來(lái)補(bǔ)充診斷。

此試驗(yàn)的對(duì)象是門位置傳感器有故障的PMCB20/2-110S 型門控單元。圖9 是這一試驗(yàn)進(jìn)行到開(kāi)門過(guò)程時(shí)的屏幕截圖，由MVB 總線信息解碼得到了門位置傳感器故障的診斷信息，并顯示在了前面板上。得到了正確的故障檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了檢測(cè)平臺(tái)對(duì)此型號(hào)門控單元檢測(cè)的有效性。

圖9 M 型門控單元運(yùn)行工況試驗(yàn)前面板

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種城市軌道交通車輛門控單元運(yùn)行工況下檢測(cè)平臺(tái)的研制。使用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了門控單元工作所需的外圍環(huán)境，編寫了檢測(cè)平臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)了兩類門控單元在運(yùn)行工況下的檢測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了此檢測(cè)平臺(tái)可以離線測(cè)試門控單元，并可以診斷出門控單元的各類故障。也為相關(guān)設(shè)備的檢測(cè)和平臺(tái)的開(kāi)發(fā)提供了一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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