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地鐵屏蔽門構成及原理

文章來源:未知時間:2018-12-21 點擊:

一、屏蔽門系統國內外發展現狀       目前，世界上已有8個國家和地區共21條軌道交通線路正在使用或加裝屏蔽門系統。有關屏蔽門的供貨商也在逐漸發展起來，英國westinghouse、法國Faiveley、瑞士KABA和日本Nabco4家公司成為最主要的屏蔽門生產廠家，都已經承擔過一些地鐵線路的屏蔽門工程，到目前為止，它們提供了世界上約90%的屏蔽門系統。它們也是當今世界上安裝、設計、制造屏蔽門最有經驗的幾家公司。
      在國內地鐵屏蔽門市場，國外公司大多采取在國內尋找合作伙伴的方式進入中國市場，如廣州地鐵二號線屏蔽門工程中標方就是廣州澳的斯電梯有限公司與英國西屋公司;深圳方大集團于2000年與法維萊公司開始合作之后，雙方共同成功承建了泰國曼谷地鐵等屏蔽門工程項目;瑞士卡巴公司也與江蘇金創集團合作在國內承接屏蔽門工程項目;日本那博克公司與重慶川儀集團也就屏蔽門項目進行著合作。國內最早開始從事屏蔽門研究的是廣州奧的斯電梯有限公司和深圳方大集團，之后逐漸增加了廣州廣日集團、上海通用冷氣機有限公司、重慶川儀總廠有限公司等。到目前為止，屏蔽門系統的國產化程度還相當低，目前國內有10家以上的公司正加大對屏蔽門系統的研發力度，以加快屏蔽門系統國產化的步伐。
      二、兩款最新地鐵屏蔽門控制系統
      （一）、貝加萊地鐵屏蔽門控制系統
      貝加萊地鐵屏蔽門控制系統在上海九號線（徐家匯—松江）的一期項目中，共9個站，共安裝貝加萊22個控制器PCC2003，20個15”觸摸屏4PP120。在此第一期項目中貝加萊公司和瑞士KABA公司合作。

1、貝加萊控制系統解決方案
貝加萊的PCC控制系統提供CAN總成冗余，使用雙CAN總線和門控制器聯接，與顯示器采用Ethernet聯接，B&R2003靈活的通信能力確保了以上通信要求都能實現，CPU模塊CP570管理所有的門控制器，離散I/O和網絡連接。B&R PP120作為中央顯示單元，每個控制室的操作終端采用15’’顯示屏，操作員和維護人員從而可以在現場進行監測工作。

      2、信息處理
      Kaba Ghgen的自動門專家們為每一扇門寫了高達104條不同的事件信息，每一個站48扇門，再加上120條左右系統信息，這樣中央采集的可能事件數量將超過5000條。觸發事件的動作必須清晰直觀地被顯示。典型的事件包括門口堵塞、電機過熱、手動撤消故障等。
      由圖2、圖3可以看出，貝加萊的PCC控制系統所具備的定性分時多任務的運行模式可以幫助優化客戶軟件，大大降低系統的輪詢時間，并幫助軟件工程師精確控制每個任務進程的循環時間。

      3、 Automation Studio軟件特點
      Automation Studio是一個集成了項目中所有組件工具的軟件開發環境，因此可應用于任何規模任何范圍的項目。無論在項目的哪個階段，規劃、執行、測試、生產或調試過程中，統一的開發環境既提高了生產效率又保證了產品質量。在屏蔽門控制器的開發設計過程中。Automation Studio提供了一個優化的編程環境，采用C語言來開發系統，保證一個系統長時期使用。還可以設置用戶輸入密碼以進入系統。每扇單獨的門都配備一個門控制單元（DCU），根據接收的指令?？刂茊卧獙ｉT控制電機和開關門機械裝置，確保在安全范圍內門的作用力和速度都處于最優化的狀態。同時，對門上的傳感器和執行器的狀態進行監測。并不斷發送相關數據至站臺屏蔽門控制器（PSC）。地鐵屏蔽門觸發事件的動作必須清晰直觀地被顯示。典型的事件包括門口堵塞、電機過熱、手動手動撤消故障等。所有這些事件觸發都通過PCC控制系統先進行數據采集，并通過Automation Studio軟件進行軟件開發，對所有的觸發事件進行響應和處理。
      （二）、地鐵屏蔽門控制系統
      2010年由尹盼春受南京熊貓機電儀技術有限公司委托設計的“地鐵屏蔽門控制系統”目的是研制出一種可以面向市場的、低成本的、國產化的屏蔽門設備。主要研究集屏蔽門電機驅動控制與屏蔽門邏輯控制于一體的屏蔽門控制系統。這種高度集成并一體化的控制方案主要采用了一個ARM7微控制器實現，節省了制造成本，實現了資源的優化利用。
      軟件系統設計：軟件的設計是以硬件為基礎，依據系統的具體功能要求進行設計。主要包括屏蔽門各種邏輯控制功能的設計、數字PID控制算法的設計以及網絡系統通信的設計等。

基本思想：地鐵屏蔽門控制系統軟件設計的基本思想是，采用巡檢的方式，不斷對各個輸入端口進行檢測，當檢測到相應的狀態信號時一進行相應的處理。對一些重要信號的檢測，要采用定時中斷方式，定時檢測這些信號的狀態。屏蔽門控制系統軟件的主程序流程圖如圖4.1所示。

系統上電復位后，首先進行初始化，接著執行門寬參數的自學習程序。此后的程序是一個循環操作過程，包括開始正常運行、障礙物檢測、采樣電流信號、UART串口通信、CAN總線通信、PID控制以及檢測輸入信號，再結合當前系統狀態做出相關處理，執行相應子程序，完成對屏蔽門的控制。

      軟件系統主要包括系統初始化程序、門寬參數自學習程序、屏蔽門控制任務程序、開關門過程控制程序、CAN總線通信程序、不完全微分增量式PID算法六個部分。
      1、系統初始化程序
      系統上電后，ARM7微控制器LPC2129復位，系統開始執行初始化程序，配置控制系統運行的參數，包括對一LPC2129、系統變量、屏蔽門運行參數、電機驅動控制程序的初始化：1.LPC2129初始化程序用于設置LPC2129內核時鐘運行模式，使能片內和片外設備，包括設置各個1/0端口的方向，設置ADC模塊的轉換條件、轉換通道等。2.系統變量初始化，用于定義并初始化系統程序在運算過程中使用到的變量，如電機驅動控制程序變量、門速曲線變量、串口通信及CAN總線通信變量等。3.屏蔽門運行參數初始化程序，用于讀取屏蔽門運行參數，包括屏蔽門開關門曲線參數，防擠壓力信號產生的閡值參數等。4.電打L馬區動控制初始化程序，如設置電機控制功能模塊相關的寄存器，包括設置PWM…信號的開關頻率、初始化AD轉換模塊工作方式等。
      2、門寬參數自學習程序
      在屏蔽門控制系統中，設計了門寬參數自學習功能。門寬參數自學習的工作過程為：在屏蔽門控制系統初始化完成后，屏蔽門將以均勻慢速關門一次，第一次關門的過程為初始化關門過程，這是為了讓屏蔽門運行到完全關閉的位置保證計數位置的準確性；然后屏蔽門再以均勻慢速開門一次，這個過程中，單片機將記錄門在打開過程中各點的位置，門在開關的過程中，與無刷直流電機同軸連接的霍爾位置傳感器產生脈沖，一個脈沖就對應著門體一段固定的位移;當門開到最大位置時，門停止移動，此時沒有新脈沖輸入到單片機，則脈沖計數器就記錄了門寬參數。這一門寬參數的自動識別過程叫門寬參數自學習功能，這一程序執行的過程稱為自檢。
      自學習過程中，定義了五個工作狀態:初始化關門狀態、關門到位狀態、等待、初始化開門狀態和開門到位狀態。在順序執行完這五個過程后，控制系統就將門的位置參數存放到微控制器的存儲器中，每次初始化時一該參數都需重置。識別到的門寬參數是開、關門運行的關鍵參數，主要用來確定門運行的過程中加速和減速的轉折點，以及一些特殊功能的識別點，比如門寬剛好允許人通過的最小位置。
      系統可以存儲的門的位置參數不止一組，所以在門寬參數自學習運行之后系統也可以選擇是否按照本次獲得的參數運行，還是調用外部存儲器中已經存儲的己往的門寬參數。自學習程序流程圖如圖4.2所示。

      3、屏蔽門控制程序
      屏蔽門的控制過程如下所述?？刂葡到y啟動后，首先執進行自檢，自檢不能完成時，系統報錯。自檢完成后，系統處于等待狀態，控制系統查詢中斷信號，對屏蔽門進行相應的控制。
      3.1正常操作

地鐵每隔幾分鐘就有一個班次到達地鐵站臺，所以地鐵屏蔽門每隔幾分鐘就要開關一次，正常情況下控制系統分為四個工作狀態，分別是開門狀態、開門結束狀態、關門狀態、關門結束狀態?？刂葡到y完成自檢后就會等待來自列車系統或者站臺的就地控制盤發出的開關門信號，進行一次開關門操作并將事件記錄下來存入外部存儲器。系統正常運行程序流程圖如圖4.3所示。

另外，系統還要不斷檢測手動開門信號和手動關門信號，它們屬于屏蔽門的手動操作控制。由于手動操作控制具有最高優先級，因此在正常運行時一旦發現手動開門信號與手動開門信號產生，就會立刻從上圖的狀態循環中脫離，保持開門到位或者關門到位狀態不變，直至信號消失為止。

      3.2防擠壓功能
      如上所述，本屏蔽門控制系統對于系統防擠壓功能的實現采取了兩種模式:被動安全模式:在關門的過程中，如果電機在低速時電樞電流突然增大到微控制器設定的閉值并持續一小段時間時一(為了排除關門到位時所產生的過流信號)，系統就認為遇到了障礙物或人，立即使門停下，然后控制電機反轉，使門后退至容許人通過的最小門寬位置處(可編程值)停止，然后將在大約5秒鐘(可編程值)后，門再自動關閉，該關閉周期將會重復3次(可編程值)。如果門仍然不能關閉，系統被設置為故障并且停止操作，屏蔽門完全打一開，LED顯示閃爍和蜂鳴器報警，等待工作人員進行維修或者故障處理。
      主動安全模式:在關門的過程中如果遇到人或障礙物靠近時紅外傳感器動作，發出紅外信號一，微控制器發出停止關門命令，直至紅外信號消失且電機速度降至很低、沒有過流信號時系統才可以執行關門操作。防擠壓程序的流程圖如圖4.4所示。防擠壓程序代碼見附錄B。

      4、開關門過程控制程序
      屏蔽門在整個運動過程中的速度是不同的，門開始運動時，要求電機啟動力矩大，所以電機要以較低的初速度啟動，然后加速至最大。門運動將要結束時，為避免機械沖擊，在車門運行至全行程85%的位置時開始減速，到全行程95%的位置時保持低速直至門完全閉合。
      控制系統以門速曲線為依據，計算開門、關門時不同位置處的給定速度，進而設置不同的PWM信號.井空比。為了減少程序的計算量，事先將涉及到的各個速度對應的相關數據寫入存儲器中，系統程序只需以查表的方式，就可以讀出它們。設計時，在RAM中開辟一個單元，用來存貯電機運動的狀態。系統主程序采用分時操作的方式，根據開關門信號和電機的土一狀態，發出本次操作指令，并更新電機狀態，開關門過程控制程序流程如圖4.6所示。

      5、CAN總線通信程序
      屏蔽門控制系統采用CAN總線技術，按照控制系統向分散化、網絡化、智能化方向發展的要求，把掛接在總線上作為網絡節點的各設備，連接成網絡集成式的全分布控制系統，實現了對屏蔽門的基本控制、參數修改、報警、顯示、監視等綜合自動化功能。在一個屏蔽門控制子系統中，PSC、PSL和DCU組通過CAN總線構成開放的通信網絡系統。這兩路現場總線應互為熱備用，它們可同時傳送網絡數據。如果工作中的一路現場總線發生故障，則另一路備用的現場總線自動進入工作狀態。整個切換過程無擾動，并不影響屏蔽門系統的正常運行。LPCZ129內部集成有兩路CAN控制器，符合CANZ.OB，JSO11989一1標準，總線數據波特率可達IMbPs;可訪問32位寄存器和隊M，保證門控單元Dcu與就地控制盤PSL等的快速準確通訊。LPCZ129作為主控制器的同時，還作為CAN網絡的節點控制器，與網絡中的其它節點實現數據傳輸與交換。
      6、不完全微分增量式HD算法
      由于微控制器LPC2129只能處理數字量，所以基于LPC2129的電機速度PID控制實際上是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值來計算控制量，而不能像模擬PID控制那樣連續輸出控制量，因此對一連續的控制計算式中的積分環節以及微分環節是不能直接進行運算的，所以在控制系統中必須先對PID控制律進行離散化的算法設計。離散化處理的方法為:以T作為采樣周期，以k作為采樣序號，則離散采樣時間kT對應著連續時間t，用矩形法數值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分。

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