城市軌道交通安全門系統門控單元設計

陳 棟，夏德春，魏耀南，曹青元

（1.中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）（2.北京經緯信息技術公司，北京 100081）

城市軌道交通安全門系統是集建筑、機械、電子和控制等學科于一體的復雜分布參數控制系統。安全門系統是安裝于軌道交通車站站臺邊緣，用以提高運營安全系數、改善乘客候車環境、節約能源、節約運營成本的一套機電一體化設備。安全門系統由機械部分（門體結構和門機系統）和電氣部分（電源系統和控制系統）組成，而控制系統尤其是門機控制單元是安全門正常工作的核心部分。

1 門機控制單元組成與功能

門機控制單元（DCU）是滑動門電機的驅動和控制裝置。每道滑動門單元均配置一套門控單元，控制兩扇滑動門動作。DCU主要是由CPU組、存儲單元、接口單元及相關軟件等組成；DCU配置了LCB的控制輸入接口、門狀態指示燈和冗余的現場總線接口，以及用于接收中央控制盤（PSC）下發的硬線開/關門命令的接口。門控單元主要實現如下功能：執行系統級和站臺級發來的控制命令；能夠采集并發送門狀態信息及各種故障信息；通過DCU內設置的編程/調試接口，可在線和離線調整參數和軟件組態，并可進行重新編程和參數的重新設置，具有本控制單元的可離線調試功能；DCU能對門狀態指示燈進行正確控制，燈的狀態包括：閃、常亮、常滅。

2 門機控制單元電氣原理圖

安全門的門機控制單元采用一控兩驅的設計原理，從結構上包括門機驅動器（JWPD）和門機控制器（JWPC）以及外圍輸入輸出設備。其中控制器采用高性能互聯型處理器STM32F107作為開發平臺，提供與中央控制盤的硬線連接接口以及上位機監控系統通信的MODBUS總線接口，并連接電磁鎖、接近開關、狀態燈和蜂鳴器等外圍設備。驅動器采用大容量處理器STM32F103作為開發平臺，通過CAN總線接口連接到控制器，負責無刷直流電機驅動算法的實現以及滑動門狀態數據的反饋。電氣原理圖如圖1所示。

圖1 門機控制單元電氣原理圖

運動控制系統提供與PSC的MODBUS通信接口，通過MODBUS模塊接收上位機指令和反饋狀態，運動控制模塊根據控制指令和當前設備狀態判斷出對門體的運動指令并通過CAN模塊發送到JWPD。屏蔽門在自動模式下，JWPC（AT-EB）接收來自PSC“自動開滑動門”和“自動關滑動門”的開關滑動門命令。在手動模式下，JWPC（AT-EB）接收來自“就地開滑動門”和“就地關滑動門”的脈沖開關滑動門命令。

3 門機控制單元的軟件設計

3.1 運動控制

運動控制任務負責采集外圍設備的狀態數據進行邏輯判斷，根據結果執行開關門操作。該任務必須能正確分析出遇阻、手動解鎖等情況的發生，并做出相應處理。

門控單元開機后，需執行設備初始化過程，包括處理器外圍資源的配置以及開關門運動曲線參數的生成。等待門體關門到位后執行任務主循環，為保證系統的實時性，該循環為每1 ms執行一次，通過讀取輸入端口和當前驅動器反饋的運動狀態，對相應的標志或狀態寄存器進行位置清零，動作執行部分按照標志或狀態寄存器的值對外部設備做出相應的輸出并且通過CAN總線對驅動器發出運動指令。遠程更改功能可通過遠程指令對驅動器進行配置，來屏蔽以及熱保護。運動控制任務的流程如圖2所示。

圖2 運動控制任務流程圖

作為運動控制部分的基礎，開關門操作流程如圖3和圖4所示。在開門狀態下，因不排除手動開關門操作，先判斷當前是否已經開門到位，否則進入開門操作流程：首先進行提鎖操作，根據微動開關的反饋信號，可以有效地判斷出電磁鎖的狀態或錯誤；然后驅動電機關門，針對本設計所應用的無刷直流電機，以PI調節算法采用三閉環控制，包括電流環、速度環和位置環，具有噪音低，脈動轉矩小，效率高等優點；門體開到位后退出開門狀態。關門過程與開門過程相反，先驅動電機關門再執行落鎖操作。

圖3 開門操作流程圖

圖4 關門操作流程圖

3.2 CAN通信

CAN通信連接控制器和驅動器，采用了29位的擴展標識符，負責發送運動指令到驅動器并通過遠程幀詢問獲取驅動器當前的運行狀態。其中運動控制指令共包含7條，定義如表1所示。

CAN通信部分由接收任務和心跳任務構成。在接收過程中，由接收中斷服務函數接收到報文并發送到接收消息隊列，激活接收任務從中讀取并復制報文做解析處理。在發送過程中，由心跳任務組織遠程幀放入發送消息隊列中，通過啟動發送中斷服務函數將消息隊列中的報文全部發送出去，同時心跳任務記錄驅動器反饋回來的報文次數，以判斷CAN通信是否正常。接收任務和心跳任務的流程如圖5和圖6所示。

表1 運動指令表

圖5 CAN接收任務流程圖

圖6 CAN心跳任務流程圖

3.3 MODBUS通信

MODBUS連接門機控制單元和上位機，遵循MODBUS RTU協議，主要完成的功能包括：遠程控制、參數配置和監控。

門機控制單元采用USART實現總線接口，并且進行冗余設置，以上功能都是通過讀寫控制器中的寄存器實現的，支持的功能碼為0x03、0x06和0x10。任務流程如圖7所示。

圖7 MODBUS通信任務流程圖

4 試驗驗證

以單門凈開度為950mm的安全門作為實驗平臺，對本文設計的門控單元進行了相關的試驗驗證，結果如圖8所示。圖中前半部分為開門運行曲線，門體以580mm/s的最大開門速度運行，整個開門過程時間為2.5 s，開門到位目標速度一直保持，防止乘客拉門后能夠還原到開門到位位置；后半部分為關門運行曲線，門體以510mm/s的最大關門速度運行，整個關門過程時間為3 s。開關門時間可通過更改最大開關門速度無級調整。

從圖中的曲線可以看出，電機驅動的內部目標曲線與反饋速度曲線的波形其本一致，說明門機控制單元能較好的實現安全門的控制。

5 結束語

本文以安全門門機控制單元為研究對象，通過在凈開度為950mm安全門樣機上進行驗證，結果證實門控單元能較好的實現安全門的控制。同時，該系統也可以提高安全門運行的可靠性，降低安全門門控單元的成本。該系統已于2012年在臺灣捷運地鐵項目中安裝并投入使用，運行安全穩定。

[1]黃中全. 軌道交通站臺安全門控制系統[J]. 自動化與儀器儀表，2009 （3）：64-66.

[2]賀 文，王 飛，陳 慶，林 磊. 城市軌道交通站臺屏蔽門中央控制盤的研究[J]. 機車電傳動，2011（4）：44-47.

[3]李凌志.基于DSP的無刷直流電機伺服控制系統[J]. 機電一體化，2007，24（5）：66-69.

[4]勞運敬. 地鐵屏蔽門控制系統的研究[D]. 廣州：華南理工大學，2011.

[5]曠文珍. 鐵路車站分布式計算機聯鎖系統[J]. 中國鐵道科學，2012，33（5）：139-143

[6]郭 寅，劉常杰，劉 剛，等. 機車車輛靜態限界非接觸式自動測量系統[J]. 中國鐵道科學，2013，34（1）：134-138.

[7]尹盼春. 地鐵屏蔽門控制系統的設計[D]. 南京：南京理工大學，2010.