城市軌道交通車輛門控單元運行工況下檢測平臺的設計

劉 鵬 張俊良 寧 慶 張 峰 張士文

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

在大城市，由于軌道交通發車頻次高、開行平穩迅速、運營受天氣影響小，已成為城市居民生活的首選交通方式［1］。但同時這也給城市軌道交通車輛各組成部件的維修保養帶來巨大壓力，尤其是車門部分，由于使用頻次高，門控制單元最容易出現故障。然而國內尚無自主知識產權的門控單元檢測儀器，運營方主要依賴外國廠商提供的服務［2］。因此，設計一款用于門控單元運行工況下的檢測平臺顯得尤為重要。本文所研制的檢測平臺可以對iFE公司兩種門控單元的運行環境進行模擬，并對其進行故障檢測和診斷，可以實現維修前的故障初步確定和修理完畢后的狀態確認等，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議為MVB(多功能車輛總線)協議，其除負責所管車門的開啟關閉外，還要搜集車輛其余門控單元的狀態信息，再作為MVB 上的節點向上級機構傳遞本車廂所有的門系統的狀態信息。而從門控單元的通信協議為RS-485/232 協議，其主要負責所管轄車門的開啟關閉，并將該車門與自身狀況上報給MVB 主門控單元。一般情況下，以一節車廂10 扇車門計，需配備2 個主門控單元，其中一個工作在主門控單元的狀態，另一個工作在備份狀態，平時為從門控單元，當主門控單元發生故障時，立即切換至主門控單元狀態。余下8 個均為從門控單元。

1.1 門控單元輸入輸出口

本文所研究的門控制單元，針對于iFE 公司所生產的基于 RS- 485/232 通信協議的 PMC20-110R 型門控單元，以及基于 MVB 通信協議的PMCB20/2-110S 型門控單元。以下文中為稱謂方便起見，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 引腳的插排構成其輸入輸出通道，數據通信接口為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。數據通信接口也為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、電機驅動端口、16 路輸入端口和8 路輸出端口。輸入端口用于接收開關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動蜂鳴器、指示燈和電磁閘等負載。

1.2 門控單元工作原理

上述兩類門控單元雖然在I/O 口分配和總線協議選取上有所不同，但作為控制單個門開關的門控單元時，均要遵循相同的開關門時序和外部命令，因此，從這點上看，門控單元開關門的工作原理是相同的。下面介紹開關門的過程。

門的開啟或關閉是由“零速”、“開門”和“關門”車輛控制線的電平決定的。如果要開門，必須有零速信號，否則門不可能打開，正在打開的或出于打開位置的門，失去零速信號后立刻轉變為關門狀態［3-4］。

(1)開門。在關門信號線置低1 s 后，可以通過激活開門車輛控制線開門，開門信號必須激活至少0.5 s，否則就忽略開門指令(開門次序中斷)并且門操作指示燈關閉。開門循環如圖3所示。

圖3 開門操作示意圖

(2)關門。通過置高關門車輛控制線關門，在激活關門信號線后3 s，門開始關閉。關門信號線至少要維持0.5 s，否則將忽略關門指令。如果在關門過程中關門信號線置低且開門信號線置高，關門順序終止，1 s 后門重新打開到開門終點位置。關門循環如圖4所示。

值得注意的是，任何情況下，零速信號一旦丟失，門均將立刻轉換成關閉狀態。

(3)開關門過程中指示燈狀態。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門蜂鳴器。開關門時指示燈的狀態見圖5。

圖4 關門操作示意圖

圖5 開關門指示燈狀態

2 檢測平臺設計

本文所設計的檢測平臺可以對門控單元的輸入和輸出端口進行故障檢測。其中輸入端口主要包括零速信號線、開門和關門列車線、門位置傳感器、“門關閉”限位開關和供電端口。輸出端口主要包括指示燈、蜂鳴器、電磁閘和電機驅動端口。同時，為實現不同型號下門控制單元檢測軟硬件最大程度的共用，需要實現軟硬件的通用性。虛擬儀器技術的出現，使得通用化測量真正成為可能。在進行檢測時可以不更改硬件電路，而只通過頂層軟件的改寫和切換檢測電路來實現不同測試目的，將傳統的軟硬件捆綁式測試工具進行了拆解，并實現了軟件重構帶來的目標多樣性［5］。

2.1 檢測平臺的硬件設計

由于兩種型號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，需從硬件設計上將檢測平臺分為2 個檢測電路，分別用來模擬R型門控單元和M 型門控單元的運行環境。

由于R 型門控單元所使用的RS-485/232 協議碼率相對較低，可以通過在電腦上安裝RS-485/232 接口來實現數據通道的建立。而MVB 協議不僅碼率較高，且應用較少，沒有專門的轉換裝置，需設計專用的數據采集裝換裝置。使用ARM 芯片配合FPGA 芯片的方式可以較好地滿足要求。通過其進行串行數據轉并行數據后碼率下降，再傳遞給ARM 芯片，根據MVB 協議進行信號提取，最后將獲得的信號通過常用的RS-232 協議提交給上位機，進一步處理。上位機對門控單元詢問指令發送通路與前者相同。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載，因此將對每個子系統分別設計一塊電路板。通過數據采集卡對電路板進行指令發送和數據回收。

對于輸入輸出端口，按門控單元的運行時序來驅動繼電器為輸入端口接入相應的電壓。輸出端口一直連接著燈、電磁閘等負載，需要通過大約1 A 左右電流，因此，這里同樣通過數據采集卡驅動繼電器將輸出端口連接相應的仿真電阻。

對于電機驅動端口，當門正常開啟關閉時大約輸出24 V 左右的電壓。在門打開和關閉狀態中，電機正常運轉，此時電流較小，約為0.3 A;當門開到位或關到位時，電機被堵轉，此時電樞電流急劇上升，最高可達10 A 左右(過載電流是門控單元判斷門開關門有無到達極限位置的判據之一)。當出現緊急狀態時，門需要急速關閉時，該端口電壓值可上升至48 V 左右。通過實驗檢測得到電機等效電阻在正常運轉和堵轉時分別為72 Ω 和3.3 Ω。同樣通過數據采集卡驅動繼電器控制負載電阻根據開關門過程中的具體時刻進行切換。

兩款門控單元對于門速的測定方式是相同的，均是靠固定在電機軸上的旋轉光柵編碼器實現［6］。門控單元在運行的工況下，需要為其輸入2 路相位相差90°的門位置傳感器信號來指示門的位置，此信號為方波信號，頻率在50 Hz 以下，可以由數據采集卡驅動光耦并外接上拉電阻產生。同時，對各輸出端口串接霍爾傳感器以檢測輸出電流的大小。

檢測平臺一方面通過監控門控單元的通信端口所發出的診斷信息，來判斷其各部分模塊在運行工況下是否工作正常;另一方面還通過測量各輸出端口的電流值來輔助判斷是否有故障發生。

綜上所述，得到如圖6所示的檢測平臺硬件結構示意圖。

2.2 檢測平臺的軟件設計

圖6 檢測平臺硬件結構圖

本文在設計思路中明確了采用虛擬儀器技術的結構形式，相關軟件也隨硬件的選擇而確定下來。即檢測平臺與上位機之間數據的交換選用NI 公司的數據采集卡，而頂層界面的設計和后臺仿真流程控制程序的編寫采用NI 公司的LabVIEW 語言，可以實現軟件硬件的無縫銜接。

由于硬件電路的設計不同，檢測軟件也應設計為2 套，以確保每個子模塊可以以最佳的流程來實現。在用戶操作界面上應盡可能保持一致，提高軟件的自動測試程度，減少不同型號門控單元帶來的檢測操作的變化。

R 型門控單元運行工況需要首先通過門控單元上的RS-232 接口將運行固件燒寫進門控單元的E2PROM 中。在上電復位50 ms 以內，固件需要以規定的格式逐位通過串口寫入，該程序實質為串口通信。完成固件寫入后，門控單元開機即工作在運行工況下，此時可通過仿真外部輸入量及負載來仿真門控單元的工作環境，開關門仿真大致可分為門開啟中、門完全打開、門關閉中、門關緊這幾個階段。與此同時，檢測程序通過上位機的RS-485 端口模擬列車信息系統和門控單元之間的通信，此時上位機模擬的列車信息系統作為總線上的主站發送問詢請求，門控單元作為從站應答回復。上位機通過門控單元本身監控系統的數據，判斷出門控單元工作正常與否。最后可以通過點擊生成報表按鈕來記錄測試過程中所有故障信息。

對于M 型門控單元，由于采用了MVB 通信協議，數據處理相對RS-485 協議較多。但由于采用了專門的信號處理變換電路去進行MVB 總線協議至串口協議的轉換，因此從上位機編程角度看，該門控單元運行工況程序與R 型門控單元運行工況原理相同。只是目前該型門控單元只有運行工況下的固件，因此亦無需研究固件燒寫程序。同樣，可以在測試結束之后生成檢測報告。

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

圖7 R 型門控單元運行工況下檢測程序流程圖

圖8 M 型門控單元運行工況下檢測程序流程圖

3 試驗結果分析

3.1 R型門控單元運行工況下的試驗

在整個測試過程中，檢測平臺為門控單元提供正常的運行環境，并通過RS 485 端口發出問詢信息，對回復的自診斷信息進行解碼，顯示在運行面板上。同時通過檢測門控單元輸出口電流來進行補充判斷。

此試驗的檢測對象是電機驅動電路有故障的PMC20-110R 型門控單元。雖然外部所加的零速信號、開門信號、關門信號等輸入量均與正常運行環境下的輸入量相同，但通過對RS 485 端口的診斷信息進行解碼，得到了門控單元電機線斷裂的診斷信息，同時對電機驅動端口的電流進行測量，并沒有檢測到有電機驅動電流產生。由此可以判斷出在門控單元的電機驅動電路存在故障，從而得到了正確的故障檢測結果，驗證了檢測平臺對此型號門控單元檢測的有效性。

3.2 M型門控單元運行工況下的試驗

在試驗中，檢測平臺模擬門控單元的正常運行環境，并通過數據轉換板卡向MVB 通信端口發出問詢信息，門控單元在接到問詢后，將回復對應診斷信息至MVB 接口。這些信息被實時解碼并對應到前面板上的各個指示燈上，形成M 型門控單元運行檢測中主要診斷信息的來源。同時檢測平臺也對門控單元的輸出端口進行電流測量，來補充診斷。

此試驗的對象是門位置傳感器有故障的PMCB20/2-110S 型門控單元。圖9 是這一試驗進行到開門過程時的屏幕截圖，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結果，驗證了檢測平臺對此型號門控單元檢測的有效性。

圖9 M 型門控單元運行工況試驗前面板

4 結語

本文介紹了一種城市軌道交通車輛門控單元運行工況下檢測平臺的研制。使用虛擬儀器技術設計了門控單元工作所需的外圍環境，編寫了檢測平臺軟件，實現了兩類門控單元在運行工況下的檢測。通過試驗驗證了此檢測平臺可以離線測試門控單元，并可以診斷出門控單元的各類故障。也為相關設備的檢測和平臺的開發提供了一定的經驗借鑒。

［1］上海市人民政府.上海市軌道交通基本網絡規劃［R］.上海:上海市人民政府，2005.

［2］張天軍，崔鳳釗，殷培強.城市軌道車輛可移動式試驗臺研制［J］.鐵道車輛，2012，50(10):36.

［3］黃陽，劉萍萍，李東波，等.列車門系統綜合檢測儀的設計與實現［J］.機電產品開發與創新，2004，17(1):66.

［4］李亞東，王均垠，陳維忠.南京地鐵車輛車門控制器的國產化［J］.電力機車與城軌車輛，2009，32(5):50.

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