站臺門控制系統冗余設計的必要性與實現方式

羅洪志 廣東省佛山市軌道交通發展有限公司

前言

站臺門系統是城市軌道交通系統的重要組成部分，它具有提供乘客上下車的通道、為乘客的候車安全提供保障、美化站臺環境、減少站臺內空調冷量損失、節約運營成本等作用。站臺門控制系統PSC 核心控制邏輯通常采用安全繼電器組、PEDC 集成電路板和PLC 控制三種方式。本文就站臺門控制系統冗余設計的必要性和實現方式進行探討和設計。

一、站臺門系統介紹

(一）控制系統組成

站臺門控制系統主要由中央接口盤（PSC）、就地控制盤（PSL）、就地控制盒（LCB）、門控單元（DCU）、聲光報警器、通訊介質及通訊接口等設備組成。其中PSC 由主監視系統（MMS）、兩個PEDC/PLC（安全繼電器組）、接口設備及控制配電回路組成；門機系統由DCU、電機、減速器、傳動裝置和鎖緊裝置、行程開關等組成。典型車站有一個PSC、兩個PSL、每扇滑動門一個DCU。

(二）系統控制模式

站臺門系統的控制模式設置有系統級、站臺級、手動操作三種正常控制模式及火災控制模式。分別為：(1)系統級控制模式是正常運行模式下由信號系統直接對站臺門進行控制的模式。(2)站臺級控制模式是由列車駕駛員或者站務人員在站臺PSL 上對站臺門進行開/關門的控制方式。(3)手動操作是由站務人員或者乘客對站臺門進行的操作，當控制系統電源故障或者單個站臺門發生故障時，站務人員在站臺側使用專用鑰匙或乘客在軌道側拉動開門把手對站臺門進行開關門操作，實現手動操作控制模式。(4)根據環控系統模式要求，在火災模式或應急狀態下由車站值班人員在車站控制室操作綜合后備盤（IBP）的站臺門緊急控制開關，配合打開滑動門，配合環控系統排煙或者疏散。

二、冗余設計

(一）安全繼電器組

安全繼電器組是整個控制系統都是由繼電器來接收開關門信號和控制門控單元開、關門，全部采用硬線連接。安全繼電器屬于安全部件，與一般繼電器不同，它具有強制導向接點結構，即使在接點熔接時也能確保安全功能。

按標準車站站臺門控制系統的安全繼電器組控制回路（如圖1）IBP、PSL 和SIG 開、關門的繼電器是共用K0370 和K0371。這種控制回路，不論是正常SIG 控制、PSL 控制，還是IBP 控制都會使開門繼電器K0370、K0371 頻繁地得電、失電，故障幾率大大增加，而一旦其中一個開門繼電器發生故障，任一控制方式都會失去對站臺門開關的控制，嚴重影響地鐵行車。

圖1 ：標準車站控制回路

對控制回路進行冗余設計（如圖2）的控制回路，將IBP 控制、PSL 控制都單獨設置回路，IBP 新增兩個開（關）門繼電器K0372 和K0373，PSL 新增兩個開（關）門繼電器K0374 和K0375，這樣所有開（關）門模式均進行了冗余設計，做到完全冗余，在任何一種控制模式下都有冗余的開門繼電器，在任一種控制模式失效的情況下都不影響其他控制模式。同時系統監視每個繼電器的工作狀態，如發現異常，將實時報警。

圖2 控制回路完全冗余

(二）PEDC 集成電路板

PEDC 由邏輯部分和控制部分組成，邏輯部分處理信號開關門的邏輯判斷，帶CPU 和存儲器和輸入/輸出（I/O）設備，能通過CAN總線和DCU 通信，實時監控站臺門狀態，并通過網絡協議上傳給BAS。控制部分由多個繼電器組成，配合邏輯板完成站臺門開關門的指令輸出。

站臺門控制系統PEDC 控制原理示意圖（如圖3），虛線框部分為PEDC 邏輯板處理部分，控制上（下）行站臺門信號開關，信號開關門有兩組繼電器，其中一組繼電器故障，另一組可以作為備用。站臺級控制模式PSL 和火災控制模式IBP 都是用硬線直接控制。

圖3 PEDC 控制原理示意圖

當PEDC 邏輯板處理部分發生故障時，會影響控制系統的正常運行，對其進行冗余設計，在PEDC 邏輯板上增加一個中央處理器，功能與原中央處理器一致，并互為備用（如圖4），可以保障整個控制系統運行的穩定性。當其中一個控制回路發生故障時，備用控制回路可接入電路繼續使用。同時，對PSL 使能、PSL 開門、PSL 關門觸點進行雙觸點配置，對PSL 使能繼電器、IBP 使能繼電器、PSL 開關門繼電器、IBP 開關門繼電器進行雙繼電器配置，所有開關門相關功能繼電器都有雙份冗余配置，降低某個繼電器故障導致無法開關門的現象。這樣通過電路部分或整體配備的冗余性可將電氣電路的一個接點故障概率控制在最小限度，提高了站臺門系統運行的可靠性。

圖4 PEDC 控制冗余示意圖

（三）PLC

運用PLC（可編程邏輯控制器）作為站臺門單元控制器（PEDC）邏輯處理器，可以同時具備多接口接入、信號處理、信息管理等功能。控制部分由多個繼電器組成，配合PLC 完成信號系統開關門的指令輸出。站臺門PSL 和IBP 控制模式也運用繼電器組采用硬線構成邏輯判斷功能模塊，在PLC 出現故障時迅速替代PLC 完成邏輯判斷任務，如圖5所示。

圖5 中虛線框部分是PLC 控制部分，通過PLC 實現SIG 系統開關門及一側站臺門的狀態監控。當處于正常的信號系統控制模式時，PLC 接收到信號系統發來的開（關）門命令做出判斷，閉合開（關）門開關使開（關）門繼電器得電、站臺門打開（關閉）。

圖5 PLC 為核心的中央控制系統示意圖

當PLC1 發生故障時，會影響控制系統的正常運行，現對其進行冗余設計，如圖6所示。正常情況下兩個PLC分別控制一側站臺門的監控點，當其中一個PLC 控制模塊發生故障時，另一個PLC 迅速代替故障部分完成邏輯運算任務。同時，對PSL 使能、PSL 開門、PSL 關門觸點進行雙觸點配置，對PSL 使能繼電器、IBP 使能繼電器、PSL 開關門繼電器、IBP 開關門繼電器進行雙繼電器配置，所有開關門相關功能繼電器都有雙份冗余配置，降低某個繼電器故障導致無法開關門的現象。

圖6 PLC 控制系統冗余設計

三、結論

站臺門系統是屬于乘客界面的頻繁動作的設備，故障發生幾率較高，且一旦發生故障，將影響運營服務質量，因此，有必要對PSC 核心控制邏輯進行冗余設計，提高系統運行的連續性。三種控制方式：(1)安全繼電器組完全冗余后，任何繼電器故障不影響系統的正常運行，只需更換故障繼電器，同時對設備安裝成本影響不大。(2)“PEDC 集成電路板”完全冗余后，邏輯控制板或任一繼電器故障，系統仍能正常運行，只需更換邏輯板或故障繼電器，故障排查處理簡單。（3）“PLC”完全冗余后，一個PLC 故障或任何繼電器故障，系統仍能正常運行，只需更換故障PLC 或故障繼電器。

可見PSC 核心控制邏輯采用的三種控制方式完全冗余后利大于弊，不會因故障導致搶修不及時而影響行車，極大地減輕維保人員的搶修壓力，有效提高了站臺門系統的安全性和可靠性，因此，采用冗余設計具備必要性，且實現方式簡單可行。