北京地鐵燕房線站臺門編碼器測試裝置研制及應用探析

張小杰

關鍵詞：燕房線；站臺門；編碼器；故障檢測；精調

1 系統簡介

1.1 功能簡介

站臺門是乘客出入地鐵列車的通道，其主要作用如下：

1） 防止乘客誤入或有意闖入軌行區或設備區，同時可以避免異物掉落軌行區，影響列車正常運行。

2） 避免乘客被不停靠上下客列車高速行駛時產生的強大負壓吸住釀成慘禍。

3） 將隧道和車站隔離開來，使二者互不影響。一方面可以減少車站空調制冷的負荷，另一方面方便對隧道空間的內氣流進行阻止，減少列車行駛過程中的阻力，并保持隧道內空氣的新鮮。

4） 站臺門具有隔音效果，可以減輕站臺上聽到的噪聲程度，尤其是列車在進站前彎道的行駛噪聲，為乘客創造良好的乘車環境。

1.2 工作特點

地鐵站臺門采用全自動運行方式，站臺門與列車及信號系統聯動，實現：列車進站站臺門打開乘客上車站臺門關閉列車出站的循環自動工作模式。

站臺門的主控單元為DCU[1]，當接收到TIAS系統發出的控制指令后，DCU自動控制站臺門執行相應的動作程序。DCU通過控制門機的轉速來實現對門體運動的控制，在站臺門開關門過程中，門體每一時刻的運動位置應完全按照DCU程序設定進行。DCU對門機的控制為閉環方式，DCU通過編碼器實時采集門機的旋轉角度（門體的運動位置），進而計算門機的瞬時速度，如速度超前或滯后設定，DCU自動調節對門機控制的給定，從而使站臺門的實際運行曲線與DCU 設定的目標曲線保持一致。

地鐵站臺門是復雜而精密的機械系統，其傳動部件如驅動電機、變速箱、皮帶、滑軌等部件的機械磨損、曠量及卡滯都會導致站臺門運行參數發生變化，如超出DCU的調整范圍，將導致DCU保護并輸出故障告警。

1.3 站臺門維護特點

定期對站臺門的機械部件進行維護保養，使系統保持良好的工作狀態[2]。站臺門的維保方式分為故障修和計劃修。計劃修即站臺門的維護保養按照維修周期分為日常巡視、月度檢修、季度檢修、半年度檢修和年度檢修。日常巡視主要檢查設備的外觀、各個子系統的參數；月度檢修主要為站臺門系統的功能測試；季度維護除一些站臺門的功能測試外，還增加門體間各個間隙之間的檢查；半年度維護主要為蓄電池功能測試和緊固線纜；年度維護主要檢查各個機械部件有無位移、變形，站臺門的絕緣測試以及設備的清潔、輪修工作。

2 現狀分析

2.1 現狀

2019年5月份地鐵燕房線站臺門系統共計發生300 起告警和故障，其中約92%未告警，且沒有找到原因。

站臺門進入大修精調階段，全線共計站臺門288 扇，精調過程中沒有相關輔助的測試工具，導致站臺門調整工作消耗過多的時間，影響大修整體進度。

2.2 原因分析

通過站臺門的工作原理分析遇障告警產生的條件，站臺門電機上裝有編碼器，用于監控站臺門運行過程，編碼器輸出24V脈沖信號[3]， DCU采集編碼器的脈沖個數，并與程序中給定值進行比較，如果采集的脈沖數出現差異，就會產生遇障告警。

3 解決方案

3.1 目的及必要性

3.1.1 目的

站臺門編碼器測試工裝的研制目的，是為維護人員提供一套適用的測試工具，能夠對站臺門的主要性能參數（滑動門的開關門時間，開關門過程中速度曲線）進行檢測，能夠使維護人員直觀地看到站臺門的實際運行速度曲線與DCU設定的曲線的差異，從而輔助維護人員對站臺門相關機械部件進行維修及調整，將站臺門的性能參數趨向于出廠至最佳狀態。

3.1.2 必要性

站臺門編碼器測試裝置可用于對站臺門的故障及技術分析，并用于指導現場對站臺門機械部件的精調，站臺門編碼器測試工裝旨在將站臺門的工廠檢測標準引入到運營階段的預防性維修工作中，推進了燕房線站臺門維修的標準化。

3.2 工作內容、關鍵技術

3.2.1 工作內容

項目主要研究一種站臺門運行工況檢測的測試裝置。測試裝置應能夠在站臺門運行過程中實時測試站臺門驅動電機運行方向、門體運行位置、瞬時速度、開關門動作時間、動作次數等運行狀態參數。便于維護人員針對站臺門故障檢測及性能方面的比較分析，指導站臺門的維護保養工作。

3.2.2 關鍵技術

項目采用可編程控制器對編碼器輸出的高頻脈沖信號進行捕捉，由可編程控制器將采集的編碼器信號進行分析，計算站臺門各種實時的運行狀態參數，測試數據通過通訊線纜上傳至人機界面，由組態軟件進行數據連接，通過人機界面進行實時動態顯示，并生成數據報表文件記錄。

為保證測試精度，在信號采集程序進行了以下優化措施：

1） 方案將站臺門的動作過程平均切分為400個時段，每個時段的周期固定為10ms，在每時段的起點位置（即數據采集時鐘）讀取編碼器輸出的累計脈沖數（即門體位置），單位時間的門體位移即站臺門的瞬時速度。

2） 編碼器的輸出信號為高頻脈沖（最高頻率達到2.35kHz） ，常規儀表因分辨率低，采集時會丟脈沖，因此帶來測試誤差。方案采用可編程控制器內部的高速計數器對編碼器信號進行采集，高速計數器的分辨率達到200kHz，遠大于信號頻率，從而提高信號檢測的準確性。

為保證測試精度，方案對測控程序進行了優化：方案采用可編程控制器內部的DPLSY指令，產生精準的100Hz時鐘，當時鐘中斷觸發后，主程序自動跳轉至中斷程序，在中斷程序中執行讀取高速計數器值及數據計算的程序塊，中斷程序執行完后再回到主程序原中斷點。

3.3 技術路線、研究方法

3.3.1 技術路線

項目采用可編程控制器對編碼器輸出的高頻脈沖信號進行捕捉，由可編程控制器的程序對信號進行處理，計算站臺門的運行方向、位置、速度、動作時間、動作次數等參數；項目采用工業平板電腦作為人機界面，可編程控制器通訊與人機界面通訊，將測試數據上傳，通過組態軟件將站臺門的運行數據輸出進行實時動態顯示，并生成數據報表文件進行記錄。

3.3.2 研究方法

1） 編碼器信號接入

使用自制的信號采集線纜串聯在DCU與編碼器反饋線纜之間，將編碼器信號引出，線纜管腳定義為：③.GND；④.A相脈沖輸出；⑤.B相脈沖輸出；⑥.VCC。編碼器的A、B兩相脈沖信號及信號的接入可編程控制器（簡稱PLC） 。

2） 信號采集

如圖3所示，編碼器輸出的是A/B兩相高頻脈沖信號，脈沖電平為24VDC。編碼器的脈沖個數表示門機旋轉的角度，并呈固定比例（門機的旋轉角度×傳動系數=門體的運動行程），脈沖的密度表示門機的旋轉速度（對應門體的滑動速度）

項目采用AS300P型可編程控制器采集編碼器的輸出信號[4]。如圖4所示X0.0-X0.6為高速信號輸入端口，最大分辨率達到200kHz，能夠識別高頻數字電平信號。

其中，X0.0/X0.1 檢測編碼器A/B 相信號，連接PLC內部高速計數器HC202（雙脈沖計數，帶方向識別）；X0.2連接PLC內部高速計數器HC204（單脈沖計數）；X0.3為數據采集時鐘同步信號；X0.4為站臺門啟動信號（上升沿觸發）。

3） 數據處理

編碼器的高頻脈沖信號進入PLC后，需要通過測控程序進行處理，才能完成站臺門運動過程的數據采集。以下是測控程序的主要流程示意：

①站臺門運動位置檢測[5]

②站臺門運動速度計算

將寄存器位置的數據按照圖6計算（41.58為計算系數），計算結果存放至寄存器中，寄存器存入的數據即為站臺門的瞬時速度，單位為mm/s。

③站臺門開/關門用時計算

④站臺門動作行程計算

⑤站臺門開關門測試次數統計

4） 數據上傳及HMI組態

項目采用工業平板電腦作為系統人機界面，可編程控制器與人機界面采用RS485通訊，將數據實時上傳至人機界面。通過編程將PLC的數據與組態程序中的變量關聯，組態畫面受變量控制，隨著PLC采集的數據實時變化，組態畫面中的顯示數據、動畫、曲線、報表等就會隨之刷新。

站臺門每次動作完成后，系統會自動生成1 個Access文件，記錄了站臺門動作過程中的運行數據，以便進行技術分析。

5） 測試裝置制作及組裝

①測試裝置主要技術指標

③測試裝置實物

將電源、PLC、一體化工控機開關、I/O接口等部件安裝到機箱內，接線完成檢測裝置的制作。

3.3.3 應用實例

1） 高低溫試驗性能檢測

通過對以上高低溫實驗運行數據進行分析，最終確定Err14故障原因：站臺門在高溫環境與常溫環境下運行狀態參數存在較大差異，由于站臺門DCU程序存在缺陷，導致DCU誤認為站臺門（夏季高溫時的）運行參數超出程序的保護范圍，造成系統告警。廠家根據依據站臺門高低溫實驗測試數據對DCU的程序進行改進，徹底解決了燕房線站臺門誤報Err14 故障問題。

2） 預防性維修性能檢測

套站臺門編碼器檢測裝置，實際應用于站臺門的精調維護工作，通過記錄最佳狀態門的運行數據作為參考標準，指導其他的門機調整趨于至最佳。

4 取得效益

4.1 經濟效益

測試裝置可提高站臺門維護維修效率37.5%。預計每年節省人力成本約2萬元。

4.2 社會效益

測試裝置的研發，掌握站臺門系統工作原理，利用技術手段精準定位故障點，杜絕設備運用過程中存在的安全隱患，設計方案考慮了設備的可用性，便于后期維護維修，為首都地鐵運營提供安全保障。

4.3 成果推廣

站臺編碼器測試工裝主要為燕房線站臺門設計，用于燕房線站臺門驅動電機、站臺門及其他帶編碼器的電動設備維修、檢測及技術分析使用。該項技術可推廣至其他地鐵線路。

5 結論

目前國內有針對地鐵站臺門運行工況檢測的測試系統，一般這種測試系統通常在站臺門門體上加裝傳感器，使用專用系統進行檢測分析，得出站臺門的運行性能參數。這種測試系統適用于工廠實驗室測試或第三方認證測試，不適合現場維護人員使用。

項目使用可編程控制器采樣站臺門驅動電機的編碼器信號，研制一套適用于地鐵站臺門運行工況檢測的裝置，能夠實時測試站臺門驅動電機運行方向、門體運行位置、瞬時速度、開關門動作時間、動作次數等運行狀態參數功能。設計思路和方案供同行業參考。

文章闡述了利用研制的測試裝置應用到站臺門的故障及技術分析，并用于指導現場對站臺門機械部件的精調，節省人力，提升科技創新目標，達到降本增效的目的。該測試裝置因體積小、重量輕、操作簡單，便于現場維修人員使用。