軌道交通車站站臺(tái)門核心電氣設(shè)備探析
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摘要：軌道交通車站站臺(tái)門是集網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械和自動(dòng)控制等技術(shù)于一體的機(jī)電設(shè)備。介紹了軌道交通車站站臺(tái)門核心電氣設(shè)備的操作原理，分析了站臺(tái)門核心電氣設(shè)備的技術(shù)性能，重點(diǎn)闡述了站臺(tái)門核心電氣設(shè)備中的PEDC、電磁鎖及手解鎖技術(shù)，為后期該設(shè)備更新和優(yōu)化提供了解決思路與方向。
關(guān)鍵詞：軌道交通;車站;站臺(tái)門;電氣設(shè)備;傳動(dòng)裝置;電磁鎖;手解鎖
城市軌道交通車站站臺(tái)門設(shè)備主要由站臺(tái)門體機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)三部分構(gòu)成。控制系統(tǒng)作為站臺(tái)門設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)站臺(tái)門系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性起著極其重要的作用。本文通過(guò)對(duì)軌道交通車站站臺(tái)門核心電氣設(shè)備的分析和對(duì)比，提出若干合理化建議。
1城市軌道交通車站站臺(tái)門核心電氣設(shè)備組成
站臺(tái)門控制系統(tǒng)作為站臺(tái)門設(shè)備的核心，主要由中央控制單元（PEDC）、站臺(tái)端頭控制盤（PSL）、車站綜合控制盤（IBP）、站臺(tái)滑動(dòng)門門機(jī)控制器（DCU）及執(zhí)行電機(jī)、電磁鎖、工控機(jī)（內(nèi)含監(jiān)視系統(tǒng)）（MMS）、輸入/輸出模塊、聲光報(bào)警裝置和現(xiàn)場(chǎng)冗余總線網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，完成對(duì)整個(gè)車站站臺(tái)門的實(shí)時(shí)控制與監(jiān)視。站臺(tái)門控制系統(tǒng)接收來(lái)自信號(hào)系統(tǒng)（SIG）的開(kāi)關(guān)門指令，反饋給SIG關(guān)閉鎖緊信息，并將所有的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息上傳至其上位機(jī)（主控系統(tǒng)）。
1.1站臺(tái)門電氣設(shè)備
1.1.1傳動(dòng)系統(tǒng)該系統(tǒng)由電機(jī)、減速器、傳動(dòng)輪、及皮帶組成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用中置方式，位于門機(jī)梁中部，減速器將電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)向90度。兩個(gè)主動(dòng)輪直接固定在減速器輸出軸上，通過(guò)同步齒形皮帶和從動(dòng)輪連接，滑動(dòng)門掛在同步齒形帶上，由同步齒形帶（傳動(dòng)皮帶）帶動(dòng)滑動(dòng)門作同步運(yùn)動(dòng)。1.1.2電機(jī)及減速器電機(jī)采用德國(guó)進(jìn)口德恩科直流無(wú)刷電機(jī)BG65×75（42V），額定功率189W，額定轉(zhuǎn)矩0.4N·m，電機(jī)選型主要考慮的因素除了電機(jī)的參數(shù)外，還應(yīng)重點(diǎn)參考滑動(dòng)門打開(kāi)時(shí)的運(yùn)行阻力，除了包括滑動(dòng)門重力在運(yùn)行導(dǎo)軌上的阻力外，還包括水平方向風(fēng)荷載下，門檻與滑動(dòng)門導(dǎo)靴的阻力，導(dǎo)軌和掛輪的阻力。減速器選用AlcatelDunkermotoren公司與電機(jī)配套的渦輪渦桿式SG80減速器，減速比為10∶1。電機(jī)輸出軸連接減速器輸入軸，帶齒滑輪裝配在減速器輸出軸上，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)向90度。主動(dòng)輪直接固定在減速器輸出軸上，通過(guò)同步齒形皮帶和從動(dòng)輪連接，滑動(dòng)門掛在傳動(dòng)皮帶上，由傳動(dòng)皮帶帶動(dòng)滑動(dòng)門作同步運(yùn)動(dòng)。1.1.3皮帶傳動(dòng)皮帶采用重載圓形齒皮帶，采用耐磨、阻燃、低煙、無(wú)毒材料，抗拉體強(qiáng)度高，受載后變形小，能保持齒的節(jié)距不變，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)平穩(wěn)，速度快，噪音小，不需潤(rùn)滑，清潔維護(hù)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，張緊力和壓軸力小，耐摩擦，效率高達(dá)98％～99％，并具有皮帶張緊力的調(diào)節(jié)功能，以消除皮帶打滑的隱患。傳動(dòng)系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1。
1.2控制系統(tǒng)
1.2.1中央控制單元（PEDC）每個(gè)車站配置兩套邏輯控制單元，每套均配置與信號(hào)系統(tǒng)的接口、與就地控制盤（PSL）的接口、與車站控制室IBP盤接口的繼電器組。接口設(shè)備相互獨(dú)立，設(shè)備不能互用，在接收到SIG傳來(lái)的開(kāi)/關(guān)門的關(guān)鍵命令后，正確地控制相應(yīng)門單元進(jìn)行動(dòng)作。PEDC控制板為控制車站一側(cè)站臺(tái)所有DCU的核心部件，外部接口指令都通過(guò)硬線連接到PEDC板卡，根據(jù)接口指令的優(yōu)先級(jí)，PEDC發(fā)送命令到ASD。PSC柜內(nèi)安裝有2塊PEDC板卡，分別對(duì)應(yīng)上行方向和下行方向的PSD。每塊PEDC板卡設(shè)有冗余控制芯片（CPLD），所有輸入和輸出都同時(shí)連接到兩個(gè)CPLD。當(dāng)主CPLD工作正常時(shí)，輸出由其邏輯輸出驅(qū)動(dòng)，從機(jī)CPLD處于待機(jī)狀態(tài)，；如果主機(jī)與從機(jī)的通信停止，從機(jī)CPLD將會(huì)被激活，外部輸出由從機(jī)CPLD驅(qū)動(dòng)。PEDC輸出繼電器采用德國(guó)進(jìn)口的Hengstler安全繼電器H-480，機(jī)械壽命可達(dá)1000萬(wàn)次。值得一提的是為了滿足在PEDC故障以后，IBP能應(yīng)急操作上、下行滑動(dòng)門，還在PSC柜里單獨(dú)搭建了一套繼電器組來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，增加了PEDC的可靠性。1.2.2門機(jī)控制器（DCU）DCU是現(xiàn)場(chǎng)門控單元，執(zhí)行來(lái)自遠(yuǎn)端和就地的控制命令，并將收集來(lái)的門單元信息發(fā)送給PSC；同時(shí)，DCU也是滑動(dòng)門電機(jī)的監(jiān)控裝置，每個(gè)滑動(dòng)門單元均配置一個(gè)DCU。DCU由CPU、存儲(chǔ)單元、驅(qū)動(dòng)控制單元及相關(guān)軟件等組成，DCU的微處理器采用arm架構(gòu)的STM32芯片，微處理器根據(jù)門的位置，按照設(shè)定的速度曲線發(fā)出脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)IGBT以脈寬調(diào)制（PWM）方式控制電機(jī)的電流，克服滑動(dòng)門運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力及慣性力而帶動(dòng)滑動(dòng)門開(kāi)門/關(guān)門。DCU內(nèi)存儲(chǔ)了一條開(kāi)門速度曲線和一條關(guān)門速度曲線，將按照開(kāi)門/關(guān)門速度曲線對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制。1.2.3就地控制盒（LCB）LCB是安裝在滑動(dòng)門附近用于就地控制滑動(dòng)門的就地控制裝置，用來(lái)單獨(dú)對(duì)本道滑動(dòng)門進(jìn)行開(kāi)關(guān)門操作。LCB安裝在滑動(dòng)門門楣下方，方便工作人員操作。LCB設(shè)“自動(dòng)、手動(dòng)關(guān)、手動(dòng)開(kāi)、隔離”4位鑰匙開(kāi)關(guān)，鑰匙從“自動(dòng)”位順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°為“手動(dòng)關(guān)”位，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°為“手動(dòng)開(kāi)”位；從“手動(dòng)開(kāi)”不能直接旋轉(zhuǎn)至“隔離”位；從“自動(dòng)”位逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°為“隔離”位，鑰匙可在任意位置拔出。1.2.4電磁鎖電磁鎖是站臺(tái)門系統(tǒng)最重要的部件之一，往往決定了站臺(tái)門系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。電磁鎖由鎖機(jī)構(gòu)、電磁鐵、行程開(kāi)關(guān)組成，電磁鎖由鎖軸帶動(dòng)鎖機(jī)構(gòu)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成鎖閉與解鎖動(dòng)作。鎖機(jī)構(gòu)與電磁鐵的鎖軸聯(lián)動(dòng)，鎖機(jī)構(gòu)與滑動(dòng)門上的鎖鉤配合完成門體機(jī)械上的鎖閉和解鎖動(dòng)作。它與滑動(dòng)門鎖鉤配套有專門的觸發(fā)機(jī)構(gòu)，在關(guān)門狀態(tài)下可觸發(fā)門體關(guān)閉行程開(kāi)關(guān)的滾輪動(dòng)作，行程開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)滑動(dòng)門的鎖閉與解鎖位置，鎖機(jī)構(gòu)下方有鎖片，依靠鎖機(jī)構(gòu)的重力觸發(fā)電磁鎖落鎖行程開(kāi)關(guān)。電動(dòng)開(kāi)門/關(guān)門時(shí)電磁鎖的工作原理：1）門控器DCU接收到開(kāi)門命令，經(jīng)邏輯單元處理后，驅(qū)動(dòng)電磁鎖的電磁鐵鎖軸動(dòng)作，鎖軸帶動(dòng)鎖鉤動(dòng)作，鎖機(jī)構(gòu)提升觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)向DCU發(fā)送解鎖信號(hào)，鎖機(jī)構(gòu)隨電磁鐵提起后，滑動(dòng)門不再受電磁鎖的約束，滑動(dòng)門在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下完成開(kāi)門動(dòng)作，與此同時(shí)鎖機(jī)構(gòu)在提起后的1s后，會(huì)自動(dòng)釋放，依靠重力自由下落，壓實(shí)行程開(kāi)關(guān)，整個(gè)開(kāi)門周期完成；2）門控器DCU接收到關(guān)門命令，DCU驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，皮帶動(dòng)作，皮帶牽引滑動(dòng)門完成關(guān)門動(dòng)作，DCU收到關(guān)門命令后同時(shí)也會(huì)驅(qū)動(dòng)電磁鐵吸起鎖軸，滑動(dòng)門運(yùn)動(dòng)到門關(guān)閉位置，關(guān)門到位行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)，并向DCU發(fā)出關(guān)門到位信號(hào)，DCU控制電磁鎖的電磁鐵線圈斷電，依靠鎖軸和鎖機(jī)構(gòu)的重力作用觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，發(fā)出鎖閉信號(hào)，整個(gè)關(guān)門周期完成。1.2.5手動(dòng)解鎖裝置手動(dòng)解鎖裝置是該系統(tǒng)的一大特點(diǎn)，由手動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)和觸發(fā)開(kāi)關(guān)組成。手動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)隱藏在滑動(dòng)門門框內(nèi)，用于緊急時(shí)的門體解鎖。手動(dòng)解鎖原理：緊急情況下乘客可在軌道側(cè)扳動(dòng)解鎖把手，帶動(dòng)鎖桿鎖舌運(yùn)動(dòng)，頂開(kāi)電磁鎖圖1傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖毛夏川：軌道交通車站站臺(tái)門核心電氣設(shè)備分析鎖鉤，解鎖滑動(dòng)門，切斷安全回路。為了將正常的電磁鎖不落鎖故障與手動(dòng)解鎖故障區(qū)分開(kāi)，特意在解鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)配置了行程開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)解鎖機(jī)構(gòu)是否動(dòng)作。當(dāng)解鎖把手動(dòng)作時(shí)，帶動(dòng)行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，安全回路斷開(kāi)并將觸發(fā)信號(hào)發(fā)送至DCU，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)解鎖故障監(jiān)測(cè)。大多數(shù)廠家的手動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)僅設(shè)置在左滑動(dòng)門上，板動(dòng)右門把手是不能實(shí)現(xiàn)緊急解鎖操作的。為此，考慮到緊急情況下乘客不易辨別有效的解鎖把手，在左、右滑動(dòng)門上均設(shè)置了一套滑動(dòng)門手動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)。
2站臺(tái)門設(shè)備分析
2.1傳動(dòng)方式
目前的站臺(tái)門傳動(dòng)方式有兩種：一是蝸輪蝸桿式，二是皮帶輪傳動(dòng)。皮帶輪傳動(dòng)比較廣泛。大多數(shù)的傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)都位于門機(jī)梁右部，1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，1個(gè)從動(dòng)輪，1條通長(zhǎng)的齒形皮帶。本文闡述的傳動(dòng)系統(tǒng)有2個(gè)同軸驅(qū)動(dòng)輪，2個(gè)從動(dòng)輪，2條傳動(dòng)皮帶。相對(duì)于1條皮帶，長(zhǎng)度減半，增大了皮帶的張力，降低了皮帶受關(guān)門遇阻的沖擊后脫扣和打滑的概率。
2.2電磁鎖
電磁鎖采用拼裝式設(shè)計(jì)，零件較多，組裝復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)組裝難度大，精度要求高，完成安裝后還需要接入并調(diào)整好行程開(kāi)關(guān)的位置。整個(gè)電磁鎖的安裝調(diào)整需要耗費(fèi)大量人力。大多數(shù)廠家采用的是集成式電磁鎖，鎖殼內(nèi)集成了電磁鐵、鎖軸、行程開(kāi)關(guān)、接線端子等部件。這種集成式的電磁鎖安裝、接線方便，行程開(kāi)關(guān)在工廠組裝并測(cè)試完成。拼裝式電磁鎖唯一的優(yōu)點(diǎn)是電磁鎖故障后排查故障方便，可以針對(duì)故障零件進(jìn)行更換，不必將整個(gè)電磁鎖返廠維修，節(jié)約維修成本。
2.3PEDC
PEDC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，每家系統(tǒng)都做冗余設(shè)計(jì)，只是每個(gè)廠家對(duì)冗余的理解不同，比如有的做了輸出繼電器冗余，卻沒(méi)做控制板卡冗余；有的是將上、下行的PEDC控制板卡互備冗余，繼電器缺沒(méi)冗余；還有的是將PEDC的三級(jí)控制（SIG/PSL/IBP）分開(kāi)做成了3塊板卡，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)互不影響的冗余。該P(yáng)EDC的冗余設(shè)計(jì)是做在了PEDC板卡上的芯片冗余，為了保證在整個(gè)PEDC故障以后，還能實(shí)現(xiàn)IBP的開(kāi)關(guān)門操作，又用繼電器組單獨(dú)搭建了IBP的控制回路。這在一定程度上彌補(bǔ)了冗余功能的不足，但并未完全實(shí)現(xiàn)冗余。
2.4DCU
DCU采用STM32F407芯片，具有性能高、運(yùn)算速度快、接口豐富、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能在發(fā)生開(kāi)、關(guān)門障礙的時(shí)候，通過(guò)預(yù)設(shè)電流閥值快速做出判斷，發(fā)出障礙物指令，控制電機(jī)停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。DCU有2路CAN總線接口，可直接將一側(cè)的DCU和PEDC組成控制總線環(huán)網(wǎng)，與PEDC及相鄰DCU通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與下載。DCU外殼采用不銹鋼材質(zhì)，專用穿線位置防水設(shè)計(jì)，電氣接頭均位于DCU外殼內(nèi)，這種外殼和接線方式有效保護(hù)了DCU板卡及接頭，減少了被水氣氧化的概率。
2.5手動(dòng)解鎖
左右滑動(dòng)門均設(shè)置了手動(dòng)解鎖裝置，為只有一扇門把手能解鎖的方案打上了補(bǔ)丁，應(yīng)得到行業(yè)的認(rèn)可和推廣。手動(dòng)解鎖的行程開(kāi)關(guān)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，只是行程開(kāi)關(guān)的線束是活動(dòng)的，在隨著滑動(dòng)門往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中容易受損，損壞后會(huì)中斷安全回路，影響行車，加之區(qū)分手動(dòng)開(kāi)門和電磁鎖解鎖的意義不是很大，建議取消這項(xiàng)錦上添花的功能。
3結(jié)語(yǔ)
站臺(tái)門是集網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械和自動(dòng)控制等技術(shù)于一體的機(jī)電設(shè)備，行業(yè)內(nèi)的站臺(tái)門產(chǎn)品模型都大同小異，但細(xì)節(jié)上的設(shè)計(jì)各有長(zhǎng)短。通過(guò)對(duì)站臺(tái)門核心系統(tǒng)的分析，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)安裝情況和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，為站臺(tái)門核心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一些思路與方向。
作者:毛夏川 單位:成都軌道建設(shè)管理有限公司
