城市軌道交通安全門系統(tǒng)門控單元設(shè)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(shù)研究所，北京 100081）（2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)公司，北京 100081）

城市軌道交通安全門系統(tǒng)是集建筑、機械、電子和控制等學科于一體的復雜分布參數(shù)控制系統(tǒng)。安全門系統(tǒng)是安裝于軌道交通車站站臺邊緣，用以提高運營安全系數(shù)、改善乘客候車環(huán)境、節(jié)約能源、節(jié)約運營成本的一套機電一體化設(shè)備。安全門系統(tǒng)由機械部分（門體結(jié)構(gòu)和門機系統(tǒng)）和電氣部分（電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)）組成，而控制系統(tǒng)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(qū)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(guān)軟件等組成；DCU配置了LCB的控制輸入接口、門狀態(tài)指示燈和冗余的現(xiàn)場總線接口，以及用于接收中央控制盤（PSC）下發(fā)的硬線開/關(guān)門命令的接口。門控單元主要實現(xiàn)如下功能：執(zhí)行系統(tǒng)級和站臺級發(fā)來的控制命令；能夠采集并發(fā)送門狀態(tài)信息及各種故障信息；通過DCU內(nèi)設(shè)置的編程/調(diào)試接口，可在線和離線調(diào)整參數(shù)和軟件組態(tài)，并可進行重新編程和參數(shù)的重新設(shè)置，具有本控制單元的可離線調(diào)試功能；DCU能對門狀態(tài)指示燈進行正確控制，燈的狀態(tài)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(qū)的設(shè)計原理，從結(jié)構(gòu)上包括門機驅(qū)動器（JWPD）和門機控制器（JWPC）以及外圍輸入輸出設(shè)備。其中控制器采用高性能互聯(lián)型處理器STM32F107作為開發(fā)平臺，提供與中央控制盤的硬線連接接口以及上位機監(jiān)控系統(tǒng)通信的MODBUS總線接口，并連接電磁鎖、接近開關(guān)、狀態(tài)燈和蜂鳴器等外圍設(shè)備。驅(qū)動器采用大容量處理器STM32F103作為開發(fā)平臺，通過CAN總線接口連接到控制器，負責無刷直流電機驅(qū)動算法的實現(xiàn)以及滑動門狀態(tài)數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tài)，運動控制模塊根據(jù)控制指令和當前設(shè)備狀態(tài)判斷出對門體的運動指令并通過CAN模塊發(fā)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(guān)滑動門”的開關(guān)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(guān)滑動門”的脈沖開關(guān)滑動門命令。

3 門機控制單元的軟件設(shè)計

3.1 運動控制

運動控制任務負責采集外圍設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行邏輯判斷，根據(jù)結(jié)果執(zhí)行開關(guān)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(fā)生，并做出相應處理。

門控單元開機后，需執(zhí)行設(shè)備初始化過程，包括處理器外圍資源的配置以及開關(guān)門運動曲線參數(shù)的生成。等待門體關(guān)門到位后執(zhí)行任務主循環(huán)，為保證系統(tǒng)的實時性，該循環(huán)為每1 ms執(zhí)行一次，通過讀取輸入端口和當前驅(qū)動器反饋的運動狀態(tài)，對相應的標志或狀態(tài)寄存器進行位置清零，動作執(zhí)行部分按照標志或狀態(tài)寄存器的值對外部設(shè)備做出相應的輸出并且通過CAN總線對驅(qū)動器發(fā)出運動指令。遠程更改功能可通過遠程指令對驅(qū)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(chǔ)，開關(guān)門操作流程如圖3和圖4所示。在開門狀態(tài)下，因不排除手動開關(guān)門操作，先判斷當前是否已經(jīng)開門到位，否則進入開門操作流程：首先進行提鎖操作，根據(jù)微動開關(guān)的反饋信號，可以有效地判斷出電磁鎖的狀態(tài)或錯誤；然后驅(qū)動電機關(guān)門，針對本設(shè)計所應用的無刷直流電機，以PI調(diào)節(jié)算法采用三閉環(huán)控制，包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，具有噪音低，脈動轉(zhuǎn)矩小，效率高等優(yōu)點；門體開到位后退出開門狀態(tài)。關(guān)門過程與開門過程相反，先驅(qū)動電機關(guān)門再執(zhí)行落鎖操作。

圖3 開門操作流程圖

圖4 關(guān)門操作流程圖

3.2 CAN通信

CAN通信連接控制器和驅(qū)動器，采用了29位的擴展標識符，負責發(fā)送運動指令到驅(qū)動器并通過遠程幀詢問獲取驅(qū)動器當前的運行狀態(tài)。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(gòu)成。在接收過程中，由接收中斷服務函數(shù)接收到報文并發(fā)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(fā)送過程中，由心跳任務組織遠程幀放入發(fā)送消息隊列中，通過啟動發(fā)送中斷服務函數(shù)將消息隊列中的報文全部發(fā)送出去，同時心跳任務記錄驅(qū)動器反饋回來的報文次數(shù)，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(xié)議，主要完成的功能包括：遠程控制、參數(shù)配置和監(jiān)控。

門機控制單元采用USART實現(xiàn)總線接口，并且進行冗余設(shè)置，以上功能都是通過讀寫控制器中的寄存器實現(xiàn)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(shè)計的門控單元進行了相關(guān)的試驗驗證，結(jié)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(guān)門運行曲線，門體以510mm/s的最大關(guān)門速度運行，整個關(guān)門過程時間為3 s。開關(guān)門時間可通過更改最大開關(guān)門速度無級調(diào)整。

從圖中的曲線可以看出，電機驅(qū)動的內(nèi)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(xiàn)安全門的控制。

5 結(jié)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(jié)果證實門控單元能較好的實現(xiàn)安全門的控制。同時，該系統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定。

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