智能閘門模塊應(yīng)用于廣州地鐵線網(wǎng)閘機(jī)的研究*

楊壁賢，呂定勝，倪旭敏，黎志華

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510308）

0 引言

目前廣州地鐵線網(wǎng)閘機(jī)使用的閘門主要是扇形閘門模塊。扇門運(yùn)行速度快、開關(guān)門時間為460～650 ms、運(yùn)行慣性大，難以緊急制動停止扇門運(yùn)行，導(dǎo)致發(fā)生扇門夾人事件。而且扇門對乘客沖擊時的接觸面小、沖擊力集中，容易引起客傷投訴。扇形閘門模塊利用扭轉(zhuǎn)彈簧實現(xiàn)設(shè)備斷電開啟扇門安全疏散乘客。扇門每次開關(guān)都要帶動彈簧扭動，而且彈簧長期處于受力工作狀態(tài)，所以彈簧容易出現(xiàn)疲勞折斷。扇門動力為普通交流或直流電機(jī)，加、減速性能差，需要定期做維護(hù)保養(yǎng)，且使用過程對電源設(shè)備沖擊大。閘門模塊在電機(jī)端部加裝了制動器，由于頻繁制動，制動器需要經(jīng)常檢查、調(diào)整和更換，以保證制動功能和防止扇門關(guān)閉以后彈簧的蓄能使扇門打開。

因此，本文研發(fā)一套沖擊力小、維護(hù)量小且具有主動夾人檢測功能的智能安全型閘門模塊。增強(qiáng)免維護(hù)能力，以一個中修周期為目標(biāo)，采用可靠性高、耐用性好、損耗低的部件，規(guī)避廣州地鐵在用扇形閘門機(jī)構(gòu)的設(shè)計不足。提高安全防護(hù)能力以及低碰撞力、高防撞性，夾人夾物的自檢測能力。完善設(shè)備通用性以及左、右閘門的互通性，兼顧廣州地鐵在用不同廠家模塊的可替換性。

1 技術(shù)方案

智能閘門模塊產(chǎn)品是一款基于廣州地鐵線網(wǎng)售檢票系統(tǒng)終端閘機(jī)設(shè)備運(yùn)營用戶應(yīng)用經(jīng)驗總結(jié)，由廣州地鐵集團(tuán)有限公司自主研發(fā)，面向軌道交通售檢票系統(tǒng)終端閘機(jī)設(shè)備的閘門模塊，適用于城市軌道交通車站、公共交通樞紐、機(jī)場、高鐵、寫字樓、體育館、圖書館、博物館、景區(qū)等場所布置閘機(jī)門禁控制。模塊以橫向水平移動門作為阻擋機(jī)構(gòu)，橫向水平移動機(jī)構(gòu)一般安裝在閘機(jī)的中部。智能閘門模塊采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，具備夾人夾物檢測功能，取消了傳統(tǒng)扇門模塊普遍采用的錐齒、剎車片、扭轉(zhuǎn)彈簧、行程開關(guān)等機(jī)械部件，并用橫向無軌水平移動閘門替換大偏心大扭力扇形移動閘門，提高了產(chǎn)品運(yùn)行的安全性和可靠性，并減少了對檢修維護(hù)的需求，具有快速打開、安全、低維護(hù)需求等優(yōu)點，滿足城市軌道交通快速發(fā)展和各類閘機(jī)門禁控制布置場所的要求。

1.1 伺服電機(jī)

交流伺服電機(jī)的使用壽命一般為8 年，如圖1所示。根據(jù)使用環(huán)境、頻度、負(fù)載大小的不同，會存在較大的差異[1-2]。

伺服驅(qū)動器如圖2 所示，指示燈代表驅(qū)動器的工作狀態(tài)，紅燈亮表示驅(qū)動器出現(xiàn)故障報警，綠燈亮表示驅(qū)動器正常工作并且有電壓輸出?？刂凭€連接至轉(zhuǎn)接板，通過轉(zhuǎn)接板連接至系統(tǒng)，主要用來與控制系統(tǒng)交換信號。鍵盤用于查看驅(qū)動器故障代碼以及調(diào)試驅(qū)動器內(nèi)部參數(shù)。電源端子J5 用于連接交流電源。驅(qū)動器IO 輸入端子電壓是12～24 V，常用4個光電隔離數(shù)字輸入IO端子DI1、DI2、DI3、DI4，8個光電隔離數(shù)字輸出IO 端子DO1+、DO1-、DO2+、DO2-、DO3+、DO3-、DO4+、DO4-。編碼器接口用于連接編碼器線纜，編碼器線纜接至另一端電機(jī)，電機(jī)后端蓋裝有編碼器，編碼器通過編碼器線將位置信息反饋給驅(qū)動器。左、右門撥碼開關(guān)根據(jù)實際使用情況進(jìn)行選擇，當(dāng)用在左側(cè)門時將撥碼開關(guān)撥至“左”的位置，當(dāng)用在右側(cè)門時將撥碼開關(guān)撥至“右”的位置。驅(qū)動器的輸出通過動力線連接至電機(jī)[3-4]。

圖1 交流伺服電機(jī)

通信接口為RS485 通信接口，采用國際標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通信協(xié)議進(jìn)行主從通信，可以通過通信接口與驅(qū)動器實現(xiàn)異步串行半雙工通信，通信可實現(xiàn)讀寫伺服驅(qū)動器功能參數(shù)、監(jiān)視伺服驅(qū)動器工作狀態(tài)、發(fā)送控制命令等功能。

智能閘門模塊采用交流無刷伺服電機(jī)、減速器，具有良好的定位檢測和速度控制功能，不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠；恒力矩輸出，機(jī)構(gòu)動作一致性好，運(yùn)行平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象；電機(jī)加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min 僅需幾毫秒，可快速啟停閘門運(yùn)動組件。

1.2 機(jī)械傳動

1.2.1 通道配對設(shè)置

圖3 智能閘門模塊

本閘門模塊如圖3 所示，可通過門體安裝位置調(diào)整，無需調(diào)整閘門模塊主體安裝方向即可實現(xiàn)門體向左開啟或是向右開啟，為閘機(jī)設(shè)備靈活布局設(shè)計提供了極大便利。

本閘門模塊組成部分包括動力模塊、傳動模塊和閘門模塊。動力模塊含定制伺服電機(jī)和減速器，傳動模塊含擺臂+機(jī)架，閘門模塊含定制開發(fā)的方形耐用門體。該閘門模塊取消了斷電拉伸彈簧；軟定位、軟剎車，取消了行程開關(guān)等機(jī)械部件；改進(jìn)扇門骨架結(jié)構(gòu)，耐壓力大于100 kg；方形門體設(shè)計，與人體接觸面積大，單位面積壓力?。蛔?、右通道門通用，軟定義。

1.2.2 伺服驅(qū)動器配對設(shè)置

伺服驅(qū)動器設(shè)置有左右門轉(zhuǎn)換開關(guān)，與閘門模塊門體左開啟或右開啟靈活配置相適應(yīng)，如圖4所示。左右門開關(guān)切換采用撥碼開關(guān)，撥至“左”的位置即伺服驅(qū)動器用在左門，撥至“右”的位置即伺服驅(qū)動器用在右門。

圖4 伺服驅(qū)動器左右門轉(zhuǎn)換開關(guān)

參數(shù)設(shè)置中，通過輸入信號的有效電平設(shè)置，驅(qū)動平移扇門動作，可根據(jù)不同線路閘門動作電平的不同，設(shè)置不同的參數(shù)，適用在地鐵線網(wǎng)各線路。該閘門模塊增加了夾人夾物自動檢測功能，并可進(jìn)行后續(xù)動作設(shè)定；具有門體驅(qū)動變扭矩控制功能，即依據(jù)不同動作時點的動力需求，分類設(shè)定扇門驅(qū)動扭矩；無需輔助器件，即可實現(xiàn)緊急模式功能，人為掰動扇門，斷電開門。所有五金件均選用韌性好、耐磨性高、防銹耐腐蝕能力強(qiáng)的材料；門體封包材料選用獨特配方，阻燃、堅固、彈性好且耐用性久，使用壽命是常規(guī)扇門的3倍以上；將普通軸承改為含油軸承。

1.3 接口板設(shè)計

應(yīng)用于三、五號線閘機(jī)設(shè)備的改造主要是針對接口板的設(shè)計改造，接口板與伺服電機(jī)連接圖如圖5所示。通過對電氣信號的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)閘機(jī)主控對伺服電機(jī)的控制，以及伺服電機(jī)及閘門模塊反饋信號的上傳。接口板提供220 V輸入電壓到伺服控制器，發(fā)送開關(guān)門控制及緊急模式控制信號到伺服控制器。伺服控制器反饋行程狀態(tài)和報警狀態(tài)到接口板。伺服控制器操作面板可以對伺服電機(jī)的驅(qū)動信號進(jìn)行設(shè)置，結(jié)合實際需要設(shè)置為低電平或高電平輸出[5-6]。

2 現(xiàn)場使用情況

2018 年采購到貨16通道智能閘門模塊安裝到三號線某車站使用，截至2019年，智能閘門模塊沒有出現(xiàn)機(jī)構(gòu)磨損、部件變形等故障，設(shè)備功能使用情況如下：

圖5 接口板與伺服電機(jī)連接圖

（1）閘機(jī)智能閘門模塊進(jìn)出客流，每分鐘乘客通過能力與原來既有閘機(jī)一致；

（2）閘機(jī)智能閘門模塊，處理正常有效車票后，智能閘門模塊動作開關(guān)時間與既有閘機(jī)一致；

（3）閘機(jī)智能閘門模塊，閘機(jī)控制邏輯控制保持原來不變[7]；

（4）閘機(jī)智能閘門模塊取消了行程開關(guān)，減少每次由于制動失效需要人員調(diào)整時間；

（5）閘機(jī)智能閘門模塊解決了原來扇形閘門機(jī)構(gòu)金屬疲勞導(dǎo)致底座斷裂，制動失效，開關(guān)門異響的故障[8]。

針對該站2016 年至2017 年既有扇形閘門機(jī)構(gòu)，與2018年至2019年智能閘門模塊使用情況，通過客流數(shù)據(jù)和設(shè)備故障數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，如表1所示。得出結(jié)論，該站現(xiàn)有扇形閘門機(jī)構(gòu)與平移機(jī)構(gòu)在客流基本一致情況下，平移機(jī)構(gòu)故障率下降56%。并且現(xiàn)有扇形閘門故障后，現(xiàn)場維修人員對扇門機(jī)構(gòu)深度維護(hù)調(diào)整無法滿足現(xiàn)場需求，只能整機(jī)返基地后臺維修，平移機(jī)構(gòu)只需現(xiàn)場重啟設(shè)備或者調(diào)整可修復(fù)設(shè)備恢復(fù)正常。

表1 既有閘門模塊與智能閘門模塊機(jī)構(gòu)故障數(shù)量對比

3 結(jié)束語

本文研究的智能閘門模塊目前已成功應(yīng)用在廣州地鐵一至五號線。該模塊是一種以橫向水平移動門作為阻擋機(jī)構(gòu)的閘門模塊，閘門水平推動，運(yùn)行平穩(wěn)，對底座的沖擊力小。實際應(yīng)用中提升了設(shè)備免維護(hù)能力，取消了斷電拉伸彈簧，支持緊急情況下的手動掰門功能。機(jī)械、傳動部件均采用定位安裝免調(diào)整、免維護(hù)設(shè)計。伺服電機(jī)集成了閘門控制功能，閘門門體耐久性可達(dá)PU門體的3倍以上。智能閘門模塊可以進(jìn)行夾人夾物自動檢測，小型化設(shè)計，占用空間小，便于機(jī)構(gòu)的嵌入式安裝。