地鐵站臺門門控單元控制原理及自主維修方法

文/陳偉標 陳少鵬 林惠漢

0 引言

地鐵站臺門（以下簡稱“站臺門”）系統(tǒng)是現(xiàn)代城市軌道交通工程中的設(shè)施，是一項集建筑、機械、電子和控制等學科于一體的城市軌道交通高新技術(shù)產(chǎn)品。城市軌道交通安裝站臺門系統(tǒng)沿城市軌道站臺邊緣設(shè)置，將列車與站臺候車區(qū)隔離，不僅可以防止乘客跌落或跳下軌道而發(fā)生危險，讓乘客安全、舒適地乘坐地鐵列車，而且在地鐵運營中站臺門系統(tǒng)作為一種高科技產(chǎn)品所具有的節(jié)能、環(huán)保和安全功能，減少了站臺區(qū)與軌行區(qū)之間冷熱氣流的交換，降低了環(huán)控系統(tǒng)的運營能耗，從而節(jié)約了營運成本。站臺門的門控單元（DCU）一旦發(fā)生故障，將直接導致站臺門與車門無法正常聯(lián)動，嚴重影響客運安全及乘客滿意度。我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市軌道交通設(shè)施的快速建設(shè)對于站臺門DCU的需求也越來越大，但目前國內(nèi)大量的站臺門DCU及其零部件都依賴進口，各地鐵運營單位均面臨DCU備件及配套零部件采購周期長、成本高等問題。在廠家技術(shù)封鎖、技術(shù)資料欠缺的情況下，通過不斷探索研究，本文制定了一套DCU自主維修方法，可以解決站臺門DCU部件采購困難、維修及采購成本高等問題。

1 站臺門控制設(shè)備簡介

站臺門系統(tǒng)是機電一體化設(shè)備，有別于傳統(tǒng)的氣動式或簡易式的站臺門系統(tǒng)，其電氣控制設(shè)備主要由站臺門控制器（PEDC）和DCU組成，其間主要通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線進行通信連接（如圖1）。

列車到站停穩(wěn)后，自動列車駕駛系統(tǒng)（ATO）發(fā)出開關(guān)門指令至信號車載單元（PTI）天線，通過二進制數(shù)字效率調(diào)制（2FSK）信號傳送至地面接收設(shè)備，由地面信號聯(lián)鎖站PTI-mux多路接收器進行解碼，解碼后將信號通過接口送達站臺門系統(tǒng)，由PEDC內(nèi)部電路處理后向DCU發(fā)送指令，控制每側(cè)站臺門實施開關(guān)門動作，如圖2所示。

圖1 站臺門系統(tǒng)CAN總線通信線路

圖2 站臺門系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

2 DCU常見故障及原理分析

2.1 運營中常見故障

地鐵在實際運營中的故障原因大多是由DCU引發(fā)。DCU故障會導致列車到站后滑動門與車門不能聯(lián)動或開關(guān)門異常，無法執(zhí)行ATO給出開/關(guān)門指令，影響正常運營。此時須及時切除并封鎖出現(xiàn)故障的站臺門，以免危及運行安全。圖3為DCU的實物圖。

圖3 站臺門的門控單元DCU

2.2 DCU控制原理

站臺門滑動門主要由DCU、永磁三相無刷直流電動機及減速機構(gòu)、傳動皮帶、滑動門體、電源組成。由DCU控制永磁三相無刷直流電動機進行正反轉(zhuǎn)動，通過減速機構(gòu)帶動傳動皮帶來實施開關(guān)門（見圖4）。

圖4 滑動門傳動結(jié)構(gòu)

DCU是站臺門系統(tǒng)設(shè)備的核心部件，DCU的主要電氣連接如圖5所示。它集成了微機數(shù)字控制技術(shù)、永磁三相無刷直流電動機驅(qū)動技術(shù)和CAN總線通信技術(shù)應(yīng)用。DCU的主要功能包括：（1）實現(xiàn)站臺門自動、手動及隔離三種控制模式；（2）在自動檔位下，執(zhí)行PEDC或就地控制盤（PSL）發(fā)出的指令，通過永磁三相直流無刷電動機的正反轉(zhuǎn)來控制門的運動；（3）在手動檔位下，撥動開關(guān)SW2，能對門單元進行就地測試；（4）在隔離檔位下，直接關(guān)閉旁路門鎖緊信號；（5）采集站臺門狀態(tài)信息及各種故障信息；（6）通過對永磁三相直流無刷電動機電流的精密監(jiān)控，來實施站臺門關(guān)閉時的障礙物探測，或站臺門運行時速度異常的檢測，保護乘客的人身安全；（7）通過CAN總線與PEDC進行通信。

圖5 DCU控制原理

DCU通過電動機的正反轉(zhuǎn)來控制門的運動，站臺門的電動機采用永磁三相直流無刷電動機，既具有交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備直流電機固有的優(yōu)越的起動性能和調(diào)速特性，而無機械式換向機構(gòu)。站臺門控制系統(tǒng)的三相無刷直流電動機調(diào)速控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 站臺門監(jiān)控系統(tǒng)三相無刷直流電動機調(diào)速控制結(jié)構(gòu)

站臺門的門體開關(guān)過程的運動模式存在DCU內(nèi)存中，DCU根據(jù)選擇的運動曲線所給出的給定速度與電機速度反饋量形成速度偏差，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成脈沖寬度調(diào)制（PWM），控制三相“H”橋路激勵器（CPV364M4U）去驅(qū)動電機，從而實現(xiàn)電動機的速度控制。電機電流的反饋是通過檢測精密電阻R(SMV R010)上的壓降來實現(xiàn)的，而速度反饋則是通過霍耳位置傳感器輸出的位置量。根據(jù)實物繪出的站臺門的三相直流無刷電動機驅(qū)動原理如圖7所示。

圖7 站臺門的三相無刷直流電動機驅(qū)動原理

DCU對電機的控制過程為：DCU通電后CPU進入自動復位程序，當系統(tǒng)自檢為健康狀態(tài)后，控制芯片把SD信號降為低電平，即系統(tǒng)允許電機工作，然后控制芯片輸出控制信號使電機以較小的速度關(guān)門，在收到滑動門上的位置開關(guān)送來的關(guān)門信號后，系統(tǒng)繼續(xù)驅(qū)動門，直到電機電流值超出預(yù)設(shè)，這時系統(tǒng)找到了門體的基準位置，然后DCU才開始接收開關(guān)門信號。

2.3 DCU自主維修平臺

在深入研究站臺門控制系統(tǒng)及DCU內(nèi)部控制原理的基礎(chǔ)上，建立DCU維修檢測平臺及維修標準，在有限空間內(nèi)模擬現(xiàn)場工況。平臺主要包括硬件部分及監(jiān)控軟件部分，分為四層（見表1），主要材料包括：配電盤、驅(qū)動電機、皮帶、門頭閘鎖、LCB、門頭指示燈、變壓器、監(jiān)控器、PEDC、DCU、PSL、控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件、相關(guān)通信板卡、電纜（含控制、通信、供電線纜）、模擬信號測試裝置等，實物如圖8所示。

表1 維修平臺布置

圖8 站臺門DCU自主維修平臺

3 常見故障及維修

3.1 聯(lián)動開關(guān)門故障

（1）故障現(xiàn)象

地鐵運營期間出現(xiàn)站臺門不能正常聯(lián)動開關(guān)門現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場排查，確定為DCU故障，現(xiàn)場更換新DCU后，門控系統(tǒng)恢復正常。

（2）排查思路

通過跟蹤和排查故障DCU控制板電路測試點，在維修平臺上模擬故障工況，測量相應(yīng)的測試點并觀察電壓值及其波形，在平臺模擬上電環(huán)境中將測得的數(shù)值進行比較，發(fā)現(xiàn)TP2和TP4測得0V，很明顯，TP2和TP4狀態(tài)不正常（正常電壓數(shù)值如表2所示）。檢查發(fā)現(xiàn)TP4是CPU和存儲芯片的RESET電壓測試點，該電壓的失去導致CPU通電時不能自動復位，從而導致DCU不工作。

表2 站臺門DCU測試點的正常電壓值

（3）故障排除

用一個4.7kΩ電阻跨接復位IC的電源腳和輸出腳，即直接加一個電壓到CPU復位腳，輸出繼電器動作，說明CPU及存儲器部分是正常的。TP2為IR2113S內(nèi)MOSFET的電源檢測點，由CPU控制板上的微型繼電器吸合提供電源，更換了復位IC以后系統(tǒng)正常工作，后按維修標準無間歇通電測試，故障現(xiàn)象消除。

3.2 DCU送電故障

（1）故障現(xiàn)象

地鐵運營期間站臺門出現(xiàn)DCU供電的空氣開關(guān)跳閘并且無法恢復合閘的故障現(xiàn)象。

（2）排查思路

將故障DCU在測試平臺上通電時，控制電機的繼電器吸合后馬上釋放，電源部分輸出正常，而此繼電器受控于CPU，接下來檢查到三個IR2113S的第13腳（SD信號）為4.98VDC的高電平，故推斷是保護回路動作。測量CPV364M4U的第10腳對地電阻已變小，判斷CPV364M4U里的場效應(yīng)管故障，使DSP捕捉到的霍耳信號不對而啟動保護動作。

（3）故障排除

通過維修標準和維修原理圖對故障DCU其他模塊系統(tǒng)進行對比測量后，判定為CPV364M4U的場效應(yīng)管故障，更換CPV364后工作正常，后經(jīng)離線長時間測試，故障現(xiàn)象再無出現(xiàn)，故障件修復。

4 結(jié)語

通過對站臺門門控單元原理的深入分析，建立自主 維修平臺，形成一套DCU自主維修標準，能快速準確排查DCU故障并進行自主維修。本文通過對地鐵運營線路常見故障分析，進一步闡述了站臺門DCU自主維修的可行性，對擺脫DCU進口供應(yīng)商技術(shù)封鎖及解決備件采購困境具有指導意義，同時也為相關(guān)產(chǎn)品國產(chǎn)化研提供了參考借鑒。