地鐵月臺屏蔽門單元控制器優(yōu)化策略及實驗研究

石云鶴，路 揚，朱振亞，郝國林

(鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

單元控制器是屏蔽門系統(tǒng)的信息交互存儲、狀態(tài)監(jiān)視診斷、數(shù)據(jù)采集分析和整機(jī)邏輯控制的CPU級核心命令執(zhí)行單元,其故障表現(xiàn)在電子、電氣物理效應(yīng)疊加上，并具有相互耦合的一般特性，具體為PSCC邏輯故障、信號命令故障、使能電路錯誤、使能電路故障、開門命令故障、關(guān)門命令故障、允許命令故障、通信傳輸故障等等。維修記錄顯示，單元控制器故障多為安全繼電器主觸點氧化、印制電路板發(fā)熱碳化、通信模塊失效等。本研究通過多種技術(shù)手段消除上述隱患風(fēng)險，優(yōu)化電流、電壓、振動、溫度、濕度等主要物理信號源運行，延長設(shè)備平均無故障周期。

1 單元控制器故障分析

單元控制器為屏蔽門系統(tǒng)的核心部件，屬屏蔽門設(shè)備的中央級控制“大腦”。自2018年1月至2021年6月，1號線屏蔽門系統(tǒng)單元控制器故障數(shù)量逐年上升，具體統(tǒng)計見圖1。

圖1 單元控制器故障統(tǒng)計

屏蔽門單元控制器故障易引起控制系統(tǒng)報警及整側(cè)滑動門無法聯(lián)動開關(guān)[1]，其故障主要為單元控制器內(nèi)部主控制電路主板老化、安全繼電器動作觸點灼燒發(fā)黑碳化、通信板卡元器件損壞等。

1.1 安全繼電器動作觸點灼燒發(fā)黑碳化

單元控制器主控制邏輯板采用安全繼電器(屬于電磁式繼電器)，由鐵芯、線圈、銜鐵、金屬觸點及輔助零件組成，通過金屬觸點吸合、釋放，實現(xiàn)線路接通與斷開。繼電器因長時間通電動作致使金屬觸點表面氧化或電弧燒灼而出現(xiàn)發(fā)黑碳化、毛刺等缺陷，繼而使金屬觸點接觸電阻明顯增加，由面接觸變成點接觸，觸點溫度升高，嚴(yán)重時可導(dǎo)致通路中斷等異常情況。主控制邏輯板安全繼電器異常,會直接導(dǎo)致整側(cè)站臺滑動門無法聯(lián)動。

1.2 主控制電路主板發(fā)熱碳化

主控制電路主板在整機(jī)運行中受到多種因素疊加影響，如振動、電磁、溫度、濕度、浮塵、電流、電壓等。長時間帶電運行時某些電子元器件(如電阻、電容、二極管、三極管等)將在不平衡電流或脈沖式電壓作用下逐漸失去原有特性。當(dāng)所有影響因素在某一時刻或階段超強(qiáng)疊加時，電路整體超負(fù)荷運行，系統(tǒng)參數(shù)可能發(fā)生改變,且造成主板老化及故障發(fā)生。

1.3 通信板卡元器件損壞

單元控制器采用冗余設(shè)計，設(shè)置通道1、通道2，通過CAN總線與門控單元DCU進(jìn)行通信，并經(jīng)RS485總線和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主控通信IC受周圍瞬態(tài)過電壓、過電流及非強(qiáng)電電磁感應(yīng)產(chǎn)生的過高共模和差模電壓等環(huán)境干擾因素影響,造成通信板卡元器件損壞或其他異常情況，最終導(dǎo)致單元控制器故障。

2 單元控制器優(yōu)化策略

2.1 安全繼電器輸出增加滅弧電路

針對單元控制器安全繼電器動作觸點灼燒發(fā)黑碳化問題，特別是開門繼電器、關(guān)門繼電器、使能繼電器，可以增加滅弧系統(tǒng)以消除故障，即增加固態(tài)繼電器為主的驅(qū)動回路滅弧電路，保護(hù)驅(qū)動繼電器機(jī)械觸點不受損害，可顯著增加設(shè)備使用壽命并減少故障率。

滅弧電路中電弧特性涉及電場、磁場、溫度場及流場等多物理場的耦合，電弧的燃燒和熄滅特性分散性大、隨機(jī)性強(qiáng)，其電弧特性的影響因素有滅弧室內(nèi)的滅弧介質(zhì)、氣壓、觸頭分?jǐn)嗨俣?、橫吹磁感應(yīng)強(qiáng)度等。電弧的電壓、電流及功率波形曲線變化存在明顯的幾處轉(zhuǎn)折點(見圖2)，可借助這幾處轉(zhuǎn)折點將觸頭分?jǐn)噙^程分為四個階段，即起弧階段(a—b)、拉弧階段(b—c)、吹弧階段(c—e)和熄弧階段(e—f)。起弧階段最基本的特征即為電壓兩臺階的出現(xiàn)，當(dāng)分?jǐn)嚯娐返碾妷号c電流大于最小生弧值時，觸頭間就會產(chǎn)生電弧[2]。

圖2 典型滅弧波形圖

拉弧階段由于兩觸頭的間隙較小，電弧自身產(chǎn)生的電磁斥力及橫吹磁場對電弧產(chǎn)生的洛倫茲力較小，不足以使電弧向外運動，只能靠觸頭開距的增大將電弧拉長，此階段電弧電壓平穩(wěn)增高，電流下降速率變慢，電弧燃燒功率穩(wěn)定。

吹弧階段中的d 點為電弧功率最大點，其對應(yīng)電弧電壓約為110 V，此值可根據(jù)直流實驗回路及電弧電壓、電流與功率的關(guān)系計算。當(dāng)電弧電壓為電源電壓1/2時，電弧功率達(dá)到最大值。

吹弧階段電弧在洛倫茲力作用下被拉彎變長，電壓快速上升、電流快速下降。通常情況下電路中存在一定電感，當(dāng)直流電弧的滅弧措施過于強(qiáng)烈時，可能導(dǎo)致電弧燃弧時間很短，電流快速下降，變化率過快，電弧燃燒釋放的能量不足以將電路中的能量消耗掉，則電感性元件會產(chǎn)生很高的自感電勢，此自感電勢連同電源電壓一起施加于端口兩端及線路上的電氣設(shè)備，該合成電壓可能高出電源電壓的幾倍，便產(chǎn)生圖中e點的過電壓現(xiàn)象。

熄弧階段電弧電壓已達(dá)到最大值e 處，此處電壓值因過電壓程度而各不相同，而電流值卻總是在60 A左右。電壓達(dá)到e 點后電弧是否熄滅取決于此時滅弧室內(nèi)弧道的溫度、電磁場等的干擾是否致使電弧重?fù)舸?，此時介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度更多體現(xiàn)在滅弧介質(zhì)的冷卻作用及橫吹磁場對電弧運動的擾動作用，若電弧受到擾動反向運動至未冷卻的弧道則可能發(fā)生重?fù)舸?/p>

2.2 改善電源基板發(fā)熱碳化問題

在現(xiàn)用單元控制器的維修及研究過程中，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部通信模塊基板存在發(fā)黑碳化現(xiàn)象，這是通信板電源功率器件長期發(fā)熱造成的。通信模板集成雙路冗余開關(guān)電源輸出DC24 V和DC5 V，為整臺設(shè)備和外圍設(shè)備(如就地控制盤、緊急后備操作盤等)供電，整機(jī)功率約為40 W。單元控制器每天24小時不間斷運行，通信板電源部分長時間處于60℃高溫環(huán)境下，大功率開關(guān)器件表面溫度瞬時高于80℃，日積月累導(dǎo)致功率器件部分電路基板出現(xiàn)發(fā)黑碳化現(xiàn)象，基板碳化又會造成絕緣性能下降，進(jìn)一步增加電源功率，如此惡性循環(huán)造成通信基板使用壽命降低，甚至無法修復(fù)，最終導(dǎo)致設(shè)備報廢。

優(yōu)化策略可選用150 W隔離電源模塊，其散熱功能更好、功率更大、集成度更高，連續(xù)運行24小時溫度不會超過50℃。同時，嚴(yán)格控制整機(jī)功耗，設(shè)計最大功耗不超過25 W，更能規(guī)避電源基板發(fā)熱等異常風(fēng)險。

2.3 提高通信穩(wěn)定性

在單元控制器試驗機(jī)中增加RS422防護(hù)電路，選用更加穩(wěn)定的通信單元，同時在總線接口部分增加SMB雙向瞬態(tài)抑制管和防雷、防靜電保護(hù)管，使通信穩(wěn)定。

3 單元控制器樣品實測

根據(jù)上述優(yōu)化策略及實施方案試制樣品，基于運營安全風(fēng)險考慮，首先在屏蔽門試驗臺進(jìn)行模擬運營測試，觀察設(shè)備運行狀態(tài)、記錄實驗數(shù)據(jù)、比對現(xiàn)用單元控制器運行指標(biāo)，如狀態(tài)指示燈實況、平均無故障周期、設(shè)備可靠性等。

3.1 狀態(tài)指示燈性能指標(biāo)

單元控制器狀態(tài)指示燈性能指標(biāo)如表1所示。

表1 狀態(tài)指示燈性能指標(biāo)

3.2 平均無故障周期指標(biāo)

在樣品測試數(shù)學(xué)模型中，實驗時間即為加速因子且服從指數(shù)分布的加速壽命實驗，可采用MTBF阿氏模型計算公式進(jìn)行估算[3]。

根據(jù)實驗所得設(shè)備平均無故障周期MTBF并結(jié)合單元控制器故障臺賬，分析優(yōu)化后單元控制器故障率，量化平均無故障周期指標(biāo)。

4 結(jié)語

通過對地鐵月臺屏蔽門單元控制器的優(yōu)化研究、分析改進(jìn)，降低屏蔽門系統(tǒng)故障率，保障機(jī)電設(shè)備運行可靠性。同時，在優(yōu)化策略條件下，對設(shè)備的可使用度提出下一步的研究方向：

(1)對于最小維修單元，探索在用設(shè)備可替代性實驗課題，加速國產(chǎn)化項目研究進(jìn)程，彌補(bǔ)設(shè)備固有缺陷；

(2)針對影響運營的易損部件提出大、中修等預(yù)防式維修理念；

(3)細(xì)化檢修規(guī)程，進(jìn)一步開展深度檢修，同時推進(jìn)設(shè)備預(yù)防修、智能修。