基于PLC控制的地鐵屏蔽門系統(tǒng)設(shè)計

孟江波，張彩玲

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451100)

0 引言

地鐵屏蔽門用來阻隔站臺上的乘客和列車，防止人員跌落軌道發(fā)生意外事故，同時還有一部分原因是夏季氣溫較高，由于地鐵軌道交通屬于密閉性空間，考慮到乘客體驗的舒適度，一般采用中央空調(diào)制冷系統(tǒng)來調(diào)整車站內(nèi)的溫度，費用支出很大。如果換成封閉式系統(tǒng)，由于軌道交通的活塞作用，大部分冷空氣將流失到站臺隧道中，造成能量損耗。將列車與站臺分開，可以避免冷空氣的損失?；诖耍罔F屏蔽門自動控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，可降低車站中央空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗，同時還可以減少列車在運行過程中產(chǎn)生的噪聲和活塞風(fēng)對車站的影響，為乘客提供一個安全、舒適的候車環(huán)境。但是，城軌運行具有行程遠(yuǎn)、行車密度大、到站時停車時間短、站臺占地面積小、路線復(fù)雜交錯等情況，這幾方面都容易引發(fā)各類交通事故的發(fā)生。因此對地鐵屏蔽門的控制要求也越來越嚴(yán)格。

1 地鐵屏蔽門系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 技術(shù)要求

地鐵屏蔽門系統(tǒng)以可編程控制器(PLC)為核心控制器，具有3種工作模式，分別實現(xiàn)以下功能。①正常工作模式：當(dāng)?shù)罔F進(jìn)站，靠站以后，檢測地鐵與站臺口位置是否照齊。照齊之后，觸發(fā)傳感器，延時5 s，電機正轉(zhuǎn)帶動屏蔽門打開，觸發(fā)限位開關(guān)，電機停止運行，開門后，延時30 s，乘客進(jìn)行上下車；在乘客上下車完畢，列車長駕駛室根據(jù)車門附近實時情況，發(fā)出關(guān)門指令并報警5 s，同時車門上紅外對射傳感器檢測范圍內(nèi)是否還有人，隨后電機反轉(zhuǎn)帶動屏蔽門關(guān)閉。②手動工作模式：列車長在駕駛室根據(jù)監(jiān)控，實施手動控制開門，關(guān)門動作。③急停工作模式：任意緊急情況發(fā)生，可使程序全部停止運行。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

地鐵屏蔽門系統(tǒng)運行時，當(dāng)列車到站后會觸發(fā)行程開關(guān)，PLC接收到行程開關(guān)發(fā)出的信號后控制直流電機開始正轉(zhuǎn)，直流電動機通過傳動裝置將控制門打開。等乘客上下車完畢后，駕駛室發(fā)出關(guān)門指令，PLC接收到關(guān)門信號，控制直流電機開始反轉(zhuǎn)，直流電機控制屏蔽門關(guān)閉；并且屏蔽門在關(guān)門過程中，安裝在門兩側(cè)的光電對射傳感器會檢測人上下車情況，并將該情況以信號形式傳給PLC(見圖1)。PLC將紅外對射傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行分析從而做出相應(yīng)輸出反應(yīng)，當(dāng)紅外對射傳感器在關(guān)門時感應(yīng)到有人上下車時，PLC會控制直流電機停止反轉(zhuǎn)并開始正轉(zhuǎn)實現(xiàn)開門，從而避免夾人事故的發(fā)生。

圖1 地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 主要電器元件的選型

整個地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)，所需要的主要電器元件有人體感應(yīng)裝置的傳感器、開關(guān)和電動機。根據(jù)列車的實際工況和需求，在屏蔽門與列車之間增設(shè)一種安全有效的紅外探測傳感器，將長度120 m左右的整側(cè)站臺作為一個防護(hù)區(qū)域，自動進(jìn)行探測。本設(shè)計選用SMG20系列紅外探測傳感器。

地鐵屏蔽門系統(tǒng)選取漫反射式光電開關(guān)，它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)接近開關(guān)接收到乘客的身影反射光時就產(chǎn)生電信號，避免事故的發(fā)生，電梯門也是這樣的情況。本設(shè)計采用Omron/歐姆龍系列，漫反射式光電開關(guān)E3T-ST12。經(jīng)過對運行環(huán)境的分析，本設(shè)計采用Z4-112/2-1并勵直流旋轉(zhuǎn)電機，是電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備。該電動機功率5.5 kW，最大轉(zhuǎn)速能達(dá)到3 000 r/min，中心高度112 mm，級數(shù)為2，完全符合本設(shè)計要求。

1.4 電氣線路設(shè)計

根據(jù)城市軌道交通屏蔽門系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和控制要求，并結(jié)合PLC的控制畫出控制系統(tǒng)的電氣原理圖。地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)電氣原理如圖2所示。

圖2中各符號表示的含義如下。①FU：低壓熔斷器，串聯(lián)在電路中，當(dāng)過載或短路電流通過熔體時，因其自身發(fā)熱而熔斷，從而分?jǐn)嚯娐?。②KM：外部輔助接觸器，用于輔助PLC對外部設(shè)備的控制。③LR：光電對射傳感器，裝于屏蔽門兩側(cè)用來檢測關(guān)門時乘客上下車情況。④SQ：限位開關(guān)，用于檢測屏蔽門開關(guān)時的位置，檢測門是否完全關(guān)閉以及門是否完全打開。⑤KA：繼電器觸點，輔助PLC對外部設(shè)備的控制。⑥M：直流電動機。

圖2 地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)電氣原理圖

1.5 I/O地址分配

地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)是對PLC控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號的分配。在繪制PLC外部接線圖之前，需要對所用到的I/O點進(jìn)行地址分配，進(jìn)行I/O口分配可以方便之后的編程。

根據(jù)本設(shè)計的控制要求，可以列出PLC控制輸入量：單按鈕啟停、模式的轉(zhuǎn)換、開門限位、關(guān)門限位、列車到站、手動開門、手動關(guān)門、急停?？刂戚敵隽浚哼\行指示、電機運行、正反轉(zhuǎn)電機切換、開門指示、關(guān)門指示、報警、蜂鳴器并對其進(jìn)行I/O點分配?？刂葡到y(tǒng)的I/O輸出口分配如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O點分配表

1.6 PLC外部硬件接線圖

本設(shè)計采用西門子(SIEMENS)S7-200 CPU224型號PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)CPU224型號PLC的外部結(jié)構(gòu)及地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)的控制要求和系統(tǒng)的I/O口分配表畫出PLC的外部硬件接線圖。PLC外部硬件接線如圖3所示。

2 城市軌道交通屏蔽門系統(tǒng)的軟件設(shè)計

對地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)的運行流程進(jìn)行分析，對系統(tǒng)所能實現(xiàn)的工作及控制要求做進(jìn)一步的規(guī)劃，由此列出控制系統(tǒng)運行的流程圖。流程圖可以一目了然地看出系統(tǒng)的走向，方便直觀地表達(dá)設(shè)計思路。地鐵屏蔽門系統(tǒng)運行流程如圖4所示。

圖3 PLC外部硬件接線圖

圖4 地鐵屏蔽門系統(tǒng)運行流程圖

根據(jù)地鐵屏蔽門系統(tǒng)運行流程圖，在博途V15.1(TIA Portal V15.1)編程環(huán)境下完成梯形圖程序編寫，就可以進(jìn)行鐵屏蔽門系統(tǒng)程序仿真步驟。

3 組態(tài)王的仿真

在組態(tài)王中新建工程，定義外部設(shè)備和通信參數(shù)進(jìn)行模擬仿真。打開組態(tài)王界面后，可以清楚地看到，左側(cè)3個為正常工作模式下的按鈕，右下側(cè)框住的是手動模式按鈕，點擊啟動，檢測位置是否照齊，檢測位置指示燈亮，然后延時5 s，時間計數(shù)在遞增。正常工作模式啟動如圖5所示。

屏蔽門打開以后，延時30 s過后，報警指示燈亮起持續(xù)5 s。報警調(diào)試如圖6所示。

圖5 正常工作模式啟動圖

圖6 報警調(diào)試圖

4 結(jié)語

本文從地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)的硬件、軟件及組態(tài)王仿真三個方面進(jìn)行設(shè)計，不僅在理論上論證了該系統(tǒng)的可行性，而且在實驗中運用STEP 7-MicroWIN進(jìn)行梯形圖的編程模擬調(diào)試和組態(tài)王的仿真。基于PLC的地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)集人體感應(yīng)、防夾人報警、多模式運行于一體，具有體積小、靈敏度高、可移植性強等優(yōu)點，可廣泛用于城市軌道交通系統(tǒng)，有效提高人們的出行品質(zhì)和安全系數(shù)。