陳 棟，夏德春，魏耀南，曹青元

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)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(jī)械、電子和控制等學(xué)科于一體的復(fù)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(tái)邊緣，用以提高運(yùn)營(yíng)安全系數(shù)、改善乘客候車環(huán)境、節(jié)約能源、節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本的一套機(jī)電一體化設(shè)備。安全門系統(tǒng)由機(jī)械部分（門體結(jié)構(gòu)和門機(jī)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(jī)控制單元是安全門正常工作的核心部分。

1 門機(jī)控制單元組成與功能

門機(jī)控制單元（DCU）是滑動(dòng)門電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制裝置。每道滑動(dòng)門單元均配置一套門控單元，控制兩扇滑動(dòng)門動(dòng)作。DCU主要是由CPU組、存儲(chǔ)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(chǎng)總線接口，以及用于接收中央控制盤（PSC）下發(fā)的硬線開(kāi)/關(guān)門命令的接口。門控單元主要實(shí)現(xiàn)如下功能：執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)和站臺(tái)級(jí)發(fā)來(lái)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(guò)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(jìn)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(duì)門狀態(tài)指示燈進(jìn)行正確控制，燈的狀態(tài)包括：閃、常亮、常滅。

2 門機(jī)控制單元電氣原理圖

安全門的門機(jī)控制單元采用一控兩驅(qū)的設(shè)計(jì)原理，從結(jié)構(gòu)上包括門機(jī)驅(qū)動(dòng)器（JWPD）和門機(jī)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，提供與中央控制盤的硬線連接接口以及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信的MODBUS總線接口，并連接電磁鎖、接近開(kāi)關(guān)、狀態(tài)燈和蜂鳴器等外圍設(shè)備。驅(qū)動(dòng)器采用大容量處理器STM32F103作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)CAN總線接口連接到控制器，負(fù)責(zé)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法的實(shí)現(xiàn)以及滑動(dòng)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(jī)控制單元電氣原理圖

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供與PSC的MODBUS通信接口，通過(guò)MODBUS模塊接收上位機(jī)指令和反饋狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)控制指令和當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)判斷出對(duì)門體的運(yùn)動(dòng)指令并通過(guò)CAN模塊發(fā)送到JWPD。屏蔽門在自動(dòng)模式下，JWPC（AT-EB）接收來(lái)自PSC“自動(dòng)開(kāi)滑動(dòng)門”和“自動(dòng)關(guān)滑動(dòng)門”的開(kāi)關(guān)滑動(dòng)門命令。在手動(dòng)模式下，JWPC（AT-EB）接收來(lái)自“就地開(kāi)滑動(dòng)門”和“就地關(guān)滑動(dòng)門”的脈沖開(kāi)關(guān)滑動(dòng)門命令。

3 門機(jī)控制單元的軟件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)負(fù)責(zé)采集外圍設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，根據(jù)結(jié)果執(zhí)行開(kāi)關(guān)門操作。該任務(wù)必須能正確分析出遇阻、手動(dòng)解鎖等情況的發(fā)生，并做出相應(yīng)處理。

門控單元開(kāi)機(jī)后，需執(zhí)行設(shè)備初始化過(guò)程，包括處理器外圍資源的配置以及開(kāi)關(guān)門運(yùn)動(dòng)曲線參數(shù)的生成。等待門體關(guān)門到位后執(zhí)行任務(wù)主循環(huán)，為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，該循環(huán)為每1 ms執(zhí)行一次，通過(guò)讀取輸入端口和當(dāng)前驅(qū)動(dòng)器反饋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)相應(yīng)的標(biāo)志或狀態(tài)寄存器進(jìn)行位置清零，動(dòng)作執(zhí)行部分按照標(biāo)志或狀態(tài)寄存器的值對(duì)外部設(shè)備做出相應(yīng)的輸出并且通過(guò)CAN總線對(duì)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令。遠(yuǎn)程更改功能可通過(guò)遠(yuǎn)程指令對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行配置，來(lái)屏蔽以及熱保護(hù)。運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的流程如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)流程圖

作為運(yùn)動(dòng)控制部分的基礎(chǔ)，開(kāi)關(guān)門操作流程如圖3和圖4所示。在開(kāi)門狀態(tài)下，因不排除手動(dòng)開(kāi)關(guān)門操作，先判斷當(dāng)前是否已經(jīng)開(kāi)門到位，否則進(jìn)入開(kāi)門操作流程：首先進(jìn)行提鎖操作，根據(jù)微動(dòng)開(kāi)關(guān)的反饋信號(hào)，可以有效地判斷出電磁鎖的狀態(tài)或錯(cuò)誤；然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)門，針對(duì)本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的無(wú)刷直流電機(jī)，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(dòng)轉(zhuǎn)矩小，效率高等優(yōu)點(diǎn)；門體開(kāi)到位后退出開(kāi)門狀態(tài)。關(guān)門過(guò)程與開(kāi)門過(guò)程相反，先驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)門再執(zhí)行落鎖操作。

圖3 開(kāi)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(dòng)器，采用了29位的擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，負(fù)責(zé)發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令到驅(qū)動(dòng)器并通過(guò)遠(yuǎn)程幀詢問(wèn)獲取驅(qū)動(dòng)器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。其中運(yùn)動(dòng)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(wù)和心跳任務(wù)構(gòu)成。在接收過(guò)程中，由接收中斷服務(wù)函數(shù)接收到報(bào)文并發(fā)送到接收消息隊(duì)列，激活接收任務(wù)從中讀取并復(fù)制報(bào)文做解析處理。在發(fā)送過(guò)程中，由心跳任務(wù)組織遠(yuǎn)程幀放入發(fā)送消息隊(duì)列中，通過(guò)啟動(dòng)發(fā)送中斷服務(wù)函數(shù)將消息隊(duì)列中的報(bào)文全部發(fā)送出去，同時(shí)心跳任務(wù)記錄驅(qū)動(dòng)器反饋回來(lái)的報(bào)文次數(shù)，以判斷CAN通信是否正常。接收任務(wù)和心跳任務(wù)的流程如圖5和圖6所示。

表1 運(yùn)動(dòng)指令表

圖5 CAN接收任務(wù)流程圖

圖6 CAN心跳任務(wù)流程圖

3.3 MODBUS通信

MODBUS連接門機(jī)控制單元和上位機(jī)，遵循MODBUS RTU協(xié)議，主要完成的功能包括：遠(yuǎn)程控制、參數(shù)配置和監(jiān)控。

門機(jī)控制單元采用USART實(shí)現(xiàn)總線接口，并且進(jìn)行冗余設(shè)置，以上功能都是通過(guò)讀寫控制器中的寄存器實(shí)現(xiàn)的，支持的功能碼為0x03、0x06和0x10。任務(wù)流程如圖7所示。

圖7 MODBUS通信任務(wù)流程圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以單門凈開(kāi)度為950mm的安全門作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)本文設(shè)計(jì)的門控單元進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖8所示。圖中前半部分為開(kāi)門運(yùn)行曲線，門體以580mm/s的最大開(kāi)門速度運(yùn)行，整個(gè)開(kāi)門過(guò)程時(shí)間為2.5 s，開(kāi)門到位目標(biāo)速度一直保持，防止乘客拉門后能夠還原到開(kāi)門到位位置；后半部分為關(guān)門運(yùn)行曲線，門體以510mm/s的最大關(guān)門速度運(yùn)行，整個(gè)關(guān)門過(guò)程時(shí)間為3 s。開(kāi)關(guān)門時(shí)間可通過(guò)更改最大開(kāi)關(guān)門速度無(wú)級(jí)調(diào)整。

從圖中的曲線可以看出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部目標(biāo)曲線與反饋速度曲線的波形其本一致，說(shuō)明門機(jī)控制單元能較好的實(shí)現(xiàn)安全門的控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以安全門門機(jī)控制單元為研究對(duì)象，通過(guò)在凈開(kāi)度為950mm安全門樣機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證實(shí)門控單元能較好的實(shí)現(xiàn)安全門的控制。同時(shí)，該系統(tǒng)也可以提高安全門運(yùn)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(tái)灣捷運(yùn)地鐵項(xiàng)目中安裝并投入使用，運(yùn)行安全穩(wěn)定。

[1]黃中全. 軌道交通站臺(tái)安全門控制系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2009 （3）：64-66.

[2]賀 文，王 飛，陳 慶，林 磊. 城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門中央控制盤的研究[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2011（4）：44-47.

[3]李凌志.基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)[J]. 機(jī)電一體化，2007，24（5）：66-69.

[4]勞運(yùn)敬. 地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)的研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[5]曠文珍. 鐵路車站分布式計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2012，33（5）：139-143

[6]郭 寅，劉常杰，劉 剛，等. 機(jī)車車輛靜態(tài)限界非接觸式自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2013，34（1）：134-138.

[7]尹盼春. 地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2010.