程轉(zhuǎn)花，蘭葭凌，王亞明，付燕榮

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

地鐵屏蔽門系統(tǒng)與乘客的安全息息相關(guān)，在城市軌道交通中起到至關(guān)重要的作用。屏蔽門作為安全屏障，動作頻繁、故障率高，是城市軌道交通日常運(yùn)營中維護(hù)和檢修的重點(diǎn)。因此，掌握屏蔽門維護(hù)與檢修的專業(yè)知識、提高實(shí)踐技能是人才培養(yǎng)與崗位培訓(xùn)的重中之重。真實(shí)的屏蔽門設(shè)備不僅價格昂貴、占地面積大、質(zhì)量大，而且體積龐大、門機(jī)系統(tǒng)位置高，不利于教師講解和學(xué)員實(shí)踐訓(xùn)練。本文以1∶5 的比例高度模擬真實(shí)的地鐵屏蔽門系統(tǒng)，外觀使用透明亞克力板，便于學(xué)生在教師教學(xué)演示過程中直觀清晰地看到各元件位置、了解運(yùn)作原理、掌握維修方法、熟悉其控制及操作。該系統(tǒng)使用PLC 控制，由于選用了現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技能和嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝來制作內(nèi)部電路，使得PLC 控制可靠性高、抗干擾性強(qiáng)，與傳統(tǒng)操控體系相比無機(jī)械觸點(diǎn)、運(yùn)行磨損小、使用年限更長，且PLC 使用存儲邏輯代替接線邏輯，極大地減少了操控設(shè)備的外部界限，安裝方便、便于日常維護(hù)。

1 屏蔽門教學(xué)系統(tǒng)的組成及功能

該教學(xué)模型以1∶5 的比例高度模擬真實(shí)的地鐵屏蔽門系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由機(jī)械和電氣控制兩部分組成。其中，機(jī)械部分包括門體結(jié)構(gòu)和門機(jī)系統(tǒng)，門體結(jié)構(gòu)主要包括固定門、滑動門和應(yīng)急門，門機(jī)系統(tǒng)包括門頭鎖、傳動裝置、驅(qū)動裝置等[1]；電氣控制部分主要集中在左側(cè)電控柜中。該模型框架采用20 mm×20 mm鋁合金型材，頂箱蓋板、門體、控制箱體采用5 mm厚透明亞克力板，通過PLC 控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)滑動門的開閉、應(yīng)急門在緊急情況下打開、門頭燈及客流預(yù)警燈的亮滅、障礙物檢測及報警等功能，頂箱蓋板與實(shí)際一致，可打開進(jìn)行檢修作業(yè)。屏蔽門教學(xué)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 屏蔽門教學(xué)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

該教學(xué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下教學(xué)功能：①在理論課教學(xué)過程中進(jìn)行演示，學(xué)生可以觀察到各元件位置、機(jī)械運(yùn)動、零件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)作原理；②通過對屏蔽門教學(xué)模型進(jìn)行拆裝、維護(hù)、檢修等實(shí)訓(xùn)，便于學(xué)生掌握維護(hù)檢修技能，也有利于地鐵公司對員工進(jìn)行崗前培訓(xùn)；③通過客流誘導(dǎo)指示燈閃爍實(shí)現(xiàn)乘客擁擠狀態(tài)顯示，誘導(dǎo)乘客乘車，疏散客流，提高舒適度[2]，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對知識的理解，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力提升；④可實(shí)現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)硬件與軟件的聯(lián)動，構(gòu)建虛實(shí)數(shù)字孿生一體化實(shí)訓(xùn)平臺，該教學(xué)系統(tǒng)簡易環(huán)保、便于安裝，易于維護(hù)，運(yùn)行和維護(hù)成本低，方便教學(xué)使用。

2 教學(xué)模型的設(shè)計

2.1 機(jī)械設(shè)計

教學(xué)模型按照1∶5 的比例高度模擬真實(shí)的地鐵屏蔽門，模型設(shè)計圖如圖2 所示。

圖2 屏蔽門教學(xué)模型設(shè)計圖

模型滑動門寬500 mm，應(yīng)急門寬625 mm，固定門寬625 mm，頂箱高200 mm，總體高650 mm；底部橫向的2 根長桿，客觀上增加了整個站臺的剛度，左側(cè)電工柜放置電控設(shè)備，同時也增加了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使整體的剛度大大改善，并設(shè)置有站臺候車區(qū)域。

屏蔽門設(shè)計有防夾裝置，在屏蔽門后兩側(cè)安裝有對射式光電傳感器，并且頂箱是可以上下翻動的，模擬真實(shí)的地鐵屏蔽門可以打開進(jìn)行維修，頂箱后側(cè)的電機(jī)帶動同步帶輪可以使滑動門打開、關(guān)閉，同時，霍爾開關(guān)檢測門及門頭鎖是否開、關(guān)到位，以進(jìn)行下一步動作。在電工柜的上方，安裝有急停按鈕，以便在發(fā)生緊急情況時進(jìn)行制動。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 傳感器和執(zhí)行器選型

選擇霍爾傳感器來判斷開關(guān)門是否到位、門頭鎖打開和鎖閉；關(guān)門障礙探測考慮到距離問題選擇對射式傳感器；電機(jī)選用DC24 V 微型電機(jī)，該電機(jī)自帶編碼器；門頭鎖電磁閥24 V，行程8 mm。

2.2.2 PLC 控制器

該教學(xué)系統(tǒng)輸入輸出并不復(fù)雜且相對固定，選用小型控制系統(tǒng)，這一類PLC 控制器的典型代表有西門子公司的S7-200 系列、三菱公司的FX 系列、歐姆龍公司的CPM1A 系列等。考慮到該教學(xué)系統(tǒng)的規(guī)范性、方便性、通用性、兼容性以及學(xué)校教學(xué)的統(tǒng)一性，選擇西門子公司的S7-200。最終確定PLC 型號，CPU ST20 為12 路開關(guān)量輸入，8 路開關(guān)量輸出；EM DE08為8 路開關(guān)量輸入；EM DT08 為8 路開關(guān)量輸出；EM AM03 為2 路模擬量輸入，1 路模擬量輸出。

根據(jù)元器件種類及功能需求，對PLC 控制器的輸入輸出端口（I/O）進(jìn)行分配，如表1 所示。

表1 PLC 控制器的I/O 分配表

2.3 PLC 程序設(shè)計

在進(jìn)行PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計時，要在功能完善的基礎(chǔ)上，遵循易讀、易改、易于運(yùn)行的原則，程序語言的編寫要簡潔明了，減少程序的掃描時間，進(jìn)一步保證屏蔽門教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行精準(zhǔn)度。

整體的程序設(shè)計流程圖如圖3 所示。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行，首先進(jìn)行信號處理，零點(diǎn)量程的轉(zhuǎn)化，即將電機(jī)接收到的脈沖轉(zhuǎn)化為實(shí)際距離；其次進(jìn)行初始化，即門是否在開到位或關(guān)到位的位置，當(dāng)因故障或斷電導(dǎo)致門停在中間，系統(tǒng)運(yùn)行時將會使得門先到達(dá)設(shè)定的初始位置后，再進(jìn)行開關(guān)門的程序設(shè)計。當(dāng)發(fā)生緊急情況或者開關(guān)門過程中有障礙物時，系統(tǒng)將進(jìn)行報警輸出；當(dāng)程序正常時，則客流預(yù)警相應(yīng)的指示燈亮。

圖3 程序設(shè)計流程圖

開關(guān)門控制程序首先要有開門關(guān)門的信號、具備開關(guān)門條件，由于急停程序優(yōu)先于任何運(yùn)行程序，故當(dāng)急停程序運(yùn)行時，開門指令將無法正常進(jìn)行。開門程序如圖4 所示。

圖4 開門程序

3 屏蔽門教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 屏蔽門教學(xué)系統(tǒng)制作

通過對設(shè)計圖紙進(jìn)行機(jī)械加工制作和控制器設(shè)計安裝，得到基于PLC 的屏蔽門教學(xué)系統(tǒng)樣機(jī)，如圖5所示，左側(cè)部分是電控柜，材質(zhì)使用鋁合金框架和透明亞克力板，通過PLC 控制門機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)屏蔽門滑動門開閉、門頭燈亮滅和閃爍以及障礙物探測防夾功能?？刂葡到y(tǒng)具有手動和自動控制2 種模式，手動控制時可以用按鈕實(shí)現(xiàn)運(yùn)行[3]。在最后測試階段中結(jié)合Python圖像識別的結(jié)果，經(jīng)MicoWin 傳輸至PLC 中控制客流誘導(dǎo)指示燈顯示車廂的擁擠度，實(shí)現(xiàn)對該教學(xué)模型的創(chuàng)新。

圖5 基于PLC 的屏蔽門教學(xué)系統(tǒng)樣機(jī)

3.2 屏蔽門教學(xué)系統(tǒng)測試

在總裝調(diào)試前，對編寫的程序進(jìn)行模擬調(diào)試，確定程序無誤后，將程序?qū)隤LC 中運(yùn)行；檢查電源、PLC 與電腦接線、硬件接線，確保接線正常；將程序?qū)脒M(jìn)行調(diào)試，檢測程序編寫的優(yōu)先級、指示燈、蜂鳴器、開關(guān)門、門頭鎖等運(yùn)行是否正常，圖像識別、處理客流預(yù)警信息是否準(zhǔn)確；對于達(dá)不到程序設(shè)計要求的進(jìn)行優(yōu)化處理，處理后再次進(jìn)行調(diào)試，直至程序調(diào)試正常。

4 結(jié)論

屏蔽門作為地鐵車站重要設(shè)備之一[4]，如何將理論與實(shí)踐相結(jié)合，深入理解屏蔽門的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握檢修和維護(hù)技能，是各級各類學(xué)校專業(yè)教學(xué)的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。對于當(dāng)前城市軌道交通教學(xué)設(shè)備使用現(xiàn)狀而言，體型小、性價比高、運(yùn)行成本低、易于維護(hù)和維修的教學(xué)模型實(shí)屬少見，而基于PLC 的屏蔽門教學(xué)系統(tǒng)符合實(shí)際教學(xué)需求，將有益于軌道交通專業(yè)教學(xué)。同時，該教學(xué)系統(tǒng)增加了基于圖像處理的客流誘導(dǎo)功能，符合智慧城軌車站建設(shè)的發(fā)展方向和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需求。