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技术知识

地铁屏蔽门构成及原理

文章来源:未知时间:2018-12-21 点击:
一、屏蔽门系统国内外发展现状        目前,世界上已有8个国家和地区共21条轨道交通线路正在使用或加装屏蔽门系统。有关屏蔽门的供货商也在逐渐发展起来,英国westinghouse、法国Faiveley、瑞士KABA和日本Nabco4家公司成为最主要的屏蔽门生产厂家,都已经承担过一些地铁线路的屏蔽门工程,到目前为止,它们提供了世界上约90%的屏蔽门系统。它们也是当今世界上安装、设计、制造屏蔽门最有经验的几家公司。
         在国内地铁屏蔽门市场,国外公司大多采取在国内寻找合作伙伴的方式进入中国市场,如广州地铁二号线屏蔽门工程中标方就是广州澳的斯电梯有限公司与英国西屋公司;深圳方大集团于2000年与法维莱公司开始合作之后,双方共同成功承建了泰国曼谷地铁等屏蔽门工程项目;瑞士卡巴公司也与江苏金创集团合作在国内承接屏蔽门工程项目;日本那博克公司与重庆川仪集团也就屏蔽门项目进行着合作。国内最早开始从事屏蔽门研究的是广州奥的斯电梯有限公司和深圳方大集团,之后逐渐增加了广州广日集团、上海通用冷气机有限公司、重庆川仪总厂有限公司等。到目前为止,屏蔽门系统的国产化程度还相当低,目前国内有10家以上的公司正加大对屏蔽门系统的研发力度,以加快屏蔽门系统国产化的步伐。
         二、两款最新地铁屏蔽门控制系统
         (一)、贝加莱地铁屏蔽门控制系统
        贝加莱地铁屏蔽门控制系统在上海九号线(徐家汇—松江)的一期项目中,共9个站,共安装贝加莱22个控制器PCC2003,20个15”触摸屏4PP120。在此第一期项目中贝加莱公司和瑞士KABA公司合作。
          
          1、 
贝加莱控制系统解决方案
        贝加莱的PCC控制系统提供CAN总成冗余,使用双CAN总线和门控制器联接,与显示器采用Ethernet联接,B&R2003灵活的通信能力确保了以上通信要求都能实现,CPU模块CP570管理所有的门控制器,离散I/O和网络连接。B&R PP120作为中央显示单元,每个控制室的操作终端采用15’’显示屏,操作员和维护人员从而可以在现场进行监测工作。

         2、
信息处理
        Kaba Ghgen的自动门专家们为每一扇门写了高达104条不同的事件信息,每一个站48扇门,再加上120条左右系统信息,这样中央采集的可能事件数量将超过5000条。触发事件的动作必须清晰直观地被显示。典型的事件包括门口堵塞、电机过热、手动撤消故障等。
        由图2、图3可以看出,贝加莱的PCC控制系统所具备的定性分时多任务的运行模式可以帮助优化客户软件,大大降低系统的轮询时间,并帮助软件工程师精确控制每个任务进程的循环时间。

         3、 
Automation Studio软件特点
         Automation Studio是一个集成了项目中所有组件工具的软件开发环境,因此可应用于任何规模任何范围的项目。无论在项目的哪个阶段,规划、执行、测试、生产或调试过程中,统一的开发环境既提高了生产效率又保证了产品质量。在屏蔽门控制器的开发设计过程中。Automation Studio提供了一个优化的编程环境,采用C语言来开发系统,保证一个系统长时期使用。还可以设置用户输入密码以进入系统。每扇单独的门都配备一个门控制单元(DCU),根据接收的指令。控制单元专门控制电机和开关门机械装置,确保在安全范围内门的作用力和速度都处于最优化的状态。同时,对门上的传感器和执行器的状态进行监测。并不断发送相关数据至站台屏蔽门控制器(PSC)。地铁屏蔽门触发事件的动作必须清晰直观地被显示。典型的事件包括门口堵塞、电机过热、手动手动撤消故障等。所有这些事件触发都通过PCC控制系统先进行数据采集,并通过Automation Studio软件进行软件开发,对所有的触发事件进行响应和处理。
          (二)、地铁屏蔽门控制系统
        2010年由尹盼春受南京熊猫机电仪技术有限公司委托设计的“地铁屏蔽门控制系统”目的是研制出一种可以面向市场的、低成本的、国产化的屏蔽门设备。主要研究集屏蔽门电机驱动控制与屏蔽门逻辑控制于一体的屏蔽门控制系统。这种高度集成并一体化的控制方案主要采用了一个ARM7微控制器实现,节省了制造成本,实现了资源的优化利用。
         软件系统设计:软件的设计是以硬件为基础,依据系统的具体功能要求进行设计。主要包括屏蔽门各种逻辑控制功能的设计、数字PID控制算法的设计以及网络系统通信的设计等。
        基本思想:地铁屏蔽门控制系统软件设计的基本思想是,采用巡检的方式,不断对各个输入端口进行检测,当检测到相应的状态信号时一进行相应的处理。对一些重要信号的检测,要采用定时中断方式,定时检测这些信号的状态。屏蔽门控制系统软件的主程序流程图如图4.1所示。
                          
        系统上电复位后,首先进行初始化,接着执行门宽参数的自学习程序。此后的程序是一个循环操作过程,包括开始正常运行、障碍物检测、采样电流信号、UART串口通信、CAN总线通信、PID控制以及检测输入信号,再结合当前系统状态做出相关处理,执行相应子程序,完成对屏蔽门的控制。
         软件系统主要包括系统初始化程序、门宽参数自学习程序、屏蔽门控制任务程序、开关门过程控制程序、CAN总线通信程序、不完全微分增量式PID算法六个部分。
         1、系统初始化程序
         系统上电后,ARM7微控制器LPC2129复位,系统开始执行初始化程序,配置控制系统运行的参数,包括对一LPC2129、系统变量、屏蔽门运行参数、电机驱动控制程序的初始化:1.LPC2129初始化程序用于设置LPC2129内核时钟运行模式,使能片内和片外设备,包括设置各个1/0端口的方向,设置ADC模块的转换条件、转换通道等。2.系统变量初始化,用于定义并初始化系统程序在运算过程中使用到的变量,如电机驱动控制程序变量、门速曲线变量、串口通信及CAN总线通信变量等。3.屏蔽门运行参数初始化程序,用于读取屏蔽门运行参数,包括屏蔽门开关门曲线参数,防挤压力信号产生的阂值参数等。4.电打L马区动控制初始化程序,如设置电机控制功能模块相关的寄存器,包括设置PWM…信号的开关频率、初始化AD转换模块工作方式等。
         2、门宽参数自学习程序
        在屏蔽门控制系统中,设计了门宽参数自学习功能。门宽参数自学习的工作过程为:在屏蔽门控制系统初始化完成后,屏蔽门将以均匀慢速关门一次,第一次关门的过程为初始化关门过程,这是为了让屏蔽门运行到完全关闭的位置保证计数位置的准确性;然后屏蔽门再以均匀慢速开门一次,这个过程中,单片机将记录门在打开过程中各点的位置,门在开关的过程中,与无刷直流电机同轴连接的霍尔位置传感器产生脉冲,一个脉冲就对应着门体一段固定的位移;当门开到最大位置时,门停止移动,此时没有新脉冲输入到单片机,则脉冲计数器就记录了门宽参数。这一门宽参数的自动识别过程叫门宽参数自学习功能,这一程序执行的过程称为自检。
        自学习过程中,定义了五个工作状态:初始化关门状态、关门到位状态、等待、初始化开门状态和开门到位状态。在顺序执行完这五个过程后,控制系统就将门的位置参数存放到微控制器的存储器中,每次初始化时一该参数都需重置。识别到的门宽参数是开、关门运行的关键参数,主要用来确定门运行的过程中加速和减速的转折点,以及一些特殊功能的识别点,比如门宽刚好允许人通过的最小位置。
        系统可以存储的门的位置参数不止一组,所以在门宽参数自学习运行之后系统也可以选择是否按照本次获得的参数运行,还是调用外部存储器中已经存储的己往的门宽参数。自学习程序流程图如图4.2所示。
                 
          3
、屏蔽门控制程序
         屏蔽门的控制过程如下所述。控制系统启动后,首先执进行自检,自检不能完成时,系统报错。自检完成后,系统处于等待状态,控制系统查询中断信号,对屏蔽门进行相应的控制。
         3.1正常操作
         地铁每隔几分钟就有一个班次到达地铁站台,所以地铁屏蔽门每隔几分钟就要开关一次,正常情况下控制系统分为四个工作状态,分别是开门状态、开门结束状态、关门状态、关门结束状态。控制系统完成自检后就会等待来自列车系统或者站台的就地控制盘发出的开关门信号,进行一次开关门操作并将事件记录下来存入外部存储器。系统正常运行程序流程图如图4.3所示。
            
        另外,系统还要不断检测手动开门信号和手动关门信号,它们属于屏蔽门的手动操作控制。由于手动操作控制具有最高优先级,因此在正常运行时一旦发现手动开门信号与手动开门信号产生,就会立刻从上图的状态循环中脱离,保持开门到位或者关门到位状态不变,直至信号消失为止。
         3.2防挤压功能
         如上所述,本屏蔽门控制系统对于系统防挤压功能的实现采取了两种模式:被动安全模式:在关门的过程中,如果电机在低速时电枢电流突然增大到微控制器设定的闭值并持续一小段时间时一(为了排除关门到位时所产生的过流信号),系统就认为遇到了障碍物或人,立即使门停下,然后控制电机反转,使门后退至容许人通过的最小门宽位置处(可编程值)停止,然后将在大约5秒钟(可编程值)后,门再自动关闭,该关闭周期将会重复3次(可编程值)。如果门仍然不能关闭,系统被设置为故障并且停止操作,屏蔽门完全打一开,LED显示闪烁和蜂鸣器报警,等待工作人员进行维修或者故障处理。
         主动安全模式:在关门的过程中如果遇到人或障碍物靠近时红外传感器动作,发出红外信号一,微控制器发出停止关门命令,直至红外信号消失且电机速度降至很低、没有过流信号时系统才可以执行关门操作。防挤压程序的流程图如图4.4所示。防挤压程序代码见附录B。
          
        4
、开关门过程控制程序
        屏蔽门在整个运动过程中的速度是不同的,门开始运动时,要求电机启动力矩大,所以电机要以较低的初速度启动,然后加速至最大。门运动将要结束时,为避免机械冲击,在车门运行至全行程85%的位置时开始减速,到全行程95%的位置时保持低速直至门完全闭合。
         控制系统以门速曲线为依据,计算开门、关门时不同位置处的给定速度,进而设置不同的PWM信号.井空比。为了减少程序的计算量,事先将涉及到的各个速度对应的相关数据写入存储器中,系统程序只需以查表的方式,就可以读出它们。设计时,在RAM中开辟一个单元,用来存贮电机运动的状态。系统主程序采用分时操作的方式,根据开关门信号和电机的土一状态,发出本次操作指令,并更新电机状态,开关门过程控制程序流程如图4.6所示。
            
         5
、CAN总线通信程序
        屏蔽门控制系统采用CAN总线技术,按照控制系统向分散化、网络化、智能化方向发展的要求,把挂接在总线上作为网络节点的各设备,连接成网络集成式的全分布控制系统,实现了对屏蔽门的基本控制、参数修改、报警、显示、监视等综合自动化功能。在一个屏蔽门控制子系统中,PSC、PSL和DCU组通过CAN总线构成开放的通信网络系统。这两路现场总线应互为热备用,它们可同时传送网络数据。如果工作中的一路现场总线发生故障,则另一路备用的现场总线自动进入工作状态。整个切换过程无扰动,并不影响屏蔽门系统的正常运行。LPCZ129内部集成有两路CAN控制器,符合CANZ.OB,JSO11989一1标准,总线数据波特率可达IMbPs;可访问32位寄存器和队M,保证门控单元Dcu与就地控制盘PSL等的快速准确通讯。LPCZ129作为主控制器的同时,还作为CAN网络的节点控制器,与网络中的其它节点实现数据传输与交换。
         6、不完全微分增量式HD算法
        由于微控制器LPC2129只能处理数字量,所以基于LPC2129的电机速度PID控制实际上是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量,而不能像模拟PID控制那样连续输出控制量,因此对一连续的控制计算式中的积分环节以及微分环节是不能直接进行运算的,所以在控制系统中必须先对PID控制律进行离散化的算法设计。离散化处理的方法为:以T作为采样周期,以k作为采样序号,则离散采样时间kT对应着连续时间t,用矩形法数值积分近似代替积分,用一阶后向差分近似代替微分。
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