城市軌道交通站臺屏蔽門中央控制盤的研制

1、年第期年月日機(jī)車電傳動ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES，城市軌道車輛摘城市軌道交通站臺屏蔽門中央控制盤的研制賀文，王飛，陳慶，林磊）作者簡介：賀文（），（寧波南車時代傳感技術(shù)有限公司，浙江寧波要：針對城市軌道交通站臺屏蔽門與信號系統(tǒng)的接口和功能需求設(shè)計了一種基于插件箱結(jié)男，高級工程師，長期從事構(gòu)的中央控制盤。介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成、功能及軟硬件設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法，分析了其在可靠性、可維護(hù)機(jī)車控制系統(tǒng)的研發(fā)工作。性及安全性方面所采取的措施。關(guān)鍵詞：城市軌道交通；站臺屏蔽門；中央控制盤中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（）Development of Urban Rail Tr

2、affic Platform Screen DoorsCentral Interface Panel，(Ningbo CSR Times Transducer Technique Co., Ltd., Ningbo, Zhejiang 315021, ChinaAbstract:A subrack-based platform screen doors central interface panel (PSC was designed according to the interface between urbanrail trafficplatform screen doors and SI

3、G. The configuration and function of PSC system were introduced, as well as its software and hardwareimplementation. Measures adopted to guarantee reliability, maintainability and safety were also analyzed.Key words:urban rail traffic; platform screen door; PSC引言站臺屏蔽門是安裝于城市軌道交通沿線車站站臺邊緣，用以提高運(yùn)營安全系數(shù)、改善

4、乘客候車環(huán)境、節(jié)約運(yùn)營成本的一套機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)。中央控制盤（）是屏蔽門控制系統(tǒng)的主要接口設(shè)備，是屏蔽門控制系統(tǒng)的核心，同時為車站信號室內(nèi)的信號系統(tǒng)設(shè)備（）、車站控制室內(nèi)的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（）和緊急控制盤（）、就地控制盤（）、門控器（）等設(shè)備提供接口連接，因此其對可靠性和安全性的要求較高。目前，國際上掌握地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)核心技術(shù)的公司主要有英國西屋、瑞士卡巴等幾家公司。西屋的的核心部件單元控制器采用密封箱體式結(jié)構(gòu)，兩塊控制電路板通過螺釘連接固定于箱體內(nèi)，拆裝非常麻煩，故障時需整體更換；卡巴的主要由監(jiān)控主機(jī)和導(dǎo)軌式安裝的安全繼電器模塊構(gòu)成，其安全性能得到有效的保證，但當(dāng)出現(xiàn)故障時故障點(diǎn)難收稿日期

5、：以定位。另外，兩家公司的為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，對其監(jiān)視部分皆采用了熱冗余設(shè)計，但實(shí)現(xiàn)控制功能的關(guān)鍵部分卻只設(shè)置了一套硬件，沒有采用冗余備份策略，一旦系統(tǒng)故障就無法正常工作。本文基于模塊化的設(shè)計思想，設(shè)計了一種新的基于插件箱結(jié)構(gòu)的控制柜，對其系統(tǒng)構(gòu)成及其各模塊的功能、軟硬件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，討論了其在硬件架構(gòu)和軟件算法設(shè)計方面所采取的可靠性和安全性策略及實(shí)現(xiàn)。與上述幾家公司目前的產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)在保證可靠性和安全性的基礎(chǔ)上，對整個硬件電路進(jìn)行了完全冗余冷備份，可用性更好、可維護(hù)性更強(qiáng)。系統(tǒng)互連與接口由圖給出的系統(tǒng)互連關(guān)系圖可知是整個屏蔽門控制系統(tǒng)的核心單元，是整個屏蔽門系統(tǒng)對外、對內(nèi)的

6、控制樞紐。與信號系統(tǒng)（）控制接口如圖所示，與信號系統(tǒng)通過硬線進(jìn)行連接，共有個關(guān)鍵安全信號：開門命令、關(guān)門命令、關(guān)閉 且鎖緊信號和互鎖解除信號。第期賀文，王飛，陳慶，林磊：城市軌道交通站臺屏蔽門中央控制盤的研制圖 系統(tǒng)互連示意圖圖 外形尺寸與門控器（）接口與的接口類型包括硬線連接和總線單元控制器（）每個中包含個分別控制兩側(cè)站臺的屏通信連接種方式。硬線控制信號包括開門信號、主電源使能信號和門已關(guān)閉信號。非關(guān)鍵的控制狀態(tài)信息通過路互相冗余的總線傳遞，另外上述所有硬線關(guān)鍵信號的一個“軟”拷貝也在監(jiān)控過程中通過總線進(jìn)行傳輸，以實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵命令的審查。與環(huán)境及設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（）的通信接口與之間采用雙路串行總線

7、進(jìn)行連接，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對屏蔽門運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、故障報警及查詢運(yùn)營記錄等功能。與緊急控制盤（）接口通過硬線連接實(shí)現(xiàn)與盤的接口，在盤上設(shè)置手動開關(guān)門按鈕，實(shí)現(xiàn)對屏蔽門的開關(guān)控制，同時站臺屏蔽門的開關(guān)狀態(tài)可在盤上的指示燈顯示。與就地控制盤（）接口通過硬線連接實(shí)現(xiàn)對屏蔽門的開關(guān)控制，還可蔽門，每個采用標(biāo)準(zhǔn)的插件式工業(yè)機(jī)箱結(jié)構(gòu)，包含組相同的硬件實(shí)現(xiàn)了冷備份冗余，每組硬件由電源插件、繼電器插件、插件構(gòu)成。通過轉(zhuǎn)換面板的鑰匙開關(guān)可在組硬件來回切換。外觀如圖所示。圖 單元控制器電源插件主要為其他各插件提供所需的工作電源。繼電器插件主要由具有故障導(dǎo)向安全機(jī)構(gòu)的安全繼電器構(gòu)成，接受信號系統(tǒng)開門、關(guān)門命令控制門控器，

8、將關(guān)閉鎖緊信號反饋給信號系統(tǒng)。插件負(fù)責(zé)管理各種通信接口以及監(jiān)視運(yùn)行的狀態(tài)和故障，并將這些信息發(fā)送至相關(guān)的監(jiān)控點(diǎn)（如主監(jiān)視計算機(jī)、等）。主監(jiān)視計算機(jī)主監(jiān)視計算機(jī)是整個總線網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備，內(nèi)置的人機(jī)界面監(jiān)視軟件可將整個車站的屏蔽門系統(tǒng)的各種狀態(tài)及故障信息以動態(tài)圖像和詳細(xì)狀態(tài)數(shù)據(jù)的形式顯示出來，界面直觀、形象、友好。同時，對重要數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，用戶可輕松實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的查詢、分析、顯示等操作；另外，通過軟件還可以實(shí)現(xiàn)對、等設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置、固件更新等操作。盤面操作及指示面板屏蔽門系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和故障信息可通過盤面的指示燈顯示，同時通過盤面相關(guān)的開關(guān)和按鈕可實(shí)現(xiàn)對屏蔽門的模擬控制。盤面設(shè)置如下：指

9、示燈，門開啟、操作允許、關(guān)閉且鎖緊、互鎖解除、操作、總線故障、開啟故障、關(guān)閉故障等；按鈕，故障復(fù)位、指示通過互鎖解除開關(guān)向發(fā)出個互鎖解除和個模擬的關(guān)閉鎖緊信號。站臺屏蔽門的開關(guān)狀態(tài)可在的指示燈顯示。與遠(yuǎn)方監(jiān)視報警盤（）接口遠(yuǎn)方報警盤（）設(shè)在各站臺的站臺監(jiān)控亭內(nèi)，通過以太網(wǎng)接口與實(shí)現(xiàn)連接，用戶通過能夠?qū)崟r地監(jiān)視所有、電源設(shè)備、控制設(shè)備的工作運(yùn)行狀況，監(jiān)視各重要控制回路的動作狀態(tài)。與便攜測試設(shè)備（）接口通過以太網(wǎng)接口與進(jìn)行連接，用戶通過可實(shí)現(xiàn)對的現(xiàn)場或遠(yuǎn)程調(diào)試，實(shí)現(xiàn)諸如程序寄存器顯示、修改，程序更新等操作。系統(tǒng)構(gòu)成中央控制盤外形尺寸圖如圖所示，其主要由單元控制器（）、主監(jiān)視計算機(jī)和盤面操作及指示面

10、板構(gòu)成。機(jī)車電傳動年燈測試、開門測試、關(guān)門測試；模式運(yùn)行開關(guān)，“自動”位接收信號實(shí)現(xiàn)門的自動控制；“測試”位結(jié)合“開門測試”按鈕和“關(guān)門測試”按鈕可實(shí)現(xiàn)對屏蔽門的模擬開關(guān)控制。路具備冗余性、多樣性：通過部分或整體配備的冗余性（重復(fù)性），可將電氣電路的個故障發(fā)生危險的概率控制在最小限度。由于冗余的同一種類設(shè)備在同樣條件下可能同時發(fā)生故障，因此，可通過使用各種動作原理的控制電路和各種類型的裝置或零件，形成具有冗余性的結(jié)構(gòu)，降低共同故障的概率。安全電路須由安全部件構(gòu)成。安全繼電器屬于安全部件，和一般繼電器不同，它具有強(qiáng)制導(dǎo)向接點(diǎn)結(jié)構(gòu)（），即使在接點(diǎn)熔接時也能確保安全功能。它的主要特點(diǎn)：接點(diǎn)間隔不僅在

11、通常運(yùn)行狀態(tài)而且在發(fā)生故障的狀態(tài)也達(dá)到以上；接點(diǎn)負(fù)載開關(guān)符合、（）；機(jī)械的壽命為萬次以上。強(qiáng)制導(dǎo)向接點(diǎn)結(jié)構(gòu)保證：有個接點(diǎn)熔接時，在線圈無勵磁狀態(tài)下，所有接點(diǎn)至少保持以上的間隔；或者有個接點(diǎn)熔接時，在線圈勵磁狀態(tài)下，所有接點(diǎn)至少保持以上的間隔。圖、圖比較了接點(diǎn)熔接、線圈無勵磁時，一般繼電器與帶強(qiáng)制導(dǎo)向接點(diǎn)繼電器的區(qū)別。設(shè)計及實(shí)現(xiàn)是的核心，因此其硬件與軟件設(shè)計水平的高低直接影響整個盤的可靠性和安全性。在本設(shè)計中，每個皆采用冷備份方式進(jìn)行冗余設(shè)計，當(dāng)一組硬件故障時可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到另外一組硬件保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。故障組硬件完全失電，可以安全將其更換、維修，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性。硬件設(shè)計電源插件電

12、源插件采用了高可靠性的模塊以產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電源，同時設(shè)計了輸入過壓、欠壓保護(hù)及過流保護(hù)電路，另外對每路輸出也設(shè)置了過壓保護(hù)電路，確保屏蔽門系統(tǒng)能長期安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。為提高整個的可靠性，在電源插件設(shè)計時采用熱冗余設(shè)計，使的、組硬件的電源插件并聯(lián)以熱冗余的方式工作，從而使電源插件具有可不斷電維修功能；另外還對電源進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)控，以及時發(fā)現(xiàn)故障。當(dāng)出現(xiàn)故障需要維修時，可隨時切除故障組的電源插件，輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不斷電更換維修，且不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。具體方案見圖所示。圖 一般繼電器圖帶強(qiáng)制導(dǎo)向接點(diǎn)繼電器關(guān)鍵安全信號電路均由安全繼電器構(gòu)成，通過對觸點(diǎn)的安全冗余、檢測，保證了單獨(dú)故障不會導(dǎo)致安全功能

13、下降。以圖開門命令電路為例分析。圖 電源冗余方案框圖在正常情況下組電源插件同時給其他插件供電，這樣不但改善了電源的均流特性，并且當(dāng)有一組電源產(chǎn)生故障時，另一組仍然可以使系統(tǒng)正常運(yùn)行。同時插件通過監(jiān)測、的電壓情況可獲得故障位置，并通過指示燈顯示電源故障，提醒及時更換故障電源模塊，確保系統(tǒng)持續(xù)正常運(yùn)行。繼電器插件繼電器插件以干接點(diǎn)方式在信號系統(tǒng)與門控器間傳遞的開門命令、關(guān)門命令、關(guān)閉且鎖緊信號均為關(guān)鍵安全信號，電路須達(dá)到安全等級的要求。安全等級要求：無論在哪個安全性相關(guān)部分中發(fā)生單獨(dú)的故障，都不會導(dǎo)致安全功能下降，在任何合理的情況下都可檢測到單獨(dú)的故障；故障積累可能導(dǎo)致安全功能的喪失。通常，滿足安

14、全等級要求的電圖 開門命令電路正常時：上電后，有勵磁，：閉合，：斷開；若信號系統(tǒng)控制的干接點(diǎn)閉合，、有勵磁，：、：閉合，：、：斷開，無勵磁，：斷第期賀文，王飛，陳慶，林磊：城市軌道交通站臺屏蔽門中央控制盤的研制開，：閉合，輸出開門命令。：熔接時：始終斷開，故障被檢測出來，始終無勵磁，：始終斷開，始終無勵磁，：始終斷開，始終無法輸出開門命令。：熔接時：始終斷開，始終無法輸出開門命令。：熔接時：始終斷開，始終無法輸出開門命令。：熔接時：始終斷開，故障被、檢測出來，、始終無勵磁，：、：始終斷開，始終無法輸出開門命令。關(guān)鍵安全信號電路符合安全等級要求外，還以正、負(fù)線雙切方式安全冗余。繼電器插件狀態(tài)受插

15、件監(jiān)視。插件插件通過數(shù)字量光電隔離輸入接口監(jiān)視屏蔽門系統(tǒng)狀態(tài)；通過數(shù)字量光電隔離輸出接口顯示屏蔽門系統(tǒng)狀態(tài)、報警；通過豐富的通信接口滿足對外信息傳遞，可實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。主要電路由芯片與外圍電路構(gòu)成。提供了路數(shù)字量光電隔離輸入接口和路數(shù)字量光電隔離輸出接口；自帶路接口模塊，方便地實(shí)現(xiàn)接口對等外部系統(tǒng)通信；具有路增強(qiáng)的接口模塊，滿足對的路接口冗余通信要求；通過芯片實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)接口，將故障、狀態(tài)顯示至上位顯示終端；另外，通過的外設(shè)擴(kuò)展接口（）擴(kuò)展了塊，以備系統(tǒng)掉電時保存重要的數(shù)據(jù)。硬件框圖如圖所示。層，前者提供各種功能實(shí)現(xiàn)函數(shù)，對各控制器的寄存器進(jìn)行操作以實(shí)現(xiàn)各自所能提供的功

16、能；后者主要提供個接口函數(shù)，即初始化控制器、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)。圖 軟件總體結(jié)構(gòu)框圖協(xié)議實(shí)現(xiàn)層主要完成協(xié)議數(shù)據(jù)段打包與解包等功能的實(shí)現(xiàn)，即對各驅(qū)動獲得的數(shù)據(jù)按制定的協(xié)議進(jìn)行解包以提供給應(yīng)用層使用，同時將用戶的數(shù)據(jù)打包供驅(qū)動層發(fā)送。由于設(shè)計了一個共用的包結(jié)構(gòu)，不同通信接口的解包和打包程序共用同一個模塊，提高了代碼的重用性和可維護(hù)性。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)各功能應(yīng)用模塊，主要包括如下軟件模塊：通信模塊，主要完成對、通信；監(jiān)視及控制模塊，主要完成狀態(tài)監(jiān)視、指示等；記錄診斷模塊，主要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)分析、故障數(shù)據(jù)波形記錄等；遠(yuǎn)程維護(hù)管理模塊，主要負(fù)責(zé)完成遠(yuǎn)程程序下載、參數(shù)配置等。程序的主流程如圖所示。圖 插件硬件框圖軟件

17、設(shè)計軟件采用層次化設(shè)計，各層之間只能通過公開的進(jìn)行接口。軟件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。硬件驅(qū)動層和硬件完全相關(guān)，主要實(shí)現(xiàn)各硬件接口的初始化和配置的功能，包括驅(qū)動、驅(qū)動、以太網(wǎng)驅(qū)動和驅(qū)動。所有驅(qū)動基于硬件接口抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了層次化設(shè)計，即：所有驅(qū)動程序在設(shè)計時都被劃分成了功能函數(shù)層和應(yīng)用程序接口圖 插件程序主流程圖主監(jiān)視計算機(jī)軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)軟件功能結(jié)構(gòu)如圖所示。軟件采用分布式模式，人機(jī)界面部署為客戶端，數(shù)據(jù)采集、分析、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等功能部署為服務(wù)端，客戶端與服務(wù)端通過鏈路進(jìn)行（下轉(zhuǎn)第頁）機(jī)車電傳動年聯(lián)系起來，不同應(yīng)力之間的耦合作用及相互影響十分復(fù)雜。為簡化問題，常只考慮對其影響最大的幾種情況。

18、目前，鐵路電子產(chǎn)品常利用三綜合（溫度、濕度和振動）試驗(yàn)箱開展加速可靠性試驗(yàn)研究。下面就溫度與濕度、溫度和振動展開討論。溫度和濕度應(yīng)力壽命模型及加速系數(shù)提出了描述溫濕度的加速模型：（）式中：相對濕度；絕對溫度；波爾茲曼常數(shù)；激活能；、常數(shù)。對式（） 兩邊取對數(shù)得： 式中：溫濕度加速系數(shù)。溫度和振動應(yīng)力加速模型和加速系數(shù) 溫度和振動應(yīng)力的加速模型：溫度壽命關(guān)系為：振動壽命關(guān)系為： 則溫度和振動多應(yīng)力加速系數(shù)為：（上接第頁）參考文獻(xiàn)：，李曉陽，姜同敏加速壽命試驗(yàn)中多應(yīng)力加速模型綜述系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，（），可靠性檢定和驗(yàn)收試驗(yàn)，可靠性增長試驗(yàn)康勁松，景詩毅多應(yīng)力加速模型及加速系數(shù)研究機(jī)電一體化，（）利用三綜合（溫度、濕度和振動）試驗(yàn)箱開展多應(yīng)力加速系數(shù)的分析還存在一些不完善的地方，首先是模型的確定方法；另外，忽略了各種應(yīng)力之間的相關(guān)性，而只是簡單地認(rèn)為各個應(yīng)力之間是相互獨(dú)立的。因此其正確性及廣泛應(yīng)用性都值得進(jìn)一步研究，評估方法也有待不斷完善。結(jié)語加速可靠性試驗(yàn)技術(shù)突破了環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的思路