青島地鐵自動扶梯功能安全系統研究發明之軟硬件技術創新

孟憲磊 宗彩樂

隨著地鐵的發展，各地地鐵頻繁出現故障問題，本文針對PES SRAE要求，自主設計了一套安全便捷的扶梯系統。根據功能安全的要求，7項功能在事故發生時自動調整至安全狀態，此套安全系統同樣適用于自動人行道。

1 硬件設計

主驅動輪傳感器安裝如圖1所示，兩個傳感器A、B安裝在帶齒輪的碼盤上面。其轉換電路如圖2所示。

圖1 主驅動輪傳感器安裝設計

圖2 轉換電路

2 自動扶梯功能安全系統軟件設計方案

扶梯功能安全系統軟件分為三個層次：底層驅動、中間層和應用層。本系統軟件設計是基于LPC2368片內資源開發的。本實驗需要的設備：舵機MG996R、樹莓派控制板、L298N舵機擴展板、PC、USB數據線、樹莓派引腳線、16路Arduino Uno舵機控制板、K30直流伺服電機。樹莓派使用博通公司的核心芯片[1]。樹莓派的控制是該實驗的重要環節，要保證實驗的正常進行需要對樹莓派與舵機之間的關系搞清楚[2]。

在本次實驗中，舵機是受樹莓派間接受控的。因為在本實驗中是通過USB數據線將樹莓派與舵機控制板連接，編入程序存儲在舵機控制板中，樹莓派作為核心控制單元間接控制舵機的動作實現骨架運動。而對于樹莓派和16路Arduino Uno舵機控制板的連接存在軟件連接和硬件連接兩部分，硬件連接如上所述，采用USB數據線直接相連；軟件連接是通過特定的程序寫入進行存儲的。測試的過程是為了檢測其準確性。在本次測試過程中，最主要的一步就是樹莓派與舵機板的連接，它的連接包括軟件連接和硬件連接，軟件連接是通過程序配置完成的，相對硬件連接復雜一些，硬件連接主要是通過USB數據線將樹莓派與舵機控制板連接起來，相對簡單。充電狀態：開關S1、S4閉合，S2、S3開路。充電電流從電源Vc通過S1、Cx、S4，到達帶有負反饋電阻Rf的運放A0。

在一定程度上，e1和e2可相互抵消，所以輸出零位電壓很小，使得輸出電壓V3與被測電容Cx成正比。

本文選用MS3110電容檢測芯片結合BH5001集成電路的方案實現電容信號變化的測量。測得的信號（電壓信號）經A/D轉換模塊轉換成12位的數字量信號，然后經串口傳輸至樹莓派，樹莓派內有特定的串口掃描程序，按設定頻率進行采樣。MS3110是Irvine Sensor公司生產的具有極低噪聲的通用電容檢測芯片。它采用CMOS工藝，工作電壓為+5V。北京宇翔電子有限公司研制的BH5001是融合了充/放電轉換與CMOS開關方波信號控制的集成電路，可以輕松地與電容式觸覺傳感器連接。本文選用BH5001的另一個優點是，省去了高頻激勵信號源，由BH5001直接產生10～200kHz的矩形波，通過簡單低通濾波便可得到直流輸出。

在自動扶梯軟件的設計上，自動扶梯采用32位微機監控方式，當扶梯出現故障時，故障顯示器應能顯示所有扶梯故障信息，直到故障被消除為止，故障信息（至少包括故障名稱、發生時間等信息）保存查詢30天，不少于200條。正常情況下，能接受BAS系統監視，向BAS系統上傳自動扶梯的狀態；火災情況下，能接收FAS發送的火災信號，并返回信息，自動扶梯具有變頻調速的功能，具體要求如下：自動扶梯的節能速度由變頻器實現。自動扶梯在一段時間內（時間可調，并在設計聯絡階段報買方確認）無乘客后，扶梯能自動轉入這種節能速度慢速運行。這種速度應可通過設在扶梯兩端的轉換開關（兩位鑰匙開關）方便地切除或聯上，該開關的工作壽命不應低于變頻器的工作壽命。判斷有無乘客的傳感器應采用微波光電+對射光電感應開關（兩級探測），設置在扶梯上、下水平端，其作用范圍應可調。傳感器的動作應靈敏，無誤動作，若扶梯處于節能速度運行時，當有乘客逆向進入扶梯時扶梯應發出聲音報警。應確保節能運行速度與正常運行速度兩種速度之間的轉換對乘客是安全的。速度轉換過程的加速度不應大于0.1m/s2，但總的加速時間不應超過6s，整個速度轉換過程應平穩。

3 結語

針對目前市場上的功能安全系統逆轉檢測安全功能敏感誤判，本文設計了一種逆轉檢測的方法。本文富有創意地將開源硬件樹莓派應用于自動扶梯的控制系統，設計了一款可運行完整LINUX系統而且二次開發潛力巨大的扶梯系統，為公司編程和硬件電路的學習提供了一個平臺。

具體而言，本文取得了以下創新性成果：設計了扶梯功能安全系統的基本架構，但對于細化量等由于實驗條件限制暫未作分析；結合了現代仿生學對扶梯的外形進行了創新設計；本文首次將樹莓派應用于扶梯的控制系統，這使所設計可運行完整操作系統，相比傳統的采用8位、16位單片機，具有更高的性能和更開放的擴展空間；本文選用了一種魯棒性控制方法，采用超聲波傳感器來獲取未知環境的信息，用模糊控制的算法來實現避障。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB16899-2011自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范[S].北京：中國標準出版社，2011.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.TSG T7005-2012電梯監督檢驗和定期檢驗規則-自動扶梯與自動人行道[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3]陳小平，張晴，石琦.自動扶梯的逆轉檢測裝置及方法：中國，201310086875.3[P].2013-11-08.