智能閘門模塊應用于廣州地鐵線網閘機的研究*

楊壁賢，呂定勝，倪旭敏，黎志華

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510308）

0 引言

目前廣州地鐵線網閘機使用的閘門主要是扇形閘門模塊。扇門運行速度快、開關門時間為460～650 ms、運行慣性大，難以緊急制動停止扇門運行，導致發生扇門夾人事件。而且扇門對乘客沖擊時的接觸面小、沖擊力集中，容易引起客傷投訴。扇形閘門模塊利用扭轉彈簧實現設備斷電開啟扇門安全疏散乘客。扇門每次開關都要帶動彈簧扭動，而且彈簧長期處于受力工作狀態，所以彈簧容易出現疲勞折斷。扇門動力為普通交流或直流電機，加、減速性能差，需要定期做維護保養，且使用過程對電源設備沖擊大。閘門模塊在電機端部加裝了制動器，由于頻繁制動，制動器需要經常檢查、調整和更換，以保證制動功能和防止扇門關閉以后彈簧的蓄能使扇門打開。

因此，本文研發一套沖擊力小、維護量小且具有主動夾人檢測功能的智能安全型閘門模塊。增強免維護能力，以一個中修周期為目標，采用可靠性高、耐用性好、損耗低的部件，規避廣州地鐵在用扇形閘門機構的設計不足。提高安全防護能力以及低碰撞力、高防撞性，夾人夾物的自檢測能力。完善設備通用性以及左、右閘門的互通性，兼顧廣州地鐵在用不同廠家模塊的可替換性。

1 技術方案

智能閘門模塊產品是一款基于廣州地鐵線網售檢票系統終端閘機設備運營用戶應用經驗總結，由廣州地鐵集團有限公司自主研發，面向軌道交通售檢票系統終端閘機設備的閘門模塊，適用于城市軌道交通車站、公共交通樞紐、機場、高鐵、寫字樓、體育館、圖書館、博物館、景區等場所布置閘機門禁控制。模塊以橫向水平移動門作為阻擋機構，橫向水平移動機構一般安裝在閘機的中部。智能閘門模塊采用交流伺服電機進行驅動，具備夾人夾物檢測功能，取消了傳統扇門模塊普遍采用的錐齒、剎車片、扭轉彈簧、行程開關等機械部件，并用橫向無軌水平移動閘門替換大偏心大扭力扇形移動閘門，提高了產品運行的安全性和可靠性，并減少了對檢修維護的需求，具有快速打開、安全、低維護需求等優點，滿足城市軌道交通快速發展和各類閘機門禁控制布置場所的要求。

1.1 伺服電機

交流伺服電機的使用壽命一般為8 年，如圖1所示。根據使用環境、頻度、負載大小的不同，會存在較大的差異[1-2]。

伺服驅動器如圖2 所示，指示燈代表驅動器的工作狀態，紅燈亮表示驅動器出現故障報警，綠燈亮表示驅動器正常工作并且有電壓輸出。控制線連接至轉接板，通過轉接板連接至系統，主要用來與控制系統交換信號。鍵盤用于查看驅動器故障代碼以及調試驅動器內部參數。電源端子J5 用于連接交流電源。驅動器IO 輸入端子電壓是12～24 V，常用4個光電隔離數字輸入IO端子DI1、DI2、DI3、DI4，8個光電隔離數字輸出IO 端子DO1+、DO1-、DO2+、DO2-、DO3+、DO3-、DO4+、DO4-。編碼器接口用于連接編碼器線纜，編碼器線纜接至另一端電機，電機后端蓋裝有編碼器，編碼器通過編碼器線將位置信息反饋給驅動器。左、右門撥碼開關根據實際使用情況進行選擇，當用在左側門時將撥碼開關撥至“左”的位置，當用在右側門時將撥碼開關撥至“右”的位置。驅動器的輸出通過動力線連接至電機[3-4]。

圖1 交流伺服電機

通信接口為RS485 通信接口，采用國際標準的MODBUS通信協議進行主從通信，可以通過通信接口與驅動器實現異步串行半雙工通信，通信可實現讀寫伺服驅動器功能參數、監視伺服驅動器工作狀態、發送控制命令等功能。

智能閘門模塊采用交流無刷伺服電機、減速器，具有良好的定位檢測和速度控制功能，不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠；恒力矩輸出，機構動作一致性好，運行平穩，即使在低速時也不會出現振動現象；電機加速性能較好，從靜止加速到其額定轉速3 000 r/min 僅需幾毫秒，可快速啟停閘門運動組件。

1.2 機械傳動

1.2.1 通道配對設置

圖3 智能閘門模塊

本閘門模塊如圖3 所示，可通過門體安裝位置調整，無需調整閘門模塊主體安裝方向即可實現門體向左開啟或是向右開啟，為閘機設備靈活布局設計提供了極大便利。

本閘門模塊組成部分包括動力模塊、傳動模塊和閘門模塊。動力模塊含定制伺服電機和減速器，傳動模塊含擺臂+機架，閘門模塊含定制開發的方形耐用門體。該閘門模塊取消了斷電拉伸彈簧；軟定位、軟剎車，取消了行程開關等機械部件；改進扇門骨架結構，耐壓力大于100 kg；方形門體設計，與人體接觸面積大，單位面積壓力小；左、右通道門通用，軟定義。

1.2.2 伺服驅動器配對設置

伺服驅動器設置有左右門轉換開關，與閘門模塊門體左開啟或右開啟靈活配置相適應，如圖4所示。左右門開關切換采用撥碼開關，撥至“左”的位置即伺服驅動器用在左門，撥至“右”的位置即伺服驅動器用在右門。

圖4 伺服驅動器左右門轉換開關

參數設置中，通過輸入信號的有效電平設置，驅動平移扇門動作，可根據不同線路閘門動作電平的不同，設置不同的參數，適用在地鐵線網各線路。該閘門模塊增加了夾人夾物自動檢測功能，并可進行后續動作設定；具有門體驅動變扭矩控制功能，即依據不同動作時點的動力需求，分類設定扇門驅動扭矩；無需輔助器件，即可實現緊急模式功能，人為掰動扇門，斷電開門。所有五金件均選用韌性好、耐磨性高、防銹耐腐蝕能力強的材料；門體封包材料選用獨特配方，阻燃、堅固、彈性好且耐用性久，使用壽命是常規扇門的3倍以上；將普通軸承改為含油軸承。

1.3 接口板設計

應用于三、五號線閘機設備的改造主要是針對接口板的設計改造，接口板與伺服電機連接圖如圖5所示。通過對電氣信號的轉換，實現閘機主控對伺服電機的控制，以及伺服電機及閘門模塊反饋信號的上傳。接口板提供220 V輸入電壓到伺服控制器，發送開關門控制及緊急模式控制信號到伺服控制器。伺服控制器反饋行程狀態和報警狀態到接口板。伺服控制器操作面板可以對伺服電機的驅動信號進行設置，結合實際需要設置為低電平或高電平輸出[5-6]。

2 現場使用情況

2018 年采購到貨16通道智能閘門模塊安裝到三號線某車站使用，截至2019年，智能閘門模塊沒有出現機構磨損、部件變形等故障，設備功能使用情況如下：

圖5 接口板與伺服電機連接圖

（1）閘機智能閘門模塊進出客流，每分鐘乘客通過能力與原來既有閘機一致；

（2）閘機智能閘門模塊，處理正常有效車票后，智能閘門模塊動作開關時間與既有閘機一致；

（3）閘機智能閘門模塊，閘機控制邏輯控制保持原來不變[7]；

（4）閘機智能閘門模塊取消了行程開關，減少每次由于制動失效需要人員調整時間；

（5）閘機智能閘門模塊解決了原來扇形閘門機構金屬疲勞導致底座斷裂，制動失效，開關門異響的故障[8]。

針對該站2016 年至2017 年既有扇形閘門機構，與2018年至2019年智能閘門模塊使用情況，通過客流數據和設備故障數進行統計分析，如表1所示。得出結論，該站現有扇形閘門機構與平移機構在客流基本一致情況下，平移機構故障率下降56%。并且現有扇形閘門故障后，現場維修人員對扇門機構深度維護調整無法滿足現場需求，只能整機返基地后臺維修，平移機構只需現場重啟設備或者調整可修復設備恢復正常。

表1 既有閘門模塊與智能閘門模塊機構故障數量對比

3 結束語

本文研究的智能閘門模塊目前已成功應用在廣州地鐵一至五號線。該模塊是一種以橫向水平移動門作為阻擋機構的閘門模塊，閘門水平推動，運行平穩，對底座的沖擊力小。實際應用中提升了設備免維護能力，取消了斷電拉伸彈簧，支持緊急情況下的手動掰門功能。機械、傳動部件均采用定位安裝免調整、免維護設計。伺服電機集成了閘門控制功能，閘門門體耐久性可達PU門體的3倍以上。智能閘門模塊可以進行夾人夾物自動檢測，小型化設計，占用空間小，便于機構的嵌入式安裝。