軌道交通車門控制器的自診斷系統(tǒng)設(shè)計

周洲 任潔 彭先勝 戴其俊

摘 要：本文介紹了現(xiàn)有的軌道交通車門控制器故障產(chǎn)生后的處理方式及其存在問題和缺點，提出了一種新的軌道交通車門控制器自診斷系統(tǒng)及方法，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的組成及自診斷的實現(xiàn)方法，表明了自診斷系統(tǒng)具有良好的實用性。

關(guān)鍵詞：故障檢測;自診斷;門控器

1 概述

1.1 現(xiàn)有軌道交通門控器技術(shù)概況

軌道交通車門控制器（以下簡稱門控器）主要用于高鐵及城軌當(dāng)中，通過接收車輛開關(guān)門等硬線信號及通訊信號，驅(qū)動車門傳動裝置實現(xiàn)開關(guān)門等功能。目前現(xiàn)有的門控器無法在車門運行過程中提前判定門控器狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)車門無法打開、關(guān)閉或關(guān)閉不到位等情況時，無法準(zhǔn)確的捕捉故障發(fā)生的根本原因，只能將故障信息上報至車輛控制中心，等待車輛回庫后復(fù)現(xiàn)故障再進(jìn)行診斷和分析。

現(xiàn)有門控器的維護(hù)方式需要耗費維保或技術(shù)人員大量的時間進(jìn)行模擬和分析故障，無法在短時間內(nèi)準(zhǔn)確的定位故障并解決問題，甚至在某些情況下故障無法復(fù)現(xiàn)，導(dǎo)致無法徹底解決故障問題。這些都會導(dǎo)致了車門故障分析時間長、維保成本較高[1]。因此設(shè)計一款具有自診斷功能，能夠自動定位故障信息的門控器尤為重要。

1.2 門控器故障診斷方式改進(jìn)

本文根據(jù)現(xiàn)有門控器故障診斷方式，提出了一種新的門控器自診斷系統(tǒng)及方法。通過在現(xiàn)有門控器的基礎(chǔ)上增加自診斷電路，采用電壓采樣、電流采樣等方式，實現(xiàn)了門控器關(guān)鍵故障的自診斷技術(shù)，解決了目前技術(shù)中自動化程度不高、自診斷分析能力不佳的問題。

改進(jìn)后的門控器通過門控器自診斷電路，在車門運行狀態(tài)下，實時檢測門控器各個電路運行狀態(tài)，并通過對比相關(guān)信號的閾值，實現(xiàn)了車門運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。當(dāng)故障發(fā)生時，門控器通過內(nèi)部儲存電路，實時記錄各個電路的運行狀態(tài)及故障信息，并且門控器CPU會將故障信息通過3G、4G或以太網(wǎng)等通訊方式發(fā)送至車門監(jiān)測平臺。在故障發(fā)生后，設(shè)計人員不必通過大量實驗來實現(xiàn)故障模擬，僅通過故障下載軟件下載門控器故障數(shù)據(jù)便可清楚地判定故障發(fā)生原因，實現(xiàn)了故障的快速識別，極大地提高了故障解決的效率，節(jié)省了大量的維護(hù)時間和人力成本[2]。

2 門控器自診斷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自診斷功能定義

自診斷功能是智能控制系統(tǒng)的一種功能，它具有擬人的“自診斷功能”，能夠自行診斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并判定故障的發(fā)生，維護(hù)系統(tǒng)的正常工作。

2.2 門控器自診斷總體設(shè)計

改進(jìn)后的自診斷門控器系統(tǒng)包括CPU及連接于CPU的電源模塊、軟啟動模塊、看門狗電路、儲存器電路、電機(jī)驅(qū)動電路、輸出口、關(guān)鍵輸入口等。通過各個電路相互配合，實現(xiàn)門控器的電源自診斷、CPU自診斷、電機(jī)驅(qū)動自診斷、關(guān)鍵信號輸入口自診斷及輸出口自診斷。

CPU作為門控器的核心，在本系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)處理各個自診斷電路的返回數(shù)據(jù)，并對返回數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，從而判定門控器的運行狀態(tài);軟啟動模塊作為門控器的EMI電路，連接門控器與外部電源;看門狗電路通過周期性的檢測信號來檢測CPU運行狀態(tài);儲存器電路作為外部儲存器，用于儲存故障發(fā)生時各個電路模塊的運行狀態(tài)，從而方便設(shè)計人員后期進(jìn)行故障分析;電機(jī)驅(qū)動電路用于連接電機(jī)與CPU，通過自診斷電路實現(xiàn)電機(jī)運行狀態(tài)的監(jiān)測;輸出口主要用于診斷輸出信號是否與預(yù)期信號一致;輸入口關(guān)鍵信號主要用于診斷開門和關(guān)門等關(guān)鍵信號是否有效，從而確認(rèn)是否要執(zhí)行開關(guān)門操作。

2.3 門控器的自診斷詳細(xì)設(shè)計

門控器自診斷主要包含電源自診斷、CPU自診斷、電機(jī)驅(qū)動自診斷、關(guān)鍵輸入口自診斷及輸出口自診斷。CPU與遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)將自診斷信息通過以太網(wǎng)、3G或4G網(wǎng)絡(luò)等通訊方式發(fā)送至車門檢測平臺。具體數(shù)據(jù)傳輸原理框圖見圖1：

2.3.1 門控器電源自診斷設(shè)計

門控器上電后經(jīng)過軟啟動形成供電電壓，供電電壓經(jīng)電源模塊后轉(zhuǎn)換為15 V、VCC電壓。15 V電壓用于電機(jī)驅(qū)動電路供電，15 V電源再轉(zhuǎn)換為5 V電壓為其它模擬電路供電;VCC電壓通過DC-DC電路轉(zhuǎn)換為3.3 V和1.8 V為CPU及其外圍電路供電，并電源模塊轉(zhuǎn)換為VCC1電壓，用于CAN通訊模塊供電。CPU通過各個電路上的電壓采樣電路獲取電源實際電壓值，通過與預(yù)設(shè)電壓閾值進(jìn)行比較，判定各個電源狀態(tài)。若電源處于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則門控器繼續(xù)正常工作，否則將進(jìn)行故障記錄和上報。

2.3.2 CPU自診斷設(shè)計

CPU的自診斷設(shè)計是由CPU持續(xù)發(fā)送喂狗信號給看門狗電路，看門狗電路定期檢測CPU的喂狗信號，若存在異常則進(jìn)行復(fù)位重啟，防止門控器軟件運行異常。

2.3.3 電機(jī)驅(qū)動自診斷設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動自診斷設(shè)計是增加兩路相電流采樣電路，由CPU通過ADC中斷子程序?qū)崟r讀取電機(jī)驅(qū)動電路的兩相電流，并根據(jù)電流處理算法計算實際采樣電流，然后根據(jù)計算得到電流值對電機(jī)進(jìn)行控制，若存在過流保護(hù)信號且指定時間內(nèi)過流保護(hù)信號超過預(yù)設(shè)次數(shù)則停止驅(qū)動電機(jī)并上報故障。

2.3.4 輸入信號關(guān)鍵信號自診斷設(shè)計

輸入口關(guān)鍵信號自診斷設(shè)計是增加開門、關(guān)門等關(guān)鍵輸入口的冗余電路，輸入信號通過輸入口電路進(jìn)行濾波后進(jìn)入CPU，CPU將關(guān)鍵信號與冗余信號進(jìn)行對比，若信號一致，則執(zhí)行開關(guān)門操作，否則禁止開關(guān)門操作。

2.3.5 輸出口信號自診斷設(shè)計

輸出口自診斷設(shè)計是門控器在上電后ADC中斷會實時讀取輸出口反饋信號，若反饋信號與預(yù)期信號一致，則正常進(jìn)行信號的輸出，若診斷為輸出口故障，則禁止輸出口信號輸出。

上述故障發(fā)生后，門控器將執(zhí)行對應(yīng)的操作，并通過顯示模塊顯示故障信息，同時CPU將故障信息通過儲存電路存入內(nèi)部儲存器，方便設(shè)計人員后期進(jìn)行故障下載和分析。同時，CPU還會將故障信息上載至上位機(jī)中，并通過以太網(wǎng)或3G、4G網(wǎng)絡(luò)等通訊方式將故障信息傳輸至車門監(jiān)控平臺。

2.4 實際項目裝車驗證

將具有自診斷功能的門控器進(jìn)行裝車驗證，在地鐵運行過程中，當(dāng)門控器或車門系統(tǒng)發(fā)生故障時，自診斷門控器可以根據(jù)自診斷電路反饋實時記錄車門故障信息，能夠滿足車門系統(tǒng)的自診斷需求，達(dá)到快速定位故障信息的設(shè)計要求。

3 結(jié)論

本文介紹了門控器的自診斷系統(tǒng)實現(xiàn)方案，包括門控器的電源狀態(tài)、電機(jī)運行狀態(tài)、輸入輸出口狀態(tài)、CPU運行狀態(tài)等檢測，并將門控器狀態(tài)進(jìn)行儲存并上傳至車門監(jiān)控平臺。車輛運營過程中，若門控器產(chǎn)生故障，可以通過下載故障發(fā)生時存儲在門控器內(nèi)部存儲器的狀態(tài)信息，實現(xiàn)快速定位故障的根本原因，節(jié)省了技術(shù)人員分析故障的時間，降低了故障分析難度，減少了維保時間和費用，提高了車輛運營效率，使車門的運營更加安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜亞林，李小英，何勁輝.城軌車輛車門故障診斷技術(shù)研究[J].中國設(shè)備工程，2018（3）：119-121.

[2]李寶泉，周強(qiáng)，唐立國，等城市軌道交通車輛的車門智能診斷技術(shù)[J].城市軌道交通研究，2020，23（6）：151-154.