基于PLC控制的地鐵屏蔽門系統(tǒng)設計

孟江波，張彩玲

(鄭州工業(yè)應用技術學院，河南 鄭州 451100)

0 引言

地鐵屏蔽門用來阻隔站臺上的乘客和列車，防止人員跌落軌道發(fā)生意外事故，同時還有一部分原因是夏季氣溫較高，由于地鐵軌道交通屬于密閉性空間，考慮到乘客體驗的舒適度，一般采用中央空調制冷系統(tǒng)來調整車站內的溫度，費用支出很大。如果換成封閉式系統(tǒng)，由于軌道交通的活塞作用，大部分冷空氣將流失到站臺隧道中，造成能量損耗。將列車與站臺分開，可以避免冷空氣的損失。基于此，地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)應運而生，可降低車站中央空調系統(tǒng)的運行能耗，同時還可以減少列車在運行過程中產生的噪聲和活塞風對車站的影響，為乘客提供一個安全、舒適的候車環(huán)境。但是，城軌運行具有行程遠、行車密度大、到站時停車時間短、站臺占地面積小、路線復雜交錯等情況，這幾方面都容易引發(fā)各類交通事故的發(fā)生。因此對地鐵屏蔽門的控制要求也越來越嚴格。

1 地鐵屏蔽門系統(tǒng)的硬件設計

1.1 技術要求

地鐵屏蔽門系統(tǒng)以可編程控制器(PLC)為核心控制器，具有3種工作模式，分別實現以下功能。①正常工作模式：當地鐵進站，靠站以后，檢測地鐵與站臺口位置是否照齊。照齊之后，觸發(fā)傳感器，延時5 s，電機正轉帶動屏蔽門打開，觸發(fā)限位開關，電機停止運行，開門后，延時30 s，乘客進行上下車；在乘客上下車完畢，列車長駕駛室根據車門附近實時情況，發(fā)出關門指令并報警5 s，同時車門上紅外對射傳感器檢測范圍內是否還有人，隨后電機反轉帶動屏蔽門關閉。②手動工作模式：列車長在駕駛室根據監(jiān)控，實施手動控制開門，關門動作。③急停工作模式：任意緊急情況發(fā)生，可使程序全部停止運行。

1.2 系統(tǒng)結構框圖

地鐵屏蔽門系統(tǒng)運行時，當列車到站后會觸發(fā)行程開關，PLC接收到行程開關發(fā)出的信號后控制直流電機開始正轉，直流電動機通過傳動裝置將控制門打開。等乘客上下車完畢后，駕駛室發(fā)出關門指令，PLC接收到關門信號，控制直流電機開始反轉，直流電機控制屏蔽門關閉；并且屏蔽門在關門過程中，安裝在門兩側的光電對射傳感器會檢測人上下車情況，并將該情況以信號形式傳給PLC(見圖1)。PLC將紅外對射傳感器發(fā)出的信號進行分析從而做出相應輸出反應，當紅外對射傳感器在關門時感應到有人上下車時，PLC會控制直流電機停止反轉并開始正轉實現開門，從而避免夾人事故的發(fā)生。

圖1 地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)結構框圖

1.3 主要電器元件的選型

整個地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)，所需要的主要電器元件有人體感應裝置的傳感器、開關和電動機。根據列車的實際工況和需求，在屏蔽門與列車之間增設一種安全有效的紅外探測傳感器，將長度120 m左右的整側站臺作為一個防護區(qū)域，自動進行探測。本設計選用SMG20系列紅外探測傳感器。

地鐵屏蔽門系統(tǒng)選取漫反射式光電開關，它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，物體將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產生了開關信號。當接近開關接收到乘客的身影反射光時就產生電信號，避免事故的發(fā)生，電梯門也是這樣的情況。本設計采用Omron/歐姆龍系列，漫反射式光電開關E3T-ST12。經過對運行環(huán)境的分析，本設計采用Z4-112/2-1并勵直流旋轉電機，是電能和機械能相互轉換的設備。該電動機功率5.5 kW，最大轉速能達到3 000 r/min，中心高度112 mm，級數為2，完全符合本設計要求。

1.4 電氣線路設計

根據城市軌道交通屏蔽門系統(tǒng)的基本結構和控制要求，并結合PLC的控制畫出控制系統(tǒng)的電氣原理圖。地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)電氣原理如圖2所示。

圖2中各符號表示的含義如下。①FU：低壓熔斷器，串聯(lián)在電路中，當過載或短路電流通過熔體時，因其自身發(fā)熱而熔斷，從而分斷電路。②KM：外部輔助接觸器，用于輔助PLC對外部設備的控制。③LR：光電對射傳感器，裝于屏蔽門兩側用來檢測關門時乘客上下車情況。④SQ：限位開關，用于檢測屏蔽門開關時的位置，檢測門是否完全關閉以及門是否完全打開。⑤KA：繼電器觸點，輔助PLC對外部設備的控制。⑥M：直流電動機。

圖2 地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)電氣原理圖

1.5 I/O地址分配

地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)設計的基礎是對PLC控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號的分配。在繪制PLC外部接線圖之前，需要對所用到的I/O點進行地址分配，進行I/O口分配可以方便之后的編程。

根據本設計的控制要求，可以列出PLC控制輸入量：單按鈕啟停、模式的轉換、開門限位、關門限位、列車到站、手動開門、手動關門、急停?？刂戚敵隽浚哼\行指示、電機運行、正反轉電機切換、開門指示、關門指示、報警、蜂鳴器并對其進行I/O點分配?？刂葡到y(tǒng)的I/O輸出口分配如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O點分配表

1.6 PLC外部硬件接線圖

本設計采用西門子(SIEMENS)S7-200 CPU224型號PLC進行控制系統(tǒng)設計，根據CPU224型號PLC的外部結構及地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)的控制要求和系統(tǒng)的I/O口分配表畫出PLC的外部硬件接線圖。PLC外部硬件接線如圖3所示。

2 城市軌道交通屏蔽門系統(tǒng)的軟件設計

對地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)的運行流程進行分析，對系統(tǒng)所能實現的工作及控制要求做進一步的規(guī)劃，由此列出控制系統(tǒng)運行的流程圖。流程圖可以一目了然地看出系統(tǒng)的走向，方便直觀地表達設計思路。地鐵屏蔽門系統(tǒng)運行流程如圖4所示。

圖3 PLC外部硬件接線圖

圖4 地鐵屏蔽門系統(tǒng)運行流程圖

根據地鐵屏蔽門系統(tǒng)運行流程圖，在博途V15.1(TIA Portal V15.1)編程環(huán)境下完成梯形圖程序編寫，就可以進行鐵屏蔽門系統(tǒng)程序仿真步驟。

3 組態(tài)王的仿真

在組態(tài)王中新建工程，定義外部設備和通信參數進行模擬仿真。打開組態(tài)王界面后，可以清楚地看到，左側3個為正常工作模式下的按鈕，右下側框住的是手動模式按鈕，點擊啟動，檢測位置是否照齊，檢測位置指示燈亮，然后延時5 s，時間計數在遞增。正常工作模式啟動如圖5所示。

屏蔽門打開以后，延時30 s過后，報警指示燈亮起持續(xù)5 s。報警調試如圖6所示。

圖5 正常工作模式啟動圖

圖6 報警調試圖

4 結語

本文從地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)的硬件、軟件及組態(tài)王仿真三個方面進行設計，不僅在理論上論證了該系統(tǒng)的可行性，而且在實驗中運用STEP 7-MicroWIN進行梯形圖的編程模擬調試和組態(tài)王的仿真?；赑LC的地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)集人體感應、防夾人報警、多模式運行于一體，具有體積小、靈敏度高、可移植性強等優(yōu)點，可廣泛用于城市軌道交通系統(tǒng)，有效提高人們的出行品質和安全系數。