基于PLC 的屏蔽門教學系統設計與實現＊

程轉花，蘭葭凌，王亞明，付燕榮

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

地鐵屏蔽門系統與乘客的安全息息相關，在城市軌道交通中起到至關重要的作用。屏蔽門作為安全屏障，動作頻繁、故障率高，是城市軌道交通日常運營中維護和檢修的重點。因此，掌握屏蔽門維護與檢修的專業知識、提高實踐技能是人才培養與崗位培訓的重中之重。真實的屏蔽門設備不僅價格昂貴、占地面積大、質量大，而且體積龐大、門機系統位置高，不利于教師講解和學員實踐訓練。本文以1∶5 的比例高度模擬真實的地鐵屏蔽門系統，外觀使用透明亞克力板，便于學生在教師教學演示過程中直觀清晰地看到各元件位置、了解運作原理、掌握維修方法、熟悉其控制及操作。該系統使用PLC 控制，由于選用了現代大規模集成電路技能和嚴格的生產工藝來制作內部電路，使得PLC 控制可靠性高、抗干擾性強，與傳統操控體系相比無機械觸點、運行磨損小、使用年限更長，且PLC 使用存儲邏輯代替接線邏輯，極大地減少了操控設備的外部界限，安裝方便、便于日常維護。

1 屏蔽門教學系統的組成及功能

該教學模型以1∶5 的比例高度模擬真實的地鐵屏蔽門系統，系統結構由機械和電氣控制兩部分組成。其中，機械部分包括門體結構和門機系統，門體結構主要包括固定門、滑動門和應急門，門機系統包括門頭鎖、傳動裝置、驅動裝置等[1]；電氣控制部分主要集中在左側電控柜中。該模型框架采用20 mm×20 mm鋁合金型材，頂箱蓋板、門體、控制箱體采用5 mm厚透明亞克力板，通過PLC 控制技術可以實現滑動門的開閉、應急門在緊急情況下打開、門頭燈及客流預警燈的亮滅、障礙物檢測及報警等功能，頂箱蓋板與實際一致，可打開進行檢修作業。屏蔽門教學系統組成結構示意圖如圖1 所示。

圖1 屏蔽門教學系統組成結構示意圖

該教學系統可實現以下教學功能：①在理論課教學過程中進行演示，學生可以觀察到各元件位置、機械運動、零件的結構和運作原理；②通過對屏蔽門教學模型進行拆裝、維護、檢修等實訓，便于學生掌握維護檢修技能，也有利于地鐵公司對員工進行崗前培訓；③通過客流誘導指示燈閃爍實現乘客擁擠狀態顯示，誘導乘客乘車，疏散客流，提高舒適度[2]，提高學生的學習興趣，加深對知識的理解，將理論與實踐相結合，促進學生創新能力提升；④可實現教學系統硬件與軟件的聯動，構建虛實數字孿生一體化實訓平臺，該教學系統簡易環保、便于安裝，易于維護，運行和維護成本低，方便教學使用。

2 教學模型的設計

2.1 機械設計

教學模型按照1∶5 的比例高度模擬真實的地鐵屏蔽門，模型設計圖如圖2 所示。

圖2 屏蔽門教學模型設計圖

模型滑動門寬500 mm，應急門寬625 mm，固定門寬625 mm，頂箱高200 mm，總體高650 mm；底部橫向的2 根長桿，客觀上增加了整個站臺的剛度，左側電工柜放置電控設備，同時也增加了該系統的穩定性，使整體的剛度大大改善，并設置有站臺候車區域。

屏蔽門設計有防夾裝置，在屏蔽門后兩側安裝有對射式光電傳感器，并且頂箱是可以上下翻動的，模擬真實的地鐵屏蔽門可以打開進行維修，頂箱后側的電機帶動同步帶輪可以使滑動門打開、關閉，同時，霍爾開關檢測門及門頭鎖是否開、關到位，以進行下一步動作。在電工柜的上方，安裝有急停按鈕，以便在發生緊急情況時進行制動。

2.2 控制系統設計

2.2.1 傳感器和執行器選型

選擇霍爾傳感器來判斷開關門是否到位、門頭鎖打開和鎖閉；關門障礙探測考慮到距離問題選擇對射式傳感器；電機選用DC24 V 微型電機，該電機自帶編碼器；門頭鎖電磁閥24 V，行程8 mm。

2.2.2 PLC 控制器

該教學系統輸入輸出并不復雜且相對固定，選用小型控制系統，這一類PLC 控制器的典型代表有西門子公司的S7-200 系列、三菱公司的FX 系列、歐姆龍公司的CPM1A 系列等。考慮到該教學系統的規范性、方便性、通用性、兼容性以及學校教學的統一性，選擇西門子公司的S7-200。最終確定PLC 型號，CPU ST20 為12 路開關量輸入，8 路開關量輸出；EM DE08為8 路開關量輸入；EM DT08 為8 路開關量輸出；EM AM03 為2 路模擬量輸入，1 路模擬量輸出。

根據元器件種類及功能需求，對PLC 控制器的輸入輸出端口（I/O）進行分配，如表1 所示。

表1 PLC 控制器的I/O 分配表

2.3 PLC 程序設計

在進行PLC 控制系統設計時，要在功能完善的基礎上，遵循易讀、易改、易于運行的原則，程序語言的編寫要簡潔明了，減少程序的掃描時間，進一步保證屏蔽門教學系統的運行精準度。

整體的程序設計流程圖如圖3 所示。當系統開始運行，首先進行信號處理，零點量程的轉化，即將電機接收到的脈沖轉化為實際距離；其次進行初始化，即門是否在開到位或關到位的位置，當因故障或斷電導致門停在中間，系統運行時將會使得門先到達設定的初始位置后，再進行開關門的程序設計。當發生緊急情況或者開關門過程中有障礙物時，系統將進行報警輸出；當程序正常時，則客流預警相應的指示燈亮。

圖3 程序設計流程圖

開關門控制程序首先要有開門關門的信號、具備開關門條件，由于急停程序優先于任何運行程序，故當急停程序運行時，開門指令將無法正常進行。開門程序如圖4 所示。

圖4 開門程序

3 屏蔽門教學系統的實現

3.1 屏蔽門教學系統制作

通過對設計圖紙進行機械加工制作和控制器設計安裝，得到基于PLC 的屏蔽門教學系統樣機，如圖5所示，左側部分是電控柜，材質使用鋁合金框架和透明亞克力板，通過PLC 控制門機系統實現屏蔽門滑動門開閉、門頭燈亮滅和閃爍以及障礙物探測防夾功能。控制系統具有手動和自動控制2 種模式，手動控制時可以用按鈕實現運行[3]。在最后測試階段中結合Python圖像識別的結果，經MicoWin 傳輸至PLC 中控制客流誘導指示燈顯示車廂的擁擠度，實現對該教學模型的創新。

圖5 基于PLC 的屏蔽門教學系統樣機

3.2 屏蔽門教學系統測試

在總裝調試前，對編寫的程序進行模擬調試，確定程序無誤后，將程序導入PLC 中運行；檢查電源、PLC 與電腦接線、硬件接線，確保接線正常；將程序導入進行調試，檢測程序編寫的優先級、指示燈、蜂鳴器、開關門、門頭鎖等運行是否正常，圖像識別、處理客流預警信息是否準確；對于達不到程序設計要求的進行優化處理，處理后再次進行調試，直至程序調試正常。

4 結論

屏蔽門作為地鐵車站重要設備之一[4]，如何將理論與實踐相結合，深入理解屏蔽門的結構和工作原理，掌握檢修和維護技能，是各級各類學校專業教學的痛點和難點。對于當前城市軌道交通教學設備使用現狀而言，體型小、性價比高、運行成本低、易于維護和維修的教學模型實屬少見，而基于PLC 的屏蔽門教學系統符合實際教學需求，將有益于軌道交通專業教學。同時，該教學系統增加了基于圖像處理的客流誘導功能，符合智慧城軌車站建設的發展方向和培養創新人才的需求。