北京地鐵燕房線站臺(tái)門(mén)編碼器測(cè)試裝置研制及應(yīng)用探析

張小杰

關(guān)鍵詞：燕房線；站臺(tái)門(mén)；編碼器；故障檢測(cè)；精調(diào)

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 功能簡(jiǎn)介

站臺(tái)門(mén)是乘客出入地鐵列車(chē)的通道，其主要作用如下：

1） 防止乘客誤入或有意闖入軌行區(qū)或設(shè)備區(qū)，同時(shí)可以避免異物掉落軌行區(qū)，影響列車(chē)正常運(yùn)行。

2） 避免乘客被不停靠上下客列車(chē)高速行駛時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大負(fù)壓吸住釀成慘禍。

3） 將隧道和車(chē)站隔離開(kāi)來(lái)，使二者互不影響。一方面可以減少車(chē)站空調(diào)制冷的負(fù)荷，另一方面方便對(duì)隧道空間的內(nèi)氣流進(jìn)行阻止，減少列車(chē)行駛過(guò)程中的阻力，并保持隧道內(nèi)空氣的新鮮。

4） 站臺(tái)門(mén)具有隔音效果，可以減輕站臺(tái)上聽(tīng)到的噪聲程度，尤其是列車(chē)在進(jìn)站前彎道的行駛噪聲，為乘客創(chuàng)造良好的乘車(chē)環(huán)境。

1.2 工作特點(diǎn)

地鐵站臺(tái)門(mén)采用全自動(dòng)運(yùn)行方式，站臺(tái)門(mén)與列車(chē)及信號(hào)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)：列車(chē)進(jìn)站站臺(tái)門(mén)打開(kāi)乘客上車(chē)站臺(tái)門(mén)關(guān)閉列車(chē)出站的循環(huán)自動(dòng)工作模式。

站臺(tái)門(mén)的主控單元為DCU[1]，當(dāng)接收到TIAS系統(tǒng)發(fā)出的控制指令后，DCU自動(dòng)控制站臺(tái)門(mén)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作程序。DCU通過(guò)控制門(mén)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)體運(yùn)動(dòng)的控制，在站臺(tái)門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中，門(mén)體每一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)位置應(yīng)完全按照DCU程序設(shè)定進(jìn)行。DCU對(duì)門(mén)機(jī)的控制為閉環(huán)方式，DCU通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)采集門(mén)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度（門(mén)體的運(yùn)動(dòng)位置），進(jìn)而計(jì)算門(mén)機(jī)的瞬時(shí)速度，如速度超前或滯后設(shè)定，DCU自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)門(mén)機(jī)控制的給定，從而使站臺(tái)門(mén)的實(shí)際運(yùn)行曲線與DCU 設(shè)定的目標(biāo)曲線保持一致。

地鐵站臺(tái)門(mén)是復(fù)雜而精密的機(jī)械系統(tǒng)，其傳動(dòng)部件如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱、皮帶、滑軌等部件的機(jī)械磨損、曠量及卡滯都會(huì)導(dǎo)致站臺(tái)門(mén)運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化，如超出DCU的調(diào)整范圍，將導(dǎo)致DCU保護(hù)并輸出故障告警。

1.3 站臺(tái)門(mén)維護(hù)特點(diǎn)

定期對(duì)站臺(tái)門(mén)的機(jī)械部件進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，使系統(tǒng)保持良好的工作狀態(tài)[2]。站臺(tái)門(mén)的維保方式分為故障修和計(jì)劃修。計(jì)劃修即站臺(tái)門(mén)的維護(hù)保養(yǎng)按照維修周期分為日常巡視、月度檢修、季度檢修、半年度檢修和年度檢修。日常巡視主要檢查設(shè)備的外觀、各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)；月度檢修主要為站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)的功能測(cè)試；季度維護(hù)除一些站臺(tái)門(mén)的功能測(cè)試外，還增加門(mén)體間各個(gè)間隙之間的檢查；半年度維護(hù)主要為蓄電池功能測(cè)試和緊固線纜；年度維護(hù)主要檢查各個(gè)機(jī)械部件有無(wú)位移、變形，站臺(tái)門(mén)的絕緣測(cè)試以及設(shè)備的清潔、輪修工作。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 現(xiàn)狀

2019年5月份地鐵燕房線站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)共計(jì)發(fā)生300 起告警和故障，其中約92%未告警，且沒(méi)有找到原因。

站臺(tái)門(mén)進(jìn)入大修精調(diào)階段，全線共計(jì)站臺(tái)門(mén)288 扇，精調(diào)過(guò)程中沒(méi)有相關(guān)輔助的測(cè)試工具，導(dǎo)致站臺(tái)門(mén)調(diào)整工作消耗過(guò)多的時(shí)間，影響大修整體進(jìn)度。

2.2 原因分析

通過(guò)站臺(tái)門(mén)的工作原理分析遇障告警產(chǎn)生的條件，站臺(tái)門(mén)電機(jī)上裝有編碼器，用于監(jiān)控站臺(tái)門(mén)運(yùn)行過(guò)程，編碼器輸出24V脈沖信號(hào)[3]， DCU采集編碼器的脈沖個(gè)數(shù)，并與程序中給定值進(jìn)行比較，如果采集的脈沖數(shù)出現(xiàn)差異，就會(huì)產(chǎn)生遇障告警。

3 解決方案

3.1 目的及必要性

3.1.1 目的

站臺(tái)門(mén)編碼器測(cè)試工裝的研制目的，是為維護(hù)人員提供一套適用的測(cè)試工具，能夠?qū)φ九_(tái)門(mén)的主要性能參數(shù)（滑動(dòng)門(mén)的開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間，開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中速度曲線）進(jìn)行檢測(cè)，能夠使維護(hù)人員直觀地看到站臺(tái)門(mén)的實(shí)際運(yùn)行速度曲線與DCU設(shè)定的曲線的差異，從而輔助維護(hù)人員對(duì)站臺(tái)門(mén)相關(guān)機(jī)械部件進(jìn)行維修及調(diào)整，將站臺(tái)門(mén)的性能參數(shù)趨向于出廠至最佳狀態(tài)。

3.1.2 必要性

站臺(tái)門(mén)編碼器測(cè)試裝置可用于對(duì)站臺(tái)門(mén)的故障及技術(shù)分析，并用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)站臺(tái)門(mén)機(jī)械部件的精調(diào)，站臺(tái)門(mén)編碼器測(cè)試工裝旨在將站臺(tái)門(mén)的工廠檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)引入到運(yùn)營(yíng)階段的預(yù)防性維修工作中，推進(jìn)了燕房線站臺(tái)門(mén)維修的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2 工作內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 工作內(nèi)容

項(xiàng)目主要研究一種站臺(tái)門(mén)運(yùn)行工況檢測(cè)的測(cè)試裝置。測(cè)試裝置應(yīng)能夠在站臺(tái)門(mén)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)試站臺(tái)門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行方向、門(mén)體運(yùn)行位置、瞬時(shí)速度、開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作次數(shù)等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。便于維護(hù)人員針對(duì)站臺(tái)門(mén)故障檢測(cè)及性能方面的比較分析，指導(dǎo)站臺(tái)門(mén)的維護(hù)保養(yǎng)工作。

3.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

項(xiàng)目采用可編程控制器對(duì)編碼器輸出的高頻脈沖信號(hào)進(jìn)行捕捉，由可編程控制器將采集的編碼器信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算站臺(tái)門(mén)各種實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)通訊線纜上傳至人機(jī)界面，由組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，并生成數(shù)據(jù)報(bào)表文件記錄。

為保證測(cè)試精度，在信號(hào)采集程序進(jìn)行了以下優(yōu)化措施：

1） 方案將站臺(tái)門(mén)的動(dòng)作過(guò)程平均切分為400個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段的周期固定為10ms，在每時(shí)段的起點(diǎn)位置（即數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘）讀取編碼器輸出的累計(jì)脈沖數(shù)（即門(mén)體位置），單位時(shí)間的門(mén)體位移即站臺(tái)門(mén)的瞬時(shí)速度。

2） 編碼器的輸出信號(hào)為高頻脈沖（最高頻率達(dá)到2.35kHz） ，常規(guī)儀表因分辨率低，采集時(shí)會(huì)丟脈沖，因此帶來(lái)測(cè)試誤差。方案采用可編程控制器內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器對(duì)編碼器信號(hào)進(jìn)行采集，高速計(jì)數(shù)器的分辨率達(dá)到200kHz，遠(yuǎn)大于信號(hào)頻率，從而提高信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

為保證測(cè)試精度，方案對(duì)測(cè)控程序進(jìn)行了優(yōu)化：方案采用可編程控制器內(nèi)部的DPLSY指令，產(chǎn)生精準(zhǔn)的100Hz時(shí)鐘，當(dāng)時(shí)鐘中斷觸發(fā)后，主程序自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至中斷程序，在中斷程序中執(zhí)行讀取高速計(jì)數(shù)器值及數(shù)據(jù)計(jì)算的程序塊，中斷程序執(zhí)行完后再回到主程序原中斷點(diǎn)。

3.3 技術(shù)路線、研究方法

3.3.1 技術(shù)路線

項(xiàng)目采用可編程控制器對(duì)編碼器輸出的高頻脈沖信號(hào)進(jìn)行捕捉，由可編程控制器的程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，計(jì)算站臺(tái)門(mén)的運(yùn)行方向、位置、速度、動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作次數(shù)等參數(shù)；項(xiàng)目采用工業(yè)平板電腦作為人機(jī)界面，可編程控制器通訊與人機(jī)界面通訊，將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳，通過(guò)組態(tài)軟件將站臺(tái)門(mén)的運(yùn)行數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，并生成數(shù)據(jù)報(bào)表文件進(jìn)行記錄。

3.3.2 研究方法

1） 編碼器信號(hào)接入

使用自制的信號(hào)采集線纜串聯(lián)在DCU與編碼器反饋線纜之間，將編碼器信號(hào)引出，線纜管腳定義為：③.GND；④.A相脈沖輸出；⑤.B相脈沖輸出；⑥.VCC。編碼器的A、B兩相脈沖信號(hào)及信號(hào)的接入可編程控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC） 。

2） 信號(hào)采集

如圖3所示，編碼器輸出的是A/B兩相高頻脈沖信號(hào)，脈沖電平為24VDC。編碼器的脈沖個(gè)數(shù)表示門(mén)機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，并呈固定比例（門(mén)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度×傳動(dòng)系數(shù)=門(mén)體的運(yùn)動(dòng)行程），脈沖的密度表示門(mén)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度（對(duì)應(yīng)門(mén)體的滑動(dòng)速度）

項(xiàng)目采用AS300P型可編程控制器采集編碼器的輸出信號(hào)[4]。如圖4所示X0.0-X0.6為高速信號(hào)輸入端口，最大分辨率達(dá)到200kHz，能夠識(shí)別高頻數(shù)字電平信號(hào)。

其中，X0.0/X0.1 檢測(cè)編碼器A/B 相信號(hào)，連接PLC內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器HC202（雙脈沖計(jì)數(shù)，帶方向識(shí)別）；X0.2連接PLC內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器HC204（單脈沖計(jì)數(shù)）；X0.3為數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘同步信號(hào)；X0.4為站臺(tái)門(mén)啟動(dòng)信號(hào)（上升沿觸發(fā)）。

3） 數(shù)據(jù)處理

編碼器的高頻脈沖信號(hào)進(jìn)入PLC后，需要通過(guò)測(cè)控程序進(jìn)行處理，才能完成站臺(tái)門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集。以下是測(cè)控程序的主要流程示意：

①站臺(tái)門(mén)運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)[5]

②站臺(tái)門(mén)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算

將寄存器位置的數(shù)據(jù)按照?qǐng)D6計(jì)算（41.58為計(jì)算系數(shù)），計(jì)算結(jié)果存放至寄存器中，寄存器存入的數(shù)據(jù)即為站臺(tái)門(mén)的瞬時(shí)速度，單位為mm/s。

③站臺(tái)門(mén)開(kāi)/關(guān)門(mén)用時(shí)計(jì)算

④站臺(tái)門(mén)動(dòng)作行程計(jì)算

⑤站臺(tái)門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)測(cè)試次數(shù)統(tǒng)計(jì)

4） 數(shù)據(jù)上傳及HMI組態(tài)

項(xiàng)目采用工業(yè)平板電腦作為系統(tǒng)人機(jī)界面，可編程控制器與人機(jī)界面采用RS485通訊，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至人機(jī)界面。通過(guò)編程將PLC的數(shù)據(jù)與組態(tài)程序中的變量關(guān)聯(lián)，組態(tài)畫(huà)面受變量控制，隨著PLC采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化，組態(tài)畫(huà)面中的顯示數(shù)據(jù)、動(dòng)畫(huà)、曲線、報(bào)表等就會(huì)隨之刷新。

站臺(tái)門(mén)每次動(dòng)作完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成1 個(gè)Access文件，記錄了站臺(tái)門(mén)動(dòng)作過(guò)程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行技術(shù)分析。

5） 測(cè)試裝置制作及組裝

①測(cè)試裝置主要技術(shù)指標(biāo)

③測(cè)試裝置實(shí)物

將電源、PLC、一體化工控機(jī)開(kāi)關(guān)、I/O接口等部件安裝到機(jī)箱內(nèi)，接線完成檢測(cè)裝置的制作。

3.3.3 應(yīng)用實(shí)例

1） 高低溫試驗(yàn)性能檢測(cè)

通過(guò)對(duì)以上高低溫實(shí)驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終確定Err14故障原因：站臺(tái)門(mén)在高溫環(huán)境與常溫環(huán)境下運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)存在較大差異，由于站臺(tái)門(mén)DCU程序存在缺陷，導(dǎo)致DCU誤認(rèn)為站臺(tái)門(mén)（夏季高溫時(shí)的）運(yùn)行參數(shù)超出程序的保護(hù)范圍，造成系統(tǒng)告警。廠家根據(jù)依據(jù)站臺(tái)門(mén)高低溫實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)DCU的程序進(jìn)行改進(jìn)，徹底解決了燕房線站臺(tái)門(mén)誤報(bào)Err14 故障問(wèn)題。

2） 預(yù)防性維修性能檢測(cè)

套站臺(tái)門(mén)編碼器檢測(cè)裝置，實(shí)際應(yīng)用于站臺(tái)門(mén)的精調(diào)維護(hù)工作，通過(guò)記錄最佳狀態(tài)門(mén)的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)其他的門(mén)機(jī)調(diào)整趨于至最佳。

4 取得效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

測(cè)試裝置可提高站臺(tái)門(mén)維護(hù)維修效率37.5%。預(yù)計(jì)每年節(jié)省人力成本約2萬(wàn)元。

4.2 社會(huì)效益

測(cè)試裝置的研發(fā)，掌握站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)工作原理，利用技術(shù)手段精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)，杜絕設(shè)備運(yùn)用過(guò)程中存在的安全隱患，設(shè)計(jì)方案考慮了設(shè)備的可用性，便于后期維護(hù)維修，為首都地鐵運(yùn)營(yíng)提供安全保障。

4.3 成果推廣

站臺(tái)編碼器測(cè)試工裝主要為燕房線站臺(tái)門(mén)設(shè)計(jì)，用于燕房線站臺(tái)門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、站臺(tái)門(mén)及其他帶編碼器的電動(dòng)設(shè)備維修、檢測(cè)及技術(shù)分析使用。該項(xiàng)技術(shù)可推廣至其他地鐵線路。

5 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)有針對(duì)地鐵站臺(tái)門(mén)運(yùn)行工況檢測(cè)的測(cè)試系統(tǒng)，一般這種測(cè)試系統(tǒng)通常在站臺(tái)門(mén)門(mén)體上加裝傳感器，使用專(zhuān)用系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)分析，得出站臺(tái)門(mén)的運(yùn)行性能參數(shù)。這種測(cè)試系統(tǒng)適用于工廠實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或第三方認(rèn)證測(cè)試，不適合現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員使用。

項(xiàng)目使用可編程控制器采樣站臺(tái)門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的編碼器信號(hào)，研制一套適用于地鐵站臺(tái)門(mén)運(yùn)行工況檢測(cè)的裝置，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)試站臺(tái)門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行方向、門(mén)體運(yùn)行位置、瞬時(shí)速度、開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作次數(shù)等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)功能。設(shè)計(jì)思路和方案供同行業(yè)參考。

文章闡述了利用研制的測(cè)試裝置應(yīng)用到站臺(tái)門(mén)的故障及技術(shù)分析，并用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)站臺(tái)門(mén)機(jī)械部件的精調(diào)，節(jié)省人力，提升科技創(chuàng)新目標(biāo)，達(dá)到降本增效的目的。該測(cè)試裝置因體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)維修人員使用。