范 偉,柏 帆

(1.中車(chē)浦鎮(zhèn)阿爾斯通運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司,安徽 蕪湖 241000;2.南京康尼電子科技有限公司,江蘇 南京 210000)

0 引言

近年來(lái),隨著城市軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展以及人們對(duì)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全性和舒適性等要求的日益提高,特別是無(wú)人駕駛技術(shù)需求的進(jìn)一步明確,站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)作為一個(gè)重要的軌道交通設(shè)備越來(lái)越受到人們的重視。地鐵站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,安裝于地鐵、輕軌等車(chē)站站臺(tái)邊緣,將車(chē)站站臺(tái)與軌道區(qū)分開(kāi),并與列車(chē)門(mén)相對(duì)應(yīng),防止乘客跌落軌道區(qū),屬于安全設(shè)備。

傳統(tǒng)的站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)主要分為3個(gè)優(yōu)先級(jí)功能模塊,分別為信號(hào)系統(tǒng)(SIG)接口功能模塊,就地控制盤(pán)模塊(PSL)以及緊急控制盤(pán)(IBP)模塊。站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)會(huì)按照上下行獨(dú)立設(shè)置的原則,將以上功能接口電路集成在單元控制器PEDC中,單元控制器PEDC內(nèi)一般有繼電器組、硬件回路、保護(hù)元器件、接口設(shè)備等組成。但是其內(nèi)部的繼電器電路一般采用單路,或者雙繼電器并聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余,這樣的方案在一定程度上可以保證系統(tǒng)的可靠性(可用性),但是無(wú)法規(guī)避某些故障,比如短路等帶來(lái)的危害,安全性不高。

根據(jù)上述情況,在傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化設(shè)計(jì)了一套基于雙機(jī)冗余并支持自動(dòng)切換功能的站臺(tái)門(mén)與信號(hào)接口電路,在檢測(cè)到信號(hào)接口模塊異常的情況下可快速主動(dòng)切換到備用模塊,進(jìn)一步提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性,也為今后無(wú)人駕駛技術(shù)的大面積推廣提供了一種站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)接口電路的設(shè)計(jì)思路。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

新方案控制系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)與傳統(tǒng)型保持一致,即系統(tǒng)級(jí)控制、站臺(tái)級(jí)控制、緊急級(jí)控制、本地電動(dòng)操作、手動(dòng)解鎖操作共6種控制方式,其中以手動(dòng)解鎖操作優(yōu)先級(jí)最高,系統(tǒng)級(jí)最低,如圖1所示。

圖1 控制優(yōu)先級(jí)示意圖

該系統(tǒng)中,對(duì)于PSD的控制核心邏輯控制模塊PEDC,采用分離式模塊的設(shè)計(jì),按照信號(hào)系統(tǒng)接口功能、就地控制盤(pán)接口功能、緊急控制盤(pán)接口功能分為3個(gè)獨(dú)立的控制模塊,這種設(shè)計(jì)可以防止單個(gè)功能模塊的故障造成一整側(cè)系統(tǒng)控制失效。并且依然按上、下行分開(kāi)設(shè)計(jì),上、下行采用完全獨(dú)立的設(shè)計(jì),任何一側(cè)控制故障不影響另一側(cè)的正常運(yùn)營(yíng)。但基于對(duì)關(guān)鍵性的信號(hào)系統(tǒng)接口模塊,相比于傳統(tǒng)控制系統(tǒng),增加了自動(dòng)切換模塊(RY模塊),并對(duì)原先的SIG模塊進(jìn)行了內(nèi)部電路的進(jìn)一步優(yōu)化,具體優(yōu)化系統(tǒng)邏輯方案框圖如圖2所示。

圖2 PEDC構(gòu)架示意圖

每側(cè)PEDC有獨(dú)立的雙機(jī)熱備冗余的SIG控制器、PSL控制器和IBP控制器,當(dāng)單側(cè)3個(gè)模塊中任意1個(gè)模塊故障,其余2個(gè)模塊均能正常工作。同時(shí),監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)PEDC內(nèi)部每個(gè)繼電器進(jìn)行監(jiān)控,每個(gè)控制回路都有電路保護(hù)器件,繼電器其中一對(duì)觸點(diǎn)故障不會(huì)導(dǎo)致控制命令的發(fā)出,控制回路可靠。

2 雙機(jī)冗余控制模塊設(shè)計(jì)

雙機(jī)熱備冗余自動(dòng)切換SIG模塊組件包含1個(gè)自動(dòng)切換模塊(RY)和2個(gè)相同的SIG控制器。2個(gè)SIG控制器組成雙冗余架構(gòu),正常情況下,自動(dòng)切換模塊會(huì)選擇由SIG控制器1工作,正常接收SIG系統(tǒng)的開(kāi)、關(guān)門(mén)命令,此時(shí)SIG控制器2同時(shí)工作,但不輸出控制信號(hào),并且通過(guò)監(jiān)控觸點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)繼電器狀態(tài),并將狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)視系統(tǒng)MMS。當(dāng)SIG1控制器故障時(shí),可以自動(dòng)切換至SIG2控制器,SIG2控制器正常接收SIG的開(kāi)、關(guān)門(mén)命令,并輸出控制指令給門(mén)機(jī)控制器DCU。

2.1 自動(dòng)切換模塊(RY)設(shè)計(jì)

自動(dòng)切換模塊(RY)采用安全導(dǎo)向繼電器搭建的硬件邏輯控制模塊,其作用是對(duì)SIG系統(tǒng)的開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)信號(hào)進(jìn)行電壓檢測(cè),并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊進(jìn)行切換邏輯判斷,同時(shí)執(zhí)行控制模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的切換指令,驅(qū)動(dòng)硬件繼電器邏輯模塊實(shí)現(xiàn)SIG1和SIG2模塊切換。其控制原理框圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)切換裝置模塊RY原理圖

自動(dòng)切換模塊(RY)主要分為電源接口、穩(wěn)壓電路、電壓比較電路、繼電器邏輯判斷以及觸點(diǎn)監(jiān)控電路模塊。

2.1.1電源接口

主要用于模塊控制器的電源接入、電源保護(hù)、電源支路分配等,采用專用接插件進(jìn)行接口設(shè)計(jì),滿足電路設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)的可靠性。在電源模塊設(shè)計(jì)中考慮了電路短路保護(hù),過(guò)壓、欠壓報(bào)警,并增加濾波電路,保證輸入電壓的質(zhì)量,從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.1.2穩(wěn)壓電路

主要將SIG的供電電源的電壓穩(wěn)定在DC24 V,用于提供內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。

2.1.3電壓比較電路

將從SIG系統(tǒng)采集過(guò)來(lái)的開(kāi)關(guān)門(mén)信號(hào)電壓進(jìn)行判定,并將信號(hào)電壓檢測(cè)的判定結(jié)果DCC0、DCC1發(fā)送給控制模塊,其判定真值如表1所示。

表1 開(kāi)/關(guān)門(mén)信號(hào)電壓檢測(cè)及判定真值表

2.1.4繼電器邏輯判斷模塊

采用2個(gè)安全導(dǎo)向繼電器(A1、A2)搭建的繼電器邏輯判斷模塊電路。當(dāng)監(jiān)視模塊判斷需要切換時(shí),由控制模塊輸出信號(hào)(QH1、QH2)分別驅(qū)動(dòng)繼電器A1、A2,通過(guò)邏輯電路切換SIG控制器1和SIG控制器2的控制電源,達(dá)到切換雙機(jī)熱備冗余SIG接口模塊的目的,其邏輯輸出電路示意如圖4所示。

圖4 邏輯輸出電路示意圖

同時(shí),當(dāng)SIG控制器2投入使用后,系統(tǒng)將不會(huì)自動(dòng)切回到SIG控制器1。在RY自動(dòng)切換模塊上設(shè)置一個(gè)復(fù)位確認(rèn)按鈕,當(dāng)切換模塊激活,將SIG控制器1切換至SIG控制器2后,此時(shí)需要人工檢修確認(rèn)SIG控制器1的狀態(tài),判斷是否需要進(jìn)行維修更換,當(dāng)維修更換完畢,需要人工按下復(fù)位確認(rèn)按鈕后,系統(tǒng)才能切換回SIG控制器1繼續(xù)工作。

2.1.5觸點(diǎn)監(jiān)控模塊

繼電器A1、A2的觸點(diǎn)信息通過(guò)RY自動(dòng)切換模塊上傳至監(jiān)視模塊,用于監(jiān)視RY內(nèi)部的繼電器是否工作正常。如異常,報(bào)警給上位機(jī)。

2.2 雙機(jī)熱備冗余,SIG模塊控制回路設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)組件包含1個(gè)自動(dòng)切換模塊(RY),2個(gè)相同的SIG控制器(SIG1、SIG2)。2個(gè)SIG控制器同時(shí)接收SIG系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的開(kāi)、關(guān)門(mén)指令,驅(qū)動(dòng)各自模塊內(nèi)部的冗余接口繼電器進(jìn)行動(dòng)作(見(jiàn)圖5)。同時(shí),監(jiān)視模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控2個(gè)SIG控制器的接口繼電器動(dòng)作情況以及此時(shí)信號(hào)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)門(mén)指令的有效性。當(dāng)判斷SIG1控制器出現(xiàn)故障時(shí),控制模塊將輸出切換指令給RY自動(dòng)切換模塊,驅(qū)動(dòng)內(nèi)部切換安全繼電器動(dòng)作,從而切斷SIG1的控制電路供電回路,接通SIG2的控制電路供電回路,并進(jìn)行聲光和上位機(jī)界面報(bào)警,提醒相關(guān)人員進(jìn)行維修更換。

圖5 整體系統(tǒng)控制原理圖

同時(shí),切換到SIG2后,自動(dòng)切換模塊RY不會(huì)再自動(dòng)切換回SIG1,需要人工確認(rèn)后(確認(rèn)保證SIG1控制器故障解除后),按下RY上的復(fù)位按鈕,控制模塊重新判斷后切換至SIG1工作。主要程序判定流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序判定流程圖

3 結(jié)論與展望

該方案是在目前傳統(tǒng)站臺(tái)門(mén)與信號(hào)系統(tǒng)接口電路的基礎(chǔ)上提出的一種優(yōu)化思路,在軌道交通行業(yè)內(nèi)具有明顯的創(chuàng)新性和先進(jìn)性,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)對(duì)于涉及到安全的信號(hào)接口電路,進(jìn)行了全面的冗余設(shè)備設(shè)計(jì),將原先的整體電路優(yōu)化為模塊電路設(shè)計(jì),各模塊之間的功能相對(duì)獨(dú)立,提高了系統(tǒng)的可用性和可靠性。

(2)相比于原系統(tǒng)的純繼電器邏輯電路設(shè)計(jì),新方案采用軟件接入判定信號(hào)接口電路的健康診斷,方便了今后的故障診斷,并可預(yù)留遠(yuǎn)程診斷PHM接口,提高了系統(tǒng)的維護(hù)性。

(3)在新的信號(hào)接口電路中增加了冗余判斷,保證單模塊在出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行,防止系統(tǒng)出現(xiàn)無(wú)法預(yù)知的故障導(dǎo)致站臺(tái)門(mén)意外打開(kāi),從而造成安全事故,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全性。

該方案為今后全面實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛制式的軌道交通站臺(tái)門(mén)控制模式提供了一種切實(shí)可行的思路,同時(shí)也進(jìn)一步提高了站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)的安全性。該方案的設(shè)計(jì)思路已經(jīng)定型,后續(xù)可迅速產(chǎn)業(yè)化,屆時(shí)將進(jìn)一步提升我國(guó)城市軌道交通智能化水平,具備廣闊的市場(chǎng)前景。□