核心提示：軌道交通在城市建設(shè)中發(fā)展極為迅猛，地鐵移動門控制系統(tǒng)也成為不可或缺的配置。面對國際品牌仍占據(jù)主導(dǎo)地位的競爭壓力，國內(nèi)移動門制造商技術(shù)升級刻不容緩。主要是介紹當前移動門市場狀況及國內(nèi)制造商的技術(shù)水平，以及技術(shù)發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：地鐵移動門，控制系統(tǒng)，LonWorks，CAN，國產(chǎn)化，運行維護
一、移動門控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著城市建設(shè)步伐的加快，軌道交通得到了快速發(fā)展。作為軌道交通的重要組成部分，地鐵移動門控制系統(tǒng)的安全、可靠成為重要條件。國內(nèi)移動門制造商也在與國外品牌的競爭中發(fā)展壯大起來。國際上，英國westinghouse、法國Faiveley、瑞士KABA和日本Nabco4家公司成為最主要的移動門生產(chǎn)廠家，都已經(jīng)承擔過一些地鐵線路的移動門工程，它們提供了世界上約90%的移動門系統(tǒng)。
在國內(nèi)地鐵移動門市場，國外公司大多采取在國內(nèi)尋找合作伙伴的方式進入中國市場，如廣州地鐵二號線移動門工程中標方就是廣州澳的斯電梯有限公司與英國西屋公司;深圳方大集團于2000年與法維萊公司開始合作之后，雙方共同成功承建了泰國曼谷地鐵等移動門工程項目;瑞士卡巴公司也與江蘇金創(chuàng)集團合作在國內(nèi)承接移動門工程項目;日本那博克公司與重慶川儀集團也就移動門項目進行著合作。國內(nèi)最早開始從事移動門研究的是廣州奧的斯電梯有限公司和深圳方大集團，之后逐漸增加了廣州廣日集團、上海通用冷氣機有限公司、重慶川儀總廠有限公司等。到目前為止，移動門系統(tǒng)的國產(chǎn)化程度還相當?shù)停壳皣鴥?nèi)有10家以上的公司正加大對移動門系統(tǒng)的研發(fā)力度，以加快移動門系統(tǒng)國產(chǎn)化的步伐。
二、地鐵移動門控制系統(tǒng)介紹
本文介紹國內(nèi)外二種移動門控制系統(tǒng)，展示不同的技術(shù)路線，揭示國內(nèi)外地鐵移動門控制系統(tǒng)發(fā)展方向。
（一）、貝加萊地鐵移動門控制系統(tǒng)
貝加萊地鐵移動門控制系統(tǒng)在上海九號線（徐家匯—松江）的一期項目中，共9個站，共安裝貝加萊22個控制器PCC2003，20個15”觸摸屏4PP120。在此第一期項目中貝加萊公司和瑞士KABA公司合作。
1、 控制系統(tǒng)解決方案
貝加萊的PCC控制系統(tǒng)提供CAN總成冗余，使用雙CAN總線和門控制器聯(lián)接，與顯示器采用Ethernet聯(lián)接，B&R2003靈活的通信能力確保了以上通信要求都能實現(xiàn)，CPU模塊CP570管理所有的門控制器，離散I/O和網(wǎng)絡(luò)連接。B&R PP120作為中央顯示單元，每個控制室的操作終端采用15’’顯示屏，操作員和維護人員從而可以在現(xiàn)場進行監(jiān)測工作。
2、信息處理
Kaba Ghgen的自動門專家們?yōu)槊恳簧乳T寫了高達104條不同的事件信息，每一個站48扇門，再加上120條左右系統(tǒng)信息，這樣中央采集的可能事件數(shù)量將超過5000條。觸發(fā)事件的動作必須清晰直觀地被顯示。典型的事件包括門口堵塞、電機過熱、手動撤消故障等。
貝加萊的PCC控制系統(tǒng)所具備的定性分時多任務(wù)的運行模式可以幫助優(yōu)化客戶軟件，大大降低系統(tǒng)的輪詢時間，并幫助軟件工程師精確控制每個任務(wù)進程的循環(huán)時間。
3、 Automation Studio軟件特點
Automation Studio是一個集成了項目中所有組件工具的軟件開發(fā)環(huán)境，因此可應(yīng)用于任何規(guī)模任何范圍的項目。無論在項目的哪個階段，規(guī)劃、執(zhí)行、測試、生產(chǎn)或調(diào)試過程中，統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境既提高了生產(chǎn)效率又保證了產(chǎn)品質(zhì)量。在移動門控制器的開發(fā)設(shè)計過程中。Automation Studio提供了一個優(yōu)化的編程環(huán)境，采用C語言來開發(fā)系統(tǒng)，保證一個系統(tǒng)長時期使用。還可以設(shè)置用戶輸入密碼以進入系統(tǒng)。每扇單獨的門都配備一個門控制單元（DCU），根據(jù)接收的指令?？刂茊卧獙ｉT控制電機和開關(guān)門機械裝置，確保在安全范圍內(nèi)門的作用力和速度都處于最優(yōu)化的狀態(tài)。同時，對門上的傳感器和執(zhí)行器的狀態(tài)進行監(jiān)測。并不斷發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)至站臺移動門控制器（PSC）。地鐵移動門觸發(fā)事件的動作必須清晰直觀地被顯示。典型的事件包括門口堵塞、電機過熱、手動手動撤消故障等。所有這些事件觸發(fā)都通過PCC控制系統(tǒng)先進行數(shù)據(jù)采集，并通過Automation Studio軟件進行軟件開發(fā)，對所有的觸發(fā)事件進行響應(yīng)和處理。
（二）、國產(chǎn)地鐵移動門控制系統(tǒng)
本文介紹一種國產(chǎn)地鐵移動門控制系統(tǒng)，詳細介紹其設(shè)計理念及思路，不代表作者認同其觀念，并提出技術(shù)改進空間和應(yīng)用前景。
2010年由尹盼春受南京熊貓機電儀技術(shù)有限公司委托設(shè)計的“地鐵移動門控制系統(tǒng)”目的是研制出一種可以面向市場的、低成本的、國產(chǎn)化的移動門設(shè)備。主要研究集移動門電機驅(qū)動控制與移動門邏輯控制于一體的移動門控制系統(tǒng)。這種高度集成并一體化的控制方案主要采用了一個ARM7微控制器實現(xiàn)，節(jié)省了制造成本，實現(xiàn)了資源的優(yōu)化利用。
軟件系統(tǒng)設(shè)計：軟件的設(shè)計是以硬件為基礎(chǔ)，依據(jù)系統(tǒng)的具體功能要求進行設(shè)計。主要包括移動門各種邏輯控制功能的設(shè)計、數(shù)字PID控制算法的設(shè)計以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信的設(shè)計等。
基本思想：地鐵移動門控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的基本思想是，采用巡檢的方式，不斷對各個輸入端口進行檢測，當檢測到相應(yīng)的狀態(tài)信號時進行相應(yīng)的處理。對一些重要信號的檢測，要采用定時中斷方式，定時檢測這些信號的狀態(tài)。移動門控制系統(tǒng)軟件的主程序流程圖如圖4.1所示。
系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進行初始化，接著執(zhí)行門寬參數(shù)的自學習程序。此后的程序是一個循環(huán)操作過程，包括開始正常運行、障礙物檢測、采樣電流信號、UART串口通信、CAN總線通信、PID控制以及檢測輸入信號，再結(jié)合當前系統(tǒng)狀態(tài)做出相關(guān)處理，執(zhí)行相應(yīng)子程序，完成對移動門的控制。
軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化程序、門寬參數(shù)自學習程序、移動門控制任務(wù)程序、開關(guān)門過程控制程序、CAN總線通信程序、不完全微分增量式PID算法六個部分。
編者認為CAN總線固然有其開發(fā)成本低廉、技術(shù)難度小、開發(fā)人才眾多等優(yōu)勢，而相比LonWorks總線技術(shù)，CAN總線的可靠性、通信速率、施工及運維成本等均有較大差距。國外廠商相關(guān)產(chǎn)品通常采用的是LON控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在事關(guān)公眾乘車安全的移動門控制系統(tǒng)設(shè)計時，如何充分利用既有CAN總線開發(fā)資源、又具備LonWorks總線通信優(yōu)勢，是國內(nèi)移動門制造企業(yè)必須面對的問題。
1、系統(tǒng)初始化程序
系統(tǒng)上電后，ARM7微控制器LPC2129復(fù)位，系統(tǒng)開始執(zhí)行初始化程序，配置控制系統(tǒng)運行的參數(shù)，包括對一LPC2129、系統(tǒng)變量、移動門運行參數(shù)、電機驅(qū)動控制程序的初始化：1.LPC2129初始化程序用于設(shè)置LPC2129內(nèi)核時鐘運行模式，使能片內(nèi)和片外設(shè)備，包括設(shè)置各個1/0端口的方向，設(shè)置ADC模塊的轉(zhuǎn)換條件、轉(zhuǎn)換通道等。2.系統(tǒng)變量初始化，用于定義并初始化系統(tǒng)程序在運算過程中使用到的變量，如電機驅(qū)動控制程序變量、門速曲線變量、串口通信及CAN總線通信變量等。3.移動門運行參數(shù)初始化程序，用于讀取移動門運行參數(shù)，包括移動門開關(guān)門曲線參數(shù)，防擠壓力信號產(chǎn)生的閡值參數(shù)等。4.電打L馬區(qū)動控制初始化程序，如設(shè)置電機控制功能模塊相關(guān)的寄存器，包括設(shè)置PWM…信號的開關(guān)頻率、初始化AD轉(zhuǎn)換模塊工作方式等。
2、門寬參數(shù)自學習程序
在移動門控制系統(tǒng)中，設(shè)計了門寬參數(shù)自學習功能。門寬參數(shù)自學習的工作過程為：在移動門控制系統(tǒng)初始化完成后，移動門將以均勻慢速關(guān)門一次，第一次關(guān)門的過程為初始化關(guān)門過程，這是為了讓移動門運行到完全關(guān)閉的位置保證計數(shù)位置的準確性；然后移動門再以均勻慢速開門一次，這個過程中，單片機將記錄門在打開過程中各點的位置，門在開關(guān)的過程中，與無刷直流電機同軸連接的霍爾位置傳感器產(chǎn)生脈沖，一個脈沖就對應(yīng)著門體一段固定的位移;當門開到最大位置時，門停止移動，此時沒有新脈沖輸入到單片機，則脈沖計數(shù)器就記錄了門寬參數(shù)。這一門寬參數(shù)的自動識別過程叫門寬參數(shù)自學習功能，這一程序執(zhí)行的過程稱為自檢。
自學習過程中，定義了五個工作狀態(tài):初始化關(guān)門狀態(tài)、關(guān)門到位狀態(tài)、等待、初始化開門狀態(tài)和開門到位狀態(tài)。在順序執(zhí)行完這五個過程后，控制系統(tǒng)就將門的位置參數(shù)存放到微控制器的存儲器中，每次初始化時一該參數(shù)都需重置。識別到的門寬參數(shù)是開、關(guān)門運行的關(guān)鍵參數(shù)，主要用來確定門運行的過程中加速和減速的轉(zhuǎn)折點，以及一些特殊功能的識別點，比如門寬剛好允許人通過的最小位置。
系統(tǒng)可以存儲的門的位置參數(shù)不止一組，所以在門寬參數(shù)自學習運行之后系統(tǒng)也可以選擇是否按照本次獲得的參數(shù)運行，還是調(diào)用外部存儲器中已經(jīng)存儲的己往的門寬參數(shù)。自學習程序流程圖如圖4.2所示。
3、移動門控制程序
移動門的控制過程如下所述。控制系統(tǒng)啟動后，首先執(zhí)進行自檢，自檢不能完成時，系統(tǒng)報錯。自檢完成后，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，控制系統(tǒng)查詢中斷信號，對移動門進行相應(yīng)的控制。
3.1正常操作
地鐵每隔幾分鐘就有一個班次到達地鐵站臺，所以地鐵移動門每隔幾分鐘就要開關(guān)一次，正常情況下控制系統(tǒng)分為四個工作狀態(tài)，分別是開門狀態(tài)、開門結(jié)束狀態(tài)、關(guān)門狀態(tài)、關(guān)門結(jié)束狀態(tài)。控制系統(tǒng)完成自檢后就會等待來自列車系統(tǒng)或者站臺的就地控制盤發(fā)出的開關(guān)門信號，進行一次開關(guān)門操作并將事件記錄下來存入外部存儲器。系統(tǒng)正常運行程序流程圖如圖4.3所示。
另外，系統(tǒng)還要不斷檢測手動開門信號和手動關(guān)門信號，它們屬于移動門的手動操作控制。由于手動操作控制具有最高優(yōu)先級，因此在正常運行時一旦發(fā)現(xiàn)手動開門信號與手動開門信號產(chǎn)生，就會立刻從上圖的狀態(tài)循環(huán)中脫離，保持開門到位或者關(guān)門到位狀態(tài)不變，直至信號消失為止。
3.2防擠壓功能
如上所述，本移動門控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)防擠壓功能的實現(xiàn)采取了兩種模式:被動安全模式:在關(guān)門的過程中，如果電機在低速時電樞電流突然增大到微控制器設(shè)定的閉值并持續(xù)一小段時間時一(為了排除關(guān)門到位時所產(chǎn)生的過流信號)，系統(tǒng)就認為遇到了障礙物或人，立即使門停下，然后控制電機反轉(zhuǎn)，使門后退至容許人通過的最小門寬位置處(可編程值)停止，然后將在大約5秒鐘(可編程值)后，門再自動關(guān)閉，該關(guān)閉周期將會重復(fù)3次(可編程值)。如果門仍然不能關(guān)閉，系統(tǒng)被設(shè)置為故障并且停止操作，移動門完全打一開，LED顯示閃爍和蜂鳴器報警，等待工作人員進行維修或者故障處理。
主動安全模式:在關(guān)門的過程中如果遇到人或障礙物靠近時紅外傳感器動作，發(fā)出紅外信號一，微控制器發(fā)出停止關(guān)門命令，直至紅外信號消失且電機速度降至很低、沒有過流信號時系統(tǒng)才可以執(zhí)行關(guān)門操作。防擠壓程序的流程圖如圖4.4所示。
4、開關(guān)門過程控制程序
移動門在整個運動過程中的速度是不同的，門開始運動時，要求電機啟動力矩大，所以電機要以較低的初速度啟動，然后加速至最大。門運動將要結(jié)束時，為避免機械沖擊，在車門運行至全行程85%的位置時開始減速，到全行程95%的位置時保持低速直至門完全閉合。
控制系統(tǒng)以門速曲線為依據(jù)，計算開門、關(guān)門時不同位置處的給定速度，進而設(shè)置不同的PWM信號.井空比。為了減少程序的計算量，事先將涉及到的各個速度對應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)寫入存儲器中，系統(tǒng)程序只需以查表的方式，就可以讀出它們。設(shè)計時，在RAM中開辟一個單元，用來存貯電機運動的狀態(tài)。系統(tǒng)主程序采用分時操作的方式，根據(jù)開關(guān)門信號和電機的土一狀態(tài)，發(fā)出本次操作指令，并更新電機狀態(tài)，開關(guān)門過程控制程序流程如圖4.6所示。
5、CAN總線通信程序
移動門控制系統(tǒng)采用CAN總線技術(shù)，按照控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展的要求，把掛接在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各設(shè)備，連接成網(wǎng)絡(luò)集成式的全分布控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對移動門的基本控制、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)視等綜合自動化功能。在一個移動門控制子系統(tǒng)中，PSC、PSL和DCU組通過CAN總線構(gòu)成開放的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這兩路現(xiàn)場總線應(yīng)互為熱備用，它們可同時傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。如果工作中的一路現(xiàn)場總線發(fā)生故障，則另一路備用的現(xiàn)場總線自動進入工作狀態(tài)。整個切換過程無擾動，并不影響移動門系統(tǒng)的正常運行。LPCZ129內(nèi)部集成有兩路CAN控制器，符合CANZ.OB，JSO11989一1標準，總線數(shù)據(jù)波特率可達IMbPs;可訪問32位寄存器和隊M，保證門控單元Dcu與就地控制盤PSL等的快速準確通訊。LPCZ129作為主控制器的同時，還作為CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點控制器，與網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與交換。
編者認為，該設(shè)計應(yīng)采用更為可靠、系統(tǒng)更穩(wěn)定、施工與維護更為簡單的LON控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以全面提升地鐵移動門控制系統(tǒng)運行的安全性。海思將為國內(nèi)移動門制造商提供強大的LonWorks技術(shù)合作。
6、不完全微分增量式HD算法
由于微控制器LPC2129只能處理數(shù)字量，所以基于LPC2129的電機速度PID控制實際上是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量，而不能像模擬PID控制那樣連續(xù)輸出控制量，因此對一連續(xù)的控制計算式中的積分環(huán)節(jié)以及微分環(huán)節(jié)是不能直接進行運算的，所以在控制系統(tǒng)中必須先對PID控制律進行離散化的算法設(shè)計。離散化處理的方法為:以T作為采樣周期，以k作為采樣序號，則離散采樣時間kT對應(yīng)著連續(xù)時間t，用矩形法數(shù)值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分。
海思CAN轉(zhuǎn)LonWorks網(wǎng)關(guān)
海思LON3150IM系列LonWorks通信控制模塊
