动车组塞拉门控制优化研究

2021-04-01刘振宇

铁道运营技术 2021年2期

刘振宇

（中国铁路上海局集团有限公司南京动车段合肥南动车运用所，助理工程师，安徽合肥 230041）

CRH380BK动车组列车在车体两侧设计装配共22 扇侧门，供司乘人员及旅客上下列车。该种侧门是以PLC 为控制核心的电控电动塞拉门，具备气动压力密封功能，并带有电控气动站台补偿器。出于安全的考虑，改型动车组设计了安全回路，只有当侧门完全关闭的条件下才可以动车。这就意味着当侧门发生无法关闭故障时必定会造成动车组不能正点开行，因此对塞拉门关闭故障的研究与整治显得格外重要。

1 控制系统

CRH380BK动车组列车的网络控制系统是建立在列车通信网络标准协议IEC61375-1 框架下的TCN 网络［1］，TCN 网络通过周期轮询策略实现周期性数据和非周期性数据的调度管理，保证数据传输的实时性、可靠性和确定性［2］。

TCN网络的车辆级总线和列车级总线分别采用屏蔽双绞线的MVB 和WTB，MVB 总线连接一个牵引单元内的4 辆车，通过网关转换协议连接到WTB总线实现列车级信息的传递［3］。塞拉门的控制元件称为门控器（Door Control Unit，以下简称为DCU），单节车厢的四扇或两扇侧门中只有一个主DCU，其余为从DCU，通过CAN 总线实现信号互联。网络控制结构如图1所示。

图1 CRH380BK侧门网络控制结构图

DCU 由控制功能处理的可编程逻辑部分、包括执行驱动和锁定电机用电力电子的两个电机控制部分和一个输入扩展电路构成。由于PLC 的可编程性，能够根据不同的需求，进行调整与变更，从而实现特殊的功能请求。通过给包含在DCU 中的程序存储器重新编程，将软件安装至闪存中，可实现修改软件的目的。

2 障碍物探测

在动车组上线运行过程中，为解决在关门时有异物阻挡在门的运动行程内造成门扇的机械损伤的问题，同时也避免旅客在上下列车的过程中被车门挤伤，塞拉门系统中有三种方式同时进行障碍物探测［4］。

2.1 敏感边缘检测门扇的非锁闭侧固定安装有两个相互独立工作的敏感边缘，每个敏感边缘外部有柔性橡胶可在受到冲击时起到缓冲作用，内部为有橡胶保护的检测回路，当内部回路发生挤压时，回路电阻迅速降低，电信号反馈到DCU 中，判定为门扇前端碰撞异物。如图2 剖面图所示，每个敏感边缘的内外两侧橡胶之间存在一定间隙，可有效提高挤压程度的阈值，同时下部有排水孔，便于将间隙中的雨水等排出。

图2 B2、B3敏感边缘剖面图

在关门过程中，敏感边缘撞击到障碍物，信号将被传输至DCU 并在DCU 中计算敏感边缘的功能性。在故障出现时，在DCU中会产生一个错误代码。

2.2 电机电流监测CRH380BK 型动车组塞拉门使用永磁无刷直流电机实现开关门动作，目前的研究中无刷直流电机控制系统的常见控制方法有：PID 控制、无位置传感器控制（反电动势法、续流二极管法）、模糊控制、神经网络控制等［5］。用的是电流环与速度环构成的双闭环模式。将事先给定的转速值同实际的转速值进行比较，然后利用转速调节器的调节功能，输出电流的给定值，接着和检测得到的电流值再次比较，经过电流调节器，输出供给电机的控制电压，从而实现通过控制电压来对电机的转速进行调节，控制电流来对电机的输出转矩进行调节的目的。图3为无刷直流电机双闭环控制结构图。

图3 无刷直流电机控制结构

2.3 通道时间比监控位置传感器是无刷直流电机的一个关键部件。它的作用是测定某一时刻定转子的磁极位置，从而为电子换相电路提供正确的信号位置。传感器通常由定子和转子两部分组成。转子是用来确定电动机本体磁极的位置，定子的安放是为了检测和输出转子的位置信号。其中，磁敏式位置传感器是利用电流的磁效应进行工作，常用的磁敏传感器有霍尔元件、磁敏电阻器或专用集成电路等。磁敏式传感器的特点是结构简单，体积较小，在对性能和环境要求不高的场合应用比较广泛［7］。

门位置传感器（B1）能将门运动分成几个小部分，如果在定义的时间范围内未覆盖定义的通道，将激活障碍物探测系统。B1 置于门的驱动电机端部用以检测电机转子转动的圈数，电机与门扇之间通过皮带轮、丝杠、螺母副等结构传动，电机转动的圈数可直接转换为门扇移动的距离。在DCU 中记录每次关门动作的关门时间，当该次关门过程中，特定时间B1检测到电机的转动圈数小于既定值，则判定门扇未能进行正常有效地关门操作，即发生某种程度上的障碍物阻挡。图4 为B1 位置传感器及M1 驱动电机电路图。

图4 B1位置传感器及M1驱动电机电路图

3 敏感边缘控制电路

图5 为敏感边缘控制电路图，左侧为DCU 的X1端口。以敏感边缘B2 为例，正常状态下在端口X1.15 与X1.16 间存在电压差，中间为1 200 欧姆的定值电阻，当微动开关被触发时，将电阻短路，端口电信号将由低电平跃迁为高电平。DCU 此时将会判定门扇的边缘被挤压，从而改变使门扇的驱动电机M1 两端的电压，使电机反转带动门扇朝打开方向运行。当X4.18的电势高于X4.17时，驱动电机通过皮带传动作用，带动丝杠转动，从而使门扇朝打开方向移动；反之，X4.18 的电势低于X4.17 时，门扇朝关闭方向移动。

图5 敏感边缘电路图

4 问题分析

塞拉门上分布的胶条可分为外部防尘挡雨的防尘胶条、边缘用于障碍物探测的敏感胶条、用于保证动车气密性的密封胶条。在运用检修的过程中，发现大量的胶条破损，且分布于开门时暴露在通道位置的一侧，多在以站台补偿器为基准向上1.5 m的高度以下。该部位关门状态下与车体密贴，可解释为开门状态被异物击打导致的大量损坏。该种情况可能导致以下问题：

1）在旅客或工作人员上下列车时，携带的坚硬物品边缘与门扇橡胶发生横向摩擦，将橡胶撕裂。当损伤到内层保护层时，可能会使敏感边缘的电信号回路发生物理损坏，从而断路并报出1C5C-1C5F故障及1C64-1C67故障。

2）当橡胶保护层破损时，线上遇到阴雨天气造成电阻两端短路，并被DCU 判定为敏感边缘持续运行，无法关闭门扇并报出1C58-1C5B 故障及1C60-1C63故障。

通常线上遇到敏感胶条问题采取直接隔离门扇的方式，影响列车的正常发车，同时在后续站到站时该门将持续处于关闭状态，无法集控开关影响正常使用。

在既往的的检修中采取如下方法处理此类问题但效果不尽如人意：一是针对进水短路的情况采用涂打密封胶将缺口密封，但因为实际操作难度较大，极易存在密封不严或是密封胶凸起触发防挤压功能的情况，给日常检修造成困扰；二是针对断路的情况一般采用更换门扇的方式，由于敏感胶条在制造的过程中已直接集成到门扇上，在运用修的设备条件下不具备更换的条件，直接更换门扇浪费了大量的财力物力。

5 建议及优化

笔者结合工作积累的动车组塞拉门使用、维修经验和体会，提出如下建议：

1）提高检修质量。在动车运用所的检修过程中，遇到敏感胶条破损的情况，首先通过DCU 上RS232 端口查看历史故障，确认敏感胶条的破损是否达到了影响使用并报出的故障的程度。回路的短路或虚接可能因为环境及压力的改变而间歇性发生，在确认不影响正常功能的情况下，进行打胶处理，填补粘合微动开关的保护层，既要保证橡胶保护层的密封性与适度的弹性，同时更要保证表层的平滑度，确保密封胶不会因为凸起触发系统的障碍物探测。

2）屏蔽敏感胶条功能。建议通过在DCU 的X1.15 与X1.16 间及X1.17 与X1.18 短接1 200 欧姆，直接将敏感胶条功能屏蔽，只采用电机电流监测和通道时间比监测的方式，可有效降低因敏感胶条破损导致列车无法动车的事故数量。

3）优化判别算法。后期可进行DCU 软件的更新，屏蔽敏感胶条的作用，同时优化电机电流的极限曲线算法及通道时间比的判别算法，使M1 电机既能保证正常的输出转矩带动门扇运动，又能有效地进行障碍物探测，对算法的优化问题有待进一步的研究。