轨道交通车门控制器的自诊断系统设计

周洲 任洁 彭先胜 戴其俊

摘 要：本文介绍了现有的轨道交通车门控制器故障产生后的处理方式及其存在问题和缺点，提出了一种新的轨道交通车门控制器自诊断系统及方法，并详细介绍了系统的组成及自诊断的实现方法，表明了自诊断系统具有良好的实用性。

关键词：故障检测;自诊断;门控器

1 概述

1.1 现有轨道交通门控器技术概况

轨道交通车门控制器（以下简称门控器）主要用于高铁及城轨当中，通过接收车辆开关门等硬线信号及通讯信号，驱动车门传动装置实现开关门等功能。目前现有的门控器无法在车门运行过程中提前判定门控器状态，当出现车门无法打开、关闭或关闭不到位等情况时，无法准确的捕捉故障发生的根本原因，只能将故障信息上报至车辆控制中心，等待车辆回库后复现故障再进行诊断和分析。

现有门控器的维护方式需要耗费维保或技术人员大量的时间进行模拟和分析故障，无法在短时间内准确的定位故障并解决问题，甚至在某些情况下故障无法复现，导致无法彻底解决故障问题。这些都会导致了车门故障分析时间长、维保成本较高[1]。因此设计一款具有自诊断功能，能够自动定位故障信息的门控器尤为重要。

1.2 门控器故障诊断方式改进

本文根据现有门控器故障诊断方式，提出了一种新的门控器自诊断系统及方法。通过在现有门控器的基础上增加自诊断电路，采用电压采样、电流采样等方式，实现了门控器关键故障的自诊断技术，解决了目前技术中自动化程度不高、自诊断分析能力不佳的问题。

改进后的门控器通过门控器自诊断电路，在车门运行状态下，实时检测门控器各个电路运行状态，并通过对比相关信号的阈值，实现了车门运行状态的实时监測。当故障发生时，门控器通过内部储存电路，实时记录各个电路的运行状态及故障信息，并且门控器CPU会将故障信息通过3G、4G或以太网等通讯方式发送至车门监测平台。在故障发生后，设计人员不必通过大量实验来实现故障模拟，仅通过故障下载软件下载门控器故障数据便可清楚地判定故障发生原因，实现了故障的快速识别，极大地提高了故障解决的效率，节省了大量的维护时间和人力成本[2]。

2 门控器自诊断系统设计

2.1 自诊断功能定义

自诊断功能是智能控制系统的一种功能，它具有拟人的“自诊断功能”，能够自行诊断系统的运行状态，并判定故障的发生，维护系统的正常工作。

2.2 门控器自诊断总体设计

改进后的自诊断门控器系统包括CPU及连接于CPU的电源模块、软启动模块、看门狗电路、储存器电路、电机驱动电路、输出口、关键输入口等。通过各个电路相互配合，实现门控器的电源自诊断、CPU自诊断、电机驱动自诊断、关键信号输入口自诊断及输出口自诊断。

CPU作为门控器的核心，在本系统中主要负责处理各个自诊断电路的返回数据，并对返回数据进行分析后与预设阈值进行比较，从而判定门控器的运行状态;软启动模块作为门控器的EMI电路，连接门控器与外部电源;看门狗电路通过周期性的检测信号来检测CPU运行状态;储存器电路作为外部储存器，用于储存故障发生时各个电路模块的运行状态，从而方便设计人员后期进行故障分析;电机驱动电路用于连接电机与CPU，通过自诊断电路实现电机运行状态的监测;输出口主要用于诊断输出信号是否与预期信号一致;输入口关键信号主要用于诊断开门和关门等关键信号是否有效，从而确认是否要执行开关门操作。

2.3 门控器的自诊断详细设计

门控器自诊断主要包含电源自诊断、CPU自诊断、电机驱动自诊断、关键输入口自诊断及输出口自诊断。CPU与远程诊断系统将自诊断信息通过以太网、3G或4G网络等通讯方式发送至车门检测平台。具体数据传输原理框图见图1：

2.3.1 门控器电源自诊断设计

门控器上电后经过软启动形成供电电压，供电电压经电源模块后转换为15 V、VCC电压。15 V电压用于电机驱动电路供电，15 V电源再转换为5 V电压为其它模拟电路供电;VCC电压通过DC-DC电路转换为3.3 V和1.8 V为CPU及其外围电路供电，并电源模块转换为VCC1电压，用于CAN通讯模块供电。CPU通过各个电路上的电压采样电路获取电源实际电压值，通过与预设电压阈值进行比较，判定各个电源状态。若电源处于预设范围内，则门控器继续正常工作，否则将进行故障记录和上报。

2.3.2 CPU自诊断设计

CPU的自诊断设计是由CPU持续发送喂狗信号给看门狗电路，看门狗电路定期检测CPU的喂狗信号，若存在异常则进行复位重启，防止门控器软件运行异常。

2.3.3 电机驱动自诊断设计

电机驱动自诊断设计是增加两路相电流采样电路，由CPU通过ADC中断子程序实时读取电机驱动电路的两相电流，并根据电流处理算法计算实际采样电流，然后根据计算得到电流值对电机进行控制，若存在过流保护信号且指定时间内过流保护信号超过预设次数则停止驱动电机并上报故障。

2.3.4 输入信号关键信号自诊断设计

输入口关键信号自诊断设计是增加开门、关门等关键输入口的冗余电路，输入信号通过输入口电路进行滤波后进入CPU，CPU将关键信号与冗余信号进行对比，若信号一致，则执行开关门操作，否则禁止开关门操作。

2.3.5 输出口信号自诊断设计

输出口自诊断设计是门控器在上电后ADC中断会实时读取输出口反馈信号，若反馈信号与预期信号一致，则正常进行信号的输出，若诊断为输出口故障，则禁止输出口信号输出。

上述故障发生后，门控器将执行对应的操作，并通过显示模块显示故障信息，同时CPU将故障信息通过储存电路存入内部储存器，方便设计人员后期进行故障下载和分析。同时，CPU还会将故障信息上载至上位机中，并通过以太网或3G、4G网络等通讯方式将故障信息传输至车门监控平台。

2.4 实际项目装车验证

将具有自诊断功能的门控器进行装车验证，在地铁运行过程中，当门控器或车门系统发生故障时，自诊断门控器可以根据自诊断电路反馈实时记录车门故障信息，能够满足车门系统的自诊断需求，达到快速定位故障信息的设计要求。

3 结论

本文介绍了门控器的自诊断系统实现方案，包括门控器的电源状态、电机运行状态、输入输出口状态、CPU运行状态等检测，并将门控器状态进行储存并上传至车门监控平台。车辆运营过程中，若门控器产生故障，可以通过下载故障发生时存储在门控器内部存储器的状态信息，实现快速定位故障的根本原因，节省了技术人员分析故障的时间，降低了故障分析难度，减少了维保时间和费用，提高了车辆运营效率，使车门的运营更加安全。

参考文献：

[1]杜亚林，李小英，何劲辉.城轨车辆车门故障诊断技术研究[J].中国设备工程，2018（3）：119-121.

[2]李宝泉，周强，唐立国，等城市轨道交通车辆的车门智能诊断技术[J].城市轨道交通研究，2020，23（6）：151-154.