全自动运行线路车库门监控系统的研究与设计

李宇麒，高振天，尹恩华，李正东

(中船重工海为郑州高科技有限公司，河南 郑州 450015)

0 引言

随着全自动驾驶技术的不断发展，形成了控制中心核心设备、车站控制设备(例：站台门)、轨旁设备、车载设备的四大核心架构[1-4]。为适应全自动驾驶的需求，进一步提高运营效率，越来越多的设备被纳入全自动运行系统[9]。

车辆段/停车场是城市轨道交通中列车检修、日常维护及保养作业的场地[5-6]。车辆段/停车场通常分为停车列检库和洗车库，其中列检库每个股道安装1樘车库门，洗车库两端分别安装1樘车库门，完成诸如轮对检查、融冰除雪以及列车清洗等作业[5]。车库门设置在库房的出入口，作为列车进出的必要屏障，起到防晒、防尘、防雨雪、保暖、隔热等作用[7]。由于列车出车、收车、洗车、维护时，均会经过车库门，其使用频率较高，且对行车安全有着重要的作用，因而一些全自动驾驶线路开始将车辆段的车库门(例如：北京燕房山)也纳入到全自动驾驶系统中[7]。

然而，传统车辆段的电动车库门无法实现远程控制，一般需要人工在就进处操作开/关库门，存在作业效率低、人为主观因素干扰大、开关过程存在安全隐患等问题，无法适应全自动驾驶线路的需求[8-10]。

该文结合全自动驾驶线路的需求，设计了一种全自动车辆段的车库门监控系统。该监控系统分为控制系统和监视系统两部分，二者相对独立。控制系统可以实现自动控制、远程人工控制、本地控制的三级控制功能，门体周围也具有必备的安全防护和报警装置；监视系统可以对各个库门的运行状态和故障进行采集、传输、存储、显示，方便后期排查故障和缩短维修时间。因而，该车库门监控系统安全可靠，满足了全自动驾驶线路对车库门系统的控制和安全需求，有利于提高列车发车频率、降低发车时间间隔，在确保行车安全的同时，提高了运营效率。

1 车库门监控系统组成

该车库门监控系统组成框图如图1所示，可分为监视系统和控制系统。其中控制系统又可分为就地控制器(GDL)，中央接口盘(GDC)，门体行程检测装置、闭锁固定装置、电机及其传动机构、安全防护装置等；监视系统可分为监视主机软件、门控单元软件等。

图1 系统组成框图

1.1 车库门控制系统

车库门控制系统的构成原理如图2所示。车库门控制系统主要由总控设备中央接口盘(GDC)，分散到各个库门旁的就地控制器(GDL)，以及门体上安装的行程检测装置、闭所固定装置、电机及其传动、安全防护装置组成。其中，GDC作为总控设备，通过继电接口实现与外部系统的信息交换，将信号系统或IBP盘发送的控制命令，经优先级控制电路处理后，发送至相应库门的就地控制器。优先级控制电路是车库门系统的重要一环，起到确保三种控制模式可靠切换的作用，并且有效避免了单纯利用软件识别命令优先级的缺点，该内容将会在第3章详细讨论。

图2 控制系统原理图

就地控制器负责接收命令并具体执行，实现对门体动作的控制、检测、以及相应的安全防护等功能，具体工作流程将在第2章详细论述。

某些必要的状态信息(例如：开到位且闭锁、关到位且闭锁、故障、控制模式等)也需要通过硬线反馈至信号系统或IBP。此时，GDC接收各个GDL反馈回来的信息，汇总反馈至信号系统的接收继电器，或于IBP上的指示灯显示。

1.2 车库门就地控制器(GDL)

车库门就地控制器(GDL)是车库门控制系统的核心，其原理如图3所示。GDL内部主要由电源系统、核心控制器、驱动器、端子排和操作面板组成。

图3 车库门就地控制器原理图

电源系统是整个车库门现场区域的供电来源，其向GDL内部各器件提供所需电能，同时也向门体上的各电气部件供电。核心控制器接收端子排转发的所有检测信号，通过内部微处理器进行逻辑判断，输出控制信号至端子排，并向驱动器发送相应控制命令。驱动器接收到开/关/停止命令后，控制电机进行正转/反转/停止。操作面板用于实现车库门的本地控制模式，并用指示灯显示相应状态。

闭锁固定装置是由电磁铁和检测开关组成的机电结构，其接受核心控制器的控制，并反馈动作信息。在门体运动过程中，核心控制器通过控制继电器闭合电磁铁的供电回路，使其保持吸和，进而拉动锁销解锁；系统出现故障或门体开/关到位时，核心控制器断开电磁铁电源，使其释放并锁定。因而，该装置可以提高库门的紧急停止能力，并防止外力或强风造成门体的晃动。

安全防护装置主要包括多个光电开关组成的防区和声光报警装置，当有障碍物在开/关门过程中触碰防区时，核心控制器会立刻停止电机运动，并锁定闭锁固定装置，实现库门的紧急停止，并识别为系统故障。当障碍物消失时，库门仍可以继续执行当前命令。声光报警器可在系统故障或有探测到障碍时，闪烁并报警，以提示工作人员。

此外，核心控制器可以通过检测电机电流实现进一步的遇障碍物防护。即：当障碍物阻碍门体运动时，电机的载荷变大。当电机电流值显著大于正常值时，核心控制器会判断门体遇阻，并采取相应措施。因而，该车库门就地控制器具备十分完善的安全防护机制。

1.3 车库门监视系统

车库门监视系统如图4所示，其中监视主机软件运行于GDC的工控机内，门控单元软件运行于各GDL的核心控制器内，工控机作为网络上的主机，GDL作为网络上的从机，通过通信线(CAN总线)连接成一个整体，实现主节点与各从节点的间的信息交换。

图4 监视系统原理图

监视主机采集各GDL收集到的车库门运行和故障信息，汇总成系统信息，于显示屏上实时显示，并按照时间顺序将相应记录存储于监视主机内，用于后期维护和查询。整个车库门系统的运行和故障信息，可通过网线上传至外部系统。

可见，监视系统与控制系统采用不同的结构和传输通道，因而相对独立，当车库门的监视系统故障时，不影响通过硬线执行的控制系统命令。

2 车库门控制流程分析

车库门系统的控制流程如图5所示。

图5 车库门系统控制流程图

系统上电后，GDL进入开机自检模块，确认无误后进入待机模式，等待控制命令。当接收到控制命令后，系统进入命令逻辑模块。该模块主要负责对各种命令进行优先级识别，挑选出优先级最高的命令并判断有无命令冲突。之后，在产生一个有效的命令后，系统进入命令执行模块。该模块用于具体执行开/关/停门命令。故障处理模块通过中断程序，负责实时监控各故障点位，并做出相应处理。最后，状态传输模块会在每次开关门到位后或者每次发生故障时，通过CAN协议，向监视主机发送状态和故障信息。

以开门命令的执行过程为例，对命令执行模块做详细分析，如图6所示。在命令逻辑模块锁存一个有效的开门命令以后，开始进入命令执行模块。首先，声光报警器闪烁并报警，以提示门体即将开门动作。之后，闭锁固定装置解锁。正常情况下，核心控制器接收到反馈的解锁信号，向电机驱动器发送开门命令；若未接收到解锁信号，则判断为解锁故障，并停止门体运动，等待故障处理模块处理。门体一旦开始运动，系统便会使能一个计时器开始计时，以防止门体运动过程中产生不可预知的故障。若门体动作时间远超正常值，则判断为出现系统故障，停止门体动作，并等待故障处理模块处理。门体正常开到位后，核心控制器发送停止命令，闭锁固定装置锁定。若未正常锁定，则判断为锁定故障，等待故障处理模块处理。

图6 命令执行模块详细流程图

3 车库门优先级控制电路原理

3.1 电路结构

车库门系统的优先级控制电路如图7所示，该电路由安全继电器KA1-KA5，钥匙开关SA1、SA2，按钮SB1，SB2组成。KA1为信号系统的命令发送继电器，当其得电时，即表示发送相应控制命令。IBP盘上的SA1钥匙开关，当其处于工位“1”时，表示允许IBP控制，处于工位“0”时，表示禁止IBP控制；按钮SB1，按下时，表示发送相应IBP控制命令。GDL上的SA2钥匙开关，当其处于工位“1”时，表示允许本地控制，处于工位“0”时，表示禁止本地控制；按钮SB2，按下时，表示发送相应本地控制命令。所有控制命令均需最终触发继电器KA5来实现对车库门的控制。

图7 车库门系统优先级切换电路原理图

3.2 原理分析

其优先级实现分析如下：

(1)全自动运行情况下，SA1、SA2钥匙开关均处于工位“0”，使得其触点1-2、3-4均断开。此时，安全继电器KA2、KA4无法得电，触点自然释放，即：1-2、3-4断开，5-6、7-8接通。因此，只有SIG系统具有控制KA5继电器的通路(1-3-5)，此时车库门系统处于与信号系统联动的自动运行状态。

(2)当IBP盘的SA1钥匙开关拨到工位“1”时，SA1的触点1-2、3-4接通，GDC内的安全继电器KA2得电，使其常开触点闭合，常闭触点断开，即：KA2的1-2、3-4接通，5-6、7-8断开，强制关闭了SIG系统控制KA5的命令信号通路。此时，IBP盘具有控制KA5继电器的通路(2-3-5)，当按钮SB1按下时，SB1的1-2、3-4接通，GDC内的KA3继电器得电，KA3的1-2、3-4接通，使得KA5继电器得电，GDL即判断识别到了一次开/关门命令。此时，车库门系统处于远程人工控制模式。

(3)当GDL的SA2钥匙开关拨到工位“1”时，SA2的触点1-2、3-4接通，安全继电器KA4得电，KA4的1-2、3-4接通，5-6、7-8断开，强制关闭了SIG系统和IBP盘控制KA5的命令信号通路。此时，只有GDL具有控制KA5继电器的通路(4-5)，当按钮SB2按下时，SB2的1-2、3-4接通，使得KA5继电器得电，GDL即判断识别到了一次开/关门命令。此时，车库门系统处于本地控制模式。

(4)综上，车库门系统从硬线上实现了控制模式的优先级(自动运行<远程人工<本地控制)，在车库门系统工作在高优先级的控制模式时，低优先级的系统无论是否有误触发信号，均不影响系统的正常工作。且安全继电器的切换简单可靠，极大的提升了系统的安全性、可靠性。

4 实验

该文设计的车库门监控系统实验样机实物图如图8所示。

图8 车库门样机实物图

车库门GDL的内部实物图如图9所示。车库监视软件主界面如图10所示，此时14#车库门正处于就地控制模式，相应的点位变成绿色。当门体处于开到位且闭锁状态时，相应序号的门体图标也变为打开状态。

图9 车库门GDL内部实物图

图10 车库门监视软件主界面

当需要查看车库门系统的状态或故障信息时，单击状态栏的“历史记录”，即可弹出图11所示界面。可查询记录分为“操作记录”和“故障记录”两类，通过查询相应记录，即可获取各车库门的运行状态，数据以月份为单位汇总存储。

图11 车库门操作记录界面

经过后续的功能测试和循环寿命实验，该监控系统运行稳定、可靠，完全实现了上述的安全防护，优先级识别，实时监控等功能。

5 结语

该文设计了一种用于全自动驾驶线路的车库门监控系统。其控制系统实现了三级控制模式，并通过硬件，安全可靠的切换其优先级，各库门的控制软件和硬件还具有完善的安全防护措施。其监视系统可以实时监控系统内部，并收集、存储、显示各库门的状态和故障信息。因而，该监视系统解决了传统车库门的诸多问题，应用于全自动驾驶线路，可以在确保列车安全出入的前提下，极大提高运营效率，减少工作人员的负担。