地铁屏蔽门安全回路故障快速定位研究

魏广宏 谭虓 谭铁仁 林晓光 张无垠

（北京市地铁运营有限公司 北京市 100043）

1 引言

地铁屏蔽门、列车联锁之间：正常情况下，计算机系统联锁设备检查屏蔽门的开、关门状态，联锁设备通过（BIDI）设备发出开门命令判断列车在站台停稳、停准，屏蔽门开门后，联锁设备通过编码将列车限制在站台区段，当联锁设备没有接收到（BIDI）设备发出的开门命令而检测到屏蔽门打开时，站台区段及站台离去区段（离去区段小于一个车长，则增加一个离去区段）将发送紧急停车码，列车将无法驶入站台，如果此时列车已进入站台或车头还未驶出离去区段，列车紧急制动。

地铁屏蔽门系统的滑动门和应急门等门体关闭并锁紧后，门体会触发安装在门机内的关门到位行程开关和锁闭行程开关，单侧屏蔽门的所有关闭且锁紧行程开关触点串联组成一个环路，环路控制一个安全继电器，是为安全回路，在所有滑动门和应急门均关闭且锁紧后，相应的行程开关的滚轮触发动作，常开触点闭合，所有触点闭合串联回路控制一个安全继电器，安全继电器线圈加电，由该继电器向信号设备发送“关闭且锁紧”命令，列车接到命令可以顺利进入站台或驶出。

屏蔽门门机设置有一个安全回路接口板，接口板的下端有两个接线端子，左侧为CN5，右侧为CN6，CN5和CN6的1号端子在电路板内部接一个集成电路，即松下PhotoMOS继电器，继电器的MOS管端，即图1的常开点，当本道滑动门和应急门关闭时，PhotoMOS继电器的输入端加电，PhotoMOS继电器的红外线发光二极管照射MOS管，管脚4和6分别接CN5和CN6的1，当该道滑动门和应急门关闭且锁紧时MOS管的4和6间导通，CN5和CN6的1号端子间导通。单侧所有滑动门和应急门均关闭且锁紧时，所有的PhotoMOS继电器的MOS管均导通，即图1的所有常开点均闭合，此时安全回路继电器的线圈加电，屏蔽门系统向信号专业发出“关闭且锁紧”命令。

图1：地铁屏蔽门单回路型安全回路工作原理图

图1所示安全回路为单回路型安全回路，此种安全回路的行程开关只能切断安全回路的负极；许多城市的地铁屏蔽门还采用双回路型安全回路（图3），进入安全回路的行程开关触点的一半接在电源正极与继电器线圈正极之间，其余行程开关接在线圈负极与电源负极之间。

图2：松下PhotoMOS继电器AQV201

图3：双回路型安全回路

当行程开关端子虚接、固定螺钉松动、触点老化电阻变大时，安全回路行程开关串联等效电阻增大或开路，此时，尽管所有滑动门和应急门已经关闭且锁紧，但安全回路的电流因等效电阻变大而电流变小，小到安全回路继电器的线圈吸力不足以驱动继电器衔铁动作，继电器的常开触点和常闭触点没有发生改变，尽管所有门已经关闭且锁紧，但继电器仍然向信号专业安全回路低电平命令，列车无法驶离车站或驶入车站，安全回路发生的故障称为安全回路故障。安全回路故障的发生将会延误列车正点运行，载客列车可能较长时间滞留车站或隧道内，给乘客快捷、有序出行带来不便。

2 安全回路故障快速定位的意义、方法

2.1 安全回路故障对运营的影响、意义

分析得出如下结论，列车在进出车站时发生安全回路断开故障，列车立即制动，影响列车正常运行，故障发生后，列车司机通过电台联系车站的综控室，综控员通知安全员到车首的PSL进行互锁操作，通过搬动互锁解除开关发出互锁解除命令，列车可以继续行车。当遇上下行同时发生安全回路断开故障，安全员无法同时操作上、下行的互锁开关，且上、下行的互锁开关位于车站站台长方形平面的对角线两端位置，完成互锁解除操作需要较长的时间，操作延误将严重影响列车正点运行。据统计车站平均每月发生安全回路故障2-7次。

2.2 安全回路故障的监控、排查方法

安全回路中的行程开关，设置有相应的辅助触点用于检测行程开关因固定螺钉松动导致行程开关位置移动造成的安全回路故障，相关的滑动门门状态指示灯会以2Hz的频率闪烁，提示安全回路故障的位置，如行程开关常开点触点接触电阻变大或接线端子松动且辅助返信触点没有触发，安全回路为开路或电阻变大，导致安全回路故障发生，此时门状态指示灯没有故障提示，无法确认是单侧滑动门的具体某道门发生故障。

PhotoMOS继电器串联的安全回路，设置有相应的辅助电路用于检测安全回路故障，当电磁锁关门到位与锁闭行程开关触点开路或电阻增大时，相关的滑动门门状态指示灯会以2Hz的频率闪烁，提示安全回路故障的位置；如PhotoMOS继电器输入端的接线端子松动或开路，导致安全回路为开路或电阻变大，安全回路故障发生，此时门状态指示灯不会故障闪烁，检修人员无法确认是单侧滑动门的具体某道门发生故障。

2.3 安全回路故障的排查方法

假定安全回路故障发生时，回路中的导线、端子、电气元件中只有一处发生故障。

2.3.1 LCB开关方法

LCB开关在没有进行整侧开关门操作的前提下，对LCB开关进行手动关门操作，从首滑动门至尾滑动门逐道进行手动关门操作，同时观察车首的PSL面板的“关闭且锁紧指示灯”，当某道滑动门的LCB开关位于关门位置时如“关闭且锁紧指示灯”点亮，表示该道滑动门发生安全回路断开故障。相邻两个滑动门的距离约为5米，检修人员步行时间，插拔钥匙操作时间，对讲机沟通时间，总计约为20秒，如最不利情况发生，即最后一道滑动门出现安全回路断开故障，车站一般单侧有24到滑动门，须用时480秒，即进行LCB操作查找安全回路断开故障用时在20秒至480秒之间。

2.3.2 单回路型安全回路故障的短封线排查方法

图1所示工作原理，尾滑动门的安全回路接口板的CN6的端子CN6-1和CN6-3短接，CN6-3接PSC机柜的DC24V负极，形成安全回路的串联电路，如果从首滑动门至尾滑动门逐一进行封线作业，当莫一道门短封时如“关闭且锁紧”指示灯点亮，表明该道门发生安全回路故障，单道门封线作业的步行和操作时间约为30秒，整侧门的短封检查时间在30秒至720秒之间。

短封线作业可以适用快速检查流程，即跨越式分区域检查，逐步缩小检查范围。

封线作业时将每道滑动门门机内的安全回路接口板的端子排的CN6-1和CN6-3短接，此时，从1号门至封线门X门之间的PhotoMOS继电器输出端进入安全回路，观察PSL面板的“关闭且锁紧”指示灯，灯点亮表示1号门至X门之间安全回路正常，灯熄灭表示1号门至X门之间安全回路有故障。以单侧有24个滑动门为例说明，首先在12号门进行封线，如灯亮表示故障发生在13号门至24号门之间，如灯熄灭表示12号门安全回路发生故障；在13至24门之间一半处的18号门进行封线操作，指示灯点亮表示13至18号门安全回路正常，如指示灯写灭表示18号门的安全回路发生故障；选择在18与24号门之间的21号门进行封线作业，指示灯点亮宝石22至24号门发生安全回路故障，如灯熄灭表示21号门发生安全回路故障；在22号门进行封线检测，指示灯点亮表示故障发生在23或24号线门发生故障，指示灯熄灭表示22门发生安全回路故障；对23号门进行封线检测，指示灯点亮表示24号门发生安全回路故障，指示灯熄灭表示23号门发生安全回路故障。其余滑动门安全回路的检测方法与上述方法类似。短封线作业时间估算：检查了12、18、21、22、23总计5道滑动门，每道门短封作业时间按照平均30秒钟计算，总用时，150秒。

2.3.3 双回路型安全回路故障的短封线排查方法

双回路型安全回路在首或尾滑动门门机箱内设置有尾封头（设置在距离车站屏蔽门设备间的远端，上下行两侧一个设置在远端，另一个为近端），检查流程见图4，尾封头是一个带有封线的连接器，使用备用尾封头代替封线作业，操作更加简便，检修用时更短，效率更高。

图4：快速定位装置检查流程图

3 安全回路故障快速定位技术方案与关键技术

3.1 快速定位技术路线

图1的安全回路开关元件为PhotoMOS继电器的输出端，即MOS管，导通时视同行程开关的常开点闭合导通。假定发生安全回路故障时为某一道门的安全回路接口板、端子、导线开路或电阻变大故障，故障发生时其余所有滑动门已经关闭且锁紧，即其余所有PhotoMOS继电器的MOS管导通，安全回路电源的DC24V作用在故障门的安全回路接口板的CN5和CN6的端子CN5-1和CN6-1的进线之间，一般假定相邻滑动门安全回路接口板之间的端子1和1之间的导线是完好的，因此只要在左侧CN5-1的进线和右侧CN6-1的出线的导线上并联无源检测元件可以监测安全回路接口板内CN5-1、CN6-1所有导线、端子、电气元件的故障，当PhotoMOS继电器的MOS管导通时检测元件的输入电压为0V，当安全回路断开时电压为DC24V，无源检测元件选用固态继电器。固态继电器的核心元件为光继电器，也就是与PhotoMOS继电器类似的元件，输入端与输出端没有电气连接，有2兆欧的绝缘。

滑动门关闭后安全回路为1，PhotoMOS继电器的MOS管导通；滑动门接收到开门命令，滑动门打开，MOS管截止呈现较大电路视为开路；滑动门接收到关门命令关闭且锁紧后，PhotoMOS继电器的MOS管导通，滑动门关闭后安全回路为1。因此不同开关门的工况下，MOS管截止不一定是发生了安全回路故障，接收到开门命令，MOS管截止是正常的，接收到关门命令且滑动门已经关闭且锁紧后如MOS管截止就发生了安全回路故障。因此需要增加逻辑控制器判断不同开关门工况下的MOS管截止状态，筛查故障信息，进行逻辑判断。

每道滑动门上方设置有门状态指示灯，当滑动门打开过程中或保持开门状态，指示灯常亮；当滑动门关门过程中，指示灯以1Hz频率闪烁，滑动门关闭后指示灯熄灭；当单道滑动门的LCB开关进行隔离、手动关门、手动开门操作时，指示灯会以2Hz的频率闪烁；当滑动门发生开门故障、关门故障、遇障碍物故障时，指示灯会以2Hz的频率闪烁；由于单道门的DCU没有检测单道门安全回路故障的检测功能，因此安全回路故障时没有单道门的故障报警，无法判断是某一道门发生安全回路故障。

本课题研究的目的是克服现有技术的不足，通过增加故障检测元件、可编程逻辑控制器来实时筛选故障信息，正确判断安全回路故障，并通过门状态指示灯显示安全回路故障。技术路线是：将电源电压作为第一个输入变量I0.0；将安全回路无源检测元件固态继电器的输出作为第二个输入变量I0.1；不改变原有的DCU开关门控制逻辑，将DCU驱动门状态指示灯的驱动输出作为可编程控制器的第三个输入变量I0.2；不增加指示灯，而是借用原门状态指示灯，原门状态指示灯的原有功能优先，即DCU驱动门状态指示灯的所有功能优先显示，包括常亮、1Hz频率闪烁、2Hz频率闪烁，当发生安全回路断开故障时，如DCU驱动门状态指示灯的没有输出脉冲电压，则可编程控制器驱动门状态指示灯发出“SOS”报警信息，即3次慢闪3次快闪3次慢闪，如SOS闪烁过程中DCU的门灯驱动发出脉冲信息，立即切断SOS输出，实现原有的DCU驱动门状态指示灯的所有功能优先显示。

3.2 快速定位方法涉及的关键技术

无源检测元件选用固态继电器，固态继电器，是一种由电子元件组成的无触点开关器件，它利用电子元件(三极管、可控硅、MOS管的半导体器件)的开关特性，达到无触点无火花地接通和断开电路的效果，因此被称为“无触点开关”。固态继电器是一种有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出控制端.它既有放大驱动作用，又有隔离作用，适合驱动大功率开关式执行机构，较之电磁继电器可靠性更高，且无触点、寿命长、速度快、干扰小，得到广泛应用。

（1）输入与输出电路之间采用光电隔离技术，绝缘电压2500V以上；

（2）输出端设置有保护电路；

（3）开关时间短，约为10ms，可以应用在频率较高的场合；

（4）固态继电器采用无机械部件，结构上采用了灌注全密封方式，具有耐振、耐腐蚀、长寿命及高可靠等优点，其开关寿命高达1010万次；

（5）负载能力强；

（6）低噪声，干扰极小；

（7）输入功耗很低，可实现与TTL，COMS电路兼容。

3.3 可编程逻辑控制器PLC的选用与检测流程

S7-200是小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功使其在独立运行中，或连接成网络都能实现复杂逻辑控制。S7-200 PLC具有下述特性：实时特性；极丰富的指令集易于掌握；极高的可靠性；强大的通讯能力；简便的编程操作；丰富的内置集成功能；丰富的扩展模块。产品型号：6ES7214-1AD23-0XB8；性能参数：具有14输入点和10个输出点，数字量；通讯接口：1个RS-485；输出类型：晶体管；可连续扩展模块最大数量：7个（168点）。

PLC选用西门子S7-200 1AD23晶体管输出型，I0.0用于检测快速定位装置的电源，当电源上电后10秒，产生脉宽500毫秒的复位清零命令，用于地铁屏蔽门夜间检修作业时，触发安全回路故障启动，此时PLC驱动门灯持续闪烁，发出SOS告警信息，通过操作屏蔽门设备间的DC24V空气开关断电再上电，使得整侧屏蔽门的快速定位装置同时断电并再上电，同时复位清零，避免逐道门复位清零，缩短维保作业时间。快速定位装置检查流程图如图4所示。

3.4 工作原理图简述

PLC设置有3路输入I0.0、I0.1、I0.2，I0.0用于检测电源上电，I0.1用于检测安全回路断开，I0.2用于检测门控器DCU输出门灯驱动电压，程序设置为DCU门灯驱动优先，即当DCU输出驱动门灯的脉冲信息时，门灯接收DCU驱动脉冲，当安全回路故障发生，PLC保持故障启信息，如滑动门进行开关门操作或发生诸如DCU、电机、遇障碍物、电磁锁故障等原DCU预设故障信息时，门灯由DCU控制；如DCU没有驱动门灯脉冲输出，此时安全回路处于故障断开状态，PLC驱动门灯发出SOS故障告警闪烁。安全回路断开故障发生后，PLC保持故障告警状态，即使故障发生后自行恢复，PLC仍然记忆故障告警信息，当设备维修人员检修设备后，按下复位按钮后，PLC才能复位清零并立即进入故障检测状态，实时检测安全回路运行状态。

经过测试，在安全回路故障发生且持续保持1000毫秒，门灯发出SOS故障告警闪烁，提示车站运维人员到场处理，可以通过操作LCB开关，旁路该道门的安全会回路，避免列车延误。

4 结语

地铁屏蔽门安全回路故障快速定位装置的研究与应用，在不改变原有门控器DCU控制逻辑的前提下，不改变原有的滑动门开关门功能，在每道滑动门门机箱内设置安全回路故障快速定位装置，用于实时检测安全回路断开故障，利用原有的门状态指示灯显示安全回路故障告警信息，地铁机电设备维保人员可以有的放矢的检修设备，恢复设备系统功能，保障地铁列车安全、正点运行，为地铁乘客快捷、有序出行复位。地铁屏蔽门安全回路故障快速定位装置在运用避免了故障维修的盲目性，缩小了故障排查范围，对于降本增效，提高地铁机电设备的维修保养水平有积极意义。