北京地铁燕房线站台门编码器测试装置研制及应用探析

张小杰

关键词：燕房线；站台门；编码器；故障检测；精调

1 系统简介

1.1 功能简介

站台门是乘客出入地铁列车的通道，其主要作用如下：

1） 防止乘客误入或有意闯入轨行区或设备区，同时可以避免异物掉落轨行区，影响列车正常运行。

2） 避免乘客被不停靠上下客列车高速行驶时产生的强大负压吸住酿成惨祸。

3） 将隧道和车站隔离开来，使二者互不影响。一方面可以减少车站空调制冷的负荷，另一方面方便对隧道空间的内气流进行阻止，减少列车行驶过程中的阻力，并保持隧道内空气的新鲜。

4） 站台门具有隔音效果，可以减轻站台上听到的噪声程度，尤其是列车在进站前弯道的行驶噪声，为乘客创造良好的乘车环境。

1.2 工作特点

地铁站台门采用全自动运行方式，站台门与列车及信号系统联动，实现：列车进站站台门打开乘客上车站台门关闭列车出站的循环自动工作模式。

站台门的主控单元为DCU[1]，当接收到TIAS系统发出的控制指令后，DCU自动控制站台门执行相应的动作程序。DCU通过控制门机的转速来实现对门体运动的控制，在站台门开关门过程中，门体每一时刻的运动位置应完全按照DCU程序设定进行。DCU对门机的控制为闭环方式，DCU通过编码器实时采集门机的旋转角度（门体的运动位置），进而计算门机的瞬时速度，如速度超前或滞后设定，DCU自动调节对门机控制的给定，从而使站台门的实际运行曲线与DCU 设定的目标曲线保持一致。

地铁站台门是复杂而精密的机械系统，其传动部件如驱动电机、变速箱、皮带、滑轨等部件的机械磨损、旷量及卡滞都会导致站台门运行参数发生变化，如超出DCU的调整范围，将导致DCU保护并输出故障告警。

1.3 站台门维护特点

定期对站台门的机械部件进行维护保养，使系统保持良好的工作状态[2]。站台门的维保方式分为故障修和计划修。计划修即站台门的维护保养按照维修周期分为日常巡视、月度检修、季度检修、半年度检修和年度检修。日常巡视主要检查设备的外观、各个子系统的参数；月度检修主要为站台门系统的功能测试；季度维护除一些站台门的功能测试外，还增加门体间各个间隙之间的检查；半年度维护主要为蓄电池功能测试和紧固线缆；年度维护主要检查各个机械部件有无位移、变形，站台门的绝缘测试以及设备的清洁、轮修工作。

2 现状分析

2.1 现状

2019年5月份地铁燕房线站台门系统共计发生300 起告警和故障，其中约92%未告警，且没有找到原因。

站台门进入大修精调阶段，全线共计站台门288 扇，精调过程中没有相关辅助的测试工具，导致站台门调整工作消耗过多的时间，影响大修整体进度。

2.2 原因分析

通过站台门的工作原理分析遇障告警产生的条件，站台门电机上装有编码器，用于监控站台门运行过程，编码器输出24V脉冲信号[3]， DCU采集编码器的脉冲个数，并与程序中给定值进行比较，如果采集的脉冲数出现差异，就会产生遇障告警。

3 解决方案

3.1 目的及必要性

3.1.1 目的

站台门编码器测试工装的研制目的，是为维护人员提供一套适用的测试工具，能够对站台门的主要性能参数（滑动门的开关门时间，开关门过程中速度曲线）进行检测，能够使维护人员直观地看到站台门的实际运行速度曲线与DCU设定的曲线的差异，从而辅助维护人员对站台门相关机械部件进行维修及调整，将站台门的性能参数趋向于出厂至最佳状态。

3.1.2 必要性

站台门编码器测试装置可用于对站台门的故障及技术分析，并用于指导现场对站台门机械部件的精调，站台门编码器测试工装旨在将站台门的工厂检测标准引入到运营阶段的预防性维修工作中，推进了燕房线站台门维修的标准化。

3.2 工作内容、关键技术

3.2.1 工作内容

项目主要研究一种站台门运行工况检测的测试装置。测试装置应能够在站台门运行过程中实时测试站台门驱动电机运行方向、门体运行位置、瞬时速度、开关门动作时间、动作次数等运行状态参数。便于维护人员针对站台门故障检测及性能方面的比较分析，指导站台门的维护保养工作。

3.2.2 关键技术

项目采用可编程控制器对编码器输出的高频脉冲信号进行捕捉，由可编程控制器将采集的编码器信号进行分析，计算站台门各种实时的运行状态参数，测试数据通过通讯线缆上传至人机界面，由组态软件进行数据连接，通过人机界面进行实时动态显示，并生成数据报表文件记录。

为保证测试精度，在信号采集程序进行了以下优化措施：

1） 方案将站台门的动作过程平均切分为400个时段，每个时段的周期固定为10ms，在每时段的起点位置（即数据采集时钟）读取编码器输出的累计脉冲数（即门体位置），单位时间的门体位移即站台门的瞬时速度。

2） 编码器的输出信号为高频脉冲（最高频率达到2.35kHz） ，常规仪表因分辨率低，采集时会丢脉冲，因此带来测试误差。方案采用可编程控制器内部的高速计数器对编码器信号进行采集，高速计数器的分辨率达到200kHz，远大于信号频率，从而提高信号检测的准确性。

为保证测试精度，方案对测控程序进行了优化：方案采用可编程控制器内部的DPLSY指令，产生精准的100Hz时钟，当时钟中断触发后，主程序自动跳转至中断程序，在中断程序中执行读取高速计数器值及数据计算的程序块，中断程序执行完后再回到主程序原中断点。

3.3 技术路线、研究方法

3.3.1 技术路线

项目采用可编程控制器对编码器输出的高频脉冲信号进行捕捉，由可编程控制器的程序对信号进行处理，计算站台门的运行方向、位置、速度、动作时间、动作次数等参数；项目采用工业平板電脑作为人机界面，可编程控制器通讯与人机界面通讯，将测试数据上传，通过组态软件将站台门的运行数据输出进行实时动态显示，并生成数据报表文件进行记录。

3.3.2 研究方法

1） 编码器信号接入

使用自制的信号采集线缆串联在DCU与编码器反馈线缆之间，将编码器信号引出，线缆管脚定义为：③.GND；④.A相脉冲输出；⑤.B相脉冲输出；⑥.VCC。编码器的A、B两相脉冲信号及信号的接入可编程控制器（简称PLC） 。

2） 信号采集

如图3所示，编码器输出的是A/B两相高频脉冲信号，脉冲电平为24VDC。编码器的脉冲个数表示门机旋转的角度，并呈固定比例（门机的旋转角度×传动系数=门体的运动行程），脉冲的密度表示门机的旋转速度（对应门体的滑动速度）

项目采用AS300P型可编程控制器采集编码器的输出信号[4]。如图4所示X0.0-X0.6为高速信号输入端口，最大分辨率达到200kHz，能够识别高频数字电平信号。

其中，X0.0/X0.1 检测编码器A/B 相信号，连接PLC内部高速计数器HC202（双脉冲计数，带方向识别）；X0.2连接PLC内部高速计数器HC204（单脉冲计数）；X0.3为数据采集时钟同步信号；X0.4为站台门启动信号（上升沿触发）。

3） 数据处理

编码器的高频脉冲信号进入PLC后，需要通过测控程序进行处理，才能完成站台门运动过程的数据采集。以下是测控程序的主要流程示意：

①站台门运动位置检测[5]

②站台门运动速度计算

将寄存器位置的数据按照图6计算（41.58为计算系数），计算结果存放至寄存器中，寄存器存入的数据即为站台门的瞬时速度，单位为mm/s。

③站台门开/关门用时计算

④站台门动作行程计算

⑤站台门开关门测试次数统计

4） 数据上传及HMI组态

项目采用工业平板电脑作为系统人机界面，可编程控制器与人机界面采用RS485通讯，将数据实时上传至人机界面。通过编程将PLC的数据与组态程序中的变量关联，组态画面受变量控制，随着PLC采集的数据实时变化，组态画面中的显示数据、动画、曲线、报表等就会随之刷新。

站台门每次动作完成后，系统会自动生成1 个Access文件，记录了站台门动作过程中的运行数据，以便进行技术分析。

5） 测试装置制作及组装

①测试装置主要技术指标

③测试装置实物

将电源、PLC、一体化工控机开关、I/O接口等部件安装到机箱内，接线完成检测装置的制作。

3.3.3 应用实例

1） 高低温试验性能检测

通过对以上高低温实验运行数据进行分析，最终确定Err14故障原因：站台门在高温环境与常温环境下运行状态参数存在较大差异，由于站台门DCU程序存在缺陷，导致DCU误认为站台门（夏季高温时的）运行参数超出程序的保护范围，造成系统告警。厂家根据依据站台门高低温实验测试数据对DCU的程序进行改进，彻底解决了燕房线站台门误报Err14 故障问题。

2） 预防性维修性能检测

套站台门编码器检测装置，实际应用于站台门的精调维护工作，通过记录最佳状态门的运行数据作为参考标准，指导其他的门机调整趋于至最佳。

4 取得效益

4.1 经济效益

测试装置可提高站台门维护维修效率37.5%。预计每年节省人力成本约2万元。

4.2 社会效益

测试装置的研发，掌握站台门系统工作原理，利用技术手段精准定位故障点，杜绝设备运用过程中存在的安全隐患，设计方案考虑了设备的可用性，便于后期维护维修，为首都地铁运营提供安全保障。

4.3 成果推广

站台编码器测试工装主要为燕房线站台门设计，用于燕房线站台门驱动电机、站台门及其他带编码器的电动设备维修、检测及技术分析使用。该项技术可推广至其他地铁线路。

5 结论

目前国内有针对地铁站台门运行工况检测的测试系统，一般这种测试系统通常在站台门门体上加装传感器，使用专用系统进行检测分析，得出站台门的运行性能参数。这种测试系统适用于工厂实验室测试或第三方认证测试，不适合现场维护人员使用。

项目使用可编程控制器采样站台门驱动电机的编码器信号，研制一套适用于地铁站台门运行工况检测的装置，能够实时测试站台门驱动电机运行方向、门体运行位置、瞬时速度、开关门动作时间、动作次数等运行状态参数功能。设计思路和方案供同行业参考。

文章阐述了利用研制的测试装置应用到站台门的故障及技术分析，并用于指导现场对站台门机械部件的精調，节省人力，提升科技创新目标，达到降本增效的目的。该测试装置因体积小、重量轻、操作简单，便于现场维修人员使用。