程轉(zhuǎn)花，蘭葭凌，王亞明，付燕榮

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

地鐵屏蔽門系統(tǒng)與乘客的安全息息相關，在城市軌道交通中起到至關重要的作用。屏蔽門作為安全屏障，動作頻繁、故障率高，是城市軌道交通日常運營中維護和檢修的重點。因此，掌握屏蔽門維護與檢修的專業(yè)知識、提高實踐技能是人才培養(yǎng)與崗位培訓的重中之重。真實的屏蔽門設備不僅價格昂貴、占地面積大、質(zhì)量大，而且體積龐大、門機系統(tǒng)位置高，不利于教師講解和學員實踐訓練。本文以1∶5 的比例高度模擬真實的地鐵屏蔽門系統(tǒng)，外觀使用透明亞克力板，便于學生在教師教學演示過程中直觀清晰地看到各元件位置、了解運作原理、掌握維修方法、熟悉其控制及操作。該系統(tǒng)使用PLC 控制，由于選用了現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技能和嚴格的生產(chǎn)工藝來制作內(nèi)部電路，使得PLC 控制可靠性高、抗干擾性強，與傳統(tǒng)操控體系相比無機械觸點、運行磨損小、使用年限更長，且PLC 使用存儲邏輯代替接線邏輯，極大地減少了操控設備的外部界限，安裝方便、便于日常維護。

1 屏蔽門教學系統(tǒng)的組成及功能

該教學模型以1∶5 的比例高度模擬真實的地鐵屏蔽門系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由機械和電氣控制兩部分組成。其中，機械部分包括門體結(jié)構(gòu)和門機系統(tǒng)，門體結(jié)構(gòu)主要包括固定門、滑動門和應急門，門機系統(tǒng)包括門頭鎖、傳動裝置、驅(qū)動裝置等[1]；電氣控制部分主要集中在左側(cè)電控柜中。該模型框架采用20 mm×20 mm鋁合金型材，頂箱蓋板、門體、控制箱體采用5 mm厚透明亞克力板，通過PLC 控制技術(shù)可以實現(xiàn)滑動門的開閉、應急門在緊急情況下打開、門頭燈及客流預警燈的亮滅、障礙物檢測及報警等功能，頂箱蓋板與實際一致，可打開進行檢修作業(yè)。屏蔽門教學系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 屏蔽門教學系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

該教學系統(tǒng)可實現(xiàn)以下教學功能：①在理論課教學過程中進行演示，學生可以觀察到各元件位置、機械運動、零件的結(jié)構(gòu)和運作原理；②通過對屏蔽門教學模型進行拆裝、維護、檢修等實訓，便于學生掌握維護檢修技能，也有利于地鐵公司對員工進行崗前培訓；③通過客流誘導指示燈閃爍實現(xiàn)乘客擁擠狀態(tài)顯示，誘導乘客乘車，疏散客流，提高舒適度[2]，提高學生的學習興趣，加深對知識的理解，將理論與實踐相結(jié)合，促進學生創(chuàng)新能力提升；④可實現(xiàn)教學系統(tǒng)硬件與軟件的聯(lián)動，構(gòu)建虛實數(shù)字孿生一體化實訓平臺，該教學系統(tǒng)簡易環(huán)保、便于安裝，易于維護，運行和維護成本低，方便教學使用。

2 教學模型的設計

2.1 機械設計

教學模型按照1∶5 的比例高度模擬真實的地鐵屏蔽門，模型設計圖如圖2 所示。

圖2 屏蔽門教學模型設計圖

模型滑動門寬500 mm，應急門寬625 mm，固定門寬625 mm，頂箱高200 mm，總體高650 mm；底部橫向的2 根長桿，客觀上增加了整個站臺的剛度，左側(cè)電工柜放置電控設備，同時也增加了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使整體的剛度大大改善，并設置有站臺候車區(qū)域。

屏蔽門設計有防夾裝置，在屏蔽門后兩側(cè)安裝有對射式光電傳感器，并且頂箱是可以上下翻動的，模擬真實的地鐵屏蔽門可以打開進行維修，頂箱后側(cè)的電機帶動同步帶輪可以使滑動門打開、關閉，同時，霍爾開關檢測門及門頭鎖是否開、關到位，以進行下一步動作。在電工柜的上方，安裝有急停按鈕，以便在發(fā)生緊急情況時進行制動。

2.2 控制系統(tǒng)設計

2.2.1 傳感器和執(zhí)行器選型

選擇霍爾傳感器來判斷開關門是否到位、門頭鎖打開和鎖閉；關門障礙探測考慮到距離問題選擇對射式傳感器；電機選用DC24 V 微型電機，該電機自帶編碼器；門頭鎖電磁閥24 V，行程8 mm。

2.2.2 PLC 控制器

該教學系統(tǒng)輸入輸出并不復雜且相對固定，選用小型控制系統(tǒng)，這一類PLC 控制器的典型代表有西門子公司的S7-200 系列、三菱公司的FX 系列、歐姆龍公司的CPM1A 系列等?？紤]到該教學系統(tǒng)的規(guī)范性、方便性、通用性、兼容性以及學校教學的統(tǒng)一性，選擇西門子公司的S7-200。最終確定PLC 型號，CPU ST20 為12 路開關量輸入，8 路開關量輸出；EM DE08為8 路開關量輸入；EM DT08 為8 路開關量輸出；EM AM03 為2 路模擬量輸入，1 路模擬量輸出。

根據(jù)元器件種類及功能需求，對PLC 控制器的輸入輸出端口（I/O）進行分配，如表1 所示。

表1 PLC 控制器的I/O 分配表

2.3 PLC 程序設計

在進行PLC 控制系統(tǒng)設計時，要在功能完善的基礎上，遵循易讀、易改、易于運行的原則，程序語言的編寫要簡潔明了，減少程序的掃描時間，進一步保證屏蔽門教學系統(tǒng)的運行精準度。

整體的程序設計流程圖如圖3 所示。當系統(tǒng)開始運行，首先進行信號處理，零點量程的轉(zhuǎn)化，即將電機接收到的脈沖轉(zhuǎn)化為實際距離；其次進行初始化，即門是否在開到位或關到位的位置，當因故障或斷電導致門停在中間，系統(tǒng)運行時將會使得門先到達設定的初始位置后，再進行開關門的程序設計。當發(fā)生緊急情況或者開關門過程中有障礙物時，系統(tǒng)將進行報警輸出；當程序正常時，則客流預警相應的指示燈亮。

圖3 程序設計流程圖

開關門控制程序首先要有開門關門的信號、具備開關門條件，由于急停程序優(yōu)先于任何運行程序，故當急停程序運行時，開門指令將無法正常進行。開門程序如圖4 所示。

圖4 開門程序

3 屏蔽門教學系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 屏蔽門教學系統(tǒng)制作

通過對設計圖紙進行機械加工制作和控制器設計安裝，得到基于PLC 的屏蔽門教學系統(tǒng)樣機，如圖5所示，左側(cè)部分是電控柜，材質(zhì)使用鋁合金框架和透明亞克力板，通過PLC 控制門機系統(tǒng)實現(xiàn)屏蔽門滑動門開閉、門頭燈亮滅和閃爍以及障礙物探測防夾功能?？刂葡到y(tǒng)具有手動和自動控制2 種模式，手動控制時可以用按鈕實現(xiàn)運行[3]。在最后測試階段中結(jié)合Python圖像識別的結(jié)果，經(jīng)MicoWin 傳輸至PLC 中控制客流誘導指示燈顯示車廂的擁擠度，實現(xiàn)對該教學模型的創(chuàng)新。

圖5 基于PLC 的屏蔽門教學系統(tǒng)樣機

3.2 屏蔽門教學系統(tǒng)測試

在總裝調(diào)試前，對編寫的程序進行模擬調(diào)試，確定程序無誤后，將程序?qū)隤LC 中運行；檢查電源、PLC 與電腦接線、硬件接線，確保接線正常；將程序?qū)脒M行調(diào)試，檢測程序編寫的優(yōu)先級、指示燈、蜂鳴器、開關門、門頭鎖等運行是否正常，圖像識別、處理客流預警信息是否準確；對于達不到程序設計要求的進行優(yōu)化處理，處理后再次進行調(diào)試，直至程序調(diào)試正常。

4 結(jié)論

屏蔽門作為地鐵車站重要設備之一[4]，如何將理論與實踐相結(jié)合，深入理解屏蔽門的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握檢修和維護技能，是各級各類學校專業(yè)教學的痛點和難點。對于當前城市軌道交通教學設備使用現(xiàn)狀而言，體型小、性價比高、運行成本低、易于維護和維修的教學模型實屬少見，而基于PLC 的屏蔽門教學系統(tǒng)符合實際教學需求，將有益于軌道交通專業(yè)教學。同時，該教學系統(tǒng)增加了基于圖像處理的客流誘導功能，符合智慧城軌車站建設的發(fā)展方向和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需求。