基于信号识别的地铁屏蔽门自动控制系统_凌人.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第4期No.42023年2月Feb.2023收稿日期：2021-11-24稿件编号：202111165作者简介：凌 人（1982），男，浙江宁波人，高级工程师。研究方向：机电设备及工程管理。城市轨道交通系统不断智能升级，地铁设备也更加完善，这极大方便了人们的生活。地铁屏蔽门自动控制系统实现了屏蔽门的自动控制，现已逐步成为我国城市交通不可或缺的一部分。地铁屏蔽门能够有效隔离行车区域和候车区域，是关系到我国地铁列车乘客安全的重要设备之一。其中，北京地铁亦庄线、昌平线、房山线和 15 号线均应用了该系统，实现了屏蔽门与车门的联动控制。目前，比较常用的地铁屏蔽门自动控制系统主要是基于PLC的自动控制系统和基于故障树的自动控制系统。基于 PLC 的自动控制系统成本较高，其中 PLC 软件和硬件体系不兼容，结构较为封闭1；基于故障树的自动控制系统构建故障树的难度较大，对安全运维人员的要求较高，难以推广和普及2。为了解决上述问题，文中提出基于信号识别的基于信号识别的地铁屏蔽门自动控制系统凌 人1，谢 波2（1.宁波市轨道交通集团有限公司智慧运营分公司，浙江 宁波 315101；2.杭州墨羽科技有限公司，浙江 杭州 310000）摘要：针对现有地铁屏蔽门自动控制系统中存在的信号识别能力差，导致控制效果较差等问题，基于信号识别设计了一种新的地铁屏蔽门自动控制系统。系统硬件采集模块选用ISO AD16 A4-485作为主控制芯片，采用传感器与 STM32传输数据，并选用 MCS-51单片机程序存储器作为存储元件，通过微控制器TMDSCNCD28388D构建控制模块。采用信号识别技术鉴定不安全信号，在完成系统初始化、实时信号采集和识别及控制指令后，实现自动控制。实验结果表明，所提系统具有很强的控制能力，能够有效提高控制效率。关键词：信号识别；地铁屏蔽门；自动控制；控制系统中图分类号：TN301文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）04-0082-04DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.04.017Automatic control system of metro platform screen door based on signal recognitionLING Ren1，XIE Bo2（1.Ningbo Rail Transportation Group Co.，Ltd.，Intelligent Operation Branch Company，Ningbo 315101，China；2.Hangzhou Moreen Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）Abstract:Aiming at the problems of poor signal recognition ability and poor control effect in the existingautomatic control system of metro screen door，a new automatic control system of metro screen door isdesigned based on signal recognition.The system hardware acquisition module selects ISO AD16 A4-485as the main control chip，uses the sensor and STM32 to transmit data，and selects the MCS-51 singlechip microcomputer program memory as the storage element，and constructs the control module throughthe microcontroller TMDSCNCD28388D.The unsafe signal is identified by signal identification techn ology，and the automatic control is realized after the system initialization，realtime signal acquisition，identification and control instructions are completed.The experimental results show that the proposedsystem has strong control ability and can effectively improve the control efficiency.Keywords:signal recognition；subway screen door；automatic control；control system-82地铁屏蔽门自动控制系统设计。1控制系统硬件设计1.1数据采集模块在系统硬件设计中，设计数据采集模块，通过该模块提取系统运行的初始数据，并对其中的数据进行一定处理。采集器电路图如图1所示。图1采集器电路图观察图 1 可知，文中研究的采集器设置了 D1、D2、D3、D4四个触发器、一个连接线和一个电阻，并设置了电容器，以确保信号处理器能够正常运行3-4。地铁屏蔽门处于地下位置，特殊的地下环境会影响通信信号的有效传输。因此，为了提升信号处理的有效性，该设计中选择的通信服务器为 RJ45型号，该设备可提升通信数据的传输效率。其中，采集器采用通信信号脉冲保护接口，该接口具有高效的抗干扰能力，通信脉冲响应的持续时间小于100 ms，每个工频模块内部还配有瞬态信号脉冲自动抑制二极管，用于自动抑制各种工频短波信号以及回波时的工频信号脉冲，保护整个工频模块。采集器内设置了数字滤波器，可以更好地抑制多种工频信号脉冲波的干扰5。1.2存储模块设计存储模块的作用是对地铁屏蔽门控制系统中一些重要参数进行永久保存。设计时，在文件 RAM中设置存储单元，用于存储驱动电机正常运动的各种状态数据6-7。文中选用 MCS-51单片机程序存储器作为存储元件，满足该系统存储需求。通信形式一般为半双工或全双工。另外，选用了一块64 kB非易失性随机存储器 FM24CL64 作为外部存储器，用来存储门宽参数、门速曲线、事件日志等重要数据。1.3控制处理模块设计控制处理模块的主要作用是接收控制系统中的信息数据。处理后，数据将通过相应微控制器发出命令，控制屏蔽门按照系统设定操作程序，自动完成系统相应控制操作，并将系统中工作状态、控制信息一并通过控制信号源的指示电路输出。系统控制模块主要由微控制器TMDSCNCD28388D、控制电路、内部控制面板以及接口集成电路构成8-9。TMDSCNCD28388D是一款 C2000型实时微控制器，其运行速率超过600 MIPS，可实现实时控制性能；该微控制器支持从512 kB到1.5 MB的闪存存储器，具有100337个引脚。文中设置的控制监测器主机结构如图2所示。图2控制监测器主机结构图观察图 2 可知，控制监测器主机的复位电路和轨道电路连接，能够很好地保证电路正常运行10-11。将集中器和检测单元作为核心设备，实现信号控制。信号处理器结构图如图3所示。图3信号处理器结构图观察图3可知，处理器利用A/D转换实现信号之间的转换，同时配合测量装置达到处理效果。处理器内部芯片采用方平包装(Quad Flat Pack，QFP)和球状矩阵排列封装(Ball Grid Array，BGA)，可实现设计的灵活性。独立式插件（Free Standing Insert，FSI）外设可提供可靠低成本的串行通信，其平均吞吐量(高达 200 Mbps)高于其他快速串行外设。FSI可快速在器件之间传递数据。另外，芯片上还设有与软件开发控制装置互相连接的在线数字编程控制接口，适用于普通地铁轨道屏蔽门这种比较典型的驱动电机电路数字化编程控制集成系统12。2自动控制系统软件设计基于信号识别的地铁屏蔽门自动控制系统工作凌 人，等基于信号识别的地铁屏蔽门自动控制系统-83电子设计工程 2023年第4期流程如图4所示。图4地铁屏蔽门自动控制系统软件流程2.1系统初始化屏蔽门通电后微控制器 TMDSCNCD28388D 启动后初始化系统，开始执行初始优化控制程序，配置屏蔽门控制系统正常运行的控制参数。系统初始化主要包括系统运行变量初始化、屏蔽门运行控制参数初始化和屏蔽门电源驱动控制系统初始化。系统程序变量用于初始化，且自动定义并初始化系统应用程序，如交流电变量、门速曲线速度变量、串口总线通信及总线串口通信速度变量等。屏蔽门运行程序参数初始化，用于自动读取屏蔽门初始运行程序的参数。屏蔽门电源驱动控制系统初始化，是对初始化硬件控制驱动模块以及相关的数据寄存器进行初始化，主要包括程序设置信号的转换开关模块频率、A/D信号转换开关模块等13-14。2.2基于信息识别采集和识别信号初始化工作完毕后，系统自动进入运行状态，由采集器实时采集地铁屏蔽门视频信号，经高频 A/D信号处理模块转换成高频数字信号，输送至信号增强模块。信号识别是实现系统通信的关键，在该研究中，设定地铁屏蔽门自动控制系统中通信信号的阈值，将处理后的信号分别存储在对应的存储模块中，并将识别的结果反馈至相应控制器中。利用识别技术得到微积分的传达函数，如式（1）所示：E(s)=U(s)s=1kUD(k)+e(k)TDTLFP（1）其中，E(s)代表微分输入；U(s)代表微分输出；k代表采样时的序号，k=0,1,2；UD(k)代表第k次采样的输出值；e(k)代表第 k次采样输入的偏差值；TD 代表微分时间；TL代表积分时间；F代表滤波器系数；P代表比例系数。在上述研究的基础上，将屏蔽门运行状态上传到远程监控中心中，然后刷新数据的交互状态，根据数据的安全校验约束条件，校验数据访问的安全性，最后将备份处理数据存储到备份的数据库中15-16。2.3控制指令的执行基于信号识别地铁屏蔽门自动控制系统中以开门速度曲线为主要依据，计算系统开门、关门时不同速度位置开门处的速度，进而获取不同位置的速度信号。为了减少控制程序的速度计算工作量，事先将系统设计应用到各个给定速度表所对应的相关信号数据中，并将其直接写入系统存储器中。在正常情况下，控制器接收来自站台信号处理器的信号；在站台检修以及停运、消防、战备等特殊紧急情况下，由所属站台应急管理人员，通过站台人工直接进行干预，并将指令输出到生成器，由生成器生成站台应急管理控制指令，此时站台控制器不需要接收来自信号处理器输出的指令信号。为有效抑制干扰信号对系统内部扰动产生的影响，系统控制算法采用微分方程增量式 PID算法，这种算法的基本思想是在普通增量式 PID算法中加入低通滤波器，从而得到较为理想的输出控制量，根据输出表达式实现自动控制。3实验研究为了检测文中设计的基于信号识别的地铁屏蔽门自动控制系统的有效性，分别选用文中控制系统和PLC控制系统、故障树系统进行识别，分析信号识别率和控制效率。文中实验选用的铁路区间长度为 19 000 m，对铁路空间的空闲区进行识别，筛选铁路内部的计轴点，连接计轴系统，通过区间空段检查设备导出最终结果。为更好地保证实验结果，文中利用微机联锁系统连接接口电路，实验结果经过监视现场计轴设备输出，信息录入过程如图5所示。在实验过程中，设定计轴点，并将计轴点安装在进站信号内侧，以便更好地采集机输出信息，反馈信息的特征变化，判断正弦波信号。信号识别过程如图6所示。-84图6信号识别过程图 6中，三个计轴点同时感知信号，被感知的信息通过传感板实现预处理，完成后统一进入到接收单元，以此实现铁路区间控制结果的输出。信号识别效率计算公式为：M=