CN102536033A - 轨道列车智慧门控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道列车智慧门控制系统，包括控制模块驱动模块和监测诊断模块，采用每节车厢由一台控制模块控制，每扇门设有一台驱动模块，控制模块和驱动模块之间采取CAN总线方式进行通讯，实现“一控多驱”的控制模式。控制模块与列车总线相连，工作过程为控制模块接收列车总线上传输的开关门等控制信号，再根据得到的控制信号把TCMS通讯指令通过CAN总线或其它通讯方式传递给车厢内每个门上的驱动模块，来控制电机对门的开关动作，并且可以把驱动模块对电机的实时监测数据进行采集与初步诊断。本发明可以对控制模块、驱动模块和电机的运行状况进行实时监测与诊断，对列车门系统的健康度进行评估，提高列车的运行可靠性。

Description

轨道列车智慧门控制系统

技术领域

本发明属于工业自动化控制、泛在感知、网络通信等技术领域，特别是一种轨道列车智慧门控制系统。

背景技术

轨道列车门控制系统主要应用于地铁或者轻轨等城市轨道列车门的控制方面：主要负责接收列车顶层（司机室）的控制信号，如开关门动作、锁闭、障碍检测、隔离切除，结合列车车门上的一些位置传感器如门开关到位、门锁闭到位和行程开关等信号来实现对列车门的开启和关闭等控制功能。参考图1，目前城市轨道列车自动门系统的控制系统由电子门控器(EDCU)、驱动器、检测器件等组成，其核心部分是EDCU。这些器件集成在一起组成列车门控制系统，控制器通过通讯模块与列车总线相连，接收列车总线上的控制指令，控制器通过总线与驱动器相连，传输各种控制指令，来控制执行元件电机的运行，检测模块与电机相连，实时检测电机的运行状况，并反馈给控制器。每一扇门上都安装有一套门控制系统来控制列车门的运动，是典型分布式控制系统。

由于在城市轨道交通中站与站之间的运行时间较短，单节车厢车门数量为八到十个，使得整辆列车的门数量很多，在运营时门的开启与关闭比较频繁，据地铁运营部门统计，轨道车辆的客室车门是地铁运营中使用最多的车辆设备之一，从而导致门控系统的故障率较高，造成列车不能正点运行，频繁发生“侵客”事件，尤其在上下班高峰期，也不乏发生乘客伤亡的重大安全事故（杨峰，南京地铁客室车门系统介绍与故障浅析[J]，机车车辆工艺，第5期2009年10月）。门控制系统主要出现的问题体现在以下几个方面：(1)门控制器的可靠性没有达到相关要求，平均无故障时间(MTBF)比较小，在实际使用中某些零件如到位开关等故障率非常高。(2)现有部分门控制器与列车间通信采用RS232或RS485等串口方式，抵抗环境中共模干扰能力较弱。(3)现有门控制器基本上都是把控制模块与驱动模块集成为一个整体，其中各关键部件之间耦合度较高，只要一个部件出现问题，整个控制器处于瘫痪状态，很难确定出现故障的部件，给维护门控制器增加了难度，影响列车的正常运营。(4)现有门控制器智慧性太低，不能对门控系统健康度进行评估，不能对故障进行预警和自主排除故障，对故障指示不明确，只是简单的通过声音或指示灯进行报警，导致维修难度增大。(5)现有的门控制器广普性较差，只是适用于某个列车厂商的某一种或某一型号的列车，不具备普遍适用性，对于不同的列车就要开发不同的控制器，增加了研究开发成本，不利于公司的多元化发展。

发明内容

本发明的目的在于采用模块化和冗余热备的设计，提供一种可靠性高，抗干扰能力强，可以进行故障预警和自主故障检测，并具有开放性和易维护升级的智慧门控制系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种轨道列车智慧门控制系统，在每节车厢内设置一台控制模块，在每节车厢内的每扇门上设置驱动模块，在整列车上设置一个监测诊断模块，每台控制模块与列车上的列车总线和安全回路相连，接收列车总线上的控制指令，在每节车厢内的控制模块和该节车厢内的每个驱动模块通过CAN总线相连，控制模块将TCMS通讯指令传递给车厢内每扇门上的驱动模块，驱动模块驱动电机实现开关门、锁闭、障碍检测、隔离切除动作，监测诊断模块通过监控与维护总线和控制模块相连，实时监测控制模块和驱动模块的运行状态。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明最显著的特点是采用“一控多驱”的模式，车内采用两层网络控制结构，每节车厢一台控制模块，每扇门一台驱动模块，整列车一台监测诊断模块，实现控制模块和驱动模块分离，控制模块和驱动模块之间采取CAN总线方式通讯。控制模块只需控制检测本节车厢的驱动模块，单节车厢控制模块节点成倍减少，从而成倍减少列车总线上的通讯负载，提高网络运行的速度及可靠性。另外采用“一控多驱”的结构后，使得门控制模块系列化，门驱动模块通用化得以实现，驱动模块只负责底层的门开关动作等，使得驱动模块标准化、模块化，便于维护，这样针对不同的厂家的驱动模块，只需要更换每节车厢的控制模块或者设定相应参数就可以实现对门的控制，而不像传统的门控系统需要全部更换和开发，门控制系统成本得到一定程度上的优化。（2）控制模块采用冗余-热备结构设计，分别对电源和CPU进行热备，热备CPU之间采用主-从工作方式，主从CPU间数据实时更新与共享，实现无中断故障切换，并且出现故障的模块通过报警提示更换或排除故障。根据故障不是突发的这一原理，在故障发生前都会有一些前兆，通过监测诊断模块监测分析电机的电流等信号，可以对故障进行预警，建立门的健康度评估机制，自主排除一些简单的故障，对发生故障的车门做出处理，或是隔离切除，或是降级运行等。采用热备的控制模块和监测诊断模块，可以提高系统运营期间的可靠性——平均无故障时间(MTBF)提高至少1.5倍以上。 （3）控制模块和驱动模块之间通过CAN总线进行数据通讯，CAN总线采用非破坏总线仲裁技术，使用短帧数据结构，所以传输稳定可靠，短距离传输具有很高的通讯速率，且具有错误检测机制，所以CAN总线通讯具有很好的抗干扰性。（4）本发明在设计时采取了模块化的设计思想，将门控制系统划分为控制模块、驱动模块和监测诊断模块等，每个模块单独设计电路板，在物理层面上各个模块是相互独立的，某个模块出现故障，只需更换这个模块即可，对于故障诊断与维护具有很大的帮助，并且每个模块都预留有标准接口，为可能的后续升级模块连接做好准备。（5）控制模块加强了智能化设计，门控系统在运行过程中对运行参数可以进行自学习与优化，对于地铁类客车门系统可以设定为“高峰”运营模式，专门为处理上下班高峰时客流量大的运行工况。在正常运行过程中，每次开关门运行参数将被控制模块存储，并作为智能监测与故障诊断的原始资料，在站间运行时提交给监测诊断模块作健康度评估，对于健康度较低的驱动模块，在到达下一站前作好通知与隔离准备，系统运行参数可以通过维护人员下载或者无线传输到维护中心永久保存，并进行分析优化，可以为下一代控制系统的研发提供数据参考。（6）针对目前不同轨道列车厂商生产的列车顶层采用的通讯协议不统一的问题，本发明在控制模块上预留了CAN接口、RS485接口，另外控制模块留有通讯扩展接口，用于MVB、HDLC以及Ethernet等通讯接口的扩展，只需要简单配置软件资源就可以适应不同的通讯协议的轨道列车。控制模块和驱动模块均采用标准控制接口，任务驱动的管理机制，针对轨道列车门系统不同的客户要求可以搭配相应控制任务，既可以应用于车门较多的城市轨道交通列车，也可以应用在车门较少的中长途轨道列车，采用开放性设计思想，可以缩短开发周期，提高智慧门控制系统的适应性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为现有门控制系统结构图。

图2为本发明原理系统结构图。

图3为本发明控制模块结构框图。

图4为本发明驱动模块结构框图。

图5为本发明监测诊断模块结构框图。

图6为控制模块主备模块切换流程图。

图7为监测诊断模块在线和离线两种故障诊断算法流程图。

具体实施方式

结合图2，本发明轨道列车智慧门控制系统，在每节车厢内设置一台控制模块，在每节车厢内的每扇门上设置驱动模块，在整列车上设置一个监测诊断模块，每台控制模块与列车上的列车总线和安全回路相连，接收列车总线上的控制指令，在每节车厢内的控制模块和该节车厢内的每个驱动模块通过CAN总线相连，控制模块将TCMS（列车控制和管理系统）通讯指令传递给车厢内每扇门上的驱动模块，驱动模块驱动电机实现开关门、锁闭、障碍检测、隔离切除动作，监测诊断模块通过监控与维护总线和控制模块相连，实时监测控制模块和驱动模块的运行状态。上述控制模块、驱动模块和监测诊断模块采用模块化设计思想，均为独立设计，以微控制器为主体构成，每个模块线路板上预留标准接口。

因为列车车厢开门的一侧的控制器在列车到站时都将完成一次开关门动作，各个控制器要完成的任务相同，控制器的电源模块与通讯模块（除编址不同）软硬件完全一致，驱动部分硬件相同而参数可能会因单体结构的区别而不同。本发明把单节车厢内的八到十个门控制器所要实现的功能集成到一个车厢门控制模块中，使得单节车厢只有一台控制模块，每扇门有一台驱动模块，把控制模块和驱动模块分开，实现“一控多驱”的控制模式。车内采用两层网络控制，单节车厢由控制模块与列车总线相连，车厢控制模块再根据车门数量连接下层驱动模块节点；监测诊断模块通过通讯接口实时监测诊断控制模块与驱动模块，对控制模块和驱动模块的健康度做出评估，提高系统的运行可靠性。

采用“一控多驱”两层网络结构可以成比例的减少控制模块的数量，使列车总线负载成比例减少，每节车厢的控制模块只需控制检测本节车厢的驱动模块，大幅降低总线巡测时间，另外采用“一控多驱”的结构后，使得门控制模块系列化，门驱动模块通用化得以实现，驱动模块只负责底层的门开关等动作，使得驱动模块标准化、模块化，便于维护，这样针对不同的厂家的驱动模块我们只需要更换控制模块或者设定相应参数就可以实现对门的控制，门控制系统成本得到一定程度上的优化。

根据图2的系统结构图可知，本发明智慧门控制系统主要包括控制模块、驱动模块和监测诊断模块三部分组成。控制模块和驱动模块实现了分离，控制模块为车厢级控制模块，与列车上的列车总线和安全回路相连，接收列车总线上的控制指令。控制模块和驱动模块通过CAN总线即列车内部总线相连，控制模块将TCMS通讯指令传递给车厢内每个门上的驱动模块，驱动模块驱动电机实现开关门等动作。监测诊断模块通过监控与维护总线和控制模块相连，可以实时监测控制模块和驱动模块的运行状态。系统的信号走向为：控制模块通过自身的通讯接口与列车上的列车总线和安全回路相连，接收列车线上的控制指令；驱动模块和监测诊断模块通过自身预留的通讯接口与控制模块上的通讯接口通过总线相连，接收控制模块发送的指令并向控制模块反馈运行状态。

结合图3，控制模块包括电源模块、CPU模块、实时共享数据区、通讯接口、通讯扩展接口、IO接口、外部存储设备和人机接口。电源模块与CPU模块连接，电源模块为整个控制模块提供电源，通讯接口、通讯扩展接口、IO接口、外部存储设备和人机接口都与CPU模块相连，进行数据与信息的传递，其中电源模块和CPU模块采用双机热备结构主从模式，即Active／Standby方式，当主控模块出现故障时，通过基于CPLD设计的切换逻辑迅速激活热备模块，保证控制模块在短时间内恢复正常使用。为了保证控制模块无间断运行，本发明在主控模块和热备模块之间采用了实时共享数据区，主控模块和热备模块都与实时共享数据区相连，在正常运行情况下，主控模块和热备模块都能向共享数据区读数据，但只有主控模块向共享数据区写数据，当主控模块出现故障时，切换到热备模块时，此时热备模块向共享数据区读和写数据，因为主控模块和热备模块的数据区是同一个，所以可以保证在切换后无间断运行。控制模块配置通讯接口为CAN 2.0B与RS485，控制模块留有通讯扩展接口，用于MVB、HDLC以及Ethernet通讯接口的扩展，控制模块的通讯接口分别与列车总线、驱动模块与监测诊断模块相连；控制模块内置日历功能，对故障发生时间进行记录，控制模块将故障记录保存在外部存储设备上，控制模块具有可视化人机交互操作接口，供维护人员查看或修改内部参数。控制模块具有可视化人机交互操作接口，供维护人员查看或修改内部参数。控制模块内部信号走向为：电源模块为整个控制模块提供电源，主控模块和热备模块都与实时共享数据区相连，通讯接口、通讯扩展接口、IO接口、外部存储设备和人机接口都与CPU模块相连，进行数据与信息的传递。

结合图4，驱动模块包括DC/DC转换器、主控芯片、IPM智能功率模块，DC/DC转换器、IPM智能功率模块与主控芯片连接，主控芯片与车体上的指示灯或报警器连接，主控芯片采用TI公司的DSP芯片，接受控制模块的控制指令，驱动每扇门上的无刷直流电机进行开关门运动、锁闭、障碍检测、隔离切除，并驱动车体上的指示灯或报警器进行指示或报警；主控芯片、IPM智能功率模块对无刷直流电机进行控制，主控芯片中集成CAN、485和232通讯接口，与控制模块相连，接收控制模块控制指令信号，反馈故障诊断数据；主控芯片通过CAN、485或232通讯接口接收控制模块的控制指令，每扇门上的传感器信号通过隔离后由主控芯片DSP的GPIO模块输入，并且无刷直流电机动作需要安全回路使能，DSP芯片把控制信号转换为相应的PWM控制信号，和经过安全使能的信号联合控制IPM智能功率模块，进而控制无刷直流电机的运转，无刷直流电机的电流经过采样后送入主控芯片内，调节PWM控制信号，使无刷直流电机力矩可控，电机位移信号通过隔离，反馈给主控芯片，由QEI模块测得，使电机位移可控。

结合图5，监测诊断模块由以Cortex-M3为内核的ARM为核心设计的，ARM分别与键盘、外部存储器、液晶显示屏、无线模块和通讯接口相连，监测诊断模块在列车运营期间对控制模块和驱动模块进行健康度的分析，对健康度低的模块要进行隔离或降级使用，减少影响列车正常运行的故障的发生，提高门控制器的运行可靠性。通过通讯接口与控制模块的通讯接口相连，接收控制模块和驱动模块反馈的运行状态，并在液晶显示屏上实时对门系统的运行状态进行显示，外部存储器储存门系统的运行状态，作为故障处理与维护的依据，通过无线模块把故障数据传送到远程维护中心，进行精确地分析与处理，通过键盘设定监测诊断模块的运行参数，并且通过监测诊断模块给控制模块配置参数。

本发明具有较高的通用性，主要体现在以下两个方面：(1)控制模块对于每节车厢具体车门数没有限制，因为本发明控制模块和驱动模块是独立的，之间通过CAN总线或其他扩展通讯接口进行通信，这些总线都是一种支持多主多从的现场总线，如CAN总线所支持的最大节点数为110，而目前不同轨道列车的单节车厢的车门数为6、8或10不等，远远小于CAN总线支持的节点数，所以可以很方便的增加或减少驱动模块，只需将其挂接到CAN总线上即可，所以本发明能较好的适应不同车辆厂商的需求。(2)目前列车通讯总线标准并未统一，所以本发明的控制模块上配置了RS485接口、CAN接口，还预留有通讯接口扩展，以适应MVB、HDLC或者Ethernet等通讯协议，所以本发明基本上可以满足目前各种主流的通讯协议，使本发明具有较高的通用性。

本发明采用模块化设计思想，使控制模块和驱动模块分离，采用“一控多驱”的结构，实现门控制模块系列化，驱动模块通用化，采用模块化设计，门控系统主要分为控制模块，驱动模块和监测诊断模块，硬件的结构层次非常清晰，降低了开发难度，可以缩短研发周期，本发明通过合理的划分模块，使系统的可靠性和稳定性都得以提高，同时，对产品硬件升级换代提供了条件。模块化的设计思想对提高故障的诊断速度和准确性有很大帮助，维修时仅需替换出现问题的模块降低了维修的难度，提高了故障处理的效率，对保障列车正点运行又比较大的意义。

参考图3到图5，主要介绍本发明各模块实现方案以及所选芯片等。

本发明控制模块是基于CPLD设计开发的，使用Altera 公司EPM1270系列芯片，采用CPLD设计控制器是因为它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、保密性强、价格大众化等特点，智慧门控制模块在正常运行时主控模块和热备模块都可以从共享数据区读数据，但只有主控模才可以向共享数据区写数据，当主模块出现故障时，在CPLD芯片的控制下会立即切换到备用模块，切换流程图如图6所示，由于主控模块和热备模块都是从共享数据区读数据，所以可以实现无间隔的切换，即切换之后还可以从主控模块出现故障处继续执行，保障门控制系统正常运行。

驱动模块主要是接收控制模块和车上传感器信号，来控制电机完成开关门动作的，驱动模块主要采用TI公司生产的TMS320F28x系列DSP芯片，智能功率模块(IPM)选择IR公司产品，DSP芯片是一种特别适合于数字信号运算的微处理器，主要应用实时快速的实现各种数字信号处理算法，F28x系列是TI推出的一款32位定点数字信号处理器，具有强大的时间管理能力和嵌入式控制能力，它具有两个事件管理器EVA和EVB，各有两个通用16位定时器，可以直接产生6路PWM信号，控制三相全桥电机驱动模块，可以直接连接编码器的反馈信号，具有功率驱动保护中断，在高速、高精度电机控制系统中得到了广泛的应用。

监测诊断模块主要是以Cortex-M3为内核的ARM芯片为核心，如意法半导体STM32系列芯片，它通过通讯口与控制模块相连，实时监测门控系统运行状态，并把门控系统运行状态显示在TFT液晶屏上，方便维护人员观察，并且该模块可以储存门系统运行参数，为故障诊断、健康度评估等提供依据，监测诊断模块还可以把监测到的数据通过无线模块传输到远程维护中心，对数据进行进一步的分析与处理。

如上所述，监测诊断模块工作方式可以分为两种：在线故障诊断模式和离线故障诊断模式。(1)当列车在站与站间运行时，即在线故障诊断模式，监测诊断模块可以实时记录各个控制模块和驱动模块的运行参数，并对其进行健康度评估与分级，对于健康度较低的控制模块和驱动模块，在下一站到达之前进行处理，根据健康度的不同做出隔离切除或者是降级运行的处理结果，并在车内广播进行循环通知。(2)离线故障诊断模式，当列车处于维护状态或者是当天运营结束进库检修时，维护人员可以从监测诊断模块上的液晶显示屏上查看各个控制模块的内部状态，可以通过下载接口下载门系统当天运行参数，为维修提供数据参考，另外，还可以通过无线模块把运行数据实时传输到远程维护中心，方便建立健全故障数据库，为故障诊断与维护提供更可靠的依据。

由上述所知，故障诊断分为两种模式，即在线故障诊断模式和离线故障诊断模式，监测诊断模块实现功能流程图如图7所示。

最后简单说明本发明中电源系统的构成，因为在列车上电源电压的范围一般为77~137VDC，本发明需要+5V和+3.3V两种电压的电源，本发明使用VICOR公司专门用于轨道交通列车上的DC/DC转换器，型号可以选择V110A12C400BF，首先将列车提供的电压转换为12VDC，然后再通过LM2596-5.0得到5V电源电压，通过LM2596-3.3得到3.3V电源电压，来提供控制模块、驱动模块和监测诊断模块的电源需求。

另外，本领域的技术人员可以对上述内容做出各种变形和修改，如采用的CAN总线通信，对于采取其他一些类似的现场总线实现门控系统，通过不同的通讯方式将控制指令传输给驱动模块，不使用无刷直流电机而使用其他类型的电机的，对电机控制本发明采取PWM和IPM控制，如采取其他如模拟量法、MOSFET驱动电路等方式也可成为本发明的轨道列车智慧门控制系统。

Claims (4)

1.一种轨道列车智慧门控制系统，其特征在于在每节车厢内设置一台控制模块，在每节车厢内的每扇门上设置驱动模块，在整列车上设置一个监测诊断模块，每台控制模块与列车上的列车总线和安全回路相连，接收列车总线上的控制指令，在每节车厢内的控制模块和该节车厢内的每个驱动模块通过CAN总线相连，控制模块将TCMS通讯指令传递给车厢内每扇门上的驱动模块，驱动模块驱动电机实现开关门、锁闭、障碍检测、隔离切除动作，监测诊断模块通过监控与维护总线和控制模块相连，实时监测控制模块和驱动模块的运行状态。

2.根据权利要求1所述的轨道列车智慧门控制系统，其特征在于控制模块包括电源模块、CPU模块、实时共享数据区、通讯接口、通讯扩展接口、IO接口、外部存储设备和人机接口，电源模块与CPU模块连接，电源模块为整个控制模块提供电源，通讯接口、通讯扩展接口、IO接口、外部存储设备和人机接口都与CPU模块相连，进行数据与信息的传递，其中电源模块和CPU模块采用双机热备结构主从模式，即Active／Standby方式，当主控模块出现故障时，通过基于CPLD设计的切换逻辑迅速激活热备模块，主控模块和热备模块都与实时共享数据区相连，在正常运行情况下，主控模块和热备模块都能向共享数据区读数据，但只有主控模块向共享数据区写数据，当主控模块出现故障时，切换到热备模块时，此时热备模块向共享数据区读和写数据；控制模块配置通讯接口为CAN 2.0B与RS485，控制模块留有通讯扩展接口，用于MVB、HDLC以及Ethernet通讯接口的扩展，控制模块的通讯接口分别与列车总线、驱动模块与监测诊断模块相连；控制模块内置日历功能，对故障发生时间进行记录，控制模块将故障记录保存在外部存储设备上，控制模块具有可视化人机交互操作接口，供维护人员查看或修改内部参数。

3.根据权利要求1所述的轨道列车智慧门控制系统，其特征在于驱动模块包括DC/DC转换器、主控芯片、IPM智能功率模块，DC/DC转换器、IPM智能功率模块与主控芯片连接，主控芯片与车体上的指示灯或报警器连接，主控芯片采用DSP芯片，接受控制模块的控制指令，驱动每扇门上的无刷直流电机进行开关门运动、锁闭、障碍检测、隔离切除，并驱动车体上的指示灯或报警器进行指示或报警；主控芯片、IPM智能功率模块对无刷直流电机进行控制，主控芯片中集成CAN、485和232通讯接口，与控制模块相连，接收控制模块控制指令信号，反馈故障诊断数据；主控芯片通过CAN、485或232通讯接口接收控制模块的控制指令，每扇门上的传感器信号通过隔离后由主控芯片DSP的GPIO模块输入，并且无刷直流电机动作需要安全回路使能，DSP芯片把控制信号转换为相应的PWM控制信号，和经过安全使能的信号联合控制IPM智能功率模块，进而控制无刷直流电机的运转，无刷直流电机的电流经过采样后送入主控芯片内，调节PWM控制信号，使无刷直流电机力矩可控，电机位移信号通过隔离，反馈给主控芯片，由QEI模块测得，使电机位移可控。

4.根据权利要求1所述的轨道列车智慧门控制系统，其特征在于监测诊断模块由以Cortex-M3为内核的ARM为核心设计的，ARM分别与键盘、外部存储器、液晶显示屏、无线模块和通讯接口相连，通过通讯接口与控制模块的通讯接口相连，接收控制模块和驱动模块反馈的运行状态，并在液晶显示屏上实时对门系统的运行状态进行显示，外部存储器储存门系统的运行状态，作为故障处理与维护的依据，通过无线模块把故障数据传送到远程维护中心，进行精确地分析与处理，通过键盘设定监测诊断模块的运行参数，并且通过监测诊断模块给控制模块配置参数。

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