CN107905678A - 一种具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，主扇门侧控制单元，包括变压器、主闸机扇门控制器、通行逻辑控制器、传感器接收端、主通行指示灯、主伺服电机及扇门机构，从扇门侧控制单元，包括从闸机扇门控制器、传感器发射端、从通行指示灯、从伺服电机及扇门机构，通行逻辑控制器，用于根据传感器的信号识别乘客在通道中的位置和行为，并根据乘客在通道中的位置和行为对扇门的动作进行决策，将决策命令发送给主、从闸机扇门控制器；主、从闸机扇门控制器，用于根据接收到的决策命令，驱动对应的伺服电机带动扇门机构输出相应的动作。本发明提高闸机扇门系统整体安全性，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种具有安全功能的轨道交通闸机的扇门模块控制方法。
背景技术
近年来，轨道交通飞速发展，很多城市开展或规划了地铁城轨项目。自动售检票系统，作为集中人口出入智能控制终端，在轨道交通中被大量应用，极大地促进了轨道交通的现代化发展。轨道交通闸机，是实现乘客自助进出站检票交易（在非付费区和付费区间通行）的设备，对有效车票，闸机通道阻挡解除（门扇开启或释放转杆），允许乘客进出站。
轨道交通闸机的扇门模块是轨道交通闸机的核心部件，由通道阻挡装置和通道控制系统组成，主要作用为根据检测乘客在通道内的行为状态，决策阻挡装置的开关门动作，其控制性能和安全可靠性能直接关系到地铁系统的整体运营。
轨道交通闸机作为轨道交通出入口管理设备，其面向的是大流量、高复杂集中人流，乘客安全尤为关注，轨道交通闸机的扇门模块，应具备某些方面的安全功能设计，但是没有系统性安全设计，存在安全风险。目前，较为主流的产品采用直流电机+减速器方案，无法进行夹击检测，当扇门夹击到行人时，只能通过电机输出曲柄连杆和扇门之间的电磁铁吸盘脱落来打开扇门，电磁铁吸盘由于需保证正常开关门动作时电机输出曲柄连杆和扇门之间的可靠连接，需具备较大的吸合力（250N），因此当扇门夹人时，人体需承受250N的夹击力；再如，目前通道安全区行人检测广泛采用当有行人遮挡安全区时打开扇门的方法，但是针对高速通行的行人，模块并未有效识别，当扇门关门时，乘客不能快速减速而直接撞击到正在关闭的扇门，这对乘客以及扇门机构都造成了伤害；再如，目前没有在扇门模块电气硬件层设计安全电路，电机驱动电路直接使用大功率的场效应管进行驱动，当场效应管输出端发生短路或者过流等情况时，硬件方面无法进行判断，只能通过闸机扇门控制器内部软件关断的方案，当闸机扇门控制器出现死机或者程序跑飞的情况下，不能够可靠关断，安全性能不高；也未采用转矩安全关断功能，当车站进入硬件紧急状态时，外部安全输入电压直接通过硬件接口接入主芯片，主芯片通过软件控制方式关断电机输出，当有硬件损坏或者软件逻辑出错时，闸机扇门并不能可靠打开，造成安全事故。
如何克服上述的问题，是当前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有的轨道交通闸机扇门模块控制系统，安全性能不佳的问题。本发明的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，提高闸机扇门模块整体安全性，为轨道交通的整体运营提供安全保障，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，其特征在于：包括主扇门侧控制单元、从扇门侧控制单元；
所述主扇门侧控制单元，包括变压器、主闸机扇门控制器、通行逻辑控制器、传感器接收端、主通行指示灯、主伺服电机及扇门机构，所述从扇门侧控制单元，包括从闸机扇门控制器、传感器发射端、从通行指示灯、从伺服电机及扇门机构；
所述通行逻辑控制器，用于根据传感器的信号识别乘客在通道中的位置和行为，并根据乘客在通道中的位置和行为对扇门的动作进行决策，将决策命令发送给主、从闸机扇门控制器；
所述主、从闸机扇门控制器，用于根据接收到的决策命令，驱动对应的伺服电机带动扇门机构输出相应的动作；
所述变压器外接市电，并分别为通行逻辑控制器、主闸机扇门控制器、从闸机扇门控制器提供工作电源；
所述主闸机扇门控制器、从闸机扇门控制器分别通过RS485通信总线与通行逻辑控制器进行通信，所述主通行指示灯、从通行指示灯、传感器接收端、传感器发射端分别与通行逻辑控制器相连接，所述主闸机扇门控制器还与主伺服电机及扇门机构相连接，所述从闸机扇门控制器还与从伺服电机及扇门机构相连接。
前述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，所述主、从闸机扇门控制器，用于根据接收到的决策命令，驱动对应的伺服电机带动扇门机构输出相应的动作，扇门机构输出相应的动作采用位置、速度、转矩闭环控制，对扇门运动过程进行全程监控，当扇门接触到行人或者物体时，可快速做出响应。
前述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，所述变压器输出三路直流电压，包括第一路DC42V 电压端、第二路DC42V 电压端、第三路DC30V 电压端，所述第一路DC42V 电压端与主闸机扇门控制器相连接，所述第二路DC42V 电压端与从闸机扇门控制器相连接，所述第三路DC30V 电压端与通行逻辑控制器相连接。
前述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，通道中设有安全区传感器，当行人遮挡安全区任一传感器时将触发最高优先级安全响应，快速触发扇门急停指令，通行逻辑控制器发送急停指令至扇门控制器控制扇门停止关门；通道中设有监控区传感器，计算行人通行速率，当扇门启动关门时，根据行人速度计算是否存在夹人安全事件，如存在，扇门快速打开，放行行人；通道中设有成人判断传感器，当监测到通行行人为非成人时，通行授权不消权，通道可继续通行一个成人乘客；
当上述通行逻辑控制器的逻辑控制未有效保护行人时，闸机扇门控制器的安全防夹机制启动，扇门上电初始化时，会保存扇门正常开关门运行位置、速度、电流曲线，在开关门过程中实时监测扇门运行相关曲线，并实时与正常运行曲线对比，当监测到运行曲线异常时，触发扇门控制器的安全防夹机制，扇门向开门方向打开一个安全开度后停止。
前述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，所述主、从闸机扇门控制器，均包括第一光耦电路、第二光耦电路、第一与门、扇门控制DSP处理器、PWM脉冲产生电路、驱动电路和第一RS485通信电路，所述第一光耦电路、第二光耦电路相并联，两者的输入端与外部紧急输入按钮相连接，两者的输出端分别与第一与门的两路输入端相连接，所述第一与门的输出端分别与扇门控制DSP处理器的信号输入端、PWM脉冲产生电路的使能端相连接，所述PWM脉冲产生电路通过驱动电路与伺服电机相连接；
所述通行逻辑控制器，包括第三光耦电路、第四光耦电路、第二与门、通行逻辑控制DSP处理器、第二RS485通信电路，所述第三光耦电路、第四光耦电路相并联，两者的输入端与外部紧急输入按钮相连接，两者的输出端分别与第二与门的两路输入端相连接，所述第二与门的输出端与通行逻辑控制DSP处理器的信号输入端相连接；
所述通行逻辑控制DSP处理器通过第二RS485通信电路与第一RS485通信电路相连接，实现与扇门控制DSP处理器的通信。
前述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，所述主、从闸机扇门控制器，还包括编码器反馈电路、单相电流采样电路、母线电流采样电路、逆变转换电路，所述逆变转换电路设置在驱动电路和伺服电机之间，所述逆变转换电路与伺服电机的三相接线端分别通过单相电流采样电路与扇门控制DSP处理器相连接，所述伺服电机通过编码器反馈电路与扇门控制DSP处理器相连接，所述逆变转换电路与伺服电机的三相接线端还与驱动电路的过流保护端相连接，所述逆变转换电路、驱动电路的母线线路还通过母线电流采样电路与扇门控制DSP处理器相连接。
前述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，所述主、从闸机扇门控制器，还包括电源电路、整流滤波电路，所述电源电路通过整流滤波电路与逆变转换电路的电源输入端相连接。
本发明的有益效果是：本发明的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，将通道通行逻辑控制和闸机扇门控制分离，各部分任务处理及时，安全响应性高；采用伺服直驱方式，位置、转速、转矩三闭环控制，扇门运行全程监测，可对行人碰撞做出及时响应，夹击力小；通过对通道内行人全程监控及行人安全逻辑算法，可对儿童、快速通过行人起到有效保护；通过软件、硬件双闭环冗余设计，使车站紧急功能可靠性大大增加；通过对设备硬件自检及硬件自我保护功能，使设备自身的可靠性大大增加，减少安全事件，通过以上各方面的安全性设计，提高闸机扇门模块整体安全性，为轨道交通的整体运营提供安全保障，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统的系统框图；
图2是本发明的闸机扇门控制器与通行逻辑控制器的系统框图；
图3是本发明的闸机扇门控制器的系统框图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，包括主扇门侧控制单元、从扇门侧控制单元，
所述主扇门侧控制单元，包括变压器、主闸机扇门控制器、通行逻辑控制器、传感器接收端、主通行指示灯、主伺服电机及扇门机构，所述从扇门侧控制单元，包括从闸机扇门控制器、传感器发射端、从通行指示灯、从伺服电机及扇门机构，
所述通行逻辑控制器，用于根据传感器的信号识别乘客在通道中的位置和行为，并根据乘客在通道中的位置和行为对扇门的动作进行决策，将决策命令发送给主、从闸机扇门控制器；
所述主、从闸机扇门控制器，用于根据接收到的决策命令，驱动对应的伺服电机带动扇门机构输出相应的动作；
所述变压器外接市电，并分别为通行逻辑控制器、主闸机扇门控制器、从闸机扇门控制器提供工作电源；
所述主闸机扇门控制器、从闸机扇门控制器分别通过RS485通信总线与通行逻辑控制器进行通信，所述主通行指示灯、从通行指示灯、传感器接收端、传感器发射端分别与通行逻辑控制器相连接，所述主闸机扇门控制器还与主伺服电机及扇门机构相连接，所述从闸机扇门控制器还与从伺服电机及扇门机构相连接。
所述主、从闸机扇门控制器，用于根据接收到的决策命令，驱动对应的伺服电机带动扇门机构输出相应的动作，扇门机构输出相应的动作采用位置、速度、转矩闭环控制，对扇门运动过程进行全程监控，当扇门接触到行人或者物体时，可快速做出响应，采用矢量控制算法及位置、转速、转矩三闭环控制，采用柔性加减速曲线运动控制，具备位置控制精度高、扇门运行快速平稳、转矩控制精准等特点，扇门运行全程转矩检测，行人碰撞可快速检测和做出响应，通道中设有安全区传感器，当行人遮挡安全区任一传感器时将触发最高优先级安全响应，快速触发扇门急停指令，通行逻辑控制器控制扇门停止关门；通道中设有监控区传感器，计算行人通行速率，当扇门启动关门时，根据行人速度计算是否存在夹人安全事件，如存在，扇门快速打开，放行行人；通道中设有成人判断传感器，当监测到通行行人为非成人时，通行授权不消权，通道可继续通行一个成人乘客；
当上述通行逻辑控制器的逻辑控制未有效保护行人时，闸机扇门控制器的安全防夹机制启动，扇门上电初始化时，会保存扇门正常开关门运行位置、速度、电流曲线，在开关门过程中实时监测扇门运行相关曲线，并实时与正常运行曲线对比，当监测到运行曲线异常时，触发扇门控制器的安全防夹机制，扇门向开门方向打开一个安全开度后停止，从而实现通道的安全设计。
所述变压器输出三路直流电压，包括第一路DC42V 电压端、第二路DC42V 电压端、第三路DC30V 电压端，所述第一路DC42V 电压端与主闸机扇门控制器相连接，所述第二路DC42V 电压端与从闸机扇门控制器相连接，所述第三路DC30V 电压端与通行逻辑控制器相连接。
如图2所示，所述主、从闸机扇门控制器，均包括第一光耦电路、第二光耦电路、第一与门、扇门控制DSP处理器、PWM脉冲产生电路、驱动电路和第一RS485通信电路，所述第一光耦电路、第二光耦电路相并联，两者的输入端与外部紧急输入按钮相连接，两者的输出端分别与第一与门的两路输入端相连接，所述第一与门的输出端分别与扇门控制DSP处理器的信号输入端、PWM脉冲产生电路的使能端相连接，所述PWM脉冲产生电路通过驱动电路与伺服电机相连接；
所述通行逻辑控制器，包括第三光耦电路、第四光耦电路、第二与门、通行逻辑控制DSP处理器、第二RS485通信电路，所述第三光耦电路、第四光耦电路相并联，两者的输入端与外部紧急输入按钮相连接，两者的输出端分别与第二与门的两路输入端相连接，所述第二与门的输出端与通行逻辑控制DSP处理器的信号输入端相连接；
所述通行逻辑控制DSP处理器通过第二RS485通信电路与第一RS485通信电路相连接，实现与扇门控制DSP处理器的通信。
在车站发生火灾、地震等紧急事件时，按下外部紧急输入按钮，触发紧急信号，控制闸机立即打开扇门，并一直保持开门状态，保持闸机通道的畅通无阻，放行疏散站内乘客。该安全功能涉及紧急突发事件，如图2所示，安全回路采用硬件、软件双闭环回路设计，外部紧急输入按钮的输入信号为高电平有源输入，一旦信号切断则代表触发紧急命令，扇门模块紧急信号输入电路，采用冗余设计，两路光耦与门输入，任何一路输入切断将触发紧急命令，闸机扇门控制器，紧急输入信号直接硬件控制PWM输出，当触发紧急命令时，硬件本身立即关断PWM输出，扇门立即打开。同时，软件检测到紧急信号时也同时关闭PWM输出，通行逻辑控制器检测到紧急信号时，亦会通过485总线发送紧急信号至闸机扇门控制器，大大增加了可靠性，从而实现紧急安全功能。
如图3所示，所述主、从闸机扇门控制器，还包括编码器反馈电路、单相电流采样电路、母线电流采样电路、逆变转换电路，所述逆变转换电路设置在驱动电路和伺服电机之间，所述逆变转换电路与伺服电机的三相接线端分别通过单相电流采样电路与扇门控制DSP处理器相连接，所述伺服电机通过编码器反馈电路与扇门控制DSP处理器相连接，所述逆变转换电路与伺服电机的三相接线端还与驱动电路的过流保护端相连接，所述逆变转换电路、驱动电路的母线线路还通过母线电流采样电路与扇门控制DSP处理器相连接。
所述主、从闸机扇门控制器，还包括电源电路、整流滤波电路，所述电源电路通过整流滤波电路与逆变转换电路的电源输入端相连接。
本发明的主、从闸机扇门控制器，将安全功能（对应于传统继电器控制系统中的安全逻辑）集成到闸机扇门控制器中，同时利用安全总线技术完成控制通信和安全通信的集成。当驱动达到一些设定的安全极限(如极限速度、极限位置、极限力矩等)时，相关安全功能信号通过相应的通道可以直接作用于扇门控制器中的功率半导体器件，使驱动进入安全模式。这样驱动系统在执行工作任务的同时兼顾安全功能，从而使驱动更安全、更快捷、更有效。一方面通过在三相电机驱动输出中的两相增加电流采样芯片，对这两相中输出电流进行采样，输出到DSP进行读取，同时在电机驱动电路的母线上增加一路采样电阻，对母线电流进行采样；当单相或者母线电流超过一定的范围时，电机驱动器芯片率先进行关断保护，同时发给DSP处理器一个过流保护的信号，此时软件也对电机驱动电路停止PWM输出等软件保护处理，从而实现硬件加软件的双重保护功能，确保进行安全可靠的扇门控制，实现硬件可靠性。
综上所述，本发明的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，将通道通行逻辑控制和闸机扇门控制分离，各部分任务处理及时，安全响应性高；采用伺服直驱方式，位置、转速、转矩三闭环控制，扇门运行全程监测，可对行人碰撞做出及时响应，夹击力小；通过对通道内行人全程监控及行人安全逻辑算法，可对儿童、快速通过行人起到有效保护；通过软件、硬件双闭环冗余设计，使车站紧急功能可靠性大大增加；通过对设备硬件自检及硬件自我保护功能，使设备自身的可靠性大大增加，减少安全事件，通过以上各方面的安全性设计，提高闸机扇门模块整体安全性，为轨道交通的整体运营提供安全保障，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，其特征在于：包括主扇门侧控制单元、从扇门侧控制单元；
所述主扇门侧控制单元，包括变压器、主闸机扇门控制器、通行逻辑控制器、传感器接收端、主通行指示灯、主伺服电机及扇门机构，所述从扇门侧控制单元，包括从闸机扇门控制器、传感器发射端、从通行指示灯、从伺服电机及扇门机构；
所述通行逻辑控制器，用于根据传感器的信号识别乘客在通道中的位置和行为，并根据乘客在通道中的位置和行为对扇门的动作进行决策，将决策命令发送给主、从闸机扇门控制器；
所述主、从闸机扇门控制器，用于根据接收到的决策命令，驱动对应的伺服电机带动扇门机构输出相应的动作；
所述变压器外接市电，并分别为通行逻辑控制器、主闸机扇门控制器、从闸机扇门控制器提供工作电源；
所述主闸机扇门控制器、从闸机扇门控制器分别通过RS485通信总线与通行逻辑控制器进行通信，所述主通行指示灯、从通行指示灯、传感器接收端、传感器发射端分别与通行逻辑控制器相连接，所述主闸机扇门控制器还与主伺服电机及扇门机构相连接，所述从闸机扇门控制器还与从伺服电机及扇门机构相连接。
2.根据权利要求1所述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，其特征在于：所述主、从闸机扇门控制器，用于根据接收到的决策命令，驱动对应的伺服电机带动扇门机构输出相应的动作，扇门机构输出相应的动作采用位置、速度、转矩闭环控制，对扇门运动过程进行全程监控，当扇门接触到行人或者物体时，可快速做出响应。
3.根据权利要求1所述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，其特征在于：所述变压器输出三路直流电压，包括第一路DC42V 电压端、第二路DC42V 电压端、第三路DC30V 电压端，所述第一路DC42V 电压端与主闸机扇门控制器相连接，所述第二路DC42V电压端与从闸机扇门控制器相连接，所述第三路DC30V 电压端与通行逻辑控制器相连接。
4.根据权利要求1所述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，其特征在于：通道中设有安全区传感器，当行人遮挡安全区任一传感器时将触发最高优先级安全响应，快速触发扇门急停指令，通行逻辑控制器发送急停指令至扇门控制器控制扇门停止关门；通道中设有监控区传感器，计算行人通行速率，当扇门启动关门时，根据行人速度计算是否存在夹人安全事件，如存在，扇门快速打开，放行行人；通道中设有成人判断传感器，当监测到通行行人为非成人时，通行授权不消权，通道可继续通行一个成人乘客；
当上述通行逻辑控制器的逻辑控制未有效保护行人时，闸机扇门控制器的安全防夹机制启动，扇门上电初始化时，会保存扇门正常开关门运行位置、速度、电流曲线，在开关门过程中实时监测扇门运行相关曲线，并实时与正常运行曲线对比，当监测到运行曲线异常时，触发扇门控制器的安全防夹机制，扇门向开门方向打开一个安全开度后停止。
5.根据权利要求1所述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，其特征在于：所述主、从闸机扇门控制器，均包括第一光耦电路、第二光耦电路、第一与门、扇门控制DSP处理器、PWM脉冲产生电路、驱动电路和第一RS485通信电路，所述第一光耦电路、第二光耦电路相并联，两者的输入端与外部紧急输入按钮相连接，两者的输出端分别与第一与门的两路输入端相连接，所述第一与门的输出端分别与扇门控制DSP处理器的信号输入端、PWM脉冲产生电路的使能端相连接，所述PWM脉冲产生电路通过驱动电路与伺服电机相连接；
所述通行逻辑控制器，包括第三光耦电路、第四光耦电路、第二与门、通行逻辑控制DSP处理器、第二RS485通信电路，所述第三光耦电路、第四光耦电路相并联，两者的输入端与外部紧急输入按钮相连接，两者的输出端分别与第二与门的两路输入端相连接，所述第二与门的输出端与通行逻辑控制DSP处理器的信号输入端相连接；
所述通行逻辑控制DSP处理器通过第二RS485通信电路与第一RS485通信电路相连接，实现与扇门控制DSP处理器的通信。
6.根据权利要求5所述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，其特征在于：所述主、从闸机扇门控制器，还包括编码器反馈电路、单相电流采样电路、母线电流采样电路、逆变转换电路，所述逆变转换电路设置在驱动电路和伺服电机之间，所述逆变转换电路与伺服电机的三相接线端分别通过单相电流采样电路与扇门控制DSP处理器相连接，所述伺服电机通过编码器反馈电路与扇门控制DSP处理器相连接，所述逆变转换电路与伺服电机的三相接线端还与驱动电路的过流保护端相连接，所述逆变转换电路、驱动电路的母线线路还通过母线电流采样电路与扇门控制DSP处理器相连接。
7.根据权利要求6所述的具有安全功能的轨道交通闸机扇门控制系统，其特征在于：所述主、从闸机扇门控制器，还包括电源电路、整流滤波电路，所述电源电路通过整流滤波电路与逆变转换电路的电源输入端相连接。
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