地铁车站自动扶梯与屏蔽门联动设计研究

摘　要　从实现地铁车站与站台屏蔽门联动以达到自动扶梯节能的目的出发,分析该系统的LonWorks现场总线结构,讨论LonWorks神经元芯片在智能节点中的应用,举例说明用NeuronC语言编写系统节点应用程序的方法,探讨系统与自动扶梯和屏蔽门的接口设计,并简要描述系统的组网和人机界面的开发。
关键词　地铁　车站　现场总线　自动扶梯　屏蔽门 LonWorks　神经元

1 设计研究背景
　　我国能源形势日益严峻,如何缩小能耗是城市轨道交通事业经营者亟需解决的问题。以广州为例,到2010年要建成总长255km的轨道交通线,届时车站使用的自动扶梯将达到1000台以上,耗电量将非常大。
        以广州地铁1号线为例,16个车站的日平均客流量分布极不平衡(见图1),全线每月的平均客流量分布也极不平衡(见图2)。

　　另外,繁忙时行车间隔为4min30s,而站台上行自动扶梯实际运送乘客的时间仅约30s,可见地铁车站客流量的时空分布极不平衡。
　　因此,有必要研究利用LonWorks现场总线技术实现地铁车站自动扶梯与站台屏蔽门的联动,并且实现自动扶梯根据分布不平衡的客流量智能化的进行调整的设计方案。

2 系统总体设计
2.1 控制网络
        本系统包括:自动扶梯与LonWorks的接口、屏蔽门与LonWorks的接口、LonWorks神经元芯片、连接自动扶梯的总线、车站工作站(含网关)、车站到全线光纤环网的交换机、全线光纤环网、控制中心中央计算机8个部分。
        整个网络采用总线拓朴结构,分为n个子网,每个车站为一个子网。车站工作站挂接在车站LonWorks总线上,可以对本站的自动扶梯进行控制。n个车站的LonWorks子网通过网关和光纤环网交换机挂接在全线光纤环网(以太网)上,控制中心中央计算机也挂接在光纤环网上,可以对全线的自动扶梯进行控制,系统的网络结构如图3所示。

2.2 系统功能
2.2.1 站台自动扶梯与屏蔽门的联动
        当上行/下行列车到站、该侧屏蔽门打开后,系统自动检测屏蔽门打开信号,然后向相应区域的自动扶梯传送开启信号,这些自动扶梯就开启正常模式。
        当上行/下行列车离站、该侧屏蔽门关闭后,系统自动检测屏蔽门关闭信号,然后向相应区域的自动扶梯传送关闭信号,自动扶梯通过红外线漫反射探测入口无人,延时运行30s节能模式(用变频器低速运行)后关闭。
         当系统检测到上行/下行屏蔽门被紧急手动开启时,马上向所有区域的自动扶梯传送开启信号,车站所有的自动扶梯开启正常模式。此时需要在车站工作站上人工进行复位操作,才能将车站自动扶梯转为正常运行模式。
2.2.2 车站自动扶梯的运行图模式
        运行图就是车站根据每日客流量在时间上的变化来调整开启自动扶梯的数目和运行模式(正常和节能模式)。例如,早7点—9点是上班高峰期,故此时车站的自动扶梯全部以正常模式开启;而9点—12点为次低峰期,则此时车站的自动扶梯一半以正常模式开启、一半以节能模式开启。运行图模式可以制定多套,以便在不同的情况下灵活使用,如冬季模式、夏季模式、节日模式等。
2.2.3 车站工作站和控制中心计算机
        车站工作站设置在车站控制室内,可以控制车站内的自动扶梯;控制中心中央计算机可以控制全线车站的自动扶梯。
2.3 人机界面
        人机界面可以从LonWorks网络上采集信息,也可以把控制命令发送给网络上的控制节点,从而完成相应的控制任务。

3 系统控制网络开发
3.1 节点定义和功能分配
         每个节点采用LonWorks神经元芯片作为应用程序处理器。其中,节点1用于接收屏蔽门车站MMS发出的开门、关门、紧急开门信号,通过内部应用程序比较内部存储的开梯数据表后,向应开启的自动扶梯所在的节点发出开启自动扶梯的信号;节点2~n用于接收节点1和车站工作站的命令,并向车站工作站反馈所在自动扶梯的状态信息。
3.2 LonWorks与自动扶梯的接口
        LonWorks与自动扶梯的接口应用在节点2~n上。节点2~n与自动扶梯间的信号有两类,第一类是节点发送给自动扶梯的指令———上行、下行、停止,这些都是开关量。第二类是自动扶梯发给节点的状态信息———故障报警,这也是开关量。第三类是自动扶梯发送给节点的梯级和扶手带速度信号,这两个信号由节点比较后,节点决定速差是否超过设定值,如超过,则节点给自动扶梯发送停止指令。以下分别讨论开关量的接口和速度信号的接口。
3.2.1 开关量的接口
        LonWorks神经元芯片通过IO0~IO10共11个管脚与指定的外部硬件相连,这些IO管脚可以组成34种对象类型,其中就有Bitinput/output(位输入/输出)类型。自动扶梯的上行、下行、停止、故障报警4个信号分别使用IO0、IO1、IO2、IO3端口,见图4。

3.2.2 速度信号的接口
        自动扶梯有3个脉冲速度信号。第一个是安装在驱动电机主轴后端的位移传感器,通过电机的转动采集自动扶梯梯级的运动速度;第二个是安装在左扶手带导向轮主轴上的位移传感器,通过扶手带导向轮跟随扶手带的转动采集左扶手带的运动速度;第三个是安装在右扶手带导向轮主轴上的位移传感器,作用同第二个传感器。通过把这三个位移传感器采集到的脉冲信号进行比较,就可以判断自动扶梯的梯级与左右扶手带的速度差是否超出了预定的标准。
         这里采用LonWorks神经元芯片的Pulsecoun(脉冲计数)输入对象采集这三个脉冲信号。Pulsecount输入对象可以在0.839s的固定时间内对输入管脚的输入边沿数(上升沿或下降沿)进行计数,在这个固定时间内采集到的脉冲个数将由函数io_in()返回一个unsignedlong类型的值。在这个LonWorks系统中,就是从3个IO口获取数据,然后分别由函数io_in()返回3个值,再比较这三个值的差来判断梯级与扶手带的速度差是否超出预定标准的。脉冲信号分别输入神经元芯片的IO5、IO6、IO7口,见图4。
3.3 屏蔽门与LonWorks的接口
屏蔽门与LonWorks的接口应用在节点1上。
        屏蔽门与车站EMCS系统的通信链路通过一路RS232接线连接。屏蔽门系统的状态与故障情况由屏蔽门PEDC(PlatformEdgeDoorController)传送到车站EMCS系统。因此,此系统将这条RS232连接线作为节点1的输入信号。神经元芯片3120接收串行输入对象由管脚IO8实现,串行输出对象由管脚IO10实现。但是,这两个管脚只有TTL输入电平和标准CMOS电平,因此还需加上Motorola的MC145407芯片,将IO管脚的TTL电平转换为符合RS232标准的EIA232C电平。EIA232C与LonWorks神经元芯片的接口电路见图5。

3.4 为神经元芯片编写应用程序
神经元芯片的任务调度采用事件驱动的方式:当给定的条件变为真时,与该条件相关联的一段代码被执行。NeuronC是一种专门为神经元芯片设计的程序设计语言,以下举例说明神经元芯片应用程序的编写。
3.4.1 自动扶梯接收网络变量并开启、关闭的程序
#include<snvt_lev.h>　//包含文件
#defineESC_OFF0　//定义常量ESC_OFF,缺省值为0
#defineESC_UP1　//定义常量ESC_UP,缺省值为1
#defineESC_DOWN1　//定义常量ESC_DOWN,缺省值为1
networkinputSNVT_lev_discnv_psd=PSD_ON;　//定义网络变量nv_psd:屏蔽门的状态值
networkinputSNVT_lev_discnv_esc=ESC_UP;　//定义网络变量nv_esc:自动扶梯上行或下行
IO_1outputbitio_ESC_OFF;　//将管脚IO_2声明为位输出对象,并命名为io_ESC_OFF
IO_2outputbitio_ESC_UP;　//将管脚IO_3声明为位输出对象,并命名为io_ESC_UP
IO_3outputbitio_ESC_DOWN;　//将管脚IO_4声明为位输出对象,并命名为io_ESC_DOWN
#definePSD_ON1　//定义常量PSD_ON:屏蔽门开启为1
#definePSD_OFF0　//定义常量PSD_ON:屏蔽门关闭为0
#definePSD_ALARM10　//定义常量PSD_ALARM:屏蔽门报警为10
when(nv_update_occurs(nv_esc))　//当输入网络变量的值更新时,执行该任务
{io_out(io_ESC_DOWN,(nv_esc=ESC_UP)?ESC_OFF:
ESC_DOWN);　//如果nv_esc不为1,则自动扶梯接到指令应该下行,则io_ESC_DOWN输出为1,自动扶梯下行运行
if(nv_esc=ESC_DOWN)　//如果收到下行指令
gotoSTOP;　//则不继续执行下面与屏蔽门联动的程序
elsebreak;}　//如果没有收到<