摘 要：
随着城市的发展和人口的激增，为缓解地上交通压力和满足人们高效的出行需求，地铁和轻轨不断被应用于各大城市的交通系统，其应用技术也越来越成熟，屏蔽门作为保障城轨安全运行的重要设备，除了用于将站台区域与轨道区域隔离开，降低车站中央空调系统的运行能耗外，还可以减少列车在运行过程中产生的噪声和活塞风对车站的影响，为乘客提供一个安全、舒适的候车环境。对地铁屏蔽门控制系统进行设计，提出了一种以可编程控制器(PLC)为核心的屏蔽门控制系统。介绍了地铁屏蔽门系统设计及选型，建立了基于PLC的系统组成框图和自动控制程序，分析了屏蔽门控制在地铁运行过程中的工作原理，设计了S7-200的程序并仿真，用组态王进行实时页面模拟等，使得该控制系统具备良好的可行性和可靠性。
关键词:地铁;屏蔽门; PLC;自动控制;
Design of subway shield gate system based on PLC control
MENG Jiangbo ZHANG Cailing
Zhengzhou University of Industrial Technology
Abstract：
With the development of the city and the surge of population, in order to alleviate the ground traffic pressure and meet people's efficient travel demand, subway and light rail emerging in the transportation system of major cities, the related application technology is become more and more mature, as an important equipment, in addition to the platform area and the track area, reduce the energy consumption of station central air conditioning system, can reduce the noise and piston wind on the station, to provide passengers with a safe and comfortable waiting environment.This design designs the subway control system and proposes a screen door control system with programmable controller(PLC).This paper introduces the subway shield door system design and selection, established the PLC system composition diagram and automatic control program, analyzes the screen door control in the subway operation principle, designed the S7-200 program and simulation, with configuration king real-time page simulation, make the control system has good feasibility and reliability.
Keyword：
subway; shield gate; PLC; automatic control;
0 引言
地铁屏蔽门用来阻隔站台上的乘客和列车，防止人员跌落轨道发生意外事故，同时还有一部分原因是夏季气温较高，由于地铁轨道交通属于密闭性空间，考虑到乘客体验的舒适度，一般采用中央空调制冷系统来调整车站内的温度，费用支出很大。如果换成封闭式系统，由于轨道交通的活塞作用，大部分冷空气将流失到站台隧道中，造成能量损耗。将列车与站台分开，可以避免冷空气的损失。基于此，地铁屏蔽门自动控制系统应运而生，可降低车站中央空调系统的运行能耗，同时还可以减少列车在运行过程中产生的噪声和活塞风对车站的影响，为乘客提供一个安全、舒适的候车环境。但是，城轨运行具有行程远、行车密度大、到站时停车时间短、站台占地面积小、路线复杂交错等情况，这几方面都容易引发各类交通事故的发生。因此对地铁屏蔽门的控制要求也越来越严格。
1 地铁屏蔽门系统的硬件设计
1.1 技术要求
地铁屏蔽门系统以可编程控制器(PLC)为核心控制器，具有3种工作模式，分别实现以下功能。①正常工作模式：当地铁进站，靠站以后，检测地铁与站台口位置是否照齐。照齐之后，触发传感器，延时5 s, 电机正转带动屏蔽门打开，触发限位开关，电机停止运行，开门后，延时30 s, 乘客进行上下车；在乘客上下车完毕，列车长驾驶室根据车门附近实时情况，发出关门指令并报警5 s, 同时车门上红外对射传感器检测范围内是否还有人，随后电机反转带动屏蔽门关闭。②手动工作模式：列车长在驾驶室根据监控，实施手动控制开门，关门动作。③急停工作模式：任意紧急情况发生，可使程序全部停止运行。
1.2 系统结构框图
地铁屏蔽门系统运行时，当列车到站后会触发行程开关，PLC接收到行程开关发出的信号后控制直流电机开始正转，直流电动机通过传动装置将控制门打开。等乘客上下车完毕后，驾驶室发出关门指令，PLC接收到关门信号，控制直流电机开始反转，直流电机控制屏蔽门关闭；并且屏蔽门在关门过程中，安装在门两侧的光电对射传感器会检测人上下车情况，并将该情况以信号形式传给PLC(见图1)。PLC将红外对射传感器发出的信号进行分析从而做出相应输出反应，当红外对射传感器在关门时感应到有人上下车时，PLC会控制直流电机停止反转并开始正转实现开门，从而避免夹人事故的发生。
1.3 主要电器元件的选型
整个地铁屏蔽门控制系统，所需要的主要电器元件有人体感应装置的传感器、开关和电动机。根据列车的实际工况和需求，在屏蔽门与列车之间增设一种安全有效的红外探测传感器，将长度120 m左右的整侧站台作为一个防护区域，自动进行探测。本设计选用SMG20系列红外探测传感器。
地铁屏蔽门系统选取漫反射式光电开关，它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当接近开关接收到乘客的身影反射光时就产生电信号，避免事故的发生，电梯门也是这样的情况。本设计采用Omron/欧姆龙系列，漫反射式光电开关E3T-ST12。经过对运行环境的分析，本设计采用Z4-112/2-1并励直流旋转电机，是电能和机械能相互转换的设备。该电动机功率5.5 kW,最大转速能达到3 000 r/min, 中心高度112 mm, 级数为2,完全符合本设计要求。
1.4 电气线路设计
根据城市轨道交通屏蔽门系统的基本结构和控制要求，并结合PLC的控制画出控制系统的电气原理图。地铁屏蔽门控制系统电气原理如图2所示。
图2中各符号表示的含义如下。①FU:低压熔断器，串联在电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路。②KM:外部辅助接触器，用于辅助PLC对外部设备的控制。③LR:光电对射传感器，装于屏蔽门两侧用来检测关门时乘客上下车情况。④SQ:限位开关，用于检测屏蔽门开关时的位置，检测门是否完全关闭以及门是否完全打开。⑤KA:继电器触点，辅助PLC对外部设备的控制。⑥M:直流电动机。
1.5 I/O地址分配
地铁屏蔽门控制系统设计的基础是对PLC控制系统的输入和输出信号的分配。在绘制PLC外部接线图之前，需要对所用到的I/O点进行地址分配，进行I/O口分配可以方便之后的编程。
根据本设计的控制要求，可以列出PLC控制输入量：单按钮启停、模式的转换、开门限位、关门限位、列车到站、手动开门、手动关门、急停。控制输出量：运行指示、电机运行、正反转电机切换、开门指示、关门指示、报警、蜂鸣器并对其进行I/O点分配。控制系统的I/O输出口分配如表1所示。
1.6 PLC外部硬件接线图
本设计采用西门子(SIEMENS)S7-200 CPU224型号PLC进行控制系统设计，根据CPU224型号PLC的外部结构及地铁屏蔽门控制系统的控制要求和系统的I/O口分配表画出PLC的外部硬件接线图。PLC外部硬件接线如图3所示。
2 城市轨道交通屏蔽门系统的软件设计
对地铁屏蔽门控制系统的运行流程进行分析，对系统所能实现的工作及控制要求做进一步的规划，由此列出控制系统运行的流程图。流程图可以一目了然地看出系统的走向，方便直观地表达设计思路。地铁屏蔽门系统运行流程如图4所示。
根据地铁屏蔽门系统运行流程图，在博途V15.1(TIA Portal V15.1)编程环境下完成梯形图程序编写，就可以进行铁屏蔽门系统程序仿真步骤。
3 组态王的仿真
在组态王中新建工程，定义外部设备和通信参数进行模拟仿真。打开组态王界面后，可以清楚地看到，左侧3个为正常工作模式下的按钮，右下侧框住的是手动模式按钮，点击启动，检测位置是否照齐，检测位置指示灯亮，然后延时5 s, 时间计数在递增。正常工作模式启动如图5所示。
屏蔽门打开以后，延时30 s过后，报警指示灯亮起持续5 s。报警调试如图6所示。
4 结语
本文从地铁屏蔽门控制系统的硬件、软件及组态王仿真三个方面进行设计，不仅在理论上论证了该系统的可行性，而且在实验中运用STEP 7-MicroWIN进行梯形图的编程模拟调试和组态王的仿真。基于PLC的地铁屏蔽门控制系统集人体感应、防夹人报警、多模式运行于一体，具有体积小、灵敏度高、可移植性强等优点，可广泛用于城市轨道交通系统，有效提高人们的出行品质和安全系数。
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