地铁屏蔽门的可靠性设计

地铁屏蔽门的可靠性 张 � 杰 (深圳市地铁有限公司 � 广东 深圳 � 518026) 摘 � 要:分析了有关地铁屏蔽门平均无故障周期、平均维修时间的可靠性要求, 假定了地铁每天服务时间以及屏蔽门的 运行周期,根据以往相关工程经验数据积累对地铁屏蔽门平均无故障时间、平均无故障周期、平均维修时间、平均停机时间 等进行了推算,通过计算获得系统实际的可靠性指标, 针对性提出包括冗余设计、限额设计、电磁兼容设计、元器件的选择、 运营维护的可靠性措施。 关键词:地铁; 屏蔽门;可靠性; 冗余措施 中图分类号: T P29 � � � � � 文献标识码: A � � � � � 文章编号: 1004�373X( 2009) 23�189�02 Reliability Design of Metro Platform Screen Doors ZHANG Jie ( Shenzhen Metro Co . L td. , Shenzhen, 518026, China) Abstract: The reliability o f metro platfo rm scr een doors sy stem is analysed about Mean Cycles Between Failur e( MCBF) and Mean T ime to Resto rat ion( MT TR) . Mean T ime Between Failur e( MT BF) , MCBF, MT TR and Mean Dow n T ime( MDT ) are calculated based on project exper ience. M easure of the reliability is proposed about redundance designing, limitation designing , EMC, component choice and oper ation serv ice aco rding to actual reliability index . Keywords: metro ; platfo rm screen door s; reliability; redundance 收稿日期: 2009�05�07 � � 地铁屏蔽门系统的运行水平直接影响地铁的服务 水平,关系到地铁运营的安全。地铁屏蔽门系统通过零 部件的选择、限额设计、冗余设计、电磁兼容设计等手段 提高设备的可靠性 [ 1] , 地铁屏蔽门故障范围主要包括: 系统或功能设备的故障(包括 UPS 和蓄电池故障引起 的控制失效) ,滑动门打不开或不能成对打开,系统最初 的命令和报警系统失败等。 1 � 屏蔽门可靠性要求及推算 1. 1 � 屏蔽门系统的平均无故障周期( M CBF) MCBF 按下列公式计算 [ 2] : MCBF= (屏蔽门的平均无故障时间 MTBF/列车 每天服务的时间) � 活动门开关循环次数�活动门总单 元数 基于以下假定条件进行预测[ 3] : 列车每天服务运行 18 h; 活动门每 2 min开关门一次,计活动门每天开关循 环次数 540次; 一条地铁线按 35侧站台,每侧站台 30档活动门单 元计算,共 1 050个门单元; 屏蔽门的平均无故障时间 ( M TBF)按类似工程累 计数据统计为 72 h。 � MCBF= ( 72/ 18) � 540 � 1 050= 2 268 000 一对活动门开/关一次为一个开关门周期。全线的 活动门平均无故障使用次数不少于 100 万个开关门 周期。 屏蔽门系统的可靠性推算以单一的、典型的 2站台 车站为依据。可靠性推算的执行将以类似系统的可靠 性分析为基础,使用的故障数据来源已有工程数据的积 累, 可靠性数据来源的行业标准等, 在地铁屏蔽门系统 工程投入运行之前,将对其进行可靠性预测。可靠性预 测分析将提供系统如下的可靠性特点: 基本可靠性基于系统一系列可靠性模型,并为系统 内部故障提供一种逻辑维护需求测量方法。功能可靠 性是系统内部所有直接影响系统功能的故障组合,并且 这些故障通过设备、子系统可以进行探测。 1. 2 � 屏蔽门系统平均维修时间( MT TR) 屏蔽门平均维修时间为 20 m in, 包括诊断时间、实 施修理/更换时间和现场调节/试验时间(不包括响应时 间)。平均维修时间按照下列公式进行计算: M TT R = (�R p) / � 式中: �部件的故障率; Rp 为维修时间。 189 !现代电子技术∀2009年第 23期总第 310期 � � 电子技术应用 平均停机时间( MDT)是平均维修时间( MT TR)和 响应时间的总和( MDT = MTT R+ 响应时间) ,故障信 息后的响应时间不大于 20 m in, 因此平均停机时间 MDT 不超过 40 min。各部件的维修时间根据经验数 据推算得出。 2 � 屏蔽门可靠性措施 设备在设计时采用高可靠性措施, 通过采取相应措 施来降低系统故障率和有关影响正常运行的随机性。 2. 1 � 采用对系统安全、硬件和软件的冗余措施 通过在屏蔽门系统中采用多于一种手段执行同 一种规定功能的能力,来提高设备系统的可靠性[ 4] 。保 证任何一个导致非安全条件的故障或故障组合,其表现 出的发生概率均小于 10- 11次/工作小时。单元控制器 对于紧急的关键故障检测周期小于等于 50 ms, 对于 一般的故障检测周期小于等于 250 ms。 ( 1) 电源柜蓄电池采用 N + 1 冗余方式, 其容量能 使屏蔽门控制系统在 1 h 内对每侧滑动门开/关操作 5次。 ( 2) 通信网络的现场总线采用两路主干冗余的方 式;当其中一路发生故障时,另一路保证系统正常通信, 并且屏蔽门操作指示盘上显示出相应的故障信息。 ( 3) 屏蔽门系统与综合监控系统通信线路为冗余 方式,增加监控的可靠性。 ( 4) 交叉间隔的单数和偶数门的单元双允许电路。 ( 5) 在门单元控制器内连接信号系统的双 CPU 设置。 ( 6) 在信号系统故障的情况下, 通过就地控制盘进 行所有门单元的手动控制。 ( 7) 允许授权工作人员就地手动控制单个门单元 的操作。 ( 8) 从站台 UPS到门单元的就地供电单元的冗余 三相配电 ( 1 个单一的供电连接断开将不会造成对应 于 1节列车门的所有门单元操作失败)。 ( 9) 任何门机控制器的危险故障将导致活动门的 驱动装置断电, 活动门能手动关闭。 ( 10) 任何门单元的驱动装置能手动隔离,使它们 能手动关闭和锁紧。 ( 11) 门锁单元按照屏蔽门的应用和环境特殊 设计。 ( 12) 系统软件的设计采用冗余原则。 2. 2 � 使用已通过应用证明的具有高可靠性的元件 电子器件和机械器件的选择与控制是保证系统固 有可靠性、减少器件规格品种、降低保障费用的有效措 施。如单元控制器中采用力导向接触继电器、专门为屏 蔽门系统设计的电磁锁装置、驱动传动装置、控制系统、 网络系统、免润滑轴承等均为经实际工程使用证明的高 可靠性设备[ 5, 6]。 2. 3 � 电磁辐射及兼容 系统所有的电气及电子系统,包括其分系统、组件、 元件等, 在执行规定的任务时遇到的各种电磁环境 [ 7, 8] (系统内部的、外部的、人为的及天然的)中, 其性能不降 低、参数不超出容许的上下限,而仍能协调地、有效地工 作。主要采用如下多种技术措施: ( 1) 电气组件采用金属外壳,信号电缆采用屏蔽电 缆, 隔离变压器采用屏蔽层, 并接地,阻断内外电磁波。 ( 2) 主控机、门机控制器等电气组件的电源进线侧 都具有多级滤波器和 L�N�PE( 3线)防雷击的压敏限压 器件,以消除高频共模和差模传导骚扰和广谱雷击破坏 和骚扰。 ( 3) 分站台区域和设备房区域, 站台门系统分中的 设备分别进行等电位接地和 NT�S电源系统接地。即 确保了安全,又就地抑制电磁噪音。 ( 4) 各个 DCU 的现场数据总线口和 I/ O口全部采 用光电偶合器件电气隔离,驱动电源和控制电源进出线 间插入隔离变压器,在信号和电源电路上,完全切断了各 模块间的地环路干扰。在机箱、线槽、PCB等处布线时, 充分考虑电源与信号线,内部与外部的区域划分和隔离。 ( 5) 现场数据总线采用平衡传输方式并与隔离技 术结合, 发送端和接收端都采用平衡差分电路, 极大地 抑制了对外骚扰和提高了抗干扰能力。 ( 6) 在软件程序上,主控机、门机控制器对 I/ O 口 信号采用防抖和重复确认技术处理,总线信号采用奇偶 校对和再次传送纠错等技术处理,有逻辑异常和通讯失 败时报警提示 [ 9]。 ( 7) 屏蔽门系统样机通过严格的电磁兼容试验。 2. 4 � 保证系统运营时保养维护有足够的频度 屏蔽门系统在设计阶段即对运营维护主要部件的 检查检测设定足够的频度, 避免相同故障重复发生, 屏 蔽门系统主要部件的保养维护项目包括表 1 所示 [ 10]。 3 � 结 � 语 地铁屏蔽门是集计算机、网络、机械和自动控制等 高新技术的机电一体化设备, 保证可靠性在设计阶段、 元器件选择、运营维护阶段都将其作为重要工作内容之 一, 可靠性水平将直接影响到地铁的运行水平和服务质 量。随着近几年国内地铁的大规模建设水平和运营水 平的提高,将对地铁屏蔽门可靠性有更加深刻的认识。 (下转第 193 页) � 190 智能交通与导航 张 � 杰:地铁屏蔽门的可靠性设计 通事故率的发生。 图 4 � 主程序图 本系统还有一定的升级改造空间, 主要包括如下几 个方面:一是可以采用容量更大的具有加密功能的接触 式 IC卡, 采用射频加密的 IC 卡及使用大容量的 U SB 存储设备等用于各种信息的保存工作; 二是可以将各项 统计数据通过汽车内的 GPS 设备实时地向交通指挥控 制中心传送,这样交通主管部分就可以得到各种及时的 数据,然后根据情况采取各种应急措施,进一步地防患 于未然, 保障旅客的生命财产安全。 参 � 考 � 文 � 献 [ 1] 高玉民.国内外汽车黑匣子的现状与发展动态 [ J] . 汽车电 器, 2004( 4) : 60�61. [ 2] 朱晓宏.公交客流信息采集方法与技术[ J] . 城市公共交通, 2005( 7) : 20�21. [ 3] 梁锦,刘铖. 两种主要接近传感器的比较[ J] . 自动化仪表, 2005, 26( 6) : 64�65. [ 4] 吴董炯.一种热释电红外线传感器的应用 [ J] . 上海电机学 院学报, 2005, 8( 6) : 18�19. [ 5] 易志明, 林凌. 时钟芯片 X1203 及应用 [ J] . 电子产品世界, 2006( 6) : 66�67. [ 6] 张志良.单片机原理与控制技术[ M ] . 北京: 机械工业出版 社, 2006. [ 7] 魏丽娜,管力锐. 89C51 单片机与 I2C 总线的并行扩展[ J] . 桂林航天工业高等专科学校学报, 2006( 3) : 15�16. [ 8] 何立民. I2C 总线应用系统设计[ M ] . 北京: 北京航空航天大 学出版社, 2004. [ 9] 杨金岩,郑应强, 张振仁. 8051 单片机数据传输接口扩展技 术与应用实例[ M ] .北京: 人民邮电出版社, 2005. [ 10] 何立民. 单片机应用技术选编( 9) [ M ] . 北京: 北京航空航 天大学出版社, 2004. 作者简介 � 邹显圣 � 男, 1972年出生 ,辽宁大连人, 副教授,硕士。主要从事智能控制研究。 � � (上接第 190 页) 表 1 � 屏蔽门主要部件保养维护项目 编号 检验与检查项目 编号 检验与检查项目 1 检查屏蔽门中央接口盘的 报警指示灯 14 驱动电源的检查 2 屏蔽门的操作 15 就地控制盘指示灯的测试 3 门扇的橡胶密封条 16 应急门和端头门的手动操作 4 防夹保护橡胶 17 检查固定螺栓的松紧、门扇、顶盒、门槛 5 门扇玻璃 18 清洁导轨表面 6 门扇框架 19 检查障碍物探测功能 7 门槛及门槛凹槽 20 开门/关门时间的检查 8 检查滑动门的门状态指示灯 21 手动解锁装置 9 检查设备房的温度 22 门机解锁机构活动部分的检查 10 检查设备房有无漏水 23 互锁解除功能的检查 11 通过目测检查面板、玻璃、 门槛防滑板等 24 检查屏蔽门与站台地面之间 的绝缘 12 检查供电单元的输出电压 25 检查屏蔽门系统与铁轨间的电阻 13 控制电源的检查 参 � 考 � 文 � 献 [ 1] 谢里阳,何雪宏, 李佳.机电系统可靠性与安全性设计[ M ] . 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2006. [ 2] 09GB50157�2003.地铁设计规范[ S] . [ 3] 何宗光,汪松滋, 何其光. 城市轨道交通车站机电设备运行 与管理[ M ] .北京: 中国建筑工业出版社, 2005. [ 4] CJ/ T236�2006. 城市轨道交通站台屏蔽门[ S] . [ 5] GJB/ Z299C�2006.电子设备可靠性预计手册[ S] . [ 6] M IL�HDBK�217E.电子设备可靠性预计[ S] . [ 7] 周志敏, 纪爱华 . 电磁兼容技术[ M ] . 北京: 电子工业出版 社, 2007. [ 8] 邱焱,肖雳. 电磁兼容标准与认证[ M ] .北京: 北京邮电大学 出版社, 2002. [ 9] 阎石, 王红. 数字电子技术基础[ M ] . 北京: 高等教育出版 社, 2006. [ 10] 杨其新, 关宝树. 地下铁道话题[ M ] . 成都: 西南交通大学 出版社, 2007. 作者简介 � 张 � 杰 � 男, 1963年出生 ,工程师, 现在深圳市地铁有限公司工作。主要负责地铁车站机电设备的设计管理等工作。 193 !现代电子技术∀2009年第 23期总第 310期 � � 电子技术应用