地铁屏蔽门的可靠性设计

《现代电 枝术》2OO9 第 23期总第 310期 电子技术应用q 地铁屏蔽门的可靠性设计 张 (深圳 市地 铁有限公 司 杰 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，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 。 关键词：地铁；屏蔽门；可靠性；冗余措施 中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1004—373X(2009)23—189一O2 Reliability Design of M etro Platform Screen Doors ZHANG Jie (Shenzhen Metro Co．Ltd．，Shenzhen，518026，China) Abstract：The reliability of metro platform screen doors system is analysed about Mean Cycles Between Failure(MCBF) and Mean Time to Restoration(MTTR)．Mean Time Between Failure(MTBF)，M CBF，MTTR and Mean Down Time(MDT) are calculated based on project experience．Measure of the reliability is proposed about redundance designing，limitation designing，EMC，component choice and operation service acording to actual reliability index． Keywords．．metro；platform screen doors；reliability~redundanee 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(MCBF) MCBF按下列计算 ： MCBF一(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 ]： 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 3O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(MTBF)按类似工程累 收稿 日期 ：2009—05—07 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(MTTR) 屏蔽门平均维修时间为 20 min，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： MTTR一∑( )／∑ 式中： 部件的故障率；R。为维修时间。 1 89 张 杰：地铁屏蔽门的可靠性设计 平均停机时间(MDT)是平均维修时间(MTTR)和 响应时间的总和(MDT—MTTR+响应时间)，故障信 息后 的响应时 间不大 于 20 rain，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 1o 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 1 90 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_5．6l。 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口 (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／0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 内容㈨ 。 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) 2009 第 23期 总 第 310 通事故率的发生 。 _-- -_ __ 。。_ ___ 一 1 开始 系统初始化 产生系统所需的实时时间信息 堡兰上／下兰里 =：：一 、、 ≤森 ＼ — — J_Y 记录上车旅客的时间信息 车厢旅客当前人数加1 显示实时旅客人数 N 记录下车旅客的时间信息 车厢当前旅客人数减1 显示实时旅客人数 车辆到终点站了吗7 、 、 厂 _、、 N 图 4 主 程 序 流程 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 USB 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EJ]．汽车电 器 ，2004(4)：60—61． E2]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EJ]．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[刀．上海电机学 院学报 ，2005，8(6)：18—19． [53易志明，林凌．时钟芯片 X1203及应用[J]’电子产品地界 ， 2006(6)：66—67． [63张志良．单片机原理与控制技术EM]．北京：机械工业出版 社 ，2006． [73魏丽娜，管力锐．89C51单片机与 I。C总线的并行扩展EJ]． 桂林航天工业高等专科学校学报，2006(3)：15—16． E8]何立民．I。c总线应用系统设计[M]．北京：北京航空航天大 学 出版社 ，2004． E9]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． [1O]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 ， 检查屏蔽门中央接 口盘的 14 驱动电源的检查 报 警指示灯 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 检查 固定螺栓 的松 紧 、门扇 、 4 防夹保护橡胶 ～ 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 2O 开 门／关 门时间的检查 8 检查滑动 门的门状 态指示灯 2l 手动解锁装置 。 。 门机解锁机 构活动部分的 9 检查设备房的温度 ～ 检查 1O 检查设备房有无漏水 23 互锁解除功能的检查 通过 目测检查面板 、玻璃 、 。 检 查屏蔽门与站 台地 面之 间 ～ 门槛防滑板等 一 的绝缘 。 检查屏蔽门系统与铁轨间的 12 检查供电单元的输出电压 。 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[s]． E3]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Is]． [5]GJB／Z299C一2006．电子设备可靠性预计手册IS]． [6]MIL～HDBK一217E．电子设备可靠性预计IS]． [73周志敏，纪爱华．电磁兼容技术[M]．北京 ：电子工业出版 社 ，2007． [83邱焱，肖雳．电磁兼容标准与认证EM]．北京：北京邮电大学 出版社，2002． [93阎石 ，王红．数字 电子技术基础[M]．北京 ：高等教育出版 社 ，2006． El0]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