智能闸门模块应用于广州地铁线网闸机的研究*

杨壁贤，吕定胜，倪旭敏，黎志华

（广州地铁集团有限公司，广州 510308）

0 引言

目前广州地铁线网闸机使用的闸门主要是扇形闸门模块。扇门运行速度快、开关门时间为460～650 ms、运行惯性大，难以紧急制动停止扇门运行，导致发生扇门夹人事件。而且扇门对乘客冲击时的接触面小、冲击力集中，容易引起客伤投诉。扇形闸门模块利用扭转弹簧实现设备断电开启扇门安全疏散乘客。扇门每次开关都要带动弹簧扭动，而且弹簧长期处于受力工作状态，所以弹簧容易出现疲劳折断。扇门动力为普通交流或直流电机，加、减速性能差，需要定期做维护保养，且使用过程对电源设备冲击大。闸门模块在电机端部加装了制动器，由于频繁制动，制动器需要经常检查、调整和更换，以保证制动功能和防止扇门关闭以后弹簧的蓄能使扇门打开。

因此，本文研发一套冲击力小、维护量小且具有主动夹人检测功能的智能安全型闸门模块。增强免维护能力，以一个中修周期为目标，采用可靠性高、耐用性好、损耗低的部件，规避广州地铁在用扇形闸门机构的设计不足。提高安全防护能力以及低碰撞力、高防撞性，夹人夹物的自检测能力。完善设备通用性以及左、右闸门的互通性，兼顾广州地铁在用不同厂家模块的可替换性。

1 技术方案

智能闸门模块产品是一款基于广州地铁线网售检票系统终端闸机设备运营用户应用经验总结，由广州地铁集团有限公司自主研发，面向轨道交通售检票系统终端闸机设备的闸门模块，适用于城市轨道交通车站、公共交通枢纽、机场、高铁、写字楼、体育馆、图书馆、博物馆、景区等场所布置闸机门禁控制。模块以横向水平移动门作为阻挡机构，横向水平移动机构一般安装在闸机的中部。智能闸门模块采用交流伺服电机进行驱动，具备夹人夹物检测功能，取消了传统扇门模块普遍采用的锥齿、刹车片、扭转弹簧、行程开关等机械部件，并用横向无轨水平移动闸门替换大偏心大扭力扇形移动闸门，提高了产品运行的安全性和可靠性，并减少了对检修维护的需求，具有快速打开、安全、低维护需求等优点，满足城市轨道交通快速发展和各类闸机门禁控制布置场所的要求。

1.1 伺服电机

交流伺服电机的使用寿命一般为8 年，如图1所示。根据使用环境、频度、负载大小的不同，会存在较大的差异[1-2]。

伺服驱动器如图2 所示，指示灯代表驱动器的工作状态，红灯亮表示驱动器出现故障报警，绿灯亮表示驱动器正常工作并且有电压输出。控制线连接至转接板，通过转接板连接至系统，主要用来与控制系统交换信号。键盘用于查看驱动器故障代码以及调试驱动器内部参数。电源端子J5 用于连接交流电源。驱动器IO 输入端子电压是12～24 V，常用4个光电隔离数字输入IO端子DI1、DI2、DI3、DI4，8个光电隔离数字输出IO 端子DO1+、DO1-、DO2+、DO2-、DO3+、DO3-、DO4+、DO4-。编码器接口用于连接编码器线缆，编码器线缆接至另一端电机，电机后端盖装有编码器，编码器通过编码器线将位置信息反馈给驱动器。左、右门拨码开关根据实际使用情况进行选择，当用在左侧门时将拨码开关拨至“左”的位置，当用在右侧门时将拨码开关拨至“右”的位置。驱动器的输出通过动力线连接至电机[3-4]。

图1 交流伺服电机

通信接口为RS485 通信接口，采用国际标准的MODBUS通信协议进行主从通信，可以通过通信接口与驱动器实现异步串行半双工通信，通信可实现读写伺服驱动器功能参数、监视伺服驱动器工作状态、发送控制命令等功能。

智能闸门模块采用交流无刷伺服电机、减速器，具有良好的定位检测和速度控制功能，不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠；恒力矩输出，机构动作一致性好，运行平稳，即使在低速时也不会出现振动现象；电机加速性能较好，从静止加速到其额定转速3 000 r/min 仅需几毫秒，可快速启停闸门运动组件。

1.2 机械传动

1.2.1 通道配对设置

图3 智能闸门模块

本闸门模块如图3 所示，可通过门体安装位置调整，无需调整闸门模块主体安装方向即可实现门体向左开启或是向右开启，为闸机设备灵活布局设计提供了极大便利。

本闸门模块组成部分包括动力模块、传动模块和闸门模块。动力模块含定制伺服电机和减速器，传动模块含摆臂+机架，闸门模块含定制开发的方形耐用门体。该闸门模块取消了断电拉伸弹簧；软定位、软刹车，取消了行程开关等机械部件；改进扇门骨架结构，耐压力大于100 kg；方形门体设计，与人体接触面积大，单位面积压力小；左、右通道门通用，软定义。

1.2.2 伺服驱动器配对设置

伺服驱动器设置有左右门转换开关，与闸门模块门体左开启或右开启灵活配置相适应，如图4所示。左右门开关切换采用拨码开关，拨至“左”的位置即伺服驱动器用在左门，拨至“右”的位置即伺服驱动器用在右门。

图4 伺服驱动器左右门转换开关

参数设置中，通过输入信号的有效电平设置，驱动平移扇门动作，可根据不同线路闸门动作电平的不同，设置不同的参数，适用在地铁线网各线路。该闸门模块增加了夹人夹物自动检测功能，并可进行后续动作设定；具有门体驱动变扭矩控制功能，即依据不同动作时点的动力需求，分类设定扇门驱动扭矩；无需辅助器件，即可实现紧急模式功能，人为掰动扇门，断电开门。所有五金件均选用韧性好、耐磨性高、防锈耐腐蚀能力强的材料；门体封包材料选用独特配方，阻燃、坚固、弹性好且耐用性久，使用寿命是常规扇门的3倍以上；将普通轴承改为含油轴承。

1.3 接口板设计

应用于三、五号线闸机设备的改造主要是针对接口板的设计改造，接口板与伺服电机连接图如图5所示。通过对电气信号的转换，实现闸机主控对伺服电机的控制，以及伺服电机及闸门模块反馈信号的上传。接口板提供220 V输入电压到伺服控制器，发送开关门控制及紧急模式控制信号到伺服控制器。伺服控制器反馈行程状态和报警状态到接口板。伺服控制器操作面板可以对伺服电机的驱动信号进行设置，结合实际需要设置为低电平或高电平输出[5-6]。

2 现场使用情况

2018 年采购到货16通道智能闸门模块安装到三号线某车站使用，截至2019年，智能闸门模块没有出现机构磨损、部件变形等故障，设备功能使用情况如下：

图5 接口板与伺服电机连接图

（1）闸机智能闸门模块进出客流，每分钟乘客通过能力与原来既有闸机一致；

（2）闸机智能闸门模块，处理正常有效车票后，智能闸门模块动作开关时间与既有闸机一致；

（3）闸机智能闸门模块，闸机控制逻辑控制保持原来不变[7]；

（4）闸机智能闸门模块取消了行程开关，减少每次由于制动失效需要人员调整时间；

（5）闸机智能闸门模块解决了原来扇形闸门机构金属疲劳导致底座断裂，制动失效，开关门异响的故障[8]。

针对该站2016 年至2017 年既有扇形闸门机构，与2018年至2019年智能闸门模块使用情况，通过客流数据和设备故障数进行统计分析，如表1所示。得出结论，该站现有扇形闸门机构与平移机构在客流基本一致情况下，平移机构故障率下降56%。并且现有扇形闸门故障后，现场维修人员对扇门机构深度维护调整无法满足现场需求，只能整机返基地后台维修，平移机构只需现场重启设备或者调整可修复设备恢复正常。

表1 既有闸门模块与智能闸门模块机构故障数量对比

3 结束语

本文研究的智能闸门模块目前已成功应用在广州地铁一至五号线。该模块是一种以横向水平移动门作为阻挡机构的闸门模块，闸门水平推动，运行平稳，对底座的冲击力小。实际应用中提升了设备免维护能力，取消了断电拉伸弹簧，支持紧急情况下的手动掰门功能。机械、传动部件均采用定位安装免调整、免维护设计。伺服电机集成了闸门控制功能，闸门门体耐久性可达PU门体的3倍以上。智能闸门模块可以进行夹人夹物自动检测，小型化设计，占用空间小，便于机构的嵌入式安装。