地铁月台屏蔽门单元控制器优化策略及实验研究

石云鹤，路 扬，朱振亚，郝国林

(郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450000)

单元控制器是屏蔽门系统的信息交互存储、状态监视诊断、数据采集分析和整机逻辑控制的CPU级核心命令执行单元,其故障表现在电子、电气物理效应叠加上，并具有相互耦合的一般特性，具体为PSCC逻辑故障、信号命令故障、使能电路错误、使能电路故障、开门命令故障、关门命令故障、允许命令故障、通信传输故障等等。维修记录显示，单元控制器故障多为安全继电器主触点氧化、印制电路板发热碳化、通信模块失效等。本研究通过多种技术手段消除上述隐患风险，优化电流、电压、振动、温度、湿度等主要物理信号源运行，延长设备平均无故障周期。

1 单元控制器故障分析

单元控制器为屏蔽门系统的核心部件，属屏蔽门设备的中央级控制“大脑”。自2018年1月至2021年6月，1号线屏蔽门系统单元控制器故障数量逐年上升，具体统计见图1。

图1 单元控制器故障统计

屏蔽门单元控制器故障易引起控制系统报警及整侧滑动门无法联动开关[1]，其故障主要为单元控制器内部主控制电路主板老化、安全继电器动作触点灼烧发黑碳化、通信板卡元器件损坏等。

1.1 安全继电器动作触点灼烧发黑碳化

单元控制器主控制逻辑板采用安全继电器(属于电磁式继电器)，由铁芯、线圈、衔铁、金属触点及辅助零件组成，通过金属触点吸合、释放，实现线路接通与断开。继电器因长时间通电动作致使金属触点表面氧化或电弧烧灼而出现发黑碳化、毛刺等缺陷，继而使金属触点接触电阻明显增加，由面接触变成点接触，触点温度升高，严重时可导致通路中断等异常情况。主控制逻辑板安全继电器异常,会直接导致整侧站台滑动门无法联动。

1.2 主控制电路主板发热碳化

主控制电路主板在整机运行中受到多种因素叠加影响，如振动、电磁、温度、湿度、浮尘、电流、电压等。长时间带电运行时某些电子元器件(如电阻、电容、二极管、三极管等)将在不平衡电流或脉冲式电压作用下逐渐失去原有特性。当所有影响因素在某一时刻或阶段超强叠加时，电路整体超负荷运行，系统参数可能发生改变,且造成主板老化及故障发生。

1.3 通信板卡元器件损坏

单元控制器采用冗余设计，设置通道1、通道2，通过CAN总线与门控单元DCU进行通信，并经RS485总线和上位机进行数据交换。主控通信IC受周围瞬态过电压、过电流及非强电电磁感应产生的过高共模和差模电压等环境干扰因素影响,造成通信板卡元器件损坏或其他异常情况，最终导致单元控制器故障。

2 单元控制器优化策略

2.1 安全继电器输出增加灭弧电路

针对单元控制器安全继电器动作触点灼烧发黑碳化问题，特别是开门继电器、关门继电器、使能继电器，可以增加灭弧系统以消除故障，即增加固态继电器为主的驱动回路灭弧电路，保护驱动继电器机械触点不受损害，可显著增加设备使用寿命并减少故障率。

灭弧电路中电弧特性涉及电场、磁场、温度场及流场等多物理场的耦合，电弧的燃烧和熄灭特性分散性大、随机性强，其电弧特性的影响因素有灭弧室内的灭弧介质、气压、触头分断速度、横吹磁感应强度等。电弧的电压、电流及功率波形曲线变化存在明显的几处转折点(见图2)，可借助这几处转折点将触头分断过程分为四个阶段，即起弧阶段(a—b)、拉弧阶段(b—c)、吹弧阶段(c—e)和熄弧阶段(e—f)。起弧阶段最基本的特征即为电压两台阶的出现，当分断电路的电压与电流大于最小生弧值时，触头间就会产生电弧[2]。

图2 典型灭弧波形图

拉弧阶段由于两触头的间隙较小，电弧自身产生的电磁斥力及横吹磁场对电弧产生的洛伦兹力较小，不足以使电弧向外运动，只能靠触头开距的增大将电弧拉长，此阶段电弧电压平稳增高，电流下降速率变慢，电弧燃烧功率稳定。

吹弧阶段中的d 点为电弧功率最大点，其对应电弧电压约为110 V，此值可根据直流实验回路及电弧电压、电流与功率的关系计算。当电弧电压为电源电压1/2时，电弧功率达到最大值。

吹弧阶段电弧在洛伦兹力作用下被拉弯变长，电压快速上升、电流快速下降。通常情况下电路中存在一定电感，当直流电弧的灭弧措施过于强烈时，可能导致电弧燃弧时间很短，电流快速下降，变化率过快，电弧燃烧释放的能量不足以将电路中的能量消耗掉，则电感性元件会产生很高的自感电势，此自感电势连同电源电压一起施加于端口两端及线路上的电气设备，该合成电压可能高出电源电压的几倍，便产生图中e点的过电压现象。

熄弧阶段电弧电压已达到最大值e 处，此处电压值因过电压程度而各不相同，而电流值却总是在60 A左右。电压达到e 点后电弧是否熄灭取决于此时灭弧室内弧道的温度、电磁场等的干扰是否致使电弧重击穿，此时介质的绝缘强度更多体现在灭弧介质的冷却作用及横吹磁场对电弧运动的扰动作用，若电弧受到扰动反向运动至未冷却的弧道则可能发生重击穿。

2.2 改善电源基板发热碳化问题

在现用单元控制器的维修及研究过程中，发现设备内部通信模块基板存在发黑碳化现象，这是通信板电源功率器件长期发热造成的。通信模板集成双路冗余开关电源输出DC24 V和DC5 V，为整台设备和外围设备(如就地控制盘、紧急后备操作盘等)供电，整机功率约为40 W。单元控制器每天24小时不间断运行，通信板电源部分长时间处于60℃高温环境下，大功率开关器件表面温度瞬时高于80℃，日积月累导致功率器件部分电路基板出现发黑碳化现象，基板碳化又会造成绝缘性能下降，进一步增加电源功率，如此恶性循环造成通信基板使用寿命降低，甚至无法修复，最终导致设备报废。

优化策略可选用150 W隔离电源模块，其散热功能更好、功率更大、集成度更高，连续运行24小时温度不会超过50℃。同时，严格控制整机功耗，设计最大功耗不超过25 W，更能规避电源基板发热等异常风险。

2.3 提高通信稳定性

在单元控制器试验机中增加RS422防护电路，选用更加稳定的通信单元，同时在总线接口部分增加SMB双向瞬态抑制管和防雷、防静电保护管，使通信稳定。

3 单元控制器样品实测

根据上述优化策略及实施方案试制样品，基于运营安全风险考虑，首先在屏蔽门试验台进行模拟运营测试，观察设备运行状态、记录实验数据、比对现用单元控制器运行指标，如状态指示灯实况、平均无故障周期、设备可靠性等。

3.1 状态指示灯性能指标

单元控制器状态指示灯性能指标如表1所示。

表1 状态指示灯性能指标

3.2 平均无故障周期指标

在样品测试数学模型中，实验时间即为加速因子且服从指数分布的加速寿命实验，可采用MTBF阿氏模型计算公式进行估算[3]。

根据实验所得设备平均无故障周期MTBF并结合单元控制器故障台账，分析优化后单元控制器故障率，量化平均无故障周期指标。

4 结语

通过对地铁月台屏蔽门单元控制器的优化研究、分析改进，降低屏蔽门系统故障率，保障机电设备运行可靠性。同时，在优化策略条件下，对设备的可使用度提出下一步的研究方向：

(1)对于最小维修单元，探索在用设备可替代性实验课题，加速国产化项目研究进程，弥补设备固有缺陷；

(2)针对影响运营的易损部件提出大、中修等预防式维修理念；

(3)细化检修规程，进一步开展深度检修，同时推进设备预防修、智能修。