基于PLC 的屏蔽门教学系统设计与实现＊

程转花，兰葭凌，王亚明，付燕荣

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

地铁屏蔽门系统与乘客的安全息息相关，在城市轨道交通中起到至关重要的作用。屏蔽门作为安全屏障，动作频繁、故障率高，是城市轨道交通日常运营中维护和检修的重点。因此，掌握屏蔽门维护与检修的专业知识、提高实践技能是人才培养与岗位培训的重中之重。真实的屏蔽门设备不仅价格昂贵、占地面积大、质量大，而且体积庞大、门机系统位置高，不利于教师讲解和学员实践训练。本文以1∶5 的比例高度模拟真实的地铁屏蔽门系统，外观使用透明亚克力板，便于学生在教师教学演示过程中直观清晰地看到各元件位置、了解运作原理、掌握维修方法、熟悉其控制及操作。该系统使用PLC 控制，由于选用了现代大规模集成电路技能和严格的生产工艺来制作内部电路，使得PLC 控制可靠性高、抗干扰性强，与传统操控体系相比无机械触点、运行磨损小、使用年限更长，且PLC 使用存储逻辑代替接线逻辑，极大地减少了操控设备的外部界限，安装方便、便于日常维护。

1 屏蔽门教学系统的组成及功能

该教学模型以1∶5 的比例高度模拟真实的地铁屏蔽门系统，系统结构由机械和电气控制两部分组成。其中，机械部分包括门体结构和门机系统，门体结构主要包括固定门、滑动门和应急门，门机系统包括门头锁、传动装置、驱动装置等[1]；电气控制部分主要集中在左侧电控柜中。该模型框架采用20 mm×20 mm铝合金型材，顶箱盖板、门体、控制箱体采用5 mm厚透明亚克力板，通过PLC 控制技术可以实现滑动门的开闭、应急门在紧急情况下打开、门头灯及客流预警灯的亮灭、障碍物检测及报警等功能，顶箱盖板与实际一致，可打开进行检修作业。屏蔽门教学系统组成结构示意图如图1 所示。

图1 屏蔽门教学系统组成结构示意图

该教学系统可实现以下教学功能：①在理论课教学过程中进行演示，学生可以观察到各元件位置、机械运动、零件的结构和运作原理；②通过对屏蔽门教学模型进行拆装、维护、检修等实训，便于学生掌握维护检修技能，也有利于地铁公司对员工进行岗前培训；③通过客流诱导指示灯闪烁实现乘客拥挤状态显示，诱导乘客乘车，疏散客流，提高舒适度[2]，提高学生的学习兴趣，加深对知识的理解，将理论与实践相结合，促进学生创新能力提升；④可实现教学系统硬件与软件的联动，构建虚实数字孪生一体化实训平台，该教学系统简易环保、便于安装，易于维护，运行和维护成本低，方便教学使用。

2 教学模型的设计

2.1 机械设计

教学模型按照1∶5 的比例高度模拟真实的地铁屏蔽门，模型设计图如图2 所示。

图2 屏蔽门教学模型设计图

模型滑动门宽500 mm，应急门宽625 mm，固定门宽625 mm，顶箱高200 mm，总体高650 mm；底部横向的2 根长杆，客观上增加了整个站台的刚度，左侧电工柜放置电控设备，同时也增加了该系统的稳定性，使整体的刚度大大改善，并设置有站台候车区域。

屏蔽门设计有防夹装置，在屏蔽门后两侧安装有对射式光电传感器，并且顶箱是可以上下翻动的，模拟真实的地铁屏蔽门可以打开进行维修，顶箱后侧的电机带动同步带轮可以使滑动门打开、关闭，同时，霍尔开关检测门及门头锁是否开、关到位，以进行下一步动作。在电工柜的上方，安装有急停按钮，以便在发生紧急情况时进行制动。

2.2 控制系统设计

2.2.1 传感器和执行器选型

选择霍尔传感器来判断开关门是否到位、门头锁打开和锁闭；关门障碍探测考虑到距离问题选择对射式传感器；电机选用DC24 V 微型电机，该电机自带编码器；门头锁电磁阀24 V，行程8 mm。

2.2.2 PLC 控制器

该教学系统输入输出并不复杂且相对固定，选用小型控制系统，这一类PLC 控制器的典型代表有西门子公司的S7-200 系列、三菱公司的FX 系列、欧姆龙公司的CPM1A 系列等。考虑到该教学系统的规范性、方便性、通用性、兼容性以及学校教学的统一性，选择西门子公司的S7-200。最终确定PLC 型号，CPU ST20 为12 路开关量输入，8 路开关量输出；EM DE08为8 路开关量输入；EM DT08 为8 路开关量输出；EM AM03 为2 路模拟量输入，1 路模拟量输出。

根据元器件种类及功能需求，对PLC 控制器的输入输出端口（I/O）进行分配，如表1 所示。

表1 PLC 控制器的I/O 分配表

2.3 PLC 程序设计

在进行PLC 控制系统设计时，要在功能完善的基础上，遵循易读、易改、易于运行的原则，程序语言的编写要简洁明了，减少程序的扫描时间，进一步保证屏蔽门教学系统的运行精准度。

整体的程序设计流程图如图3 所示。当系统开始运行，首先进行信号处理，零点量程的转化，即将电机接收到的脉冲转化为实际距离；其次进行初始化，即门是否在开到位或关到位的位置，当因故障或断电导致门停在中间，系统运行时将会使得门先到达设定的初始位置后，再进行开关门的程序设计。当发生紧急情况或者开关门过程中有障碍物时，系统将进行报警输出；当程序正常时，则客流预警相应的指示灯亮。

图3 程序设计流程图

开关门控制程序首先要有开门关门的信号、具备开关门条件，由于急停程序优先于任何运行程序，故当急停程序运行时，开门指令将无法正常进行。开门程序如图4 所示。

图4 开门程序

3 屏蔽门教学系统的实现

3.1 屏蔽门教学系统制作

通过对设计图纸进行机械加工制作和控制器设计安装，得到基于PLC 的屏蔽门教学系统样机，如图5所示，左侧部分是电控柜，材质使用铝合金框架和透明亚克力板，通过PLC 控制门机系统实现屏蔽门滑动门开闭、门头灯亮灭和闪烁以及障碍物探测防夹功能。控制系统具有手动和自动控制2 种模式，手动控制时可以用按钮实现运行[3]。在最后测试阶段中结合Python图像识别的结果，经MicoWin 传输至PLC 中控制客流诱导指示灯显示车厢的拥挤度，实现对该教学模型的创新。

图5 基于PLC 的屏蔽门教学系统样机

3.2 屏蔽门教学系统测试

在总装调试前，对编写的程序进行模拟调试，确定程序无误后，将程序导入PLC 中运行；检查电源、PLC 与电脑接线、硬件接线，确保接线正常；将程序导入进行调试，检测程序编写的优先级、指示灯、蜂鸣器、开关门、门头锁等运行是否正常，图像识别、处理客流预警信息是否准确；对于达不到程序设计要求的进行优化处理，处理后再次进行调试，直至程序调试正常。

4 结论

屏蔽门作为地铁车站重要设备之一[4]，如何将理论与实践相结合，深入理解屏蔽门的结构和工作原理，掌握检修和维护技能，是各级各类学校专业教学的痛点和难点。对于当前城市轨道交通教学设备使用现状而言，体型小、性价比高、运行成本低、易于维护和维修的教学模型实属少见，而基于PLC 的屏蔽门教学系统符合实际教学需求，将有益于轨道交通专业教学。同时，该教学系统增加了基于图像处理的客流诱导功能，符合智慧城轨车站建设的发展方向和培养创新人才的需求。