1、 地铁车站设计论文：地铁车站自动扶梯与屏蔽门联动设计研究摘 要 从实现地铁车站与站台屏蔽门联动以达到自动扶梯节能的目的出发,分析该系统的 LonWorks 现场总线结构,讨论 LonWorks 神经元芯片在智能节点中的应用,举例说明用 NeuronC 语言编写系统节点应用程序的方法,探讨系统与自动扶梯和屏蔽门的接口设计,并简要描述系统的组网和人机界面的开发。关键词 地铁 车站 现场总线 自动扶梯 屏蔽门 LonWorks 神经元1 设计研究背景我国能源形势日益严峻,如何缩小能耗是城市轨道交通事业经营者亟需解决的问题。以广州为例,到 2010 年要建成总长 255km 的轨道交通线,届时车站使用
2、的自动扶梯将达到 1000 台以上,耗电量将非常大。以广州地铁 1 号线为例,16 个车站的日平均客流量分布极不平衡(见图 1),全线每月的平均客流量分布也极不平衡(见图2)。另外,繁忙时行车间隔为 4min30s,而站台上行自动扶梯实际运送乘客的时间仅约 30s,可见地铁车站客流量的时空分布极不平衡。因此,有必要研究利用 LonWorks 现场总线技术实现地铁车站自动扶梯与站台屏蔽门的联动,并且实现自动扶梯根据分布不平衡的客流量智能化的进行调整的设计方案。2 系统总体设计2.1 控制网络本系统包括:自动扶梯与 LonWorks 的接口、屏蔽门与 LonWorks 的接口、LonWorks 神
3、经元芯片、连接自动扶梯的总线、车站工作站(含网关)、车站到全线光纤环网的交换机、全线光纤环网、控制中心中央计算机 8 个部分。整个网络采用总线拓朴结构,分为 n 个子网,每个车站为一个子网。车站工作站挂接在车站 LonWorks 总线上,可以对本站的自动扶梯进行控制。n 个车站的 LonWorks 子网通过网关和光纤环网交换机挂接在全线光纤环网(以太网)上,控制中心中央计算机也挂接在光纤环网上,可以对全线的自动扶梯进行控制,系统的网络结构如图 3 所示。2.2 系统功能2.2.1 站台自动扶梯与屏蔽门的联动当上行/下行列车到站、该侧屏蔽门打开后,系统自动检测屏蔽门打开信号,然后向相应区域的自动
4、扶梯传送开启信号,这些自动扶梯就开启正常模式。当上行/下行列车离站、该侧屏蔽门关闭后,系统自动检测屏蔽门关闭信号,然后向相应区域的自动扶梯传送关闭信号,自动扶梯通过红外线漫反射探测入口无人,延时运行 30s 节能模式(用变频器低速运行)后关闭。当系统检测到上行/下行屏蔽门被紧急手动开启时,马上向所有区域的自动扶梯传送开启信号,车站所有的自动扶梯开启正常模式。此时需要在车站工作站上人工进行复位操作,才能将车站自动扶梯转为正常运行模式。2.2.2 车站自动扶梯的运行图模式运行图就是车站根据每日客流量在时间上的变化来调整开启自动扶梯的数目和运行模式(正常和节能模式)。例如,早 7 点9 点是上班高峰
5、期,故此时车站的自动扶梯全部以正常模式开启;而 9 点12 点为次低峰期,则此时车站的自动扶梯一半以正常模式开启、一半以节能模式开启。运行图模式可以制定多套,以便在不同的情况下灵活使用,如冬季模式、夏季模式、节日模式等。2.2.3 车站工作站和控制中心计算机车站工作站设置在车站控制室内,可以控制车站内的自动扶梯;控制中心中央计算机可以控制全线车站的自动扶梯。2.3 人机界面人机界面可以从 LonWorks 网络上采集信息,也可以把控制命令发送给网络上的控制节点,从而完成相应的控制任务。3 系统控制网络开发3.1 节点定义和功能分配每个节点采用 LonWorks 神经元芯片作为应用程序处理器。其
6、中,节点 1 用于接收屏蔽门车站 MMS 发出的开门、关门、紧急开门信号,通过内部应用程序比较内部存储的开梯数据表后,向应开启的自动扶梯所在的节点发出开启自动扶梯的信号;节点 2n 用于接收节点 1 和车站工作站的命令,并向车站工作站反馈所在自动扶梯的状态信息。3.2 LonWorks 与自动扶梯的接口LonWorks 与自动扶梯的接口应用在节点 2n 上。节点 2n 与自动扶梯间的信号有两类,第一类是节点发送给自动扶梯的指令上行、下行、停止,这些都是开关量。第二类是自动扶梯发给节点的状态信息故障报警,这也是开关量。第三类是自动扶梯发送给节点的梯级和扶手带速度信号,这两个信号由节点比较后,节点
7、决定速差是否超过设定值,如超过,则节点给自动扶梯发送停止指令。以下分别讨论开关量的接口和速度信号的接口。3.2.1 开关量的接口LonWorks 神经元芯片通过 IO0IO10 共 11 个管脚与指定的外部硬件相连,这些 IO 管脚可以组成 34 种对象类型,其中就有 Bitinput/output(位输入/输出)类型。自动扶梯的上行、下行、停止、故障报警 4 个信号分别使用IO0、IO1、IO2、IO3 端口,见图 4。转贴于 中国论文下载中心 http:/3.2.2 速度信号的接口自动扶梯有 3 个脉冲速度信号。第一个是安装在驱动电机主轴后端的位移传感器,通过电机的转动采集自动扶梯梯级的运
8、动速度;第二个是安装在左扶手带导向轮主轴上的位移传感器,通过扶手带导向轮跟随扶手带的转动采集左扶手带的运动速度;第三个是安装在右扶手带导向轮主轴上的位移传感器,作用同第二个传感器。通过把这三个位移传感器采集到的脉冲信号进行比较,就可以判断自动扶梯的梯级与左右扶手带的速度差是否超出了预定的标准。这里采用 LonWorks 神经元芯片的 Pulsecoun(脉冲计数)输入对象采集这三个脉冲信号。Pulsecount 输入对象可以在 0.839s 的固定时间内对输入管脚的输入边沿数(上升沿或下降沿)进行计数,在这个固定时间内采集到的脉冲个数将由函数 io_in()返回一个 unsignedlong
9、类型的值。在这个 LonWorks 系统中,就是从 3 个 IO 口获取数据,然后分别由函数 io_in()返回 3 个值,再比较这三个值的差来判断梯级与扶手带的速度差是否超出预定标准的。脉冲信号分别输入神经元芯片的 IO5、IO6、IO7 口,见图 4。3.3 屏蔽门与 LonWorks 的接口屏蔽门与 LonWorks 的接口应用在节点 1 上。屏蔽门与车站 EMCS 系统的通信链路通过一路 RS232接线连接。屏蔽门系统的状态与故障情况由屏蔽门PEDC(PlatformEdgeDoorController)传送到车站 EMCS 系统。因此,此系统将这条 RS232 连接线作为节点 1 的
10、输入信号。神经元芯片 3120 接收串行输入对象由管脚 IO8 实现,串行输出对象由管脚 IO10 实现。但是,这两个管脚只有 TTL 输入电平和标准 CMOS 电平,因此还需加上 Motorola 的MC145407 芯片,将 IO 管脚的 TTL 电平转换为符合 RS232 标准的 EIA232C 电平。EIA232C 与 LonWorks 神经元芯片的接口电路见图 5。3.4 为神经元芯片编写应用程序神经元芯片的任务调度采用事件驱动的方式:当给定的条件变为真时,与该条件相关联的一段代码被执行。NeuronC 是一种专门为神经元芯片设计的程序设计语言,以下举例说明神经元芯片应用程序的编写。
11、3.4.1 自动扶梯接收网络变量并开启、关闭的程序#include /包含文件#defineESC_OFF0 /定义常量 ESC_OFF,缺省值为 0#defineESC_UP1 /定义常量 ESC_UP,缺省值为 1#defineESC_DOWN1 /定义常量 ESC_DOWN,缺省值为 1networkinputSNVT_lev_discnv_psd=PSD_ON; /定义网络变量 nv_psd:屏蔽门的状态值networkinputSNVT_lev_discnv_esc=ESC_UP; /定义网络变量 nv_esc:自动扶梯上行或下行IO_1outputbitio_ESC_OFF; /将
12、管脚 IO_2 声明为位输出对象,并命名为 io_ESC_OFFIO_2outputbitio_ESC_UP; /将管脚 IO_3 声明为位输出对象,并命名为 io_ESC_UPIO_3outputbitio_ESC_DOWN; /将管脚 IO_4 声明为位输出对象,并命名为 io_ESC_DOWN#definePSD_ON1 /定义常量 PSD_ON:屏蔽门开启为 1#definePSD_OFF0 /定义常量 PSD_ON:屏蔽门关闭为 0#definePSD_ALARM10 /定义常量 PSD_ALARM:屏蔽门报警为 10when(nv_update_occurs(nv_esc) /当输
13、入网络变量的值更新时,执行该任务io_out(io_ESC_DOWN,(nv_esc=ESC_UP)?ESC_OFF:ESC_DOWN); /如果 nv_esc 不为 1,则自动扶梯接到指令应该下行,则 io_ESC_DOWN 输出为 1,自动扶梯下行运行if(nv_esc=ESC_DOWN) /如果收到下行指令gotoSTOP; /则不继续执行下面与屏蔽门联动的程序elsebreak; /如果没有收到下行指令,则继续执行下面与屏蔽门联动的程序when(nv_update_occurs(nv_psd) /当输入网络变量的值更新时,执行该任务io_out(io_ESC_OFF,(nv_psd=P
14、SD_OFF)?ESC_OFF:ESC_UP); /如果 nv_psd 为 0,屏蔽门关闭,则 io_ESC_OFF 输出为 0,自动扶梯关闭io_out(io_ESC_UP,(nv_psd=PSD_ALARM)?ESC_UP:ESC_OFF); /如果 nv_psd 为 10,屏蔽门手动开启,则 io_ESC_UP 输出为 1,自动扶梯上行运行io_out(io_ESC_UP,(nv_psd=PSD_ON)?ESC_UP:ESC_OFF); /如果 nv_psd 为 1,屏蔽门打开,则 io_ESC_UP 输出为 1,自动扶梯上行运行 STOP:以上这段程序是应用网络变量来在此分布式系统中进
15、行数据共享的。即当节点 1 发出网络变量 nv_psd 时,节点 2n 收到此网络变量,开始执行以上的应用程序,并向IO1IO3 发送相应的高低电平信号,开启或关闭自动扶梯。另外,节点 1 也可以通过发送报文的形式给节点 2n 发送屏蔽门状态信息。3.4.2 节点 1 发送开启自动扶梯报文的程序select_ESC(nv_psd,ESC_Noumber); /调用子程序select_ESC 根据 nv_psd 的值查表后得出应开启或关闭的自动扶梯节点号msg_tag(ESC_Noumber); /定义报文发送对象(即自动扶梯节点号)#definePSD_ON1 /定义常量 PSD_ON:屏蔽门
16、开启为 1#definePSD_OFF0 /定义常量 PSD_ON:屏蔽门关闭为 0#definePSD_ALARM10 /定义常量 PSD_ALARM:屏蔽门报警为 10when(io_changes(nv_psd)to1) /当 nv_psd 的值改变为1 时执行以下操作msg_out.tag=(ESC_Noumber);/报文标签标志符msg_out.code=PSD_ON; /报文码msg_out.data=1; /报文数据msg_send(); /发送报文节点 1 的神经元芯片根据 nv_psd 的值,通过另外一个子程序 select_ESC 来判断应该开启或关闭几号自动扶梯,而子程
17、序 select_ESC 就包含了查找车站自动扶梯使用的季节模式、节日模式、省电模式等的信息的功能。以上这些功能模式都可以事先根据图 1 和图 2 等信息,制作成数据表,存放在神经元芯片的 ROM 中。同理,节点 1n 使用网络变量或报文的形式,向车站工作站发送状态信息;而车站工作站也通过网络变量或报文,向节点 2n 发送指令信息。这样,此系统的神经元芯片应用程序就编制完成了。3.5 安装网络使用 Echelon 公司的 LonProfiler 和 LonMaker 安装网络即可。LonProfiler 定义所有的网络组件,LonMaker 用于安装网络。当设备挂接到网络上后,LonMaker
18、 可以将所有的设备整合与协调起来。3.6 人机界面的开发此系统的人机界面可由美国 WonderWare 公司的InTouch 组态软件设计完成。4 结语随着现场总线技术的日益成熟和大众化,使更多的设备有了低成本、高效率、高可靠性的实现集中和智能监控的可能。LonWorks 现场总线技术虽然是一项新技术,但它突出的优点使得 LonWorks 总线成为当前最为流行的现场总线之一。通过运用这一技术,使地铁车站自动扶梯实现与屏蔽门联动的智能控制,是有很大的应用前景的。参考文献1阳宪惠.现场总线技术及其应用M.北京:清华大学出版社,1999.2凌志浩.从神经元芯片到控制网络M.北京:北京航空航天大学出版
19、社,2002.3周祖德.基于网络环境的智能控制M.北京:国防工业出版社,2004.4杨育红.LON 网络控制技术及应用M.西安:西安电子科技大学出版社,1999.5EBVElektronikGmbH&CoKG.AnintroductiontocontrolnetworksbasedonLonWorksTechnologyM.ImTechnologiepark,Poing,Germany:EBVElektronik,2001.6EchelonCorporation.IntroductiontotheLonWorksSystemM.California:EchelonCorporation,1999.转贴于 中国论文下载中心 http:/www
