基于CC-Link总线的地铁、轻轨车辆自动门监控系统设计

黄居江

东莞市轨道交通有限公司

摘要：利用计算机对工业生产流程进行监视和控制在现代化社会中得到广泛应用，同时对工业生产运行的安全性和经济性也起着非常重要的作用。本文阐述了对地铁、轻轨车辆自动门进行计算机监控的设计和实现过程。

引言

以计算机、通信和控制为代表的3C技术快速发展，使得现场总线控制系统正在逐步取代传统的集散控制系统。计算机技术的发展使其在机车车辆上的应用日益增多，如牵引、制动、空调、供电等系统都普遍采用计算机技术，导致车载计算机设备的数量大幅增长。实现列车安全运行、远程故障诊断和维护需要整个列车设备之间的信息进行交换和共享，为了解决大量信息快速、可靠的在整个列车上传输，列车控制网络应运而生。

关键词：地铁；车辆自动门；监控；设计；实现过程

一、设计内容

(1)初步构建监控系统的总体结构，完成下位机的通信，完成多台PLC之间的通信和软件设计；

(2)制作系统的各监控界面，通过监控画面，操作者方便监控自动门的开与关状态；

(3)利用VB编程实现具体控制监测功能，实现各画面、各图形对象之间的逻辑联系；

(4)利用CC-Link总线完成上位机和下位机PLC之间的通讯，实现数据在两者之间的相互传送，在此基础上完成下位机将采集的数据传送给上位机和上位机对下位机的控制功能。

二、自动门现场总线集中控制系统设计

使用基于CC-Link总线的计算机控制系统，可实现工作过程的自动化，将控制单元连接成小规模控制系统，以满足对地铁、轻轨车辆自动门进行全程监控。

2.1使用专用CC-Link电缆的模块接线

确认终端电阻已经在两端处的模块终端DA和DB之间连接，屏蔽的专用CC-Link电缆应该通过每个模块的SLD和FG端子，并且两末端也应该接地，SLD和FG两端子在每个模块的内部都是连接得，如图2-1所示：

图2-1电缆的模块接线

2.2基于1：N的网络设计

考虑网络的可实现性和设计成本等因素，该系统选用了FX2N系列PLC专用1：N网络组成通信网络系统，该系统在监控系统启动时可以正常运行，关闭监控系统，系统也可以照常运行。在总线结构上的PLC子网上有N个站，它们分为主站与从站，1个站都是主站，其余全是从站，所以称之为1：N通信方式。

2.3现场总线设备

（1）主、从站PLC型号的选择

在本次设计过程中，单个FX系列PLC的输入和输出点均在24点以下，所以主站和从站的PLC型号均选用FX2n-48MR，足可以满足设计的要求。

（2）主、从站模块的选择

主站模块选用FX2n-16CCL-M，从站模块选用FX2n-32CCL，该通信模块是FX系列可编程控制器的通用通信模块，可通过扩展电缆直接连接到FX2n可编程控制器的基本单元。

2.4总线接口电路图

PC机与主站PLC连接时采用RS232编程电缆，主站模块与4个从站模块连接，均使用专用CC-Link电缆总线。各模块与其对应的PLC基本单元，是通过扩展电缆连接。

图2-2总线接口电路图

三、自动门控制系统的设计

3.1自动门控制装置的硬件组成

自动门控制装置的硬件由紧急开门按钮、光电探测开关（上）、光电探测开关（下）、检测齿轮转速光电探测开关、开门到位限位开关、关门到位限位开关、快速开门电磁阀、开门缓冲电磁阀、快速关门电磁阀、关门缓冲电磁门等部件组成。

3.2PLC输入输出口地址分配表

表3-1PLC输入输出口地址分配表

输入信号输出信号信号元件及作用PLC输入口地址信号元件及作用PLC输出口地址自动门1紧急开门按钮X000光电探测开关（上）X002快速开门电磁阀1STY000光电探测开关（下）X003开门缓冲电磁阀2STY001检测齿轮转速光电开关X004快速关门电磁阀3STY002开门到位限位开关X005关门缓冲电磁阀4STY003关门到位限位开关X006

3.3控制要求

(1)当到达一个站台时，上位机发送开门指令，其相对应的自动门打开，快速开门电磁阀得电，到4S后，开门缓冲电磁阀得电，直到开门限位开关X5闭合，液压工作台停止运行。其程序段为图3-1所示：

图3-1开门（缓冲）程序

(2)当碰到开门限位开关时，自动门处在开门位置，直到上位机发送关门指令，自动门才进入关门过程，快速关门电磁阀得电，等到3s后，关门缓冲电磁阀得电，直到到达关门限位开关X6时，液压工作台停止运行，如图3-2所示：

图3-2关门程序

(3)在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过光电探测开关X2（X3）时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。或者在关门即将关上的时候，若有人员由内到外或由外到内挡住门关闭，当检测齿轮转速的次数比先前设定值小，应立即停止关门，并自动进入开门程序，开门程序如图2-1所示。但是，关门程序就和前面有些不一样了，前面的关门程序是通过上位机发送关门指令后，自动门开始关闭，而现在是通过自动门在开门位置停留4秒后，自动门才开始关门，

(4)防挤压功能：先设定测速齿轮有20个齿，在快速关门时间段内，取1s为一个比较时段，在没有正常关门是没有碰到障碍时，门板在行进1s时，测速齿转过10个齿，如果在正常关门遇到障碍，门板关闭的速度将变慢，测速齿轮的转速也将变慢，在相同时间内转过的齿数也减少。将1秒内两侧门板上测速齿轮所转过的齿数，通过传感器转换为脉冲数由计数器记得数值，在比较指令中，将所测到的两侧门的数值与预先设定的数值比较，以实现防挤压功能。

3.4硬件接口电路图

图3-3硬件接口电路图

3.5液压驱动电路图

图3-4自动门液压驱动电路图

四、上位机界面和程序设计

三菱FX系列PLC配有RS-232连接器，可以通过通信程序直接与上位机通信，我们利用VB实现了上位机和PLC的通信。

4.1控制界面设计

据从站控制系统的设计，在上位机(PC机)的控制界面上要有启动按钮及状态跟踪监测指示灯，其界面如图4-1所示。

①添加串口通信控件MSComm和时钟控件Timer。

②添加其他控件：20个Shape控件、3个Label控件。

属性设置

表4-1属性设置

控件类型名称主要属性功能LabelLabel13Caption=开门按钮发送指令，使地铁一边的自动门全部打开LabelLabel14Caption=关门按钮发送指令，使地铁一边的自动门全部开始关门LabelLabel38Caption=启动按钮当一边的自动门打开后全部关闭，列车启动MSCommMSComm1在程序中设置串口参数设置TimerTimer1Interval=60定时查询输入端口状态ShapeShape1-24FillStyle=0-Solid填充样式，实线Shape=3-Circle圆形，开始信号指示ShapeShape25FillStyle=0-Solid填充样式，实线Shape=3-Circle圆形，控件为浅天蓝色

图4-1界面设计图

4.2上位机控制程序设计

根据FX系列PLC的通信协议：STX以ASCII值2为请求开始标志，是FX系列PLC专用协议的约定，VB中以chr(2)表示。CMD以“7”为强制通，“8”为强制断命令。数据段为CMD命令的对象，控件通信对象之一为主站PLC的M8，M8地址为0808，通信时，要求低位数据段先发，高位数据段后发，即0808描述为0808，强制时的PLC地址计算见表4-2。

表4-2强制时的PLC地址计算

元件实际地址元件计算地址M0-M10230800-0BFF

ETX以ASCII值3为请求停止标志，是FX系列PLC专用协议的约定，VB中以chr(3)表示。SUMH、SUML为PLC侧的响应码的和效验，是指从CMD到ETX之间的各代码的ASCII码累加和，转成16进制，取低两位，溢出不计，用于检验数据传输的正确性。本文采用的键值、ASCII及16进制对照见表4-3。

表4-3ASCII及16进制对照

键值0123456789ABCDASCII484950515253545556576566676816进制30H31H32H33H34H35H36H37H38H39H41H42H43H44H

CMD对M8强制通命令“7”的ASCII码为55，数据段0808的ASCII码48、56、48、56，ETX的ASCII码为3，分别转化为16进制并累加：37H+30H+38H+30H+38H+03H=10AH，取后两位0A为校验码。

CMD对M8强制断命令“8”的ASCII码为56，数据段及ETX的ASCII码与上相同，累加和：38H+30H+38H+30H+38H+03H=10BH，取后两位0B为校验码。

CMD对M9强制通命令“7”的ASCII码为55，数据段0908的ASCII码49、56、48、56，ETX的ASCII码为3，分别转化为16进制并累加：37H+30H+39H+30H+38H+03H=10BH，取后两位0B为校验码。

CMD对M9强制断命令“8”的ASCII码为56，数据段及ETX的ASCII码与上相同，累加和：38H+30H+39H+30H+38H+03H=10CH，取后两位0C为校验码。

下面以启动开门按钮命令为例，其主要程序代码为：

dat="7"+"0808"+Chr(3)'强制通M8

MSComm1.Output=Chr(2)+dat+"0A"'发送

Tim=Timer

Do

IfTimer>Tim+1ThenExitDo'延时1s

Loop

dat="8"+"0808"+Chr(3)'强制断M8

MSComm1.Output=Chr(2)+dat+"0B"’发送

程序调试表明：当按下开门按钮时，自动门1-1、1-2、2-1、2-1、3-1、3-2、4-1、4-2下控件全部由红色变成绿色，代表自动门由关闭状态变成了打开状态，如图4-2所示：

图4-2程序运行结果图

程序调试表明，在VB界面上按下关门按钮指令后，每节车厢的自动门开始关闭。只要相应的自动门响应，其对应的Shape控件颜色就会发生相应的变化，红色代表门处于关闭的状态，绿色代表门处于打开的状态。通过这种方式，可以使得列车操作人员更好地了解各节车厢自动门的状态，如果所有自动门都处于关闭状态，则列车开始启动。另外，在接受下位机信息时，如果某一节车厢出现问题，如断电等问题，VB界面中故障区就会显示出来。

五、结束语

控制系统分为现场层和监控层：现场层通过五台PLC组成一个基于CC-Link通信方式的1：N网络，一个主站、四个从站，完成对模块化设备五个站的控制和数据采集功能，现场层采用梯形图编程，状态转移的方法对本地站控制及专用辅助继电器元件的控制，主站和从站PLC分别通过FX2N-16CCL-M、FX2N-32CCL通信模块连接进行数据传输。监控层完成整个设备工作过程的信息监控，以VB编写上位机程序，采用SC09电缆将PC机RS232连接到主站的PLC编程口，进行VB编程通信，由主站和从站采用CC-Link总线进行数据链接，实现各状态传输到主站，并由PC监控，使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、对异常信号的报警功能，最重要的是部分程序实际操作以及整个仿真结果表明系统有效性和正确性。

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