南京地铁自动检票机扇门控制单元保护装置研究

摘要：自动售检票系统AFC(Automatic Fare Collection)作为城市轨道交通的重要组成部分，以无人值守的方式高效准确的完成车票的售卖和进出站检票。

随着使用年限的增加，设备开始进入老化期，设备出现了一些惯性故障。本文以解决近3年来自动检票机在使用过程经常出现的故障为目标，在找出根本故障原因后研究提高设备性能、降低设备故障率的根治方法，并通过开展自主维修实现对设备的改进。

关键词：AFC系统；自动检票机；设备内部改进

中图分类号： C35 文献标识码： A

一、项目开发背景和意义

随着城市轨道交通的迅猛发展，与轨道交通相配套的自动售检票系统也迎来了巨大的机遇和挑战。自动售检票系统（Automation Fare Collection,AFC）是由计算机集中控制的自动售票、自动检票及自动收费的封闭式自动化系统。AFC系统对提高地铁运营效率、增大旅客流量、提高运营收入起到了非常大的作用。

我国自动检票系统起步较晚，系统设备依赖进口，AFC系统所使用的自动检票机多数也是国外产品，由于技术垄断，国产整机的大部分部件装置基本都是直接从国外购买，而另一些则通过技术攻关、国外技术引进或中外合作生产的方式来完成。

由于自动检票机内部机构的特殊性和不可替换性，本文旨在从南京地铁一号线自动检票机的实际故障出发，梳理导致故障发生的根本原因，吸收、借鉴兄弟地铁的设备管理理念，提出合理的故障解决方案，并通过对设备内部部分模块和板卡进行保护、改造，使得设备内部重要模块得到保护，使一号线自动检票机的扇门系统更加稳定、高效，维修更为简便、经济。

二、理论与技术介绍

扇门系统是自动检票机硬件部分中最为复杂的一个单元，虽然从表象上看它只是一个简单的阻挡装置，但是该系统同时实现了扇门控制、通道监测及通行提示等功能。它是由扇门机构、通行控制模块、通行指示灯、通行探测感应器、变压器等构成，其核心模块为通行控制模块（PCM板）。PCM板是一块集成化很高的电路控制板，以89C51为主控芯片，其核心功能是控制IR2104（驱动芯片），驱动8个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写）工作，以实现控制扇门电机的功能。

固力保扇门系统广泛应用于南京地铁自动检票机中，在日常的设备维修中发现，PCM板为故障高发单元。由于扇门生产商对该模块拥有绝对的技术垄断性，目前该模块仍然无法破解和国产化，维修人员判断出PCM板故障后所能采取的措施仅限于对坏件进行更换，而全新的PCM板采购价格不菲，极大增加了南京地铁的运营成本。一号线作为最早使用自动检票机的线路，随着客流不断增加，以及设备老化的缘故，PCM板故障每年都呈现高发状态，且故障数还在不断攀升，给现场维修和成本控制带来了很大的影响。

三、保护装置设计需求分析

为了能够控制故障率、降低维修成本，设计合适的PCM板保护装置势在必行。在结合了自动检票机工作的实际工作情况后，得出保护装置必须具备以下几点功能：

1、功能需求。能够替代PCM板上扇门电机驱动电路的功能，将此功能移植到保护装置上，并将输入电压降低，即使因扇门误动作或乘客冲撞造成的瞬时功耗过高，最坏情况也只是将保护装置个别元器件烧坏，并不会波及到PCM板上其它功能电路，从而有效保护PCM板不受损伤。

2、外形需求。由于自动检票机内部空间的限制，要求保护装置必须很好的和PCM板贴合，在不改变原有结构的基础上很好的放置保护装置。

3、维修需求。由于现场快速处理故障的要求，保护装置要求模块化设计，如果发生故障必须能快速的进行模块的替换，缩短维修时间，尽快恢复现场设备的正常运行。

4、结构需求。为了减小保护装置的体积，需要使用尽可能少的电子元器件，在一层电路板上实现保护电路的所有功能。并在日后的维修中可以对任何一个元器件进行快速的拆卸和更换，方便维修人员对电路板进行检测和维修。

四、保护装置的设计实现

PCM板电源是由一个输入电压为36V、24V和22V AC的环型变压器提供，经过PCM板内部的整流桥为扇门电机提供48V的工作电压。保护装置的设计目的是为了保护PCM板上的扇门控制电路，但是考虑到PCM板为集成化很高的模块，改变其主板的电路比较复杂，而且有可能导致模块工作的不稳定。于是考虑在PCM板电源进电处设计加装保护装置，将功率输出模块（电机驱动部分）移植到保护模块上，PCM板交流36V输入端电压降至交流12V，再通过电路设计，将扇门控制电路部分功能移植到保护模块上。这样，PCM板上的功耗降低，有效地保护8个IGBT及其它元器件。

为了满足扇门运作的基本功能，需要设计扇门驱动信号的控制电路。由于扇门运动时电机有正反两个方向的动作，需要利用光电耦合器的隔离功能来控制电机的正反向运动，并在两个方向均配有相应的驱动电路。

根据分析结果和设计构思，绘制了如图一所示的电气原理图：

图一PCM板保护装置电气原理图

在完成了原理图的绘制后，制作了PCM板保护模块的试用版。综合考虑了自动检票机内部空间情况，初期将保护模块固定在了实验室的自动检票机上进行测试。在测试的3个月的过程中，陆续出现了PCM板程序跑死、保护模块散热不理想等问题。为了保证在全线推广过程中不出现大面积的问题，根据试用中发生的不正常的现象，对PCM板保护装置的电路进行了功能调整和局部的修改。调整如下：

一、增加了四个稳压管（D1-D4）。其作用是为了防止G极比S极之间存在较大的电压差，导致元器件损坏。

二、增加了四个二极管（D11-D14）。在前期设计时，通过EWB仿真后发现，Q5、Q9全部截止。分析原因，若电路中没有此二极管，Q1的3号引脚应该有60V电来打开Q5，但实际情况是Q1的3号引脚会被钳位至48V，导致Q5无法打开。故需要在电路中增加二极管。

三、考虑到在试用时出现了保护模块温度过高散热不理想的问题，而目前设计的元器件是直插式设计，所以后期考虑将IRF540N和IRF9540N改成贴片的焊接方式，有利于元器件散热。

四、三级管的规格需要适当调整，因为设计保护模块时为了打开IRF540N和IRF9540N的MOS管，将一路输入电压提升到60V，这样MOS管在功率方面会相应增加，元器件耐压值等需要重新考虑。

五、变压器需要重新订做。原先利用了三个220V交流输入、12V交流输出的变压器，这种设计缺点是需要单独提供一个220V交流电源输入。为了节约空间、布线，以及更好地利用扇门系统原有的电源资源，订制一个一路交流36V输入，三路交流12V输出的变压器，供电源电路使用。

五、系统改进总结和展望

按照保护装置设计预想，改进后的保护装置已经能够比较稳定的独立运行，从而有效的发挥保护作用。就目前使用的情况来看，保护装置很好的保护了PCM板在非正常情况下造成的扇门驱动电路过热现象。现场设备的维修人员、车站工作人员对设备改造后的效果反应良好，较好的实现了降低设备故障率、提高设备可靠度、降低设备维修成本的目的。

自动售、检票机是轨道交通 AFC 系统终端设备，也是车站内数量最多、直接面向乘客服务的装备，投资比重大，但国产化率也最低。

目前，占到自动售票机总成本50%的硬币、纸币识别模块和纸币找零模块，以及占到自动检票机总成本40%的扇门模块等仍然掌握在国外供应商手中，这些核心部件不仅直接影响到产品的整体质量水平，而且主要依赖国外进口，造成了成本偏高、不易维护等缺点。因此，只有实现了这些模块的国产化，才能大幅度提高AFC系统的整体国产化水平。

可喜的是，国内一些厂商一直在积极进行关键模块国产化的研究，国家和地方政府也给予了资金和政策上的扶持。一些国外厂家已经或正在考虑在大陆设厂，从而提高国产化水平。相信在不久的将来，随着几个关键模块国产化的突破，AFC 系统的国产化率将得到前所未有的提高。

参考文献

[1] 邓先平.我国城市轨道交通AFC系统的现状及发展[J].都市快轨交通,2005,18(3):18~19.

[2] 王志海.上海轨道交通售检票系统的应用与发展[J].城市轨道交通研究,2009:54.

[3] 朱嘉斌.自动售检票系统的可靠性设计[J].轨道交通信息系统.2009,18(1):40~42.

[4] 南京熊猫机电仪有限公司.南京地铁二号线自动售检票系统培训文档[Z].2010.

[5] 杨承东.轨道交通自动售检票系统国产化现状与展望[J].都市快轨交通,2012,25(6):4.