论文部分内容阅读
摘要：一号线自动售票机于2005年投入使用以来，已经经历了8年。随着使用年限的不断增加，一号线自动售票机的故障率也呈现小幅增加的趋势，加之一号线自动售票机已经停产，维修备件购买困难，更加剧了设备维保部门的维修压力。为了确保设备能够稳定运行的同时不断提升设备可靠度，南京地铁针对自动售票机的前三类故障进行了分析和研究。本文主要针对自动售票机硬币模块的故障现象，研究设备故障的原因及解决方案，确保自动售票机的故障在可控范围之内。
关键词：自动售检票系统；自动售票机；硬币处理模块；自我保护。
中图分类号：U293文献标识码： A
一、引言
一号线自动售票机经常使用的运动部件故障高发，经过数据统计：纸币模块、硬币模块，车票发售模块和安全控制模块的故障总和占据了自动售票机全年故障总数的80%以上，严重影响了设备可靠性和对乘客的服务质量。纸币模块在自动售票机中发生故障次数最多的设备模块，但通过对纸币模块内部研究发现：由于纸币模块相对集成度较高，且辨识纸币真伪和面值的技术相对较为复杂，从硬件上降低纸币模块的故障可行性不高。而硬币处理模块开放性较高，所以如何从硬件上降低硬币处理模块的故障发生的次数成为了本文研究的重点。
二、自动售票机硬币处理模块介绍
硬币处理单元是自动售票机硬件部分中除纸币处理模块外最为复杂的一个单元，它包括了循环找零功能、补充找零功能、清币及硬币回收功能。在一号线自动售票机硬币处理模块中，硬币找零和硬币识别采用了一体化的设计方法，目的是为了提高处理速度和优化硬币单元的结构。它的主要结构有以下的工作方式：所谓循环找零功能是硬币处理单元的一个重要设计，它可以使用乘客投入的硬币来补充用于找零的找零机构，而补充找零功能则需要人工添加硬币，通常是在循环找零机构内的找零硬币不足时使用。当循环找零机构已满时，乘客投入的硬币将通过硬币回收机构回收到硬币钱箱中。当运营结束时，可以使用清币机构将循环找零机构（也可能包括补充找零机构）中保存的硬币清空，被清出的硬币将被硬币回收机构回收到硬币钱箱中，以便车站管理人员进行清点。这些清空的工作是可选的，为了保证第二天营运中循环找零机构中有足够多的硬币用于找零，通常情况下清空工作是不去完成的。
自动售票机的硬币处理单元主要包括了以下几个模块：硬币投入部分（附有快门板的插槽及感测原件），钱币验证单元，钱币暂存器，钱币循环找零器，硬币盒，2个补充硬币找零钱箱。硬币投入部分在整个硬币处理单元的最上部，主要负责感应和判断硬币的投入和数量，并通过硬币滑入通道来到达硬币验证单元。硬币验证单元又称硬币的验币器（Coin accept）它的主要功能是通过检查硬币的材质和硬币的大小来检测硬币的真伪和面值。通过硬币验证单元检查的硬币会向下落入硬币循环找零器或者钱箱。在硬币验币器的下面是硬币循环找零单元，它是由4个硬币循环鼓（Recycling drums，简称硬币鼓）组成的。在硬币鼓的下面是钱币暂存器单元（Escrow），它控制整个硬币处理单元的协调动作。同时，它通过计算判断在暂存器中的硬币是退还给乘客还是落入硬币钱箱。最后一部分是硬币钱箱（Coin box），它用来存放硬币。
三、自动售票机硬币处理模块的工作流程及故障分析
1、工作流程分析
硬币处理单元的主要工作可以分为两类：硬币接受和找零。接受硬币的工作流程图和找零的工作流程图如下：
YES
YES
NO
从流程图可以看出不管在硬币处理单元是工作在硬币接受状态还是找零状态，其首先考虑的是将硬币鼓中的硬币进行处置。在硬币接受的过程中，硬币处理单元会检查硬币鼓当前的存量情况，当硬币鼓有空间存储硬币时，暂存器会控制硬币处理单元将接收到的硬币优先存放入硬币鼓中用于循环找零，当硬币鼓不能在容纳硬币时，硬币才会落入硬币处理单元最下方的硬币钱箱中。在找零的过程中，硬币处理单元也会检查硬币鼓当前的存量情况，当硬币鼓中的硬币存量能满足本次找零任务的时候，则硬币处理单元会优先从硬币鼓中推出硬币找给乘客。这样的两个工作流程就体现了循环找零的特点：将乘客投入的硬币优先找给乘客，减少使用补充找零机构的工作次数，降低了人工补充硬币找零钱箱的工作量。不但节约了时间，还降低了补充找零机构出故障的频率。
2、硬币处理模块故障分析
通过对现场故障数据的统计，硬币鼓作为硬币处理模块中的重要存储部分是所有硬币处理模块中故障最高的部分。根据统计从2006年开始，每年硬币鼓故障都在1000起以上。具体的统计数据如下：
从现场的实际情况部分硬币故障发生故障后会发生硬币鼓损坏的情况，从损坏的硬币鼓可以发现，出现硬币鼓结构损坏的部位为固定步进电机和电磁阀的螺孔部位。一旦螺孔发生了变形，即使可以更换电磁阀或者步进电机，也无法将模块固定在硬币鼓上，这样就意味着硬币鼓报废。
从维修成本考虑，一号线自动售票机的硬币处理单元是从瑞士进口，而且厂家对硬币处理单元采取的是整体售卖的原则。这样就导致一个后果，如果要购买到合适的备件不但周期长、价格高，而且还可能存在因为厂家对设备更型造成的备件停产窘境。
3、硬币鼓结构损坏故障分析
硬币处理单元的自检过程是按照设备结构的顺序从上到下逐个检查每一个内部机构的工作情况，在检查的过程中如果发生某一个部分的自检不通过，自检并不会停止，直到所有的部件全部完成了检查后，硬币处理单元会将自检过程中发生的所有错误代码发送到测试软件上，供维修人员参考。了解了自检的过程后，开始着手模拟车站硬币处理单元发生的故障现象。根据上文对现场故障的统计情况可知，当车站硬币鼓在发生硬币堵塞的时候会发生硬币鼓结构损坏的现象。
在实验室模拟了这样的故障的发生，人为的将一枚硬币固定在硬币托盘上，制造了硬币鼓堵塞的故障现象。当使用测试软件要求硬幣鼓推出硬币时，因为硬币鼓出口的计数传感器没有检查到硬币被推出，则硬币鼓的电磁阀会不断的尝试将硬币推出，所以电磁阀在长时间吸合过程中会出现发热的现象，当到达一定的时间后固定电磁阀的螺柱会将硬币鼓中的塑料结构融化，导致硬币鼓的报废。相同的，当人为的制造障碍阻滞步进电机带动硬币托盘转动是，步进电机在工作一段时间后也会出现发热的现象，出现故障结果和电磁阀长时间工作的情况类似。
4、故障保护装置需求分析
1）自动故障判断功能。保护装置应能根据设定的条件自动检查到硬币鼓发生了故障，并做出正确的判断。
2）自动断电功能。从故障分析的描述中可以看出，硬币鼓结构损坏的原因是因为电磁阀和步进电机长时间工作发热导致的。所以保护装置需要自动切断电磁阀和步进电机的电源，阻止电磁阀等模块发热。
3）自动计时功能。电磁阀和步进电机正常工作情况下是不需要保护的，也即电磁阀和步进电机在正常工作下的发热量不足以导致硬币鼓结构的损坏。自动计时功能可以辅助保护装置判断故障的发生。
4）自锁功能。当保护装置切断电源后，必须手工复位使硬币处理单元正常工作。因为硬币处理单元内部可能存在硬件故障导致保护器工作，如采用自动复位的方式，无法根本解决硬件本身问题，从而失去保护意义，故需要自锁功能，采取手工复位方式。
四、自动售票机硬币处理模块保护装置的实现
当保护装置满足了流程图的功能后既能完成设计需求所要求的功能并可以对硬币处理单元进行很好的保护。为了可以满足上述功能图的要求，在设计之初考虑了两种设计方案：
方案一：硬币处理模块的电流监控。
从故障分析的描述中可以看出，硬币鼓结构损坏的原因是因为电磁阀和步进电机长时间工作发热导致的。当监控到电流值达到设定值一定时间后，保护装置若能自动切断电磁阀和步进电机的电源，就可以避免电磁阀等模块发热而造成的损坏。同时，保护装置不能自我恢复，在自动切断电源后需要经过人为的检查，确认硬币处理模块没有问题后，才能再一次的恢复设备的正常使用。
方案二：硬币鼓电磁阀温度监控。
为了能实时监控电磁阀和步进电机的温度是否超过标准，计划在电磁阀与步进电机的旁边安装温度传感器，当电磁阀和步进电机长时间工作发热导致温度升高时，通过保护温度监控保护电路自动切断硬币鼓电源，从而保护硬币鼓不被烧毁。同样，当切断电源后需要人为检查硬币处理模块后才能恢复设备的正常使用。
以上两种方案是在以解决问题的前提下得出的两个切实可行的方案，需要通过对比来决定实施何种方案。上述的两种方案，不论是电流监控还是温度监控，都需要切断硬币鼓的电源才能避免损坏，这就要求保护装置融入到硬币鼓的供电线路之中，当监控装置检测到异常达到预先设定的阀值后，保护装置切点硬币的电源，从而起到保护作用。
方案二中，如果使用温度监控，则需要在每一个电磁阀和步进电机上加装温度传感器。每一个硬币鼓中有2个电磁阀和1个步进电机，四个硬币鼓一共需要安装传感器12个，这样不但保护机构的电路结构负责，同时改造难度大，在硬币鼓狭小的空间内不容易实现，又不节约成本。方案实现难度较大。同时，温度传感器的安装位置也直接影响到电磁阀和步进电机实时温度的监控，可靠性相对较低。
方案一中，实现电流监控硬币鼓中所有模块的电流，利用示波器测试出硬币处理模块在工作时的电流峰值。当硬币鼓发生故障的时候，由于电磁阀和步进电机一直工作，则会出现硬币处理模块的电流长时间停留在很高的水平。利用计数电路预先设定的阀值，当计数超过设定值后切断硬币处理模块的电源，强行停止硬币鼓中电磁阀和步进电机的工作，从而达到保护硬币鼓的目的。同时，保护装置无需在每一个硬币鼓中进行监测，而只需检测总电流即可，改造成本低廉。本方案的缺点在于电流监测的保护装置需要有计数和自锁电路，相比温度检测方案而言电路设计较为复杂，需要做好电流值和计数值的精确测定，正确设定后硬币处理模块才能正常工作。此外，从后期的维护角度考虑，方案二的保护装置一旦发生故障，则需要检查所有的传感器工作是否正常，不方便维护。而方案一则需要检查一个模块即可完成维护，如果不能现场快速修复的，则可以使用一个好的装置进行替换，现场的日常维护非常快捷方便。所以，通过对比综合考虑后，决定使用方案一对硬币处理模块进行改造。
硬币处理模块的24V电源从4Pin端子J1输入，经过0.2欧姆采样电阻R2后，由继电器常闭触点输出至2Pin端子J2输出，经过0.2欧姆采样电阻后，由继电器常闭触点输出至2Pin端子输出。保护器内部供电由7905稳压芯片转换得到5V电压。流经采样电阻上的电流会形成一个电压降，该电压经过一个可调的桥式电路（R3-R6，VR1）分压调整后，输入至U2：LM393。LM393芯片将此电压信号比较放大后，用于驱动计时电路芯片CD4060。LM393内部的另一个比较器，用于防止啟动时的误动作。计时电路设计为128秒，设计启动保护装置的电流为400mA（该电流的设定范围选取工作电流650mA及待机电流300mA的中间值），此电流可以通过电位器进行调整。当电路电流超过设定值时，CD4060开始计数[26]，同时利用CD4060的一个4Hz的输出端，接LED作为计数状态的显示。计时电路设计为128秒，一个CD4060无法满足需要，故使用两个串联使用。
五、结束语
AFC系统中的硬件改进，可以在很大程度上降低设备故障率、降低设备的维修成本、提高设备的可靠度。从另一方面来说，通过研究进口自动售票机的工作原理可以推动国产自动售票机的研发和改进，国产化意义非常重大。
关键词：自动售检票系统；自动售票机；硬币处理模块；自我保护。
中图分类号：U293文献标识码： A
一、引言
一号线自动售票机经常使用的运动部件故障高发，经过数据统计：纸币模块、硬币模块，车票发售模块和安全控制模块的故障总和占据了自动售票机全年故障总数的80%以上，严重影响了设备可靠性和对乘客的服务质量。纸币模块在自动售票机中发生故障次数最多的设备模块，但通过对纸币模块内部研究发现：由于纸币模块相对集成度较高，且辨识纸币真伪和面值的技术相对较为复杂，从硬件上降低纸币模块的故障可行性不高。而硬币处理模块开放性较高，所以如何从硬件上降低硬币处理模块的故障发生的次数成为了本文研究的重点。
二、自动售票机硬币处理模块介绍
硬币处理单元是自动售票机硬件部分中除纸币处理模块外最为复杂的一个单元，它包括了循环找零功能、补充找零功能、清币及硬币回收功能。在一号线自动售票机硬币处理模块中，硬币找零和硬币识别采用了一体化的设计方法，目的是为了提高处理速度和优化硬币单元的结构。它的主要结构有以下的工作方式：所谓循环找零功能是硬币处理单元的一个重要设计，它可以使用乘客投入的硬币来补充用于找零的找零机构，而补充找零功能则需要人工添加硬币，通常是在循环找零机构内的找零硬币不足时使用。当循环找零机构已满时，乘客投入的硬币将通过硬币回收机构回收到硬币钱箱中。当运营结束时，可以使用清币机构将循环找零机构（也可能包括补充找零机构）中保存的硬币清空，被清出的硬币将被硬币回收机构回收到硬币钱箱中，以便车站管理人员进行清点。这些清空的工作是可选的，为了保证第二天营运中循环找零机构中有足够多的硬币用于找零，通常情况下清空工作是不去完成的。
自动售票机的硬币处理单元主要包括了以下几个模块：硬币投入部分（附有快门板的插槽及感测原件），钱币验证单元，钱币暂存器，钱币循环找零器，硬币盒，2个补充硬币找零钱箱。硬币投入部分在整个硬币处理单元的最上部，主要负责感应和判断硬币的投入和数量，并通过硬币滑入通道来到达硬币验证单元。硬币验证单元又称硬币的验币器（Coin accept）它的主要功能是通过检查硬币的材质和硬币的大小来检测硬币的真伪和面值。通过硬币验证单元检查的硬币会向下落入硬币循环找零器或者钱箱。在硬币验币器的下面是硬币循环找零单元，它是由4个硬币循环鼓（Recycling drums，简称硬币鼓）组成的。在硬币鼓的下面是钱币暂存器单元（Escrow），它控制整个硬币处理单元的协调动作。同时，它通过计算判断在暂存器中的硬币是退还给乘客还是落入硬币钱箱。最后一部分是硬币钱箱（Coin box），它用来存放硬币。
三、自动售票机硬币处理模块的工作流程及故障分析
1、工作流程分析
硬币处理单元的主要工作可以分为两类：硬币接受和找零。接受硬币的工作流程图和找零的工作流程图如下：
YES
YES
NO
从流程图可以看出不管在硬币处理单元是工作在硬币接受状态还是找零状态，其首先考虑的是将硬币鼓中的硬币进行处置。在硬币接受的过程中，硬币处理单元会检查硬币鼓当前的存量情况，当硬币鼓有空间存储硬币时，暂存器会控制硬币处理单元将接收到的硬币优先存放入硬币鼓中用于循环找零，当硬币鼓不能在容纳硬币时，硬币才会落入硬币处理单元最下方的硬币钱箱中。在找零的过程中，硬币处理单元也会检查硬币鼓当前的存量情况，当硬币鼓中的硬币存量能满足本次找零任务的时候，则硬币处理单元会优先从硬币鼓中推出硬币找给乘客。这样的两个工作流程就体现了循环找零的特点：将乘客投入的硬币优先找给乘客，减少使用补充找零机构的工作次数，降低了人工补充硬币找零钱箱的工作量。不但节约了时间，还降低了补充找零机构出故障的频率。
2、硬币处理模块故障分析
通过对现场故障数据的统计，硬币鼓作为硬币处理模块中的重要存储部分是所有硬币处理模块中故障最高的部分。根据统计从2006年开始，每年硬币鼓故障都在1000起以上。具体的统计数据如下：
从现场的实际情况部分硬币故障发生故障后会发生硬币鼓损坏的情况，从损坏的硬币鼓可以发现，出现硬币鼓结构损坏的部位为固定步进电机和电磁阀的螺孔部位。一旦螺孔发生了变形，即使可以更换电磁阀或者步进电机，也无法将模块固定在硬币鼓上，这样就意味着硬币鼓报废。
从维修成本考虑，一号线自动售票机的硬币处理单元是从瑞士进口，而且厂家对硬币处理单元采取的是整体售卖的原则。这样就导致一个后果，如果要购买到合适的备件不但周期长、价格高，而且还可能存在因为厂家对设备更型造成的备件停产窘境。
3、硬币鼓结构损坏故障分析
硬币处理单元的自检过程是按照设备结构的顺序从上到下逐个检查每一个内部机构的工作情况，在检查的过程中如果发生某一个部分的自检不通过，自检并不会停止，直到所有的部件全部完成了检查后，硬币处理单元会将自检过程中发生的所有错误代码发送到测试软件上，供维修人员参考。了解了自检的过程后，开始着手模拟车站硬币处理单元发生的故障现象。根据上文对现场故障的统计情况可知，当车站硬币鼓在发生硬币堵塞的时候会发生硬币鼓结构损坏的现象。
在实验室模拟了这样的故障的发生，人为的将一枚硬币固定在硬币托盘上，制造了硬币鼓堵塞的故障现象。当使用测试软件要求硬幣鼓推出硬币时，因为硬币鼓出口的计数传感器没有检查到硬币被推出，则硬币鼓的电磁阀会不断的尝试将硬币推出，所以电磁阀在长时间吸合过程中会出现发热的现象，当到达一定的时间后固定电磁阀的螺柱会将硬币鼓中的塑料结构融化，导致硬币鼓的报废。相同的，当人为的制造障碍阻滞步进电机带动硬币托盘转动是，步进电机在工作一段时间后也会出现发热的现象，出现故障结果和电磁阀长时间工作的情况类似。
4、故障保护装置需求分析
1）自动故障判断功能。保护装置应能根据设定的条件自动检查到硬币鼓发生了故障，并做出正确的判断。
2）自动断电功能。从故障分析的描述中可以看出，硬币鼓结构损坏的原因是因为电磁阀和步进电机长时间工作发热导致的。所以保护装置需要自动切断电磁阀和步进电机的电源，阻止电磁阀等模块发热。
3）自动计时功能。电磁阀和步进电机正常工作情况下是不需要保护的，也即电磁阀和步进电机在正常工作下的发热量不足以导致硬币鼓结构的损坏。自动计时功能可以辅助保护装置判断故障的发生。
4）自锁功能。当保护装置切断电源后，必须手工复位使硬币处理单元正常工作。因为硬币处理单元内部可能存在硬件故障导致保护器工作，如采用自动复位的方式，无法根本解决硬件本身问题，从而失去保护意义，故需要自锁功能，采取手工复位方式。
四、自动售票机硬币处理模块保护装置的实现
当保护装置满足了流程图的功能后既能完成设计需求所要求的功能并可以对硬币处理单元进行很好的保护。为了可以满足上述功能图的要求，在设计之初考虑了两种设计方案：
方案一：硬币处理模块的电流监控。
从故障分析的描述中可以看出，硬币鼓结构损坏的原因是因为电磁阀和步进电机长时间工作发热导致的。当监控到电流值达到设定值一定时间后，保护装置若能自动切断电磁阀和步进电机的电源，就可以避免电磁阀等模块发热而造成的损坏。同时，保护装置不能自我恢复，在自动切断电源后需要经过人为的检查，确认硬币处理模块没有问题后，才能再一次的恢复设备的正常使用。
方案二：硬币鼓电磁阀温度监控。
为了能实时监控电磁阀和步进电机的温度是否超过标准，计划在电磁阀与步进电机的旁边安装温度传感器，当电磁阀和步进电机长时间工作发热导致温度升高时，通过保护温度监控保护电路自动切断硬币鼓电源，从而保护硬币鼓不被烧毁。同样，当切断电源后需要人为检查硬币处理模块后才能恢复设备的正常使用。
以上两种方案是在以解决问题的前提下得出的两个切实可行的方案，需要通过对比来决定实施何种方案。上述的两种方案，不论是电流监控还是温度监控，都需要切断硬币鼓的电源才能避免损坏，这就要求保护装置融入到硬币鼓的供电线路之中，当监控装置检测到异常达到预先设定的阀值后，保护装置切点硬币的电源，从而起到保护作用。
方案二中，如果使用温度监控，则需要在每一个电磁阀和步进电机上加装温度传感器。每一个硬币鼓中有2个电磁阀和1个步进电机，四个硬币鼓一共需要安装传感器12个，这样不但保护机构的电路结构负责，同时改造难度大，在硬币鼓狭小的空间内不容易实现，又不节约成本。方案实现难度较大。同时，温度传感器的安装位置也直接影响到电磁阀和步进电机实时温度的监控，可靠性相对较低。
方案一中，实现电流监控硬币鼓中所有模块的电流，利用示波器测试出硬币处理模块在工作时的电流峰值。当硬币鼓发生故障的时候，由于电磁阀和步进电机一直工作，则会出现硬币处理模块的电流长时间停留在很高的水平。利用计数电路预先设定的阀值，当计数超过设定值后切断硬币处理模块的电源，强行停止硬币鼓中电磁阀和步进电机的工作，从而达到保护硬币鼓的目的。同时，保护装置无需在每一个硬币鼓中进行监测，而只需检测总电流即可，改造成本低廉。本方案的缺点在于电流监测的保护装置需要有计数和自锁电路，相比温度检测方案而言电路设计较为复杂，需要做好电流值和计数值的精确测定，正确设定后硬币处理模块才能正常工作。此外，从后期的维护角度考虑，方案二的保护装置一旦发生故障，则需要检查所有的传感器工作是否正常，不方便维护。而方案一则需要检查一个模块即可完成维护，如果不能现场快速修复的，则可以使用一个好的装置进行替换，现场的日常维护非常快捷方便。所以，通过对比综合考虑后，决定使用方案一对硬币处理模块进行改造。
硬币处理模块的24V电源从4Pin端子J1输入，经过0.2欧姆采样电阻R2后，由继电器常闭触点输出至2Pin端子J2输出，经过0.2欧姆采样电阻后，由继电器常闭触点输出至2Pin端子输出。保护器内部供电由7905稳压芯片转换得到5V电压。流经采样电阻上的电流会形成一个电压降，该电压经过一个可调的桥式电路（R3-R6，VR1）分压调整后，输入至U2：LM393。LM393芯片将此电压信号比较放大后，用于驱动计时电路芯片CD4060。LM393内部的另一个比较器，用于防止啟动时的误动作。计时电路设计为128秒，设计启动保护装置的电流为400mA（该电流的设定范围选取工作电流650mA及待机电流300mA的中间值），此电流可以通过电位器进行调整。当电路电流超过设定值时，CD4060开始计数[26]，同时利用CD4060的一个4Hz的输出端，接LED作为计数状态的显示。计时电路设计为128秒，一个CD4060无法满足需要，故使用两个串联使用。
五、结束语
AFC系统中的硬件改进，可以在很大程度上降低设备故障率、降低设备的维修成本、提高设备的可靠度。从另一方面来说，通过研究进口自动售票机的工作原理可以推动国产自动售票机的研发和改进，国产化意义非常重大。