廣州地鐵三北線列車信號系統(tǒng)引起的牽引故障分析

謝竹偉

（廣州市地下鐵道總公司運(yùn)營事業(yè)總部運(yùn)營三中心，廣東 廣州 510000）

0 引言

廣州地鐵三號線北延線列車（廣州地鐵B2、B4型車）為6節(jié)編組、4動2拖形式的B型地鐵列車，編組形式為：－A＋B＋C＝C＋B＋A－。其中，A車為帶司機(jī)室的動車；B車為帶受電弓的拖車；C車為動車；“－”表示全自動車鉤；“＝”表示半自動車鉤；“＋”表示半永久牽引桿；每組A、B、C車為一個單元。列車采用西門子SIBAS32平臺搭建的控制診斷系統(tǒng)，車輛控制單元VCU作為整列車的控制核心，帶有故障診斷記錄功能。

在日常運(yùn)營時，列車為ATO模式（自動駕駛模式）運(yùn)行，即中央信號控制系統(tǒng)通過與車載信號系統(tǒng)的通訊，控制列車的牽引、制動、開關(guān)門等功能，當(dāng)VOBC（車載信號控制器）出現(xiàn)死機(jī)故障時，曾多次引起整列車牽引系統(tǒng)故障。

該故障涉及信號專業(yè)與車輛專業(yè)的接口，產(chǎn)生的非正常連鎖反應(yīng)沒有直接的故障數(shù)據(jù)可以確認(rèn)故障點(diǎn)。本文通過分析列車故障信息的產(chǎn)生原因，并通過列車診斷系統(tǒng)記錄的部分?jǐn)?shù)據(jù)，推斷確定故障具體原因。

1 故障分析及調(diào)查

1.1 故障描述

故障觸發(fā)的前提條件：列車正線運(yùn)營時出現(xiàn)VOBC死機(jī)。

具體現(xiàn)象：在VOBC死機(jī)時，車輛顯示屏HMI顯示整列車牽引系統(tǒng)圖標(biāo)黃色報警”，故障欄出現(xiàn)“安全回路故障”“牽引系統(tǒng)輕微故障”“牽引／制動控制嚴(yán)重故障”等故障信息。

1.2 故障的形成原理分析

從車輛控制單元VCU中存儲的TCF（牽引控制功能）故障記錄中可以看到，該故障是由于安全回路故障引起的。

1.2.1 安全回路控制原理

安全回路是地鐵列車用來保障緊急情況下緊急制動的回路，對緊急制動采用硬線控制，以保障列車即使在網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況下依舊能夠施加緊急制動（簡稱“緊制”），確保運(yùn)營的安全。安全回路主要包含了緊急停車回路、緊急制動回路、ATC緊制回路、緊制負(fù)載回路、牽引允許回路及快速制動回路，如圖1所示。

安全回路由110 V控制電源母線從司機(jī)室激活端進(jìn)行供電，當(dāng)緊制負(fù)載回路失電時，回路上的EP2002制動系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)閥（Gateway Value，圖1中縮寫 GV）、智能閥（Smart Value，縮寫SV）收到緊制信號低電平，執(zhí)行緊急制動。由圖1可以看出，列車控制系統(tǒng)可以通過控制緊急停車回路及緊急制動回路使緊制負(fù)載回路失電，從而達(dá)到使列車緊制的目的。

緊急停車回路主要通過拍打設(shè)置在司機(jī)臺左右兩側(cè)的緊急停車按鈕（俗稱“蘑菇頭”）來實現(xiàn)斷電，是列車緊急情況下的最后一道停車保障，同時可以實現(xiàn)列車緊急制動、高速斷路器斷開和受電弓降下的功能。

緊急制動回路主要是通過控制緊制繼電器＝22-K125的觸頭分合來實現(xiàn)對緊制負(fù)載回路得失電的控制。

ATC緊制回路主要在列車ATO（自動列車運(yùn)行）模式運(yùn)行下，由VOBC控制ATC緊制繼電器＝91-K107的動作來實現(xiàn)對緊急制動回路的控制。而非ATO運(yùn)行的情況下，可通過操作ATC切除旋鈕，使ATPC繼電器＝91-K108得電，解除ATC緊制繼電器的控制。

圖1 列車安全回路示意圖（單個單元）

圖1中縮寫為SKS的設(shè)備為SIBAS KLIP Station智能外圍接口終端站，列車控制系統(tǒng)通過SKS采集、監(jiān)測、控制110 V硬線控制電路的電平信號，實現(xiàn)硬線信號與TCN網(wǎng)絡(luò)信號的轉(zhuǎn)換及數(shù)字量、模擬量輸入／輸出功能，使車輛控制單元VCU能全面地監(jiān)測、控制列車的狀態(tài)，并通過對比2種信號來進(jìn)行故障的診斷。

1.2.2 安全回路故障診斷

安全回路故障診斷主要通過SKS采集硬線信號進(jìn)行對比判斷，診斷控制回路與執(zhí)行回路是否保持一致。診斷邏輯如圖2所示。

緊急停車回路反饋信號、緊制繼電器反饋信號、ATC緊制繼電器反饋信號輸入“或”門后與緊急負(fù)載回路反饋信號的“非”邏輯共同輸入“與”門，若在512 ms內(nèi)持續(xù)輸出為高電平，則出現(xiàn)安全回路故障，同時VCU施加快速制動。

本文分析的故障信息主要由安全回路故障引起，可從故障邏輯中的信號推導(dǎo)出引起故障的根本原因。

圖2 安全回路故障診斷邏輯簡圖

1.3 故障的調(diào)查與分析

采用SIBAS32系統(tǒng)的故障診斷軟件eXpert2讀取事件信息，事件記錄儀信息如圖3所示。

圖3 事件記錄儀故障信息記錄

圖3中，17：22：41.54故障時，ATP緊制繼電器動作后VCU監(jiān)測到緊制回路反饋沒有施加（圖4），于是512 ms后根據(jù)故障邏輯判定安全回路故障，VCU使用快速制動替代緊制，同時發(fā)送“牽引／制動控制嚴(yán)重故障”“牽引系統(tǒng)輕微故障”，ICU圖標(biāo)因此變?yōu)辄S點(diǎn)。約7 s后緊制回路反饋已施加緊制，故障消失，但圖標(biāo)依舊保留在HMI屏上，直到復(fù)位MVB總線，才能將黃點(diǎn)圖標(biāo)消除。

圖4 故障環(huán)境數(shù)據(jù)截屏

分析電路圖（圖1）可以看出，在緊急制動回路中，若要使ATC緊制繼電器失電，而緊急制動繼電器不失電，只可能存在一種情況，即ATPC繼電器＝91-K108得電吸合。

正常情況下，如果要將ATP保護(hù)切除，則須將ATP切除旋鈕打至合位，通過列車線，使91-K108得電，VOBC則通過連接在列車線上的P3：M插頭接收該列車線電平信號，進(jìn)行ATP切除。結(jié)合前面調(diào)查的信息分析，若發(fā)生故障，VOBC處于死機(jī)狀態(tài)時，P3：M插頭逆向?qū)TPC繼電器＝91-K108輸出了一段時間的高電平，將會使91-K108得電（圖5）。

若上述分析正確，列車將會處于ATP切除旋鈕未打至分位，而ATPC繼電器＝91-K108線圈吸合的情況。為驗證上述分析，可通過eXpert2軟件讀取故障代碼出現(xiàn)時的車輛環(huán)境數(shù)據(jù)的I／O信號記錄來進(jìn)行判斷。若ATPC繼電器＝91-K108得電，繼電器的常閉觸頭斷開，ATO模式繼電器將失電，從而使列車退出ATO模式（圖4）。

圖5 VOBC反向串電圖

由故障時的環(huán)境數(shù)據(jù)可以看出，故障時ATP切除旋鈕未打至切除位（＄E113＿09信號為低電平），ATO模式已退出（＄E112＿01信號為低電平），由此可以驗證ATPC繼電器＝91-K108異常得電。

2 后續(xù)調(diào)查與改進(jìn)措施

對于此問題，聯(lián)系通號部門檢查發(fā)現(xiàn)VOBC的IRU單元內(nèi)部二極管擊穿，核對VOBC內(nèi)部電路可以發(fā)現(xiàn)該二極管擊穿后，按壓VOBC復(fù)位按鈕將會出現(xiàn)逆向串電，而此二極管下級電路對外接口就是P3：M插頭，逆向串電可引起ATPC繼電器＝91-K108得電。由此可驗證，根據(jù)車輛數(shù)據(jù)邏輯推理出的故障原因被核實。

對于此信號與車輛接口問題，可對電路進(jìn)行改進(jìn)，在P3：M插頭下級電路添加一個二極管，防止VOBC內(nèi)部二極管擊穿后逆向串電引起車輛繼電器異常得電的情況。

3 結(jié)語

廣州地鐵三號線北延段列車控制診斷及牽引系統(tǒng)由西門子設(shè)計制造，擁有完善的故障診斷系統(tǒng)，利用專門的工具維護(hù)軟件可以對故障時的各個關(guān)鍵信號進(jìn)行查找和分析，結(jié)合電路圖、診斷邏輯圖對出現(xiàn)故障的原因進(jìn)行分析判斷。熟練地使用列車工具軟件并嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行邏輯分析，對地鐵車輛的檢修具有重要的應(yīng)用價值，可輔助檢修技術(shù)人員較快地排除故障，保障列車的運(yùn)行質(zhì)量。

本文通過對信號系統(tǒng)引起的牽引故障的分析與查找，提供了利用地鐵診斷系統(tǒng)及控制邏輯來查找解決車輛與信號接口問題的一種思路。同時，筆者建議，在新線車輛電路設(shè)計時，須充分考慮接口系統(tǒng)的電路，盡量避免因接口電路故障引起的一系列問題。

［1］南車株洲電力機(jī)車有限公司.GZML3E項目電氣原理圖（C版），2010