高速動車組車門控制系統(tǒng)研究

朱書娟，徐剛，張衛(wèi)，陳勇勝，郭冬梅

(1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司制造技術(shù)中心，河北唐山 063000;2.唐山開元機器人系統(tǒng)有限公司研發(fā)部，河北唐山 063000)

高速動車組車門控制系統(tǒng)研究

朱書娟1，徐剛2，張衛(wèi)1，陳勇勝1，郭冬梅1

(1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司制造技術(shù)中心，河北唐山 063000;2.唐山開元機器人系統(tǒng)有限公司研發(fā)部，河北唐山 063000)

針對現(xiàn)階段高速動車組制造技術(shù)國產(chǎn)化的趨勢，在消化吸收CRH3型動車組關(guān)鍵技術(shù)的前提下，研究了CRH3型高速動車組車門控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了車門控制系統(tǒng)通過多功能車輛總線 (MVB)與列車控制單元、診斷單元及制動單元間的通信接口，優(yōu)化車門控制程序，保證車門系統(tǒng)在高速動態(tài)運行環(huán)境中實時可靠地工作。結(jié)合實際運行過程中出現(xiàn)的故障，分析產(chǎn)生的原因，優(yōu)化了列車控制網(wǎng)絡(luò)與車門通信控制邏輯，消除運行中的安全隱患，保證了列車高速運行時的安全與穩(wěn)定性。

高速動車組;列車通信網(wǎng)絡(luò);多功能車輛總線;故障分析

隨著軌道車輛控制技術(shù)的發(fā)展，列車控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜。車輛設(shè)備的控制、監(jiān)測和診斷過程從集中型的直接控制系統(tǒng)發(fā)展成為基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)。為了節(jié)約人力，保證列車運行的安全性、可靠性，將網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用于車門控制系統(tǒng)，實時監(jiān)控車門狀態(tài)是列車控制技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。CRH3型高速動車組是目前我國最為先進(jìn)的動車組，文中著重研究CRH3型高速動車組車門控制系統(tǒng)。CRH3型高速動車組車門控制系統(tǒng)與碳鋼車人工手動開門相比，提高了人工單位時間的工作效率，實現(xiàn)了車門控制的智能化;與地鐵車門的控制相比，其控制方式為閉環(huán)控制，實時反饋車門狀態(tài)及故障信息，且有良好的氣密、防塵、防水性，保證高速運行時列車內(nèi)部氣壓穩(wěn)定，使乘坐更舒適。CRH3型動車組車門控制系統(tǒng)以其可靠先進(jìn)的控制技術(shù)搭載入列車控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了車門的閉環(huán)控制。列車控制網(wǎng)絡(luò)實時準(zhǔn)確地監(jiān)控車門打開/關(guān)閉的狀態(tài)，避免列車在啟動及高速運行時，在未進(jìn)站及站臺內(nèi)非站臺側(cè)時打開車門的狀況發(fā)生，保證列車安全行駛。

1 車門通信控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CRH3型動車組車門具有良好的密封性及防塵、防水性，車門可以承受的內(nèi)外壓強差為±6 000 Pa。車門位于變壓器車02和07(TP02、TP07)和中間車03和 06(IC03、IC06)的兩端，一等車 05車(FC05)頭車01和08(EC01、EC08)的一端。車輛之間通過一種用于連接各節(jié)點的可動態(tài)編程的車輛間絞線式列車總線 (WTB)互聯(lián)。車輛內(nèi)部設(shè)備由多功能車輛總線 (MVB)互聯(lián)。

列車制動系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)和列車診斷系統(tǒng)(集成于HMI)和車門控制系統(tǒng)搭載入列車控制網(wǎng)絡(luò)形成完整的車門控制網(wǎng)絡(luò)。列車制動系統(tǒng)發(fā)出氣壓數(shù)據(jù)及速度數(shù)據(jù)，提供安全行駛的硬線條件。列車控制系統(tǒng)向車門發(fā)出控制指令，集中控制整列車門的狀態(tài)。列車診斷系統(tǒng)確認(rèn)、評估、顯示發(fā)生的故障，并提供解決方案。門控單元 (DCU)與中央控制單元(CCU)、人機交互界面 (HMI)及制動控制單元(BCU)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車門通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CRH3型高速動車組車DCU、BCU、CCU、HMI之間的MVB通信如圖1所示:每列動車組由兩組互相對稱的牽引單元組成 (EC01-BC04，F(xiàn)C05-EC08)，牽引單元之間通過車頂電纜連接。主門控器 (MDCU)從CCU、BCU、HMI接收總體的過程數(shù)據(jù)，如門操作指令和速度信號等。MDCU發(fā)送給CCU、HMI門的實際狀態(tài)和診斷信息。每輛車門控單元通過CAN總線互聯(lián)。

2 車門控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 硬件接口設(shè)計

圖2 車門控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖

每輛車的車門通過CAN接口互聯(lián)，主門控單元設(shè)有西門子公司的采用PC/104總線接口標(biāo)準(zhǔn)的MVB32模塊，保證主門控單元通過MVB接口與列車控制單元通信。門控制單元由可編程邏輯控制模塊、電機控制模塊 (電機驅(qū)動模塊和門鎖閉供電模塊)和輸入擴(kuò)展模塊構(gòu)成。MDC2-110SMVB-I型 (主控單元)或MDC2-110-I(從控制單元)為車門控制系統(tǒng)的控制單元。車門控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

每列車車門都分配有不同的車輛代碼通過CAN接口X6的1，6，8和9針腳與車門控制單元連接，列車車門編碼如表1所示。對于無效的編碼門控單元會產(chǎn)生一個診斷信號并發(fā)送給列車控制單元，門控單元不做任何動作。

表1 列車車門編碼

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 軟件接口

MDCU發(fā)給CCU/HMI過程數(shù)據(jù)(EW_TUR1_EW_ZSGM_1)，MDCU發(fā)給HMI的診斷數(shù)據(jù)1和2(EW_TUR1_EW_Diag_1/2)，BCUM發(fā)給MDCU氣壓數(shù)據(jù)(EW_BSGM_EW_GW_2)，BCU11發(fā)給MDCU硬線速度診斷信號(EW_BSG11_Diagnose)，CCUM發(fā)給MDCU速度和距離數(shù)據(jù)(EW_ZSGM_ZWG_Info)，CCUM發(fā)給MDCU時間數(shù)據(jù)(EW_ZSGM_Zeit_Info_an_alle)，CCU發(fā)給MDCU MVB數(shù)據(jù)(EW_ZSGM_allg_Daten2)。

2.2.2 安全互鎖功能

CCU的控制命令與BCU的硬線速度信號共同作用且匹配時，DCU控制驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)車門的開關(guān)動作。由于v＜5 km/h僅有硬線速度信號保證，且車門只有在有這個信號時才可以打開，因此需要在軟件上保證車門鎖閉與緩解兩個狀態(tài)互鎖，才能保證車門不會出現(xiàn)誤動作。車門鎖閉與緩解互鎖邏輯如圖3所示。

圖3 車門鎖閉與緩解互鎖邏輯

變量V_CCUM_Doors_Block_le:左側(cè)門處于鎖閉狀態(tài)，不能打開;變量V_CCUM_DoorsRelease_le:左側(cè)門釋放，可以集控打開左側(cè)門。由邏輯圖可知門鎖閉與門釋放為互逆關(guān)系，因此，可以實現(xiàn)邏輯上的互鎖。

2.2.3 門集控功能軟件設(shè)計

門集控包括集控開門和集控關(guān)門兩個過程。集控開門流程如圖4所示。當(dāng)主DCU接收到來自MVB的開門命令后，DCU判斷速度信號是否一致，不一致反饋回CCU。如果一致，檢測開門阻力 (F1)是否大于開門允許力 (F2)，如果小于，主 DCU通過CAN總線給站臺側(cè)的從DCU發(fā)出開門指令，站臺側(cè)門的氣動鎖打開，解鎖電機M2解鎖，限位開關(guān)斷電，門離開100%關(guān)閉位置，門開始打開，在打開150 mm處 (通過DCU的計數(shù)器實現(xiàn))，站臺補償器開始打開，打開到300 mm時站臺補償器完全打開，門打開并保持。

圖4 集控開門流程圖

集控關(guān)門流程如下:當(dāng)主DCU接收到關(guān)門指令后，DCU要先判斷關(guān)門阻力是否大于關(guān)門允許值，如果大于反饋給CCU，如果小于，主DCU通過CAN總線給站臺側(cè)的從DCU發(fā)出關(guān)門指令;防擠壓功能啟動，驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，門關(guān)至500 mm時收起站臺補償器，750 mm時站臺補償器完全收起，98%限位開關(guān)激活，氣動鎖動作，防擠壓功能取消;門繼續(xù)關(guān)閉，100%附加限位開關(guān)激活，門完全關(guān)閉。

3 故障分析

3.1 集控開關(guān)門故障分析

引起車門無法正常集控開/關(guān)的原因有:硬線速度信號與MVB信號不一致，附加100%限位開關(guān)故障 (故障代碼為70)，98%限位開關(guān)故障 (故障代碼為83)，站臺補償器收起過慢 (故障代碼為96)，風(fēng)壓值小于0.45 MPa(故障代碼為79)等。出現(xiàn)故障后MDCU通過MVB將故障代碼顯示到HMI上，通過故障代碼可以分析出問題出現(xiàn)的原因。下述內(nèi)容主要分析硬線速度信號與MVB信號不一致的情況。

HMI報故障，門控器故障指示燈閃12次，故障代碼78、92、93，門無法打開。MDCU從MVB接收v＞5 km/h和v＞10 km/h兩個速度信號，從BCU接收v＜5 km/h、v＞5 km/h和 v＞10 km/h三個速度信號，如果MVB和BCU來的速度信號不一致，會導(dǎo)致故障代碼92和93的產(chǎn)生，硬線速度信號出現(xiàn)邏輯錯誤時會導(dǎo)致故障代碼78的產(chǎn)生。

當(dāng)DCU接收到的CCU以及BCU的速度信號不一致時，就會產(chǎn)生速度信號不一致的故障。速度信號不一致產(chǎn)生故障代碼時序圖見圖5。

圖5 故障代碼時序圖

代碼78含義:硬線速度信號錯誤且持續(xù)10 s，報故障。

代碼92含義:MVB總線信號與硬線速度信號v＞5 km/h不一致且持續(xù)10 s，報故障。

代碼93含義:MVB總線信號與硬線速度信號v＞10 km/h不一致且持續(xù)10 s，報故障。

3.2 HMI顯示防擠壓故障

98%限位開關(guān)的主要功能是觸發(fā)啟動氣動鎖。如果98%限位開關(guān)動作提前將導(dǎo)致氣動鎖壓緊位置不正確，導(dǎo)致關(guān)門阻力過大啟動防擠壓程序。98%限位開關(guān)動作滯后，導(dǎo)致車門的防擠壓膠條碰撞門框啟動防擠壓程序。這兩種情況都會造成門反復(fù)關(guān)閉5次停在開門位置。

在實際列車運行中，司機集控關(guān)門后HMI顯示防擠壓故障，車門停止在打開位置，門控器故障指示燈閃爍5次，故障代碼為83。98%限位開關(guān)導(dǎo)致故障流程圖見圖6所示。

圖6 98%限開關(guān)故障流程圖

4 結(jié)束語

以CRH3型高速動車組車門系統(tǒng)為研究對象，此閉環(huán)控制系統(tǒng)是將車門控制搭載入列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)。該控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:(1)實時監(jiān)控。列車診斷單元分析并顯示車門故障信息，司機可以通過故障代碼確定故障的嚴(yán)重性，采取解決措施。(2)車門集中控制，減少人力。通過司機室按鈕集中開/關(guān)站臺側(cè)的車門，達(dá)到車門集中控制。(3)與CCU、BCU、HMI間通信。車門控制系統(tǒng)與 CCU、BCU、HMI通信不僅提供了更加嚴(yán)密的安全控制條件，而且提高了車門控制系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性。研究CRH3型動車組車門系統(tǒng)有助于加快其國產(chǎn)化的進(jìn)程，提高我國高速動車組技術(shù)水平，對于今后我國軌道車輛的設(shè)計、運行、維護(hù)和保養(yǎng)等方面均有重要的借鑒意義。

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Research on Vehicle Door Control System of High-speed EMU

ZHU Shujuan1，XU Gang2，ZHANGWei1，CHEN Yongsheng1，GUO Dongmei1
(1.Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan Hebei063000，China;2.Tangshan Kaiyuan Robot System Co.，Ltd.，Tangshan Hebei063000，China)

At present，according to the localization trend of high-speed EMU'smanufacturing technology，and under the premise of key technology digestion and absorption of CRH3，the door communication system network topology structure was studied，and then communication interfaces among the door control system，train control unit，diagnostic unit and brake control unit were designed through multifunction vehicle bus(MVB).The door control procedures were optimized，to ensure real time and reliable work of the door system in high speed dynamic operation environment.Though analyzing operation fault，the control logic between the train communication network and the door control system was optimized.Then the hidden trouble of safety was eliminated，and the safety and stability of train running at a high-speed dynamic operating environmentwere ensured.

High-speed EMU;Train communication network;Multifunction vehicle bus;Fault analysis

TP

A

1001－3881(2014)10－158－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.048

2013－04－21

朱書娟 (1983—)，女，碩士，工程師，研究方向為高速動車組電氣工藝技術(shù)。E－mail:moonlight034142@126.com。