地鐵列車空氣制動控制系統(tǒng)功能及應(yīng)用分析

摘要：深圳地鐵二期列車采用了KNORR（克諾爾）公司推出的最新一代產(chǎn)品EP2002空氣制動控制系統(tǒng)。文章對深圳一、二期地鐵列車空氣制動控制ESRA、EP2002系統(tǒng)的特點進行了描述，介紹了EP2002閥的結(jié)構(gòu)原理和內(nèi)部氣路，并結(jié)合結(jié)構(gòu)和控制原理對EP2002系統(tǒng)、ESRA系統(tǒng)的應(yīng)用進行了對比分析。

關(guān)鍵詞：深圳地鐵；空氣制動控制系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)原理；內(nèi)部氣路；架控模式 文獻標識碼：A

中圖分類號：U260 文章編號：1009-2374（2016）10-0055-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.027

1 概述

深圳地鐵二期列車采用了KNORR（克諾爾）公司推出的最新一代產(chǎn)品EP2002空氣制動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點是將空氣制動控制由車控轉(zhuǎn)變?yōu)榧芸啬Ｊ?，較一期22列車項目傳統(tǒng)的ESRA系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)及應(yīng)用上均有所改進。

1.1 EP2002系統(tǒng)的特點

二期列車的制動控制系統(tǒng)采用了分布式結(jié)構(gòu)的架控形式，即一個EP2002閥只控制一個轉(zhuǎn)向架。如果某一EP2002閥出現(xiàn)故障，只需切除相應(yīng)轉(zhuǎn)向架上空氣制動的控制電源，即可使故障對列車運行的影響減至最小。

EP2002系統(tǒng)將制動控制和制動管理電子設(shè)備以及常用制動（SB）氣動閥、緊急制動（EB）氣動閥和車輪防滑保護裝置（WSP）氣動閥都集成到裝在各轉(zhuǎn)向架上的機電包中。氣動系統(tǒng)可以通過一個中心點向各個EP2002閥門供風(fēng)或從各處向閥門供風(fēng)。整個EP2002制動系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，可適用多種配置、安裝方式，使用和維修更為便利。

1.2 制動系統(tǒng)的位置及組成

制動系統(tǒng)在整個列車控制中接收到列車控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，由壓縮機提供風(fēng)源，通過系統(tǒng)內(nèi)部對指令的識別施加或緩解制動（圖1EP2002系統(tǒng)指令遞）。制動系統(tǒng)主要由EP2002閥、制動控制模塊以及其他輔助部件組成。其核心部件是機電一體化的電磁閥，即EP2002閥。因通信網(wǎng)絡(luò)的功能不同，分為網(wǎng)關(guān)閥（Gateway valve）、智能閥（Smart valve）。

圖1 EP2002系統(tǒng)指令傳遞

2 EP2002閥介紹

以六節(jié)車編組的制動系統(tǒng)為例，三節(jié)車自成一個相對獨立的制動控制單元，單元車EP2002閥之間采用CAN網(wǎng)絡(luò)通信，考慮到制動控制網(wǎng)絡(luò)與列車控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞以及通信故障的備份，單元車制動控制單元設(shè)置兩個網(wǎng)關(guān)閥、四個智能閥，每節(jié)車按照“智能閥+智能閥”或“智能閥+網(wǎng)關(guān)閥”的組合配置（如圖2所示），其分別安裝在其所控制轉(zhuǎn)向架附近的車體底架上。所有的EP2002閥上均帶有多個壓力測試口，可以方便地測量儲風(fēng)缸壓力、常用制動缸壓力、車輛載荷壓力以及停放制動缸壓力等。

圖2 EP2002系統(tǒng)配置

2.1 智能閥（Smart Valve）

智能閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。它是一個機電一體化的組合產(chǎn)品，包括電子控制板（RBX）、電源板（PSU）和氣動閥單元（PVU）組合件。安裝在氣動閥單元上的電子控制板能接收電控制信號并直接控制氣動伺服閥，對相應(yīng)轉(zhuǎn)向架上制動器內(nèi)制動缸的壓力做出調(diào)整，可對每個轉(zhuǎn)向架進行常用制動和獨立的緊急制動控制。

圖3 智能閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

閥件受軟件和硬件的聯(lián)合控制和監(jiān)控，可對該轉(zhuǎn)向架的空氣制動系統(tǒng)進行故障診斷及顯示。通過專用CAN制動總線和其他EP2002閥進行通信，結(jié)合各車軸所產(chǎn)生的車軸速度數(shù)據(jù)與其他閥件傳來的速度數(shù)據(jù)比較，即可實施車輪防滑保護功能。智能閥通過硬線與列車安全回路相連。當(dāng)安全回路失電時，智能閥將使該轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生緊急制動。其輸入和輸出接口形式如圖4所示：

圖4 智能閥的輸入和輸出接口示意圖

主要有如下八個方面的功能：（1）常用制動時，對單個輸出制動壓力進行調(diào)整并輸出制動缸壓力；（2）緊急制動時，對單個輸出制動壓力進行調(diào)整并輸出制動缸壓力；（3）防滑控制（WSP控制）；（4）對制動風(fēng)缸壓力進行監(jiān)控；（5）對兩個軸制動缸壓力進行監(jiān)控；（6）對停放制動壓力進行監(jiān)控；（7）對負載稱重進行測量；（8）與其他EP2002閥進行通訊，并向網(wǎng)關(guān)閥報告本車故障監(jiān)視情況。

2.2 網(wǎng)關(guān)閥（Gateway Valve）

網(wǎng)關(guān)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。它比智能閥多了兩塊電路板——網(wǎng)絡(luò)通信板和制動控制板，網(wǎng)關(guān)閥除了具有智能閥的所有功能外，同時還可以進行制動管理并為列車監(jiān)控系統(tǒng)提供通信接口。

圖5 網(wǎng)關(guān)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖6 網(wǎng)關(guān)閥的輸入和輸出接口

網(wǎng)關(guān)閥向本單元車CAN總線上所有EP2002閥傳遞制動參數(shù)。在分布式控制網(wǎng)絡(luò)中，其制動指令的發(fā)布功能只需要通過一個網(wǎng)關(guān)閥便可以對列車上以每輛車為單位的制動系統(tǒng)發(fā)送制動力要求，以達到司機或ATO對制動力要求。同時，網(wǎng)關(guān)閥還提供EP2002控制系統(tǒng)與列車控制系統(tǒng)的連接。網(wǎng)關(guān)閥的輸入和輸出接口如圖6所示。

2.3 EP2002閥內(nèi)部氣路結(jié)構(gòu)

所有的EP2002閥的氣動結(jié)構(gòu)和內(nèi)部氣路都是相同的，其氣路圖如圖7所示。閥內(nèi)的氣動部分主要是由壓力調(diào)整模塊、制動缸壓力調(diào)整模塊、連接閥和壓力傳感器四部分構(gòu)成。

圖7 EP2002閥內(nèi)部氣路圖

2.3.1 壓力調(diào)整模塊（A、B、C部分）。壓力調(diào)整模塊包括初級調(diào)整閥（A部分）、負載稱重模塊（C部分）和次級調(diào)整閥（B部分）。

初級調(diào)整閥（A部分）是一個中繼閥，它可以根據(jù)負載稱重閥（C部分）所提供的控制壓力對送風(fēng)壓力進行調(diào)整，最后將送風(fēng)壓力調(diào)整到相應(yīng)的緊急制動壓力向制動缸壓力調(diào)整模塊（D部分）輸出。如果負載稱重模塊（C部分）發(fā)生故障時，初級調(diào)整閥還可以通過機械方式提供一個空載（AW0）的緊急制動壓力。負載稱重閥（C部分）接收來自空氣簧的壓力信號（ASP1/ASP2），并根據(jù)接收到的壓力信號為初級調(diào)整閥（A部分）提供一個控制壓力，該控制壓力與空氣簧的壓力成正比，對初級調(diào)整閥的預(yù)置壓力進行修改，此控制壓力在常用制動和緊急制動時都有效。

次級調(diào)整閥（B部）是初級調(diào)整的上游裝置，它的作用只是限制提供給制動缸的最大壓力不超過超員載荷（AW3）下緊急制動壓力的水平。

2.3.2 制動缸壓力調(diào)整模塊（D部分）。制動缸壓力調(diào)整模塊（D部分）負責(zé)將壓力調(diào)整模塊所輸出緊急制動壓力調(diào)節(jié)到要求的壓力水平，該模塊還可以在輪對的防滑功能被激活時，對制動缸壓力進行獨立控制，即對制動缸施行排氣控制。

2.3.3 連通閥（E部分）。連通閥可以使同一轉(zhuǎn)向架兩個軸上的制動缸連接到一起或者分開。在常用制動和緊急制動時，兩個軸上的制動缸輸出氣路相通，以轉(zhuǎn)向架為單元施加制動力；在輪對防滑功能被激活時，兩個車軸的制動缸被分開，每個車軸的制動缸壓力在制動缸壓力調(diào)整階段（D部分）進行獨立控制，對相應(yīng)打滑軸上的制動缸進行排氣減壓控制。

2.3.4 壓力傳感器（F、G部分）。壓力傳感器（F和G部分）用于制動缸，負載稱重、制動風(fēng)缸和停放制動等壓力點的測量，測得的壓力信號供內(nèi)部調(diào)節(jié)和外部顯示使用。

2.4 ESRA系統(tǒng)控制原理

一期列車制動控制系統(tǒng)采用了集中式車控模式，即一節(jié)車的BCU制動系統(tǒng)控制該節(jié)車的兩個轉(zhuǎn)向架。如某一BCU出現(xiàn)故障，則將喪失整節(jié)車的制動力。其控制原理是通過MVB（串接接口總線）從司控器接收制動指令信號，由EBCU調(diào)節(jié)并傳至電氣控制單元（BCU；B01.06），BCU上的模擬轉(zhuǎn)換器（B01.06.a）將電壓轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的制動缸壓力。電信號向控制壓力的轉(zhuǎn)化相對于指令信號是閉環(huán)控制。控制回路由施加及緩解電磁閥、壓力傳感器（測量實際壓力）及控制兩個電磁閥相對于指令信號及實際壓力值間差異的調(diào)節(jié)器組成，根據(jù)預(yù)控壓力傳感器信號選擇性地控制施加或緩解電磁閥信號，EBCU使指令與制動缸壓力間保持有恒定的關(guān)系，控制回路導(dǎo)致“電壓比壓力”間的特征有最佳的滯后及精確的線性度。

一個EP2002閥相當(dāng)于ESRA空氣制動系統(tǒng)中的微機控制單元（EBCU）加上制動控制單元BCU的組合，此外它還具有網(wǎng)絡(luò)通信、防滑保護等功能。

3 EP2002系統(tǒng)、ESRA系統(tǒng)應(yīng)用情況對比分析

3.1 應(yīng)用成本分析

3.1.1 列車配置成本。6節(jié)編組列車應(yīng)用ESRA系統(tǒng)需配備2個EBCU和6個BCU，應(yīng)用EP2002系統(tǒng)則需配備12個EP2002閥，因此采用EP2002系統(tǒng)較ESRA系統(tǒng)需增加配置成本約30%。

3.1.2 維修成本。EP2002系統(tǒng)閥件為高度集成的整體部件，硬件故障維修權(quán)限仍控制在生產(chǎn)廠家。一旦發(fā)生發(fā)硬件故障，須整體更換后發(fā)回原生產(chǎn)地進行拆卸維修，可維修性差，用戶靈活度小，維修費用昂貴；而ESRA系統(tǒng)閥件為單個閥件通過模板閥組合連接而成，硬件故障后，用戶可進行拆卸維修，可維修性強，用戶靈活度大，維修費用相對便宜。EP2002系統(tǒng)硬件故障維修成本較ESRA系統(tǒng)閥件高約50%～100%。

3.2 設(shè)備穩(wěn)定性分析

在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)表現(xiàn)狀態(tài)良好，其故障率在可接受范圍內(nèi)，均遠遠低于列車平均故障率。典型故障均集中在軟件配置、數(shù)據(jù)傳輸及密封圈破損、壓力開關(guān)閥值偏差等方面。EP2002在結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計中控制回路設(shè)計更加合理，系統(tǒng)控制更加精準，在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面優(yōu)于ESRA系統(tǒng)，很少發(fā)生傳感器故障，因此整體故障率也略低于ESRA系統(tǒng)。

4 結(jié)語

綜上，就系統(tǒng)配置和功能而言，EP2002系統(tǒng)較ESRA系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)功能更趨穩(wěn)定，冗余度更高；但就成本和可維修性而言，EP2002系統(tǒng)較ESRA系統(tǒng)，其配置和維修成本高，維修周期長，且可維修性差，用戶靈活度小。隨著各個城市軌道交通線路增多，形成網(wǎng)絡(luò)化規(guī)模效應(yīng)時，用戶對列車制動控制系統(tǒng)的選用將日漸成熟。

參考文獻

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作者簡介：歷寧（1981-），廣東深圳人，供職于深圳市地鐵集團有限公司運營總部線網(wǎng)管控中心，研究方向：地鐵運營管理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）