關(guān)于HXD2型機(jī)車BCU通訊超時(shí)引發(fā)懲罰制動(dòng)故障的分析

張建平, 張 濤

(1 太原鐵路局 職工培訓(xùn)中心， 太原 030009；2 太原鐵路局 機(jī)務(wù)處， 太原 030000)

作為大秦線擔(dān)當(dāng)2.1萬t重載組合列車牽引任務(wù)的主型機(jī)車，HXD2型電力機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)采用法維萊制動(dòng)機(jī)，該制動(dòng)系統(tǒng)的核心控制部件為制動(dòng)控制單元(BCU)。在組合列車運(yùn)行模式下，通過機(jī)車裝用的GE公司LOCOTROL動(dòng)力分布式控制系統(tǒng)(簡稱DP)，實(shí)現(xiàn)組合列車運(yùn)行時(shí)主控機(jī)車和從控機(jī)車的同步控制作用，機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的BCU通過RS422網(wǎng)絡(luò)與LOCOTROL系統(tǒng)串行處理器模塊(SIPM)連接，主要向SIPM傳遞機(jī)車列車管、均衡風(fēng)缸等壓力信號(hào)。在DP控車模式下，當(dāng)BCU與SIPM的通訊發(fā)生故障時(shí)，LOCOTROL系統(tǒng)依據(jù)故障導(dǎo)向安全的原則，SIPM會(huì)發(fā)出懲罰指令，使主控機(jī)車產(chǎn)生列車管減壓到零的懲罰制動(dòng)作用，同時(shí)將該懲罰指令由LOCOTROL系統(tǒng)通訊處理器模塊(CPM)通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)傳遞至位于列車遠(yuǎn)端的從控機(jī)車，從控機(jī)車響應(yīng)主控機(jī)車指令觸發(fā)懲罰制動(dòng)。大秦線作為重載鐵路線，列車懲罰制動(dòng)的發(fā)生對重載列車運(yùn)輸安全影響較大，稍有不慎就有可能出現(xiàn)列車分離、脫線等難以預(yù)料的情形。因此，在組合列車DP控車模式下，如何有效減少因BCU通訊問題產(chǎn)生的懲罰制動(dòng)已成為機(jī)車質(zhì)量安全管理中的一個(gè)重要課題。

1 HXD2機(jī)車BCU通訊超時(shí)的報(bào)錯(cuò)機(jī)制

DP狀態(tài)下，如果主控機(jī)車SIPM在5.0 s內(nèi)沒有收到來自BCU的心跳信息，在機(jī)車的LDM顯示屏上會(huì)顯示BCU通訊超時(shí)故障信息，同時(shí)SIPM發(fā)出懲罰指令，使得主控機(jī)車產(chǎn)生懲罰制動(dòng)作用，同時(shí)從控機(jī)車響應(yīng)主控機(jī)車同步產(chǎn)生懲罰制動(dòng)?；蛘邠Q一種說法，由于BCU與SIPM主要進(jìn)行機(jī)車均衡風(fēng)缸(ER)、列車管(BP)等壓力值的傳輸，當(dāng)上述壓力值在傳輸過程中出現(xiàn)5.0 s及以上的丟失時(shí)，即DP系統(tǒng)判斷出現(xiàn)BCU通訊超時(shí)故障現(xiàn)象，機(jī)車同步產(chǎn)生懲罰制動(dòng)。HXD2機(jī)車DP系統(tǒng)控制框圖如下圖1。

2 BCU通訊超時(shí)故障的分析

2.1 BCU通訊超時(shí)故障的影響

2.1.1研究BCU通訊超時(shí)故障原因的重要性

通過對近3年大秦公司湖東電力機(jī)務(wù)段配屬的和諧機(jī)車懲罰制動(dòng)事件進(jìn)行梳理，2014年1～12月重載列車發(fā)生懲罰制動(dòng)故障19件，其中HXD2型機(jī)車8件，占總數(shù)的42.1%；而BCU與SIPM通信超時(shí)故障共發(fā)生4件。2015年1～12月重載列車發(fā)生懲罰制動(dòng)故障11件，其中HXD2型機(jī)車7件，占總數(shù)的63.6%；BCU與SIPM通信超時(shí)故障共發(fā)生3件。2016年1～12月重載列車發(fā)生懲罰制動(dòng)故障15件，其中HXD2型機(jī)車8件，占總數(shù)的53.3%； BCU 與SIPM通信超時(shí)故障共發(fā)生5件，見表1。

綜上所述，BCU通訊超時(shí)故障已成為影響HXD2機(jī)車運(yùn)用安全的主要故障，且當(dāng)該故障發(fā)生后必須分解組合列車，實(shí)施分部運(yùn)行，極易導(dǎo)致出現(xiàn)堵塞區(qū)間，影響大秦線的運(yùn)輸暢通。

2.1.2BCU通訊超時(shí)故障的分類

結(jié)合BCU與SIPM的通訊原理進(jìn)行分析，引起B(yǎng)CU與SIPM通訊問題主要有3個(gè)方面的原因：

(1) BCU內(nèi)部的RS422網(wǎng)絡(luò)板卡存在故障，這個(gè)故障導(dǎo)致通訊超時(shí)使得機(jī)車產(chǎn)生懲罰制動(dòng)作用。HXD2機(jī)車BCU自身具有故障診斷系統(tǒng)，當(dāng)BCU檢測到內(nèi)部RS422網(wǎng)絡(luò)板卡故障時(shí)，在BCU的主CPU板卡上會(huì)顯示相應(yīng)的故障代碼“E054”；

圖1 LOCOTROL系統(tǒng)模塊控制原理框圖

年度重載列車懲罰制動(dòng)/件HXD2型機(jī)車故障/件占總數(shù)比/%涉及BCU通信超時(shí)/件占總數(shù)比/%201419842.1421.1201511763.6327.3201615853.3533.3

(2) BCU與SIPM之間通訊電纜受到機(jī)車內(nèi)部高壓電器啟動(dòng)時(shí)的電磁干擾等，使得通訊數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)中斷，導(dǎo)致通訊超時(shí)而產(chǎn)生懲罰制動(dòng)；

(3) SIPM內(nèi)部的RS422網(wǎng)絡(luò)板卡存在故障，導(dǎo)致通訊超時(shí)使得機(jī)車產(chǎn)生懲罰制動(dòng)作用。

上述這3種故障最終都表現(xiàn)為BCU與SIPM模塊之間的通訊中斷，而使機(jī)車自動(dòng)產(chǎn)生懲罰制動(dòng)作用。其中第1種和第3種原因分別為BCU和SIPM模塊內(nèi)部的硬件故障，一旦發(fā)生該故障現(xiàn)象會(huì)一直存在。但從目前的故障分析及統(tǒng)計(jì)情況來看，第2種故障原因發(fā)生的幾率最大，因此主要針對第2種故障原因進(jìn)行分析研究。

2.2 BCU通訊超時(shí)的原因

由于HXD2機(jī)車的DP系統(tǒng)采用RS422接口，首先對RS422接口進(jìn)行簡要說明。RS422接口標(biāo)準(zhǔn)全稱是平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性，它定義了接口電路的特性，接口中共設(shè)5根線，分別為TX+、TX-、RX+、RX-、GND。由于接收器采用高輸入阻抗和具有更強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，允許在相同傳輸線上最多連接10個(gè)節(jié)點(diǎn)；RS422接口需要設(shè)置終端電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。HXD2機(jī)車 BCU與SIPM的RS422網(wǎng)絡(luò)接口圖見圖2，圖中A表示為A節(jié)機(jī)車、B表示為B節(jié)機(jī)車。

圖2 HXD2機(jī)車 BCU與SIPM的RS422網(wǎng)絡(luò)接口圖

每節(jié)機(jī)車的BCU的接收電路上均裝有240 Ω的終端電阻，并且每節(jié)機(jī)車SIPM的接收電路上也裝有240 Ω的終端電阻。

通過對近3年來發(fā)生BCU通訊超時(shí)問題的機(jī)車進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析，選擇將HXD2 0092機(jī)車(1年中已2次發(fā)生BCU通訊超時(shí)故障)作為試驗(yàn)機(jī)車。試驗(yàn)主要分為兩部分，一是對BCU與SIPM通信電纜阻值進(jìn)行測量，主要目的是檢測通信通道阻值是否符合技術(shù)要求；二是人為在BCU的RS422的板卡上加裝兩個(gè)15 kΩ的上拉電阻和下拉電阻作為防干擾裝置，主要目的為測試在干擾確實(shí)存在的前提下，能否有效防止故障的出現(xiàn)。

2.2.1第1階段試驗(yàn)

首先在HXD2 0092機(jī)車上及另1臺(tái)狀況良好的機(jī)車HXD2 0008進(jìn)行測試，測試內(nèi)容分別為BCU終端電阻(插頭的1點(diǎn)到6點(diǎn))、BCU插頭到BCU地的電阻、BCU地與SIPM地之間的電阻、BCU屏蔽電阻、BCU插頭到SIPM地之間的電阻、BCU對地電阻、SIPM對地電阻等。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)HXD2 0092機(jī)車B節(jié)的BCU終端電阻為27.5 kΩ，而HXD2 0008機(jī)車A、B節(jié)的BCU終端電阻僅為239 Ω，測量的其余電阻兩車均在0～0.5Ω之間，為理論允許值。

之后再隨機(jī)挑選段內(nèi)的其他15臺(tái)HXD2型機(jī)車進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)BCU的終端電阻全部在235～245 Ω之間，初步懷疑HXD2 0092機(jī)車的終端電阻偏高是導(dǎo)致BCU通訊超時(shí)發(fā)生的主要原因。機(jī)車BCU阻值測試情況見表2，表2中所列的12臺(tái)HXD2機(jī)車均發(fā)生過BCU通訊超時(shí)故障。

表2 HXD2型機(jī)車BCU阻值測量表

經(jīng)過再次對HXD2 0092機(jī)車BCU狀態(tài)的檢查，發(fā)現(xiàn)了以下現(xiàn)象：

(1) B節(jié)BCU的RS422板卡外屏蔽電纜存在破皮現(xiàn)象；

(2) 再次測量AB節(jié)BCU終端電阻，在B節(jié)測量終端電阻仍為27.5 kΩ。

經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)A、B節(jié)機(jī)車重聯(lián)電纜屏蔽層存在3處斷點(diǎn)，導(dǎo)致B節(jié)終端電阻增大。對上述故障點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)后，重新測量B節(jié)終端電阻為241 Ω，再次進(jìn)行DP系統(tǒng)試驗(yàn)，結(jié)果機(jī)車性能良好，BCU通訊超時(shí)故障也沒有發(fā)生。

在機(jī)車上，因兩端BCU同時(shí)上電，通過BCU之間的重聯(lián)線，使BCU的RS422網(wǎng)絡(luò)處于一個(gè)閉環(huán)動(dòng)態(tài)平衡中，當(dāng)重聯(lián)線屏蔽層出現(xiàn)斷點(diǎn)時(shí)，使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了開路，此時(shí)進(jìn)行測量，直觀反映為終端電阻增大數(shù)千倍，甚至為無窮大，無形中降低了RS422網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能，在電磁干擾較強(qiáng)的地方，極易導(dǎo)致BCU通訊超時(shí)現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.2第2階段試驗(yàn)

DP模擬試驗(yàn)，仍選擇在HXD2 0092機(jī)車進(jìn)行，試驗(yàn)前保持BCU通訊超時(shí)故障始終存在，通過在A節(jié)的RS422的板卡上加裝兩個(gè)15 kΩ的上拉電阻和下拉電阻的方法，測試在干擾確實(shí)存在的前提下(通過頻繁斷合主斷，使機(jī)車內(nèi)高壓電器啟動(dòng)，模擬電磁干擾)，能否有效防止故障？

試驗(yàn)前在BCU的P1連接頭之間加裝擴(kuò)展盒(見圖3)，以便于用示波器采集RS422信號(hào)(見圖4)，在A節(jié)的RS422的板卡上加裝兩個(gè)15 kΩ的上拉電阻和下拉電阻。

用示波器實(shí)時(shí)監(jiān)控的過程中(見圖5)，可明顯看到一些噪聲耦合到RS422線上(這些噪聲來源可能為無線電設(shè)備)；從示波器圖中可以看出，BCU發(fā)送線路在閑置時(shí)進(jìn)入高阻態(tài)且差分電壓大約為0 V，而BCU接收電路的差分電壓大約為-2.5 V，加裝上、下拉電阻對于線路空閑時(shí)的BCU的差分電壓也沒有較大影響，BCU通訊超時(shí)現(xiàn)象也沒有再發(fā)生。

綜上試驗(yàn)所述，一方面通過修復(fù)通訊電纜的屏蔽層可有效防止車體內(nèi)部電磁干擾造成的通訊超時(shí)問題，另一方面通過在BCU的發(fā)送端加裝上、下拉電阻也可起到抗電磁干擾作用。

圖3 用于采集信號(hào)的擴(kuò)展盒

圖4 RS422信號(hào)采集

圖5 噪聲圖像

2.3 采取抗干擾有效的說明

上、下拉電阻通常用在發(fā)送器可以同時(shí)進(jìn)入高阻態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，為避免在接收端發(fā)生錯(cuò)誤，在正負(fù)線之間維持

200 mV的差分電壓。因BCU是兩端同時(shí)上電，故在空閑時(shí)BCU會(huì)進(jìn)入高阻抗，而SIPM在同一時(shí)刻有且只有一個(gè)處于上電狀態(tài)，故SIPM不存在高阻抗?fàn)顟B(tài)。因此SIPM發(fā)送器從不進(jìn)入高阻態(tài)模式，故BCU的接收電路沒有必要進(jìn)行電壓偏置。通過加裝上、下拉電阻，在電氣降級(jí)模式下(如重聯(lián)電纜屏蔽層之間存在斷點(diǎn))依然可以起到加固通信的作用，所以在BCU的發(fā)送端加裝上、下拉電阻是很有必要的。

3 解決BCU通訊超時(shí)故障采取的措施

(1) 在BCU的RS422板卡上加裝上、下拉電阻，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能。

(2) 對HXD2機(jī)車制動(dòng)柜車上檢修范圍進(jìn)行修訂，增加檢查BCU控制單元及插頭的安裝牢固無松動(dòng)，屏蔽層狀態(tài)良好，確保各級(jí)修程檢查機(jī)車BCU通訊網(wǎng)絡(luò)電纜屏蔽層狀態(tài)良好；同時(shí)在DP狀態(tài)下高壓試驗(yàn)中要求進(jìn)行制動(dòng)機(jī)備用試驗(yàn)，確保A、B節(jié)機(jī)車通訊重聯(lián)電纜接線良好。

(3) 機(jī)車入庫整備作業(yè)時(shí)，HXD2機(jī)車制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，按照單機(jī)試驗(yàn)、DP試驗(yàn)逐步進(jìn)行，嚴(yán)禁簡化試驗(yàn)程序。

4 結(jié)束語

通過此次分析及試驗(yàn)研究，說明在HXD2型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)BCU的RS422板卡上加裝上、下拉電阻有利于抑制組合列車DP模式運(yùn)行時(shí)HXD2機(jī)車BCU通訊超時(shí)的發(fā)生，減少組合列車懲罰制動(dòng)的實(shí)施。結(jié)合研究成果目前已對現(xiàn)有HXD2機(jī)車RS422板卡進(jìn)行加裝改造，在完成改造的30臺(tái)機(jī)車通過一年時(shí)間的組合列車牽引運(yùn)行，未發(fā)生BCU通訊超時(shí)的故障，這就證明在上述改造實(shí)施后可以有效減少因外部因素導(dǎo)致的HXD2型機(jī)車BCU通訊超時(shí)故障，可以保證大秦線的重載運(yùn)行安全及運(yùn)輸暢通。

[1] 張曙光. HXD2型電力機(jī)車[M].北京:中國鐵道出版社,2009.