動(dòng)車(chē)組人機(jī)交互控制系統(tǒng)故障成因分析與診斷研究

張幼慶 許帥帥 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車(chē)段

動(dòng)車(chē)組人機(jī)交互控制系統(tǒng)，是動(dòng)車(chē)組與司乘人員、乘客之間的聯(lián)系與接口界面，是動(dòng)車(chē)組安全高效運(yùn)營(yíng)及提高旅客乘車(chē)體驗(yàn)的重要設(shè)備。在CRH3型動(dòng)車(chē)組（包括CRH3C、CRH380BK、CRH380B、CRH380BL等型號(hào)）中，其全列人機(jī)交互控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)HMI，主要實(shí)現(xiàn)牽引指令、制動(dòng)指令的串行傳輸狀態(tài)檢測(cè)，設(shè)備的切除、復(fù)位，空調(diào)溫度控制，乘務(wù)員支援，服務(wù)設(shè)備控制，數(shù)據(jù)記錄與顯示，車(chē)上試驗(yàn)等。

每組短編組動(dòng)車(chē)組自然列中，包括兩頭車(chē)各兩套互為熱備的監(jiān)控系統(tǒng)，另外在監(jiān)控室有另一套監(jiān)控系統(tǒng)，即全列共五套人機(jī)交互系統(tǒng)；每組長(zhǎng)編組動(dòng)車(chē)組自然列中，每臺(tái)CCU對(duì)應(yīng)一臺(tái)HMI，即全列共八套人機(jī)交互系統(tǒng)。其基本供電及通信，如圖1所示。

圖1 HMI供電及通信連接位置

隨著動(dòng)車(chē)組運(yùn)用檢修的不斷深入，動(dòng)車(chē)組數(shù)量不斷增加，相對(duì)應(yīng)的動(dòng)車(chē)組維護(hù)壓力也越來(lái)越大，對(duì)部件檢修要求不斷提升，對(duì)動(dòng)車(chē)組監(jiān)控、控制設(shè)備的檢修要求也越來(lái)越高。

2013-2017年間，CRH3型車(chē)人機(jī)交互系統(tǒng)共因故障更換193套，且故障數(shù)量呈逐年上升趨勢(shì)。

面對(duì)較大檢修壓力，動(dòng)車(chē)組人機(jī)交互設(shè)備故障，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自行維護(hù)，僅能進(jìn)行簡(jiǎn)單和初級(jí)的檢修。由于西門(mén)子等生產(chǎn)商技術(shù)封鎖與壟斷，相關(guān)內(nèi)容路內(nèi)尚無(wú)先例，無(wú)法獲得相關(guān)參考。查閱相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)及研究成果，其類(lèi)似領(lǐng)域研究主要集中在汽車(chē)中央控制等方面，與動(dòng)車(chē)組人機(jī)交互控制有較大區(qū)別，借鑒意義有限。

1 故障情況分析

1.1 故障情況整理

基于2013-2017年CRH3型動(dòng)車(chē)組檢修記錄，對(duì)193套人機(jī)交互系統(tǒng)故障進(jìn)行了整理統(tǒng)計(jì)。其故障主要表現(xiàn)為：監(jiān)控系統(tǒng)不啟動(dòng)、監(jiān)控系統(tǒng)顯示異常、通信傳輸異常、監(jiān)控屏觸摸不良和其他異常。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 故障現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)

由此可知，在HMI故障統(tǒng)計(jì)中，主要是不啟動(dòng)和傳輸異常。

為了分析對(duì)應(yīng)故障現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，通過(guò)對(duì)收集到2016年9月-2017年3月間主要因故障換下的動(dòng)車(chē)組全列人機(jī)交互控制系統(tǒng)，總計(jì)56套，進(jìn)行了故障類(lèi)型統(tǒng)計(jì)。

1.2 故障情況分析

通過(guò)對(duì)于系統(tǒng)的大量拆解測(cè)量分析，對(duì)各種故障原因進(jìn)行了分析整理。根據(jù)分析整理，確定故障主要來(lái)源，基于數(shù)據(jù)分析，可知占比較多的故障原因?yàn)椋簜鬏斈K異常，高壓驅(qū)動(dòng)部件異常，CPU模塊異常，電源模塊故障，觸屏老化，SRAM模塊異常，液晶驅(qū)動(dòng)模塊異常，傳輸及轉(zhuǎn)換模塊異常。此外，還有少量轉(zhuǎn)換模塊故障及殼體故障。

綜上所述，HMI故障原因重點(diǎn)集中在部分PCB電路出現(xiàn)故障。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)PCB主要存在電容、二極管擊穿，IC燒損等問(wèn)題?；诂F(xiàn)象，推測(cè)由于過(guò)電壓、不平衡電流導(dǎo)致了擊穿故障。

2 車(chē)上數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)置

選擇某CRH380BL型動(dòng)車(chē)組，選用Rhode&Schwarz 100985型四通道示波器，安裝在EC00車(chē)操縱臺(tái)內(nèi)。由司機(jī)室配電柜內(nèi)BD 110 V斷路器出線端供電，并通過(guò)逆變器逆變?yōu)锳C 220 V為示波器供電；通道分別監(jiān)測(cè)各參數(shù)值。安裝位置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置

其基本連接方式如圖3所示。

圖3 示波器安裝原理

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

其中，CH4通道監(jiān)測(cè)Compact I/O模塊24 V供電，與HMI進(jìn)行對(duì)比。設(shè)置CH2通道觸發(fā)記錄電平120 V/130 V對(duì)數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行記錄。

3.2 車(chē)上操作與數(shù)據(jù)采集

對(duì)蓄電池進(jìn)行兩次開(kāi)斷試驗(yàn)，對(duì)主斷路器進(jìn)行四次合斷操作，對(duì)頭燈進(jìn)行兩次切換操作，對(duì)緊急通風(fēng)裝置進(jìn)行兩次通斷操作。操作結(jié)果如表3所示。

表3 操作結(jié)果

圖4 第一次合斷主斷路器觸發(fā)

圖5 第二次合斷主斷路器觸發(fā)

圖6 第三次合斷主斷路器觸發(fā)

圖7 第四次合斷主斷路器觸發(fā)

3.3 數(shù)據(jù)分析

由觸發(fā)情況可知，DC110 V輸入瞬變，主要與合斷主斷路器存在關(guān)聯(lián)，與其他操作包括合斷蓄電池、操作應(yīng)急通風(fēng)和頭燈等無(wú)明顯聯(lián)系?；诓ㄐ螆D可知，直流110 V電源的瞬變形式存在不同，在最極端狀態(tài)下（第三次合斷主斷），阻尼正弦波持續(xù)0.8 μs，同時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)4 MHz高次諧波。

該諧波可能由主斷路器本身兩側(cè)的寄生電容和電感引起，或臨近部件如電壓互感器，過(guò)壓抑制器，接地開(kāi)關(guān)，電纜，主變壓器和接觸網(wǎng)等引起。此外，主斷的電弧放電特性連同寄生元件也可能是造成這一現(xiàn)象原因，從而導(dǎo)致列車(chē)發(fā)生很強(qiáng)的瞬變。相應(yīng)瞬態(tài)變化，極易導(dǎo)致HMI內(nèi)各元件老化加速或超限擊穿。

4 檢修工藝開(kāi)發(fā)

針對(duì)故障件檢修，由于相關(guān)技術(shù)完全由生產(chǎn)商壟斷，且相關(guān)生產(chǎn)商拒絕提供相應(yīng)系統(tǒng)最小單元配件；同時(shí)，對(duì)于人機(jī)交互控制系統(tǒng)，不同型號(hào)設(shè)備、不同板卡的故障均不相同，因此，適應(yīng)于特定故障的最佳檢修工藝方案也不確定。

對(duì)于自主檢修工藝，主要有元件修、換件修及混合修三種方案。元件修即對(duì)故障部件進(jìn)行元件級(jí)檢修；換件修即將故障部件模塊更換；混合修即對(duì)有條件部件進(jìn)行元件修，其他進(jìn)行換件修。

因此，針對(duì)以上主要故障，需分別進(jìn)行分析，制定相應(yīng)計(jì)劃，進(jìn)行方案對(duì)比，并針對(duì)性提出最佳檢修工藝方案。

為了實(shí)現(xiàn)檢修工藝分析，需要對(duì)各故障模塊進(jìn)行分別分析。具體分析過(guò)程，需要對(duì)各故障模塊功能、分區(qū)、性質(zhì)進(jìn)行確定，后對(duì)其進(jìn)行原理倒推，逆向繪制相關(guān)原理圖，明確故障模塊上各元件工作原理，精確定位故障元件位置并分析故障產(chǎn)生原因，對(duì)相應(yīng)故障元件進(jìn)行針對(duì)性討論。具體分析如下：

（1）高壓驅(qū)動(dòng)部件異常

通過(guò)對(duì)該板路分析，其主要故障點(diǎn)集中于鉭電容擊穿、高頻變壓器燒損，該故障模塊適用于元件修。

（2）電源模塊故障

通過(guò)對(duì)該板路分析，其主要故障點(diǎn)集中于電容擊穿、肖特基二極管擊穿、穩(wěn)壓IC老化及電路主板擊穿，適用于混合修。

（3）SRAM模塊異常

通過(guò)對(duì)該板路分析，其主要故障點(diǎn)集中于PC104損壞，可采用元件修。

（4）CPU模塊異常

CPU模塊零部件較多，其南橋組，北橋組及CPU所涉及IC封裝雖然易于購(gòu)買(mǎi)，但由于整版布局密，且絕緣保護(hù)級(jí)別高，加工難度極大，且加工后難以保證整板的安全性，因此適用于換件修。

（5）傳輸模塊異常

實(shí)際故障中，主要以89C51老化、82C250損壞等為主要原因，適用于混合修。

（6）各種連接異常

連接異常僅需目測(cè)或簡(jiǎn)單表具測(cè)量，較為簡(jiǎn)單。更換過(guò)程也相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于元件修。

（7）傳輸及轉(zhuǎn)換模塊異常

實(shí)際故障中，主要以MCU老化、收發(fā)器損壞等為主要原因，適用于混合修。

5 應(yīng)用效果

目前，對(duì)于55套全列人機(jī)交互控制系統(tǒng)設(shè)備，共完成檢修48套，修復(fù)率達(dá)到87.27%，平均檢修時(shí)間約為2.18 h，平均檢修成本252.88元。作為高價(jià)部件，更換48套人機(jī)交互控制系統(tǒng)，所需成本總計(jì)768萬(wàn)元（每套平均單價(jià)16萬(wàn)元）；相應(yīng)修復(fù)成本總計(jì)1.21萬(wàn)元?？紤]修復(fù)后產(chǎn)品20%壽命損失，目前該項(xiàng)目為動(dòng)車(chē)段節(jié)約直接經(jīng)濟(jì)成本614萬(wàn)元，項(xiàng)目預(yù)計(jì)全年可為節(jié)約直接經(jīng)濟(jì)成本1053.3萬(wàn)元。

相關(guān)技術(shù)在全路推廣后，可以取得可觀的直接經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，通過(guò)相關(guān)技術(shù)的推廣，能夠提高動(dòng)車(chē)組部件自主檢修率，提升檢修人員自主化意識(shí)，推進(jìn)動(dòng)車(chē)組自主檢修的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組完全自主檢修提供幫助。