全自動無人駕駛列車受電弓控制電路設(shè)計

江巧逢，王 崢，夏 峰

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及城市軌道交通自動化水平的不斷提高，全自動無人駕駛系統(tǒng)已在世界很多城市的軌道交通中得到了廣泛實踐和應(yīng)用。目前，國內(nèi)外如哥本哈根、巴黎、溫哥華、香港、上海、北京、深圳等城市的全自動無人駕駛列車已正式投入運行，縱觀世界，全自動無人駕駛（unattended train operation，UTO）系統(tǒng)正引領(lǐng)著城市軌道交通未來的發(fā)展趨勢[1-2]。為了提高城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的先進性，同時提高城市軌道交通系統(tǒng)的運營效率和自動化水平，與世界先進城市軌道交通系統(tǒng)接軌，各地的軌道交通系統(tǒng)建設(shè)紛紛選擇了全自動無人駕駛系統(tǒng)。受電弓作為從接觸網(wǎng)吸取電流供動車使用的核心部件之一，對實現(xiàn)全自動控制至關(guān)重要。

目前地鐵車輛受電弓主要采用電動弓或氣動弓，無論是電動弓還是氣動弓均需要司機通過操作升降弓4擋控制開關(guān)或者升降按鈕進行受電弓控制[3-5]，同時，應(yīng)急狀況下操作輔助壓縮機啟動按鈕進行應(yīng)急升弓[6]，但全自動無人駕駛列車無司機值守，無法執(zhí)行上述操作。為了解決這一問題，本文提出了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障以及總風(fēng)氣壓過低時通過輔助壓縮機應(yīng)急升弓3種不同工況下的受電弓控制電路，整個受電弓升降控制可在無司機值守情況下自動實現(xiàn)，從根本上實現(xiàn)了受電弓全自動升降弓控制，而且該控制方案采用冗余的列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬線控制[7]，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，將在我國城市軌道交通中得到廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)

目前地鐵車輛受電弓主要采用氣動弓或電動弓，無論是氣動弓還是電動弓都應(yīng)配備應(yīng)急升弓裝置輔助壓縮機，當(dāng)車輛總風(fēng)氣壓過低時仍可以將受電弓升起。在有人駕駛地鐵車輛中，通常配備升、降弓四擋控制開關(guān)或升、降弓按鈕通過硬線控制受電弓升弓或降弓，但全自動無人駕駛列車中無司機值守，無法操作開關(guān)或者按鈕，更多地采用自動升降弓控制和自動應(yīng)急升弓，硬線只是作為一種備用模式，本文基于全自動無人駕駛列車，對受電弓在不同工況下的升弓和降弓控制電路進行分析，同時當(dāng)車輛總風(fēng)氣壓過低時使用輔助壓縮機升弓。

2 受電弓控制電路

2.1 網(wǎng)絡(luò)正常時受電弓控制電路

圖1所示為網(wǎng)絡(luò)正常時受電弓升降弓控制原理[8]，其中，PTLOCB為受電弓邏輯輸出斷路器；LPTCB為降弓回路斷路器；PTCB為受電弓回路斷路器；RCMCB為救援模式斷路器；RCMR為救援模式繼電器；LPTR為降弓繼電器；RPTR為升弓繼電器；LPPR為升降弓到位繼電器；PANMV為升弓電磁閥；LPPS為降弓到位開關(guān)。

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)TCMS通信正常工作且氣壓充足情況下，受電弓升弓和降弓控制信號均通過TCMS的雙冗余RIOM模塊輸出[9-10]。全自動列車無司機值守時，列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)信號系統(tǒng)ATC的命令輸出升雙弓或降雙弓命令。當(dāng)發(fā)出升雙弓命令時，降弓繼電器LPTR不得電，對應(yīng)升弓控制回路上的常閉觸點保持閉合狀態(tài)，實現(xiàn)升降弓互鎖，升弓繼電器RPTR得電，對應(yīng)的常開觸點閉合，升弓電磁閥PANMV得電，受電弓在氣壓充足情況下升起，同時為了避免運行過程中意外降弓，使用升弓繼電器RPTR輔助觸點進行升弓保持；當(dāng)發(fā)出降雙弓命令時，LPTR得電，升弓控制回路上的LPTR常閉觸點斷開，RPTR延時1 s失電，升弓電磁閥PANMV失電，受電弓通過自身重量降下，延時降弓目的讓車輛輔助逆變器停機工作，避免帶載降弓產(chǎn)生拉弧，對受電弓和接觸網(wǎng)產(chǎn)生損傷。為了方便觀察受電弓升弓或降弓狀態(tài)，設(shè)置降弓到位壓力開關(guān)，當(dāng)受電弓降弓到位時，降弓到位開關(guān)LPPS閉合發(fā)出降弓到位信號給TCMS，可通過TCMS觀察受電弓狀態(tài)；受電弓升弓時可結(jié)合壓力開關(guān)和高壓存在信號綜合判斷升弓到位。與傳統(tǒng)電路相比，此設(shè)計電路采用雙冗余RIOM模塊輸出升雙弓或降雙弓命令，替代了有司機值守的按鈕或者開關(guān)，節(jié)約了成本，并且減少了人工操作的失誤，提供車輛運營的可靠性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)故障時受電弓控制電路

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)TCMS故障且氣壓充足時，無法通過RIOM模塊輸出升弓、降弓指令，但是為了不影響正線運營，減少救援概率，提供列車的可靠性，本文提出了網(wǎng)絡(luò)故障時受電弓控制電路，如圖2所示[8-9]。圖中，PANTCB為受電弓控制電路斷路器；EMPB為蘑菇按鈕；RMS為救援模式開關(guān)；CRPR為蠕動模式繼電器；WOSR1為車間電源繼電器1；WOSR2為車間電源繼電器2。當(dāng)蘑菇按鈕沒有被按下，蘑菇按鈕EMPB不得電；或高壓隔離開關(guān)不在車間電源位，車間電源繼電器WOSR1和WOSR2不得電情況下，降弓列車線“LOWBRPANTO LINE”也不得電，在全自動駕駛模式下，ATC自動進入降級蠕動模式，蠕動模式繼電器CRPR得電，救援模式開關(guān)RMS在全自動駕駛模式下處于“OFF”位，即RMS的3和4點位常閉；當(dāng)進入蠕動模式后，升弓列車線“RESCUE LINE”列車線得電，升弓繼電器RPTR得電，受電弓保持升弓狀態(tài)。如有司機值守的列車，司機可操作RMS開關(guān)至“RCM”位，受電弓也可保持升弓狀態(tài)。如需降弓，可將RMS開關(guān)至“LP”位，降弓列車線得電，受電弓降下，同時輔助逆變器停機避免載降弓產(chǎn)生拉弧。

圖1 網(wǎng)絡(luò)正常時受電弓升降弓控制原理

圖2 網(wǎng)絡(luò)故障時受電弓升降弓控制原理

2.3 總風(fēng)氣壓過低時輔助壓縮機應(yīng)急升弓控制

對于氣動弓需要供電正常且氣壓充足時才能正常升弓，但是正線運營總風(fēng)氣壓過低的情況也常有發(fā)生。為了減少這一故障，本文又提出了總風(fēng)氣壓過低情況下通過輔助壓縮機全自動應(yīng)急升弓控制電當(dāng)車輛總風(fēng)氣壓過低時，受電弓無法正常升起，此時網(wǎng)絡(luò)檢測壓力開關(guān)ACMPS的狀態(tài)，若輔助壓縮機氣壓低于0.7 MPa，ACMPS壓力開關(guān)閉合，同時繼電器ACMSR得電，對應(yīng)常開觸點閉合，TCMS路，如圖3所示。圖中，ACMCB為輔助壓縮機斷路器；ACMPB為輔助壓縮機啟動按鈕；ACMPS為壓力開關(guān)；ACMK為接觸器；ACMSR為繼電器；M為輔助壓縮機電機。

檢測到壓力開關(guān)狀態(tài)為高電平，發(fā)出啟動輔助壓縮機指令，接觸器ACMK得電，對應(yīng)主觸點閉合；輔助壓縮機電機供電正常，啟動工作，直至壓力大于0.9 MPa，壓力開關(guān)ACMPS斷開，ACMSR失電，網(wǎng)絡(luò)收到低電平信號，ACMK失電，輔助壓縮機電機停止工作。

為了防止壓力開關(guān)ACMPS粘接等故障發(fā)生，TCMS啟動輔助壓縮機工作4 min后還未收到壓力開關(guān)斷開信號，TCMS自動發(fā)出斷開信號，ACMK失電，輔助壓縮機也可停止工作。如有人值守列車時，也可按下電氣柜內(nèi)ACMPB按鈕，啟動輔助壓縮機，控制原理同TCMS控制，只是在全自動駕駛列車中網(wǎng)絡(luò)替代了壓縮機啟動按鈕ACMPB，可減少啟動按鈕，從而節(jié)省成本。

圖3 輔助壓縮機應(yīng)急升弓控制原理

當(dāng)車輛總風(fēng)氣壓充足時，受電弓由總風(fēng)供氣，但當(dāng)總風(fēng)氣壓不足或過低無法升弓時，需通過輔助壓縮機氣壓進行升弓，輔助壓縮機壓力開關(guān)控制動作風(fēng)量校核如下。

已知：受電弓升弓壓力為0.45 MPa；輔助升弓風(fēng)缸容積為10 L；受電弓氣缸容積為4.46 L；升弓電磁閥至受電弓管路長度約5 m。

受電弓管路容積：5×1 000×3.142×(12-3)2/4=318 127.5 mm3≈0.318 L。

不考慮受電弓泄漏，根據(jù)P1×V1=P2×V2，假設(shè)當(dāng)總風(fēng)沒氣，升弓風(fēng)缸的壓力為P時可升弓：

10×P=(10+0.318+4.46)×4.5，得出P=0.665 MPa

考慮管路泄漏量為10 kPa/min，因此，當(dāng)輔助升弓風(fēng)缸的壓力大于0.665 MPa時，可進行升弓，考慮一定的余量，選擇壓力開關(guān)閉合壓力為0.7 MPa。

2.4 無人駕駛列車升弓自檢流程

在全自動無人駕駛列車中，列車喚醒后，只有通過自檢流程完成才能正常發(fā)車，如圖4所示。

當(dāng)列車喚醒后，TCMS檢測車輛主風(fēng)缸壓力，當(dāng)總風(fēng)壓力大于或等于0.55 MPa時，發(fā)出升雙弓指令，并檢測受電弓狀態(tài)，若2臺受電弓（以一列車2臺受電弓為例）均升起，輔助逆變器自動啟動，進入下一步自檢流程；若檢測到任一臺受電弓未升起，則認(rèn)為存在故障，自檢結(jié)束檢查故障。

當(dāng)總風(fēng)壓力小于0.55 MPa時，TCMS檢測輔助壓力開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)檢測到兩臺輔助壓縮機的ACMPS均處于打開狀態(tài)，就可判定此時輔助壓力大于0.7 MPa，可發(fā)出升弓指令，自檢流程同上。當(dāng)檢測到任一臺輔助壓縮機的ACMPS處于閉合狀態(tài)，TCMS啟動輔助壓縮機，當(dāng)檢測到兩臺輔助壓縮機的ACMPS均處于打開狀態(tài)時，輔助壓縮機停止工作，發(fā)出升弓指令，自檢流程同上。如經(jīng)過4 min檢測到任一臺輔助壓縮機的ACMPS仍處于閉合狀態(tài)，則TCMS發(fā)出停止輔助壓縮機指令，輔助壓縮機停止工作，TCMS發(fā)出升雙弓指令，檢測受電弓升弓狀態(tài)，如兩臺受電弓均升起，則啟動輔助壓縮機，判定該輔助壓縮機的ACMPS狀態(tài)故障，進入下一步自檢流程；若一臺受電弓升起，輔助逆變器自動啟動，空氣機啟動工作，TCMS檢測總風(fēng)壓力大于或等于0.55 MPa時，自動升起另外一臺受電弓；若另外一臺受電弓升起，則判定另外一臺受電弓所在車輔助壓縮機故障，進入下一步自檢；若另外一臺受電弓未升起，則自檢結(jié)束，檢查故障。如經(jīng)過4 min后TCMS發(fā)出升雙弓指令，2臺受電弓均未升起，則判定輔助壓縮機故障，自檢流程結(jié)束。

圖4 無人駕駛列車升弓自檢時序

3 結(jié)束語

全自動無人駕駛列車是高集成化、高自動化、高密度、大客流的運營需求的車輛，避免了人為操作造成的不利因素，降低了安全風(fēng)險[1]。本文提出基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常時對受電弓自動升弓或降弓控制；網(wǎng)絡(luò)故障時由信號系統(tǒng)控制自動進入降級運行模式受電弓控制；制動空壓機故障情況下使用輔助壓縮機應(yīng)急升弓控制，應(yīng)用于3種不同工況下的受電弓全自動控制電路，同時該電路替代傳統(tǒng)有司機值守開關(guān)和按鈕操作，節(jié)省成本，減少誤操作風(fēng)險，極大提高了城市軌道交通運營安全性、可靠性和運營效率。