軌道交通車輛用通信電纜的應(yīng)用案例分析

曾 軒

(株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司, 株洲 412001)

0 引言

目前,伴隨著軌道交通行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、車內(nèi)電子設(shè)備的增加、列車自動(dòng)化程度的不斷提升,車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正在不斷升級(jí)。 在精確控制列車運(yùn)行,進(jìn)而縮短列車行進(jìn)間隔等方面,對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸量和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。 列車需求量的增加帶動(dòng)了軌道交通裝備通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展。 軌道交通車輛用通信電纜是構(gòu)建列車通信系統(tǒng)的重要組成部分,要求電纜具有傳輸性能穩(wěn)定、耐高溫、耐低溫、耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐油、阻燃防火等特點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),軌道交通車輛用通信系統(tǒng)的故障較多。 很多故障與軌道交通車輛用通信電纜的質(zhì)量控制水平和實(shí)際應(yīng)用有關(guān)。 文中對(duì)以太網(wǎng)電纜及CAN 系統(tǒng)總線(CANBUS)、多功能車輛總線(MVB)等數(shù)據(jù)總線電纜出現(xiàn)的應(yīng)用問(wèn)題展開(kāi)了深入分析。 本工作從案例入手,剖析故障產(chǎn)生的原因,研究故障發(fā)生的機(jī)理,進(jìn)而提出保障通信系統(tǒng)傳輸指標(biāo)及可靠性的具體措施,以期為通信電纜在軌道交通車輛領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 應(yīng)用研究與案例分析

目前,軌道交通車輛用通信電纜分為列車總線(WTB)、MVB、CANBUS、RS485 總線、以太網(wǎng)電纜(主要包括CAT5e 與CAT7 兩種型號(hào))、耐火數(shù)據(jù)總線(用于火災(zāi)預(yù)警及應(yīng)急系統(tǒng))、同軸電纜、通信光纜(分為塑料光纜和多模光纜)等8 種類型。

研究發(fā)現(xiàn),在軌道交通車輛生產(chǎn)所需的各種電纜中,通信數(shù)據(jù)電纜類產(chǎn)品多為外資品牌,主要原因是這些企業(yè)都是原型產(chǎn)品供應(yīng)商。 國(guó)產(chǎn)軌道交通車輛電纜企業(yè)以動(dòng)力電纜和控制電纜為主。 通信電纜產(chǎn)品存在種類多、數(shù)量少、難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)型等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。 隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展,系統(tǒng)的軟件、硬件技術(shù)包括電線電纜的研發(fā)和生產(chǎn)制造也在不斷創(chuàng)新和超越。 目前,國(guó)內(nèi)已有不少企業(yè)具備軌道交通行業(yè)通信電纜的研發(fā)和制造能力。

通信電纜在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在多種誤區(qū)。 分析實(shí)際應(yīng)用中軌道交通車輛用通信系統(tǒng)的故障,除電纜廠家自身的質(zhì)量控制原因外,應(yīng)用端安裝、設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮到通信電纜的應(yīng)用特殊性。 EN 50343:2014《軌道交通車輛布線規(guī)則》等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)力電纜和控制電纜的布線安裝進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定,而對(duì)通信電纜的使用、安裝及具體應(yīng)用的規(guī)定較少,對(duì)指導(dǎo)實(shí)際布線安裝的參考非常有限,給國(guó)內(nèi)軌道交通車輛制造和通信系統(tǒng)升級(jí)帶來(lái)一定的困難。

軌道交通車輛用通信電纜常常出現(xiàn)近端串?dāng)_異常、花屏、系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)、校準(zhǔn)失效等應(yīng)用問(wèn)題,以及電纜表面白色析出的外觀問(wèn)題,收集、整理的典型案例分析如下。

1.1 通信鏈路近端串?dāng)_異常

某MVB 120 Ω 4×0.5 mm2電纜,按TJ/CL 313—2014《動(dòng)車組電線電纜暫行技術(shù)條件》要求,電纜測(cè)試的近端串音衰減(NEXT)不小于45 dB。裝車后,使用FLUKE 測(cè)試,發(fā)現(xiàn)NEXT 超標(biāo)。

1.1.1 串?dāng)_異常的原因分析

1)電纜出廠NEXT 實(shí)測(cè)為45 ～48 dB。 從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,電纜的性能符合要求,但裕量不足,實(shí)測(cè)值與臨界值非常接近。

2)實(shí)際上,布線時(shí)連接器為M12,老式FLUKE測(cè)試儀只能連接RJ45 接頭,需要轉(zhuǎn)接線才能連接測(cè)試儀。 連接測(cè)試儀測(cè)試后,發(fā)現(xiàn)NEXT 超標(biāo)。

轉(zhuǎn)接線本身就是一個(gè)負(fù)載,增加了測(cè)試誤差。轉(zhuǎn)接線還可能引起信號(hào)傳輸?shù)母蓴_,影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 同時(shí),所選轉(zhuǎn)接線的質(zhì)量、材料也會(huì)影響性能,質(zhì)量不好的轉(zhuǎn)接線在使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后易出現(xiàn)松動(dòng)等問(wèn)題,進(jìn)而加劇性能的下降。 使用不同規(guī)格的轉(zhuǎn)接線還涉及不同設(shè)備之間的兼容性問(wèn)題。

除此之外,FLUKE 的適配器對(duì)于插拔也有一個(gè)壽命極限,一般不能超過(guò)100 次。 插拔次數(shù)過(guò)多可能導(dǎo)致終端接觸不良,給測(cè)試帶來(lái)一定的誤差。

1.1.2 串?dāng)_異常改進(jìn)措施

1)為了保證整體鏈路測(cè)試通過(guò),通信電纜出廠測(cè)試時(shí)應(yīng)保證一定的裕量。

2)對(duì)于檢測(cè)驗(yàn)收,通信電纜采購(gòu)方和使用方應(yīng)提前策劃,建議在與連接器適配方面開(kāi)展必要的組合驗(yàn)證,模擬裝車后實(shí)際試驗(yàn)情況,確定FLUKE 測(cè)試儀的有效性,或者尋求更先進(jìn)的檢測(cè)方案和檢驗(yàn)手段。

目前,FLUKE 測(cè)試已經(jīng)出現(xiàn)了新的適配接口,可以直接連接M12 連接器,減少了測(cè)試誤差,見(jiàn)圖1。

圖1 幾種典型的FLUKE 測(cè)試設(shè)備M12 及RJ45 適配器

另外,FLUKE 測(cè)試儀的有效性及準(zhǔn)確性需要定期開(kāi)展校準(zhǔn)。

1.2 跨接電纜引起花屏現(xiàn)象

某通信電纜安裝后,監(jiān)控系統(tǒng)在列車運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)花屏現(xiàn)象。 與此同時(shí),部分車載視頻也出現(xiàn)不同程度的花屏現(xiàn)象。

1.2.1 花屏現(xiàn)象原因分析

1)雖然車內(nèi)布線可以采用直徑較細(xì)的CAT5e 4×2×26AWG(約0.13 mm2)。 但是,出于抗振動(dòng)、抗扭轉(zhuǎn)的考慮,跨接過(guò)橋部分必須采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的CAT5e 4×22AWG(約0.34 mm2) 或CAT5e 4×20AWG(約0.5 mm2)。

從結(jié)構(gòu)分析來(lái)看,CAT5e 4×22AWG 或 4×20AWG 電纜采用星絞組結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖2。 增加中心填充條后,其結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,一定程度上可以抵抗外來(lái)應(yīng)力對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。 CAT5e 4×2×26AWG 電纜采用對(duì)絞組結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖3。 導(dǎo)體為26AWG,采用線對(duì)屏蔽加鍍錫銅絲編織總屏蔽結(jié)構(gòu),此類結(jié)構(gòu)存在一定的不穩(wěn)定性。 對(duì)絞屏蔽層易受外力影響,造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)畸變,從而對(duì)近端串音衰減、回波損耗等與結(jié)構(gòu)相關(guān)的指標(biāo)造成影響。

圖2 CAT5e 4×22AWG 電纜結(jié)構(gòu)

圖3 CAT5e 4×2×26AWG 電纜結(jié)構(gòu)

另外,通信電纜的導(dǎo)體截面對(duì)衰減有一定的影響。 研究發(fā)現(xiàn),22AWG (0.34 mm2) 比26AWG(0.13 mm2)的衰減小25%。 如果在振動(dòng)條件下,這種衰減下降趨勢(shì)會(huì)更加明顯。 過(guò)大的衰減易造成系統(tǒng)丟包率上升,出現(xiàn)花屏現(xiàn)象。

2)列車在實(shí)際運(yùn)行中,隨著車鉤(車端連接器)的不斷拉伸或壓縮,電纜反復(fù)承受了拉應(yīng)力和壓應(yīng)力[1]。 跨接電纜應(yīng)力分析見(jiàn)圖4。 過(guò)橋電纜可以采用穿波紋套管或復(fù)合電纜的形式, 但較細(xì)的26AWG 不能用于跨接系統(tǒng)。 一旦錯(cuò)誤使用,會(huì)引起成品跨接線束衰減偏高、斷線或近端串音異常,從而導(dǎo)致信號(hào)傳輸失效。

圖4 車端跨接系統(tǒng)受力圖

1.2.2 花屏現(xiàn)象改進(jìn)措施

1)經(jīng)過(guò)試驗(yàn),較細(xì)的26AWG 很難抵抗動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中搖擺、振動(dòng)帶來(lái)的影響。 但是,22AWG 或20AWG 兩種導(dǎo)線可以滿足使用要求。

2)為保障過(guò)橋部分鏈路通信的有效性,批量使用前應(yīng)對(duì)電纜開(kāi)展動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn),模擬列車實(shí)際情況,開(kāi)展車端跨接搖擺試驗(yàn),通過(guò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析電纜結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)橋部分使用造成的影響。

1.3 CAN 總線替代使用

采用MVB 替代CANBUS 后,車輛用通信系統(tǒng)出現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)、校準(zhǔn)失效和高低電平難以區(qū)分的情況。

1.3.1 系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)原因分析

CANBUS 與MVB 結(jié)構(gòu)類似,唯一的不同是CANBUS 具有一個(gè)單獨(dú)的導(dǎo)線。 若將MVB 120 Ω 2×0.5 mm2替代CANBUS 2×0.5 mm2+1×0.5 mm2,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)校準(zhǔn)失效。 電纜結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5 和圖6。

圖5 CANBUS 2×0.5 mm2+1×0.5 mm2 結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 MVB 120 Ω 2×0.5 mm2 結(jié)構(gòu)示意圖

CANBUS 系統(tǒng)由美國(guó)博世公司開(kāi)發(fā),用于汽車通信網(wǎng)絡(luò)的建立。 汽車與軌道交通車輛有兩點(diǎn)不同:一方面,汽車內(nèi)部電磁干擾比軌道交通要小得多;另一方面,軌道交通車輛普遍使用鋼制輪,可以通過(guò)鐵軌接地,而汽車均為橡膠輪胎,無(wú)法直接接地。

與MVB 相比,CANBUS 具有傳輸距離遠(yuǎn)、成本低、糾錯(cuò)性強(qiáng)的特點(diǎn),其主要結(jié)構(gòu)為CANBUS 2×0.5 mm2+1×0.5 mm2。 CANBUS 系統(tǒng)對(duì)電纜的衰減、阻抗,甚至直徑,均與MVB 120 Ω 2×0.5 mm2十分相似。 考慮到接地問(wèn)題,整個(gè)系統(tǒng)需要一個(gè)虛擬接地點(diǎn),電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因此多一個(gè)“中性線”。

CANBUS 的發(fā)泡絕緣芯線可以作為CAN_H 或CAN_L 使用。 為了系統(tǒng)校準(zhǔn),即設(shè)定邏輯“0”的需要,CANBUS 電纜需要一個(gè)虛擬的接地點(diǎn)。 CAN系統(tǒng)波形圖見(jiàn)圖7。

圖7 高速CAN 系統(tǒng)報(bào)文波形圖

CANBUS 電纜的屏蔽層主要起到電磁屏蔽的作用,一般直接與連接器外殼的金屬部分或接地卡具安裝連接。 按照IEC 61375-3-3:2012 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2],CANBUS 虛擬接地點(diǎn)嚴(yán)禁直接接地。

1.3.2 系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)改進(jìn)措施

1)通信電纜的安裝不同于普通動(dòng)力電纜或控制電纜,需要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求考慮電磁兼容等問(wèn)題。

2)車輛通信網(wǎng)絡(luò)電氣設(shè)計(jì)和布線時(shí),要考慮通信電纜接線點(diǎn)位是否正確。 針對(duì)CANBUS 系統(tǒng)的特殊要求,需要識(shí)別虛擬接地線和實(shí)際接地線。 虛擬接地線需要與CANBUS“中性線”連接,避免接地失效。

1.4 通信電纜白色析出

某品牌通信電纜在存放一段時(shí)間后,表面有白色添加劑析出,稱為“噴霜”現(xiàn)象[3]。 此類問(wèn)題多出現(xiàn)在低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴材料中,特別是采用此類材料作為護(hù)套層的黑色電纜居多。

1.4.1 白色析出原因分析

為了保證傳輸性能,通信電纜普遍采用低損耗的高純度高/低密度聚乙烯材料作為絕緣層。 但是,聚乙烯非常易燃,為保證防火性能,通信電纜只能由護(hù)套層承擔(dān)所有的防火屬性。 作為護(hù)套層的低煙無(wú)鹵阻燃材料,多數(shù)由乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)、聚酯類物質(zhì)、氫氧化鋁等共混制成。

為了確保高聚物材料的穩(wěn)定性及擠出性能,配方中普遍需要加入各類添加劑。 白色析出粉末多為材料添加劑,如作為抗氧化劑的硫代二丙酸雙十八酯等物質(zhì)[4]。 加工完成的電纜在某些特定條件下,如在高溫、高濕的存儲(chǔ)或使用環(huán)境中,添加劑在基材中可能出現(xiàn)過(guò)飽和狀態(tài)。 在該狀態(tài)下,多出來(lái)的小分子潤(rùn)滑劑會(huì)慢慢遷移到基材的表面,析出一層白色物質(zhì),形成結(jié)晶,即所謂的“噴霜”現(xiàn)象。 當(dāng)遷移持續(xù)一定時(shí)間后,添加劑在基材中的狀態(tài)從過(guò)飽和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定,即這種白色物質(zhì)析出現(xiàn)象主要集中在某一段時(shí)間,過(guò)后會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向穩(wěn)定,不再析出。

本工作對(duì)噴霜前后材料熱老化試驗(yàn)的力學(xué)拉伸性能和熱老化壽命進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)噴霜現(xiàn)象對(duì)材料熱老化性能的影響極小,材料可以正常使用。噴霜現(xiàn)象不會(huì)影響電纜的機(jī)械性能和電氣性能,也不會(huì)影響電纜的數(shù)據(jù)傳輸特性。

1.4.2 白色析出改進(jìn)措施

添加劑主要用于優(yōu)化加工性能,噴霜現(xiàn)象不會(huì)對(duì)通信電纜的電氣性能、機(jī)械物理性能和數(shù)據(jù)傳輸特性產(chǎn)生影響。 但是,該現(xiàn)象無(wú)疑是一個(gè)較大的外觀質(zhì)量問(wèn)題,帶來(lái)較大的問(wèn)題解決成本,影響交付,且需要考慮如何通過(guò)試驗(yàn)來(lái)打消采購(gòu)方和使用方的疑慮等。

國(guó)內(nèi)大多數(shù)電纜廠家采用的材料均由專業(yè)材料廠家提供,其對(duì)材料配方體系和主要材料成分非常保密和重視,但對(duì)輔劑精確添加的重視程度和管控方式及手段(如計(jì)算機(jī)精細(xì)稱量)不完全一致。 材料廠家可通過(guò)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)配料計(jì)算機(jī)控制,有效預(yù)防此類問(wèn)題。

2 結(jié)束語(yǔ)

本工作重點(diǎn)介紹了軌道交通車輛用通信電纜產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的幾種典型失效案例,詳細(xì)總結(jié)了通信電纜材料、測(cè)試、跨接應(yīng)用等失效模式與預(yù)防措施。 通過(guò)實(shí)際案例及理論分析,為軌道交通車輛用通信電纜的實(shí)際應(yīng)用與質(zhì)量控制提供參考。

對(duì)于軌道交通車輛用電纜,其動(dòng)力電纜關(guān)注電纜載流量及敷設(shè)條件;控制電纜關(guān)注產(chǎn)品敷設(shè)安裝后的有效性,如電纜直徑、彎曲半徑等。 動(dòng)力電纜和控制電纜對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和安裝條件的要求并不如通信電纜苛刻。

軌道交通車輛用通信電纜與動(dòng)力電纜和控制電纜有很大的不同。 通信電纜作為通信鏈路的介質(zhì),其傳輸特性對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的時(shí)效性有很大的影響,如衰減、近端串?dāng)_、特性阻抗和屏蔽效能。 在實(shí)際應(yīng)用中,周邊環(huán)境變化、連接安裝方法、測(cè)量設(shè)備、產(chǎn)品選型都會(huì)對(duì)通信質(zhì)量造成一定的影響。 因此,研究通信電纜的實(shí)際應(yīng)用,對(duì)確保信號(hào)傳輸?shù)挠行杂兄匾饬x。