新型西門子地鐵列車空氣壓縮機的控制分析

姜 敏

（蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215104）

空氣壓縮機在地鐵列車上作為唯一的氣源為地鐵列車的空氣制動系統(tǒng)和車輛空氣懸掛系統(tǒng)提供必要的壓縮空氣。由于控制系統(tǒng)的發(fā)展，看似簡單的空壓機啟停控制越來越多地從車輛的全局考慮各種需求，并提供相應(yīng)的故障診斷。

1 控制原理

上海地鐵新型西門子列車的空壓機控制主要是通過制動系統(tǒng)的壓力開關(guān)、壓力傳感器收集車輛的壓縮空氣信息，綜合信息通過簡單的硬件電路實現(xiàn)對空壓機的啟?？刂?。所有的邏輯判斷通過VCU軟件來完成。

1.1 硬件控制

以上海地鐵四號線列車（AC05）為例：硬件電路上，空壓機的主要動力機構(gòu)是一臺交流380V三相電機。對供風(fēng)系統(tǒng)的硬件控制主要就是控制電機的電源。繼電器34－k02（低容量繼電器，受控于SIBAS SIBAS KLIP分站及另一硬件電路）、34－k01（大容量繼電器，受控于34－k02直接進行380V電源通斷）執(zhí)行電源控制功能。

空氣壓縮機內(nèi)部包含了一組2個獨立的壓力開關(guān)，監(jiān)控空氣壓縮機的供氣壓力。

－A01.8壓力開關(guān)作為正常供氣范圍控制的信息監(jiān)控開關(guān)，其正常的整定值為9bar—7.5bar。當空壓機出風(fēng)管的壓力值被檢測到大于9bar時，開關(guān)斷開，向SIBAS SIBAS KLIP數(shù)字量輸入端輸出“0”；當風(fēng)管空氣壓力下降至小于7.5bar時開關(guān)閉合，向SIBAS SIBAS KLIP輸出“1”。

－A01.9壓力開關(guān)作為非正常供氣硬件啟動的信息監(jiān)控開關(guān)，其正常整定值為7.5bar—7bar。當風(fēng)管壓力由于各種原因小于7bar時，將強行通過吸合繼電器34－k02，使兩臺空壓機同時啟動，保證壓縮空氣供應(yīng)。當氣壓回升超過7.5bar時，壓力開關(guān)斷開，氣壓交由另一壓力開關(guān)監(jiān)控。同樣這個壓力開關(guān)的動作將輸出到SIBAS KLIP。

1.2 VCU軟件控制

軟件對空壓機的起停是通過兩個方面來完成的：從電子制動控制單元（BECU）獲得信息，判斷控制空壓機的起停。6節(jié)編組的列車都存在一個獨立的BECU，每個BECU都將本車的近似主風(fēng)缸壓力傳送到MVB總線，主VCU將判斷出6節(jié)車中主風(fēng)缸壓力的最小值：＄PRMIN。該風(fēng)缸最小壓力與兩個預(yù)設(shè)值進行比較，軟件中該預(yù)設(shè)值為6.8bar和9.0bar［1］。－A01.8壓力開關(guān)通過SIBAS KLIP分站傳送到MVB總線，在主VCU中這兩個信號為＄AFDS7B1和＄AFDS7B2，分別代表兩個空壓機的該壓力開關(guān)。當兩個壓力開關(guān)都指示1，即小于7.5bar時，軟件將指令啟動空壓機。

2 供氣系統(tǒng)故障診斷及列車保護

2.1 壓力開關(guān)的故障診斷

VCU軟件通過－A01.9和－A01.8開關(guān)狀態(tài)相互邏輯關(guān)系，互相檢查壓力開關(guān)功能完好性。

當－A01.9輸出“1”，而－A01.8仍然沒有通過SIBAS KLIP告知VCU氣壓低于7.5Bar時，軟件即可判斷為－A01.8壓力開關(guān)閉合故障。當空壓機啟動至正常停止點（9.2bar）后5秒內(nèi)，－A01.8仍然沒有通過SIBAS SIBAS KLIP告知VCU氣壓高于9.0Bar時，軟件即可判斷為－A01.8壓力開關(guān)分斷故障。

2.2 壓機的故障診斷

直接判斷：軟件通過判斷要求空壓機啟動的指令與實際的供電電路執(zhí)行是否相符。比較34－k01的狀態(tài)是否與軟件預(yù)期一致。軟件要求空壓機啟動2秒后34－k01的反饋信號不一致判斷為空壓機控制電路故障。此判斷相對簡單，但不能確認空壓機是否正常供氣。［2］

間接判斷：軟件通過判斷要求空壓機啟動的指令與實際的氣壓變化情況是否相符。當軟件要求空壓機啟動后，列車控制系統(tǒng)將連續(xù)檢測車輛氣壓的變化，當氣壓在規(guī)定檢測時間內(nèi)不能達到設(shè)定的氣壓上升率，則判斷為空壓機故障。這樣的判斷邏輯相對準確反應(yīng)空壓機是否正常供氣，但車輛在運行過程中的氣壓變化頻繁，誤報的可能性較高。

2.3 列車氣壓狀況的診斷

通過壓力制動系統(tǒng)的壓力傳感器和空壓機使用的壓力開關(guān)綜合判斷車輛主風(fēng)缸的氣壓狀況。列車保護空壓機故障：一旦列車診斷主空壓機故障，備用空壓機將被軟件指定為主空壓機工作。列車保護列車主風(fēng)缸壓力不足：一旦列車診斷列車主風(fēng)缸壓力不足，軟件和硬件會指令主、備空壓機立即啟動快速恢復(fù)列車氣壓。在一定時間內(nèi)如果車輛氣壓不能恢復(fù)到設(shè)定值，車輛將立即采取制動并同時被禁止牽引直到壓力恢復(fù)。［3］

3 軟件空壓機控制的問題及初步解決方案

3.1 示例

AC05型西門子列車首先在3號線上進行試運營。期間反復(fù)發(fā)生氣壓過低，列車在站臺長時間等候空壓機啟動的晚點事故。

3.2 原因調(diào)查

3.2.1 氣路分析

圖1中1和2為壓力開關(guān)?？諌簷C產(chǎn)生的氣源通過管路送到主風(fēng)管。制動控制單元BCU通過一個單向閥從主風(fēng)管獲得制動所需的氣源。制動控制單元中模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，將該點的氣壓模擬輛采集成為數(shù)字量傳送到BECU。

3.2.2 測試分析

壓力開關(guān)的整定值進行檢測。截斷C車輛端的主風(fēng)管截止閥，同時將數(shù)字氣壓表連接至.07測試點，通過反復(fù)強制啟動空壓機及放氣，我們獲得了較精確的壓力開關(guān)整定值；［4］754－755通過軟件，檢測當 SIBAS KLIP收到壓力開關(guān)動作信號時，從模／數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得的氣壓值。

通過以上兩種測試，得出一個定性結(jié)果，列車的壓力開關(guān)整定值偏離預(yù)設(shè)值且小于預(yù)設(shè)值。

圖1 氣路原理圖

以上兩種測試方法的定量結(jié)果有0.1－0.2bar的差別，是由單向閥的損耗引起了軟硬件判斷的誤差。未整改的軟件6.8－9.0bar的軟件啟動是作為硬件的冗余。6.8的整定值不恰當，主風(fēng)管的壓力在6.6左右。啟動空壓機需要幾十秒的時間，嚴重影響了運營。［5］壓力開關(guān)－A01.9，有任意一個向SIBAS KLIP輸出信號”1”時，列車即被靜止牽引。

3.3 整改方案

壓力開關(guān)調(diào)整，使用前文所述截斷C車的方法，配合萬用表，對硬件壓力開關(guān)的整定值驚醒調(diào)整，使其恢復(fù)到預(yù)設(shè)值。

控制軟件調(diào)整，使軟件控制的空壓機啟動成為主要低壓保障，而使硬件壓力開關(guān)－A01.9成為冗余措施。調(diào)整其控制范圍至7.2－9.3bar。如圖2所示。

圖2 軟件控制調(diào)整

當兩個壓力開關(guān)－A01.9全部向SIBAS KLIP輸出信號”1”時，列車即被靜止牽引。從邏輯“或”改為邏輯“與”。減少了列車被靜止牽引的概率。同時當上述情況發(fā)生時，列車仍可以運行2分鐘，使空壓機獲得足夠的時間恢復(fù)到正常壓力值。

增加了故障診斷更完善的故障診斷功能，以及在司機顯示器上作出相應(yīng)提示。

4 小結(jié)

使用網(wǎng)絡(luò)及列車中央控制單元進行集中控制、監(jiān)控、管理已經(jīng)成為地鐵列車的發(fā)展趨勢，但集中控制帶來的缺點也是明顯的，制造水平低下及軟硬件配合能力的限制，集中控制可能將一個小故障放大到系統(tǒng)癱瘓。

在目前網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展階段，設(shè)計時必須對控制的軟硬件設(shè)計、邏輯判斷進行反復(fù)的考量；在網(wǎng)絡(luò)控制的同時預(yù)留必要的硬件冗余，保證列車在特殊情況下的應(yīng)急運行。

［1］上海地鐵運營公司車輛分公司.6改8文件管理軟件HIDS［G］.上海：上海地鐵運營公司車輛分公司，2007.

［2］郁永章.容積式壓縮機技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［3］李華德.交流同速控制系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［4］陳冠玲.工控組態(tài)軟件與其它軟件數(shù)據(jù)交換的三種方式［J］.計算機測量與控制，2002（11）.

［5］肖金林.基于DeviceNet現(xiàn)場總線的車門整形伺服集成系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2006.