地鐵列車空壓機(jī)故障分析及邏輯優(yōu)化

胡方陽

(南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司， 南京 210012)

南京地鐵1號線于2005年開通運(yùn)營，隨著客流量的日益增長，供車壓力逐步增大，因此于2013年底啟動(dòng)了1號線車輛增購項(xiàng)目。13列增購車輛為6節(jié)編組A型車(A-B-C=C-B-A編組)，中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，牽引系統(tǒng)采用瑞士ABB方案，制動(dòng)系統(tǒng)采用克諾爾EP2002方案。

2016年底增購13列車已全部到貨并上線運(yùn)營，車輛狀態(tài)平穩(wěn)，有效緩解了運(yùn)營壓力。增購車輛在初期運(yùn)營中，出現(xiàn)了2臺空壓機(jī)同時(shí)不啟動(dòng)工作故障，對正線運(yùn)營造成了較大隱患。由于2臺空壓機(jī)同時(shí)不工作，導(dǎo)致主風(fēng)管壓力逐漸低至緊急制動(dòng)壓力閾值(700 kPa)，在正線產(chǎn)生緊急制動(dòng)無法動(dòng)車，最后導(dǎo)致清客事件。使用制動(dòng)旁路(BBS)才得以動(dòng)車至存車線，最終的制動(dòng)系統(tǒng)主風(fēng)管壓力下降至500 kPa附近。由于停放制動(dòng)從480 kPa開始觸發(fā)，已接近觸發(fā)停放制動(dòng)壓力值。

停放制動(dòng)是充氣緩解，排氣制動(dòng)。嚴(yán)重欠壓狀態(tài)(低于480 kPa)引起的停放制動(dòng)，若要緩解，只有通過救援列車供氣緩解或在車下手動(dòng)拉動(dòng)緩解拉環(huán)，這些都是在正線行車中一定要避免發(fā)生的極端情況。因此增購車輛空壓機(jī)的啟動(dòng)邏輯存在缺陷，需要改進(jìn)優(yōu)化。

1 空氣制動(dòng)及風(fēng)源系統(tǒng)控制簡介

1.1 制動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

增購車輛空氣制動(dòng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。由圖1可見，制動(dòng)系統(tǒng)每3節(jié)車組成一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)單元，全車共2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)單元，下掛在車輛MVB總線下。EP2002制動(dòng)系統(tǒng)核心部件是網(wǎng)關(guān)閥(G閥)、智能閥(S閥)和遠(yuǎn)程輸入輸出閥(R閥)。由G閥進(jìn)行本CAN單元的制動(dòng)管理，其中一個(gè)G閥處于主通路狀態(tài)，另外一個(gè)G閥處于熱備狀態(tài)[1]。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 空壓機(jī)啟動(dòng)邏輯

全車共有2臺空壓機(jī)組(每個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)單元管理1臺)，由R閥具體控制空壓機(jī)的啟停，并按TCMS(列車監(jiān)測與控制系統(tǒng))發(fā)來的日期的奇、偶數(shù)來區(qū)分主、次空壓機(jī)。

現(xiàn)有邏輯為奇數(shù)日CAN1單元空壓機(jī)為主，偶數(shù)日則CAN2單元空壓機(jī)為主。車輛的時(shí)間基準(zhǔn)由TCMS的主機(jī)——VCU(車輛控制單元)提供，VCU完成啟動(dòng)后即進(jìn)行列車總線廣播，實(shí)現(xiàn)整列車所有微機(jī)控制單元的時(shí)鐘同步，并周期性發(fā)送時(shí)間(256 ms一次)。在ATC(列車自動(dòng)駕駛)系統(tǒng)無故障并且ATC時(shí)間有效時(shí)，VCU實(shí)時(shí)時(shí)鐘將由ATC設(shè)置，然后同步TCMS系統(tǒng)內(nèi)各微機(jī)時(shí)鐘。在列車喚醒后，制動(dòng)系統(tǒng)兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)G閥會收到TCMS發(fā)來的時(shí)間并作為基準(zhǔn)，然后每個(gè)小時(shí)再更新一次時(shí)間，并以此為基準(zhǔn)確定主次空壓機(jī)。

在每個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)單元的B車的一個(gè)S閥會直接與主風(fēng)管相連接，用來檢測主風(fēng)管的壓力值。當(dāng)車輛控制管理系統(tǒng)(TCMS)正常時(shí)，2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)單元通過車輛的MVB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，會將自己監(jiān)測的壓力值和網(wǎng)絡(luò)傳遞來的壓力值進(jìn)行比較，取兩者的小值作為主風(fēng)管壓力。當(dāng)車輛TCMS故障時(shí)，2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)各自監(jiān)測主風(fēng)壓力。當(dāng)主風(fēng)壓力低于840 kPa 時(shí)主空壓機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)主風(fēng)壓力低于750 kPa時(shí)次空壓機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)主風(fēng)壓力高于或等于950 kPa時(shí)，主、次空壓機(jī)均關(guān)閉。

圖2 主風(fēng)管壓力監(jiān)測

1.3 空壓機(jī)啟動(dòng)電路

如圖3所示，R閥會根據(jù)接受網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的啟動(dòng)指令，當(dāng)前日期，三相電是否可用等條件綜合判定是否啟動(dòng)當(dāng)前空壓機(jī)。啟動(dòng)順序是，首先R閥控制驅(qū)動(dòng)繼電器CDR得電啟動(dòng)，隨即空壓機(jī)啟動(dòng)接觸器CMK得電閉合，最后空壓機(jī)接通三相電啟動(dòng)。同時(shí)，當(dāng)空壓機(jī)啟動(dòng)以后，R閥會接收來自啟動(dòng)接觸器CMK輔助觸點(diǎn)信號，并上傳網(wǎng)絡(luò)，該信號用于判斷空壓機(jī)是否已啟動(dòng)。

當(dāng)空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)，干燥器也同時(shí)啟動(dòng)。干燥器內(nèi)部設(shè)置2個(gè)壓力開關(guān)用于監(jiān)測干燥塔是否正常切換，當(dāng)干燥塔內(nèi)部壓力高于270 kPa時(shí)，R閥會得到一個(gè)高電平信號，表示該干燥塔正常工作，若干燥塔異常也會導(dǎo)致空壓機(jī)啟動(dòng)失敗。

圖3 空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)電路

2 故障分析

故障發(fā)生后，下載2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)單元的故障記錄顯示，CAN1單元的時(shí)間與車輛VCU時(shí)間一致，為2015年11月10日，見圖4，CAN1單元時(shí)間；而CAN2單元的時(shí)間出現(xiàn)異常，恢復(fù)到Unix系統(tǒng)(EP2002系統(tǒng)軟件內(nèi)核)的初始時(shí)間1970年1月1日，見圖5，CAN2單元時(shí)間。

1970年1月1日是Unix系統(tǒng)的初始時(shí)間戳，只有在EP2002閥上電配置系統(tǒng)時(shí)才會出現(xiàn)，由此可以確定CAN2網(wǎng)絡(luò)單元G閥出現(xiàn)了異常初始化現(xiàn)象，導(dǎo)致時(shí)間恢復(fù)到1970年，由于制動(dòng)系統(tǒng)1 h才更新一次時(shí)間，就出現(xiàn)了1 h內(nèi)2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)單元時(shí)間不一致情況[2]。

根據(jù)空壓機(jī)啟動(dòng)邏輯，CAN1單元時(shí)間為11月10日，為偶數(shù)日，則CAN1單元空壓機(jī)為次空壓機(jī)，而CAN2單元時(shí)間為1月1日，為奇數(shù)日，則CAN2單元空壓機(jī)為次空壓機(jī)。這樣就導(dǎo)致了2臺空壓機(jī)組都是次空壓機(jī)。只有在主風(fēng)管壓力低至750 kPa時(shí)次空壓機(jī)才會啟動(dòng)。但當(dāng)時(shí)氣壓低于750 kPa時(shí)2臺空壓機(jī)并沒有啟動(dòng)。

究其原因，本單元的空壓機(jī)為次空壓機(jī)時(shí)，會默認(rèn)另外一個(gè)單元的空壓機(jī)為主，為了避免兩臺空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)對輔助中壓電網(wǎng)的沖擊，另外一個(gè)單元空壓機(jī)收到啟動(dòng)指令后，本單元空壓機(jī)收到對方啟動(dòng)反饋信號后要滯后3 s啟動(dòng)。另外一個(gè)單元的空壓機(jī)實(shí)際上也是次空壓機(jī)，認(rèn)為對方是主空壓機(jī)，等待其啟動(dòng)后滯后3 s才啟動(dòng)，最后2臺空壓機(jī)相互等待對方啟動(dòng)，如此循環(huán)，導(dǎo)致了2臺空壓機(jī)在低于750 kPa時(shí)均不啟動(dòng)的故障。

圖4 CAN1單元時(shí)間

圖5 CAN2單元時(shí)間

3 空壓機(jī)啟動(dòng)邏輯優(yōu)化

克諾爾對空壓機(jī)的啟動(dòng)邏輯進(jìn)行優(yōu)化整改，從邏輯上杜絕這種事件的再次發(fā)生。1.2節(jié)闡述的空壓機(jī)啟動(dòng)邏輯只是CAN網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)下的邏輯，當(dāng)出現(xiàn)2個(gè)空壓機(jī)同時(shí)為次或同時(shí)為主的情況下如何進(jìn)行空壓機(jī)管理，如何避免2臺空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊，這是亟需解決的問題。經(jīng)過南京地鐵與克諾爾多次交流，最終確定了故障狀態(tài)下空壓機(jī)管理邏輯。

首先，制動(dòng)系統(tǒng)檢測到總風(fēng)壓力低于主、次空壓機(jī)的啟動(dòng)壓力值后啟動(dòng)空壓機(jī)，啟動(dòng)指令通過驅(qū)動(dòng)繼電器發(fā)出來之前 ，空氣制動(dòng)系統(tǒng)先判斷空壓機(jī)的三相供電、干燥塔狀態(tài)是否正常。都沒有故障的情況下，延時(shí)Δt后便啟動(dòng)空壓機(jī)，無需相互等待。

其中，Δt因空壓機(jī)所處的位置及空壓機(jī)的主次身份的不同而不同，當(dāng)CAN1單元的空壓機(jī)為主空壓機(jī)，那么Δt=2 s；當(dāng)CAN2單元的空壓機(jī)為次空壓機(jī)，那么Δt=5 s；當(dāng)CAN2單元的空壓機(jī)為主空壓機(jī)，那么Δt=4 s；當(dāng)CAN1單元的空壓機(jī)為次空壓機(jī)，那么Δt=7 s。

當(dāng)CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)間異常導(dǎo)致2臺空壓機(jī)都為主空壓機(jī)，且主風(fēng)管氣壓低至840 kPa時(shí)，2臺空壓機(jī)接收到啟動(dòng)命令后，會分別延時(shí)2 s和4 s啟動(dòng)，打風(fēng)至950 kPa 停止；當(dāng)CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)間異常導(dǎo)致2臺空壓機(jī)都為次空壓機(jī)且主風(fēng)管氣壓低至750 kPa，2臺空壓機(jī)接收到啟動(dòng)命令后，會分別延時(shí)5 s和7 s啟動(dòng)，打風(fēng)至950 kPa 停止；兩種極端情況下2臺空壓機(jī)的啟動(dòng)也有2 s的時(shí)間差。取消了原先2臺空壓機(jī)相互等待的3 s時(shí)間差的邏輯，主次啟動(dòng)互不干擾，延時(shí)一定時(shí)間后立即啟動(dòng)，更為重要的是能夠從理論上分時(shí)啟動(dòng)2臺空壓機(jī)，啟動(dòng)時(shí)間差至少2 s。

根據(jù)克諾爾提供空氣壓縮機(jī)的電氣參數(shù)，空壓機(jī)運(yùn)行電流為13.4 A,空壓機(jī)的啟動(dòng)沖擊電流(rush current)為234 A，持續(xù)1.3 s。因此在極端情況即兩臺壓縮機(jī)同為主或同為次情況下，2 s的啟動(dòng)時(shí)間差也能有效避免空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)對輔助中壓電網(wǎng)的沖擊。這樣就妥善地解決了空壓機(jī)不啟動(dòng)的問題。

4 結(jié)束語

車輛風(fēng)源供給系統(tǒng)穩(wěn)定工作對空氣制動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要，也關(guān)系到運(yùn)營的安全。如果車輛出現(xiàn)嚴(yán)重欠壓，在正線施加了停發(fā)制動(dòng)，會對正線行車產(chǎn)生很長的延誤，這是地鐵運(yùn)營必須避免的。通過對南京地鐵一號線增購車輛空壓機(jī)故障的整改優(yōu)化，妥善解決了故障隱患，也提高了業(yè)主、主機(jī)廠以及系統(tǒng)供應(yīng)商協(xié)同配合解決問題能力，為增購車輛的穩(wěn)定運(yùn)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 杜守忠，吳志明.EP2002制動(dòng)系統(tǒng)的控制過程研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2013,36(4):35-38.

[2] Fault analysis report of air compressor in Nanjing line1 added project[R].Suzhou.Suzhou KB,2015.

[3] 南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司.南京地鐵1號線增購車輛維護(hù)手冊[R].南京,2013.