13A01型電動(dòng)列車牽引封鎖原因分析及改造措施

吳川

摘要：闡述了上海地鐵13A01型電動(dòng)列車由于短時(shí)間內(nèi)頻繁重啟廣播控制器導(dǎo)致牽引封鎖的過程，分析其造成的原因，提出了針對此問題采取的改造措施。

關(guān)鍵詞：廣播控制器；高速斷路器；牽引封鎖；反向電路

我國的城市軌道交通事業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的大城市把軌道交通納入到城市規(guī)劃中，軌道交通車輛是城市軌道交通的主要設(shè)備，而牽引系統(tǒng)是軌道交通車輛最重要的部件之一。一旦在運(yùn)營中發(fā)生故障，若是處理不當(dāng)，將發(fā)生大面積延誤的嚴(yán)重后果。

2017年7月23日，上海十三號線1308#車在祁連山南路上行行車時(shí)，四節(jié)動(dòng)車同時(shí)發(fā)生牽引嚴(yán)重故障，司機(jī)處理無效，清客后使用緊急牽引模式至真北路站清客，造成了運(yùn)營的短暫延誤。

1 故障發(fā)生

2017年7月23日 6：22分，1308#在祁連山南路上行時(shí)，列車自動(dòng)廣播發(fā)生故障，無法自動(dòng)報(bào)站。司機(jī)按照應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行操作，斷開并恢復(fù)司機(jī)室廣播控制斷路器（ACUCB）來重啟司機(jī)室廣播控制器（ACU，以下簡稱“廣播控制器”）。但是重啟后廣播故障并未消失，且列車的HMI（人機(jī)界面）上顯示四節(jié)動(dòng)車牽引系統(tǒng)和高速斷路器（HSCB）嚴(yán)重故障，此故障存在一秒后便消失。隨后司機(jī)再次重啟廣播控制器，廣播故障并未恢復(fù)，但是列車依然出現(xiàn)了四節(jié)動(dòng)車牽引系統(tǒng)和HSCB嚴(yán)重故障。3分鐘后，司機(jī)第三次重啟廣播控制器，牽引系統(tǒng)和高速斷路器故障再次出現(xiàn)，四個(gè)牽引被封鎖，列車無法動(dòng)車。司機(jī)處理5分鐘后無效，調(diào)度命令清客。切除列車自動(dòng)保護(hù)（ATP）后將列車打到硬線緊急牽引模式，行駛至下一站清客并退出了運(yùn)營。

2 原因分析

2.1重啟司機(jī)室廣播控制器導(dǎo)致牽引故障原因分析

從線路圖和軟件邏輯上分析，在正常情況下，重啟司機(jī)室廣播控制器是不可能引起牽引系統(tǒng)發(fā)生故障。但在停車庫內(nèi)對所有列車進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每一次重啟廣播控制器時(shí)，確實(shí)會(huì)出現(xiàn)四節(jié)動(dòng)車牽引系統(tǒng)和高速斷路器嚴(yán)重故障的現(xiàn)象，并且會(huì)在1秒后消失。所以此故障判定為一個(gè)系統(tǒng)性故障，在十三號線的13A01型列車中普遍存在。

在庫內(nèi)試驗(yàn)中，使用示波器對廣播控制器設(shè)備的MVB（多功能列車總線）板卡發(fā)送端的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)廣播控制器在重啟后上電的瞬間，大約150ms左右，其MVB板卡會(huì)向全車的MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)脈沖（見圖一），導(dǎo)致MVB總線網(wǎng)絡(luò)受到了干擾。

圖一廣播控制器上電瞬間波形圖

通過對MVB網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控，可以看到，在廣播控制器斷電后MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中只有廣播系統(tǒng)出現(xiàn)了故障（見圖二）。但是上電的瞬間，廣播控制器向MVB總線發(fā)送錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)脈沖，導(dǎo)致列車上的很多設(shè)備在MVB網(wǎng)絡(luò)上丟失（見圖三）。

圖二廣播控制器斷電后MVB拓?fù)鋱D

圖三 廣播控制器上電瞬間MVB拓?fù)鋱D

當(dāng)廣播控制器上電時(shí)，由于錯(cuò)誤數(shù)據(jù)脈沖的干擾，使得列車控制單元（VCU）無法通過MVB網(wǎng)絡(luò)接收到四節(jié)動(dòng)車上牽引逆變控制單元（ICU）發(fā)出的工作狀態(tài)信號，最終導(dǎo)致列車產(chǎn)生牽引系統(tǒng)和HSCB嚴(yán)重故障。

在西門子的設(shè)定中， VCU對動(dòng)車上牽引逆變控制單元的監(jiān)控等級較高，其MVB信號接收周期為T3（32ms），但是對其他系統(tǒng)的MVB信號接收周期則為T6（512ms）。而在廣播控制器上電的瞬間發(fā)出的脈沖持續(xù)時(shí)間為150ms左右，這個(gè)瞬間小于T6的監(jiān)控周期但是卻大于T3，因此雖然MVB網(wǎng)絡(luò)上除了牽引系統(tǒng)外的其他設(shè)備也收到脈沖的干擾，VCU卻只檢測到了牽引系統(tǒng)的嚴(yán)重故障，并未報(bào)出其他系統(tǒng)的故障。

2.2牽引封鎖原因分析

根據(jù)庫內(nèi)試驗(yàn)，每一次重啟廣播控制器都會(huì)導(dǎo)致牽引系統(tǒng)和高速斷路器的嚴(yán)重故障，但是此故障在1秒后就會(huì)消失，不會(huì)影響列車動(dòng)車。但在5分鐘之內(nèi)如果重啟超過三次，列車牽引就會(huì)被封鎖，無法動(dòng)車。

對VCU中高速斷路器斷開的反饋信號進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)每一次重啟廣播控制器導(dǎo)致的HSCB嚴(yán)重故障時(shí)，ICU都會(huì)收到2次高速斷路器斷開的反饋信號（廣播控制器上電瞬間，高速斷路器斷開脈沖反饋信號截圖見圖四）。

圖四 廣播控制器上電瞬間HSCB斷開脈沖反饋信號圖

根據(jù)西門子系統(tǒng)軟件的邏輯顯示：如果在5分鐘之內(nèi)，牽引逆變控制單元受到超過5次高速斷路器斷開的反饋信號，VCU會(huì)做出“短時(shí)間內(nèi)牽引故障過于頻繁”的判斷，斷開高速斷路器，并對列車的牽引進(jìn)行封鎖。

由于每次重啟廣播控制器都會(huì)導(dǎo)致牽引逆變控制單元收到2次高速斷路器斷開的反饋信號，故若是在5分鐘內(nèi)重啟3次廣播控制器，列車牽引便會(huì)封鎖，列車無法正常動(dòng)車。

根據(jù)錄像及故障記錄顯示，司機(jī)在6：22：43、6：24：38、6：27：14三次重啟了廣播控制器，牽引逆變控制單元在這5分鐘內(nèi)收到6次廣播控制器斷開的反饋信號，觸發(fā)牽引封鎖，最終導(dǎo)致清客。

2.3緊急牽引模式后列車動(dòng)車原因分析

故障現(xiàn)場，司機(jī)將列車打到了硬線緊急牽引后，列車牽引封鎖被解除。根據(jù)西門子系統(tǒng)軟件的邏輯顯示：將列車打到硬線緊急牽引以后，牽引封鎖被解除，列車可以進(jìn)行動(dòng)車。

3 故障的解決及整改

此次故障的存在，究其根本原因，是司機(jī)室廣播控制器的MVB板卡在上電的瞬間，發(fā)送異常脈沖到整個(gè)列車MVB網(wǎng)絡(luò)。所以若是要徹底排除此故障隱患，必須從源頭入手。

首先是通過軟件。修改廣播控制器內(nèi)核的程序，在廣播控制器上電的瞬間控制其不輸出異常脈沖。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)此方案不可行。因?yàn)樵谏想姷臉O短時(shí)間內(nèi)，廣播控制器還未完全啟動(dòng)，軟件對輸出端是不可控的，無法消除異常脈沖。

第二是通過硬件上的整改。在廣播控制器的MVB板卡硬件電路兩個(gè)發(fā)送使能腳增加兩個(gè)由NPN三極管組成的反向電路，使輸出端在上電的瞬間所發(fā)出的異常脈沖置反，I/O口在輸出高電平H時(shí)，三極管導(dǎo)通，使能輸出端輸出為低電平L；I/O口輸出低電平L時(shí)，三極管截止，輸出高電平H（見圖五）。在增加反向電路后，廣播控制器上電的瞬間將不會(huì)輸出異常脈沖，但是廣播控制器系統(tǒng)完全啟動(dòng)后，所有的輸出都會(huì)置反，影響正常使用功能。

所以需從軟件和硬件兩方面同時(shí)著手進(jìn)行整改。首先在廣播控制器的MVB板卡硬件電路兩個(gè)發(fā)送使能腳增加兩個(gè)反向電路，使其上電的瞬間將脈沖置反，不向MVB總線發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)修改廣播控制器的內(nèi)核程序，使其在I/O口內(nèi)部反向。

廣播控制器啟動(dòng)瞬間，控制器對輸出不受控，此時(shí)異常脈沖通過反向電路置0；廣播控制器完全啟動(dòng)后，控制器的內(nèi)核程序在I/O口內(nèi)部的輸出反向，在MVB板卡的輸出端經(jīng)過反向電路再進(jìn)行置反，最終輸出正常的波形。（如圖五）

整改方案給出后，首先對故障的1308#車上進(jìn)行了整改。更換新板卡看后監(jiān)控其MVB的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，在重啟廣播控制器的瞬間，MVB的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D上只有廣播控制器出現(xiàn)了故障，而其他部件并未受到影響，多次進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果均是如此（見圖六）。此后，又在13A01型的其他列車上做了此項(xiàng)整改，試驗(yàn)兩個(gè)月并未出現(xiàn)異常。

4 結(jié)束語

目前上海市軌道交通是城市公益性交通基礎(chǔ)設(shè)置，隨著城市的發(fā)展，出行客流越來越依賴城市軌道交通。為確保運(yùn)營設(shè)備的正?？煽啃裕枰S修人員及時(shí)處理故障，及時(shí)消除故障隱患。本次事件由于司機(jī)室廣播控制器的板卡存在缺陷，影響了正線的運(yùn)營。針對此次故障，十三號線一方面加強(qiáng)對廠商提供的設(shè)計(jì)及技術(shù)工藝的監(jiān)管力度，從設(shè)備源頭排除故障隱患，使其他線路使用同型號板卡的電客列車避免發(fā)生此類事件；另一方面，將加強(qiáng)對維修人員的技能培訓(xùn)，提高維修人員對故障的分析、判斷能力，防患于未然，切實(shí)可行地保障正線列車運(yùn)營的可靠性。

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（作者單位：上海地鐵維護(hù)保障有限公司）