有軌電車控制系統(tǒng)應(yīng)用與研究

張鑫磊

（上海申凱公共交通運(yùn)營有限公司，上海200000）

1 概述

1.1 引言

現(xiàn)代有軌電車作為一種現(xiàn)代公共交通出行方式，適用于中低客流強(qiáng)度的交通走廊而作為公共交通來發(fā)展。對于大中城市，現(xiàn)代有軌電車可以與城市大中運(yùn)量地鐵、常規(guī)公交等共同構(gòu)筑城市公共交通體系，這樣既加強(qiáng)了城市綜合交通體系的形成，同時(shí)又提高了公交綠色出行的吸引力，符合城市公共交通體系多元化的發(fā)展思路。TCMS(Train Control&Monitoring System)系統(tǒng)是車輛監(jiān)測的重要組成部分，既保障著乘客在有軌電車內(nèi)的安全，也關(guān)系著有軌電車的正常運(yùn)行，因此TCMS 系統(tǒng)的可靠性，響應(yīng)時(shí)間非常重要。本文是基于松江有軌電車TCMS 系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進(jìn)行介紹和論述，并分析和總結(jié)。

1.2 TCMS 系統(tǒng)概述

TCMS 是有軌電車的中樞神經(jīng)，對車輛各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)控制和監(jiān)控，承擔(dān)著管理整車功能的責(zé)任，并為司機(jī)提供行車輔助，以及為維護(hù)人員提供維護(hù)輔助。TCMS 與各子系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 TCMS 總體設(shè)計(jì)

各子系統(tǒng)具有計(jì)算機(jī)控制單元，專門用于執(zhí)行車輛的某一功能，該單元和TCMS 相連。車輛上所有的計(jì)算機(jī)控制單元之間的信息交互由TCMS 的RIOM 和總線網(wǎng)絡(luò)完成。TCMS 的中央處理器MPU 執(zhí)行車輛的監(jiān)視和控制功能，其它子系統(tǒng)設(shè)備執(zhí)行各自的功能。車輛控制系統(tǒng)的控制層采用總線方式，符合標(biāo)準(zhǔn)IEC-61375。

1.3 網(wǎng)絡(luò)冗余性分析

1.3.1 MVB 網(wǎng)絡(luò)冗余性分析

MVB 車輛主網(wǎng)絡(luò)符合IEC61375 標(biāo)準(zhǔn)。MVB 電纜使用兩芯屏蔽雙絞線。A 路和B 路構(gòu)成冗余網(wǎng)絡(luò)（如圖2）。

圖2 MVB 總線連接

松江項(xiàng)目中對RIOM 和DDU 設(shè)備使用了專用的MVB 總線連接器，提高了網(wǎng)絡(luò)的可用性。每路傳輸介質(zhì)有自己的SubD9連接器。即使有一路故障、線路損壞或連接器插頭松掉，另一路繼續(xù)正常工作。

車輛總線（MVB）通過主處理器MPU 監(jiān)控，MPU 提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口與便攜式測試單元PTU 進(jìn)行通信，PTU 通過以太網(wǎng)可訪問車輛的任何子控制系統(tǒng)，讀取其狀態(tài)信息（包括各功能模塊的輸入/輸出波形）和故障信息，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能和數(shù)據(jù)分析。專用連接器拓?fù)鋱D如下：

可見，專用的MVB 連接器每個(gè)插頭有2 個(gè)電纜引出口，可以與2 根MVB 電纜連接，在插頭內(nèi)部通過內(nèi)置電路將兩根電纜進(jìn)行短接，這樣總線就可通過插頭處保持連續(xù)，當(dāng)拔下插頭時(shí)不會中斷傳輸介質(zhì)。（如圖3）中A 路數(shù)據(jù)線（進(jìn)線與出線）共用一個(gè)連接器，B 路數(shù)據(jù)線（進(jìn)線與出線）共用一個(gè)連接器。

圖3 MVB 總線連接器拓?fù)鋱D

1.3.2 MPU 冗余性分析

有軌電車上電時(shí)，兩個(gè)MPU 開始啟動，一個(gè)成為主MPU，另一個(gè)則成為從MPU。主MPU 的選擇是隨機(jī)的，取決于哪個(gè)MPU 先被喚醒。當(dāng)兩個(gè)MPU 同時(shí)被喚醒時(shí)，這時(shí)默認(rèn)MPU1 是主的，MPU2 是從的。

兩個(gè)MPU 同時(shí)讀取MVB 和以太網(wǎng)總線上的數(shù)據(jù)，但只有主MPU 才可以輸出數(shù)據(jù)到MVB 和以太網(wǎng)總線上。從MPU 做主MPU 所做的所有處理，以備能快速切換。

兩個(gè)MPU 之間輸出數(shù)據(jù)的一致性，并不是由MPU 內(nèi)部管理的，而是在兩個(gè)MPU 數(shù)據(jù)交換時(shí)由應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)的。

主MPU 的識別信號被發(fā)送到MVB 網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)設(shè)備以及連接到以太網(wǎng)與MPU 有數(shù)據(jù)交互的設(shè)備上。當(dāng)主MPU 故障時(shí)，從MPU 切換成為主（如圖4）。

圖4 MPU 主從示意圖

1.3.3 CAN 網(wǎng)絡(luò)冗余性分析

車輛CAN 網(wǎng)絡(luò)連接到RIOM2 和RIOM5（分別位于M1 和M2 車頂?shù)蛪合洌┟總€(gè)RIOM 都可以成為CAN 總線管理器。根據(jù)RIOM 的通信狀態(tài)決定是哪個(gè)RIOM 承擔(dān)總線管理器的任務(wù)。默認(rèn)為RIOM2，當(dāng)RIOM2 故障時(shí)間超過10S，RIOM5 接替RIOM2,成為CAN 總線管理器，從而實(shí)現(xiàn)冗余。為了避免無用的切換，只有當(dāng)RIOM5 故障超過10S 后，才會將CAN 總線管理器切回到RIOM2。

2 有軌電車故障診斷分析研究

2.1 便攜式測試單元PTU

大部分嵌入式電子設(shè)備都配有維護(hù)軟件工具，通過連接到維護(hù)網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備本身即可執(zhí)行某些維護(hù)診斷。松江有軌電車所使用的便攜式測試單元是阿爾斯通開發(fā)的維護(hù)工具——TrainTracer，可緊密跟蹤列車運(yùn)行狀態(tài)并對預(yù)防性和糾正性的維護(hù)工作做出最有效的響應(yīng)。

2.2 IOS 故障代碼

TCMS 檢測和收集各子系統(tǒng)的故障，通過內(nèi)部邏輯判斷，生成一個(gè)IOS，并根據(jù)故障對車輛的影響分成不同的等級，并給出了司機(jī)操作指南，故障項(xiàng)目和故障等級在司機(jī)顯示屏上顯示，同時(shí)發(fā)出警報(bào)提醒司機(jī)注意。

2.3 故障案列診斷分析

2.3.1 IOS154 方向故障

有軌電車在行駛中DDU 顯示屏上突然報(bào)IOS 154 方向故障，IOS168 2 個(gè)牽引隔離，IOS159 無速度測量，車輛可正常行駛，按照IOS 故障等級，掉線處理。

回到檢修庫，用TrainTracer 下載故障進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)為M1 端司機(jī)室激活，向前向后信號同時(shí)得電（如圖5）。

圖5 TrainTracer 下載故障

先查看M2 端司機(jī)室設(shè)備柜斷路器上下樁頭電壓是否正常，發(fā)現(xiàn)電壓均正常。登頂檢查M2 低壓箱二極管，發(fā)現(xiàn)27V10 正負(fù)極疑似搭接（如圖6）。

圖6 二極管故障點(diǎn)

查接線圖為左轉(zhuǎn)向燈控制；到客室內(nèi)模擬故障，將M2 轉(zhuǎn)向燈打到左轉(zhuǎn)位，M1 端激活并將轉(zhuǎn)向燈打到右轉(zhuǎn)位，故障出現(xiàn)（如圖7）。

圖7 司機(jī)室模擬故障

最后確認(rèn)故障為27V10 二極管正負(fù)極搭接導(dǎo)致。恢復(fù)二極管后，方向故障消失，將2 個(gè)牽引重置后，車輛正常。

2.3.2 IOS302 自牽引火災(zāi)告警

有軌電車在行駛中報(bào)IOS302 自牽引火災(zāi)告警，IOS044HSCB 異常開合，IOS310DCDC 仍在自牽引模式，IOS043高壓小故障，車輛掉線。

用TrainTracer 下載故障進(jìn)行分析下載MPU 故障記錄，故障前輔逆充電模塊1 為True，自牽引火災(zāi)告警后該模塊為False。

判斷上述故障主因是“自牽引火災(zāi)告警”，檢查車頂56K5繼電器至DCDC 箱一路接線，未發(fā)現(xiàn)異常。后注意到照片中DDU 面板上超級電容顯示XXXXXXX，懷疑DCDC 箱無電，登頂查看，DCDC 箱確實(shí)為無電狀態(tài)（如圖8）。

圖8 DDU 超級電容

對車輛重啟后故障全部消失，故依次斷開與超級電容相關(guān)的19 前綴斷路器做試驗(yàn)，斷19Q6 斷路器時(shí)也出現(xiàn)四個(gè)故障，但現(xiàn)象不一致，繼續(xù)斷其他斷路器模擬故障。

在斷開19Q1 斷路器后，打應(yīng)急牽引旋鈕，試了2 次故障復(fù)現(xiàn)，與原故障現(xiàn)象相同。應(yīng)急牽引旋鈕恢復(fù)后故障還在，恢復(fù)19Q1 斷路器后故障仍在，重啟車輛2 次依舊如此（如圖9）。

圖9 超級電容原理圖

因斷19Q1 后故障復(fù)現(xiàn)，故判斷故障應(yīng)在該線路，量正極-CM-DCXS1/A1 及 -CM-DCXS1/A2 正 常 ， 量 負(fù) 極-CM-DCXS1/A7 及-CM-DCXS1/A8 發(fā)現(xiàn)有大約15V 電壓異常，將超級電容箱插頭-CM-SCXS2 拆下，量得DCDC 箱正負(fù)極電壓正常，疑超級電容箱為故障點(diǎn)。但發(fā)現(xiàn)拆下-CM-SCXS2 后，DCDC 箱仍無電，故判斷問題可能出在負(fù)極處，檢查發(fā)現(xiàn)-BB38-2/14 端子虛接，重新壓接后正常。

故障分析：-BB38-2/14 端子虛接，相當(dāng)于此處多出一個(gè)電阻，故而使A7、A8 號腳處分得約15V 電壓，致使DCDC 箱內(nèi)電壓過小，才導(dǎo)致此次故障。

2.3.3 IOS094 車門狀態(tài)一致性故障

DDU 顯示“IOS094 車門狀態(tài)不一致故障”，在正常模式下列車無法牽引，車門關(guān)好旁路之后，列車正常運(yùn)行。在所有車門關(guān)閉情況，M2 RIOM5 的LI_DrsLoopRelay 信號為“0”, 正常為“1”，車頂?shù)蛪合鋬?nèi)36Q3 斷路器斷開。先測量車門關(guān)好的回路，在門關(guān)好的情況下，測量8 門開關(guān)30S1 28、30S2 30 號腳的電，量到無電，判斷車頂?shù)蛪合涞较旅娴墓╇姅嚅_（如圖2-6）。

圖10 8 車門接線圖

檢查M2 車頂?shù)蛪合?，車門關(guān)好回路的供電36Q3 斷路器跳掉，合上重啟車輛，開關(guān)門仍會跳開。因此排查每扇車門的情況，將所有車門關(guān)閉，從8 門開始量取端子排上30A-S2 開關(guān)線對地電阻，發(fā)現(xiàn)12 門的對地電阻為0Ω 對地短路了，因此確認(rèn)12門為故障門。

拆開12 號門的門機(jī)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)S2 的出線，被門機(jī)構(gòu)上固定螺絲壓住，導(dǎo)線損壞嚴(yán)重，導(dǎo)致了S2 開關(guān)對地短路。

故障分析:關(guān)門一致性故障時(shí)是門關(guān)好回路的問題，首先查看車頂?shù)蛪合涞较旅娴墓╇娪袥]有，然后量取整個(gè)門關(guān)好回路的對地電阻，如果是正?，F(xiàn)象時(shí)，應(yīng)該是無窮大的，阻值不會很小。這次是將門一扇一扇打開，量取每一個(gè)門的對地電阻。以后應(yīng)該先量總的電阻，如果是正常，可直接進(jìn)行之后的排查，不用一扇扇查，可以節(jié)約用時(shí)。

2.4 總結(jié)

通過對實(shí)際案例的分析后我們可以發(fā)現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制邏輯，故障診斷策略，以及故障處置，對實(shí)際檢修過程中有巨大幫助，由于有軌電車所運(yùn)用的工況、場地，條件等限制，本文在邏輯分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合TCMS 下載的監(jiān)控故障記錄進(jìn)行理論和故障案列的分析，為后續(xù)的應(yīng)急處置提供指導(dǎo)。