DKZ32型列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)故障分析

劉 洋，杜 峰，田云峰，宋天浩

（1.北京市地鐵運營有限公司運營一分公司，北京 102209；2.中國鐵道科學研究院城市軌道交通中心，北京 100081）

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（TCMS）為關鍵核心系統(tǒng)，是集列車的控制、監(jiān)控和診斷為一體的集成控制系統(tǒng)，能為列車各子系統(tǒng)和模塊提供各種實時控制信息，完成對列車的控制[1]。目前，有文獻對列車控制網(wǎng)絡典型MVB通信故障進行分析[2-7]，有的文獻分析了成都地鐵各線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出了后續(xù)改進建議[8-12]，還有的文獻對廣州地鐵列車網(wǎng)絡控制及診斷系統(tǒng)進行了總結和分析[13-19]。本文對北京地鐵某線列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)故障進行了分析，提出有效的解決對策。

1 PROFIBUS簡介和特點

1.1 PROFIBUS簡介

隨著通信技術的蓬勃發(fā)展和廣泛應用，工業(yè)控制對現(xiàn)場信號采集、傳輸、數(shù)據(jù)轉換的要求越來越高，現(xiàn)場總線就是把傳統(tǒng)的數(shù)字信號和模擬信號，變成全數(shù)字信號系統(tǒng)。PROFIBUS是Process Field Bus的簡稱，是現(xiàn)場總線的一種，其是1991年4月發(fā)表的德國標準，PROFIBUS具有國際化、開放式的特點，不依賴于設備生產商的現(xiàn)場總線標準，此標準無知識產權保護，任何人都可以將其應用到軟、硬件的設計方案當中[20]。

1.2 PROFIBUS特點

PROFIBUS具有良好的穩(wěn)定性和普遍性，目前廣泛應用于制造、交通、電力等系統(tǒng)，其良好的適用性可以在任何微處理器上實現(xiàn)，在處理器上安裝異步串行通信接口可以保證設備運行，數(shù)據(jù)傳輸速率超過500 Kbit/s，應使用專用芯片，其是一種用于自動化監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術，實現(xiàn)設備層到監(jiān)控層的數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，為實現(xiàn)自動化控制和智能化監(jiān)控提供行之有效的解決方案[20]，其具有良好的控制技術。

（1）時間控制技術。其能將RS485物理層上和鏈路層上不同的時間參數(shù)那么定量定性出來，這在一般的總線中很難看到，所以用其來實現(xiàn)精確的運動控制系統(tǒng)，如果將該技術擴展，那就可以實現(xiàn)精確的分布式總線控制系統(tǒng)。

（2）獨特的診斷技術。通過用指示燈、信號標記，或者SOE事件順序記錄等方式進行故障診斷，從實際應用中看這種診斷機制設計合理，方便維護。

（3）多主站系統(tǒng)。令牌環(huán)式的多主系統(tǒng)比較適合于控制系統(tǒng)，而且因為是多主系統(tǒng)，因此應用范圍廣泛，比如說北京地鐵某線DKZ32列車，日本東洋電機在車輛控制網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中就是雙主站應用，兩條鏈路互為冗余備份，提高了列車控制及監(jiān)控網(wǎng)絡的可靠性。

2 北京地鐵DKZ32型列車PROFIBUS應用和故障現(xiàn)象

2.1 北京地鐵DKZ32型列車PROFIBUS應用概述

北京地鐵某線DKZ32列車信息系統(tǒng)由進行列車牽引/制動控制等重要設備控制的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)和進行車輛狀態(tài)監(jiān)控及空調等服務設備控制的監(jiān)控傳送系統(tǒng)構成，進行各設備的控制及列車的運行、維修作業(yè)的支援等。本列車信息系統(tǒng)主要分為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)和監(jiān)控傳送系統(tǒng)2種，各傳送系統(tǒng)分別具有不同的構成。

網(wǎng)絡控制系統(tǒng)為傳送、牽引及制動的控制等車輛的運行有關的信號的傳送系統(tǒng)。采用PROFIBUS傳送方式，傳送速度為1.5 MB/s。另外，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)為了達到冗余化由1系及2系構成二重系統(tǒng)。作為冗余系的構成方法，通常1系及2系都進行控制運算，但僅將1系的輸出，1系發(fā)生異常時通過將2系的控制演算輸出繼續(xù)進行列車的控制。因為如果1系、2系都發(fā)生異常（二系統(tǒng)故障）時將不能進行網(wǎng)絡控制，將會把司機提示燈（控制傳送異常）點亮，向VVVF裝置及制動控制裝置等輸出網(wǎng)絡控制異常信號。

監(jiān)控傳送系統(tǒng)為使用于進行所連接設備的狀態(tài)信息傳送及空調等服務設備的控制的傳送系統(tǒng)。傳送系采用PROFIBUS傳送方式，傳送速度為1.5 MB/s。監(jiān)控傳送系的傳送回路為一重系，因為在母機的監(jiān)控裝置故障等不工作的情況下傳送系將不能發(fā)揮功能，通過在兩個頭車設置監(jiān)控裝置實現(xiàn)冗余化。通常僅使一側的監(jiān)控動作，傳送停止時啟動另一側的監(jiān)控裝置，繼續(xù)進行傳送。另外，與其他裝置通過串聯(lián)通信傳送進行信息的交換。與SIV裝置、VVVF裝置、制動裝置、門裝置、空調裝置、PIDS、ATO、顯示控制器以RS-485連接。DKZ32型列車PROFIBUS監(jiān)控系統(tǒng)將司機室MON為主站，客室IO/F模塊為子站進行通信，各客室IO/F模塊接收列車如牽引、制動、客室門等數(shù)據(jù)通過PROFIBUS總線傳送至MON，保證司機室通過TMS進行監(jiān)控，如圖1所示。

圖1 PROFIBUS總線原理圖

2.2 北京地鐵DKZ32型列車PROFIBUS故障現(xiàn)象

DKZ32型某列車運營一段時間后，4號車經(jīng)常出現(xiàn)該PROFIBUS子站死機，死機位置，如圖2所示。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)此控制板指示燈從正常綠色工作燈轉變?yōu)榧t色故障燈狀態(tài)，如圖3所示。可判斷為該模塊板卡已停止工作。故造成4號車列車監(jiān)控節(jié)點停止工作，TMS無法對4號車進行監(jiān)控。根據(jù)前述PROFIBUS現(xiàn)場總線原理分析可知，該列車故障實際上是PROFIBUS網(wǎng)絡故障的一種節(jié)點掉站故障。

圖2 PROFIBUS子站死機位置示意圖

圖3 控制板紅色故障燈示意圖

3 北京地鐵DKZ32型列車PROFIBUS典型故障原因及分析

3.1 節(jié)點掉站故障原因分析

①網(wǎng)絡插頭故障。插頭內部故障如內部接線短路，會導致通信模塊死機，針對此可能性，首先檢查插頭內是否有如金屬絲等影響插頭工作的異物，后對相關插頭進行更換，故障依舊存在。②接線有破損。檢查未發(fā)現(xiàn)接線有破損、虛接等異常情況。預防性更換有關接線，故障未消失。③中間網(wǎng)絡插頭開關位置不對。通過檢查發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡插頭各開關位置正確。④通信模塊損壞。更換IO/F模塊后故障依舊存在。⑤接線錯誤。檢查各接線、線號正確、選型正確。⑥異常干擾。從上述維修結果看，排除外部硬件及人為設置失誤后，干擾問題造成此次故障的可能性最大，為此，進行了重點分析、維修。

3.2 干擾來源分析

①動力系統(tǒng)。VVVF牽引控制系統(tǒng)內部的IGBT等大功率電力電子器件不定時地進行高速開、關的轉換，產生大量的高頻電磁波、污染整個通信網(wǎng)絡，并產生大量高次諧波。②動力設備。大型電機、風機、壓縮機啟動時，瞬間電流達到額定電流的6倍，會產生大電流干擾。③電源干擾。設備未加裝隔離和濾波，電源波形畸變和高次諧波會通過供電系統(tǒng)影響現(xiàn)場總線。④接地系統(tǒng)混亂的干擾。錯誤的接地不能起到抑制電磁干擾的作用，接地點電位分布不均，會產生電位差，兩者都會導致系統(tǒng)紊亂，無法正常工作。

3.3 針對干擾可能性進行處理

①針對動力系統(tǒng)。通過示波器檢測到動力信息傳輸線存在瞬間異常電壓，為此更換整車VVVF控制系統(tǒng)，故障未恢復。②針對動力設備。通過示波器檢測到牽引電機啟動會導致通信回路有異常電壓，進而更換牽引電機。伏流風機等列車上電后持續(xù)系統(tǒng)或季節(jié)性啟動設備排除在干擾源外。③針對電源干擾。列車有良好的濾波設備，且其他號車使用相同電源故電源干擾可能性較低。④針對接地系統(tǒng)混亂的干擾。通過使用電質量分析設備進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，4、5號車接地之間最高產生過24 V電壓，正常PROFIBUS通信工作電壓為±5 V，各站點間接地電位差過大，可能會導致通信受到干擾死機掉站，針對此問題進行了重點分析。

3.4 接地干擾問題概況

①接地原則。首先，根據(jù)接地標準通信設備接線應遠離動力線，因列車體積有限，此情況無法滿足。其次，動力設備接地應遠離通信等低壓設備接地，或動力設備接地要比低壓設備接地更接近近地端，用于地鐵車輛近地端可視為輪對。保證動力電不會經(jīng)過通信等低壓設備地線而直接流入大地。②DKZ32型列車接地情況。低壓設備接地箱位于車體中部，車體兩側轉向架區(qū)域為高壓設備接地匯流排，車上高、低壓設備接地已盡可能相互隔離。③接地與干擾分析。零阻抗、零電位才是理想地線，在設備內部，地線既有電阻又有電抗，電流通過設備時，地線會有壓降；地線和其他線路有電流通過時會形成環(huán)路，并且產生電勢，地阻干擾和環(huán)路干擾2種情況都會對設備產生干擾?？紤]車廂與車廂之間電壓差，共模干擾就是線地間的干擾。而地線上的共模干擾比較特殊，一般由電子設備的接地端子上對地雜散電流所產生的壓降，以及接地平面上不同接地點之間的電位差，它也是串聯(lián)在信號回路中，對較小的設備而言，可忽略不計，但對配置較遠的兩個電子設備，如IO/F通信模塊兩設備相距60 m，對電子設備的干擾可能性就較高。④針對接地干擾問題處理方法。通過前期的分析、維修、總結最終決定對此列車接地進行調整。棄用4號車自身接地線，使用4.5 mm2備用線將3號車接地線引用至4號車，減小車與車之間電位差，降低接地干擾。

4 北京地鐵DKZ32型列車故障處理總結

在進行接地改造后，列車控制網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性得到明顯改善，目前車輛在運行中未再發(fā)現(xiàn)故障。通過對通信報文捕捉波形可以看到，在接地系統(tǒng)改造之前，4號車監(jiān)控通信波形由于接地干擾，方形波已經(jīng)嚴重變形失真，很容易造成系統(tǒng)通信中斷從而使4號車失去監(jiān)控，如圖4所示，而在接地改造之后，列車監(jiān)控網(wǎng)絡波形得到明顯改善，如圖5所示。

圖4 通信波形受干擾變形失真

圖5 改造后波形恢復情況

5 結束語

①根據(jù)列車網(wǎng)絡發(fā)生故障，應根據(jù)具體情況進行具體分析，并從設計源頭上進行改善，從而有效降低故障率的發(fā)生。②做好前期預防工作，上車前并組網(wǎng)測試和例行試驗，對TCMS設備相關潛在問題做到及早發(fā)現(xiàn)，并作出針對性優(yōu)化。③對PROFIBUS網(wǎng)絡設備的接地環(huán)境改造，能夠有效減少干擾，提升網(wǎng)絡通信質量，從而消除列車監(jiān)控節(jié)點掉站造成的故障。但其安裝空間、電源、接地受環(huán)境影響會有一定的局限性。參考文獻：

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