列車(chē)牽引制動(dòng)指令沖突故障分析

曹楠，杜東偉，劉斐然，魏志恒

（1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司運(yùn)營(yíng)四分公司，北京 100000；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院城市軌道交通中心，北京 100081）

地鐵車(chē)輛對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求很高，若該系統(tǒng)發(fā)生故障，嚴(yán)重影響列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)，對(duì)牽引類(lèi)故障處理方法進(jìn)行歸納總結(jié)。目前，文獻(xiàn)對(duì)牽引典型故障案例進(jìn)行分析，文獻(xiàn)總結(jié)分析了列車(chē)牽引制動(dòng)指令沖突故障分析及改進(jìn)措施，文獻(xiàn)對(duì)各城市地鐵線(xiàn)路的牽引制動(dòng)故障進(jìn)行了總結(jié)分析。本文在不改變ATO駕駛的情況下，提出列車(chē)牽引制動(dòng)指令故障的處理方法，預(yù)防地鐵運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

1 牽引、控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

1.1 牽引及控制系統(tǒng)組成

北京地鐵某線(xiàn)DKZ32型列車(chē)沿用了北京10#線(xiàn)東洋電機(jī)的牽引及控制系統(tǒng)。

東洋電機(jī)主要由牽引、控制系統(tǒng)2部分組成，如圖1所示。

一是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，主要功能是接收司機(jī)控制手柄或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的牽引、制動(dòng)指令，并將該指令通過(guò)profibus總線(xiàn)進(jìn)行傳遞。二是VVVF裝置（Variable Voltage Variable Frequency），主要功能是在接收到網(wǎng)絡(luò)控制命令后，對(duì)每節(jié)列車(chē)的4臺(tái)180kW三相交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，最終達(dá)到控制列車(chē)前進(jìn)，減速、停車(chē)的目的。

1.2 牽引及控制系統(tǒng)特點(diǎn)

北京地鐵某線(xiàn)DKZ32型列車(chē)牽引控制系統(tǒng)在ATO自動(dòng)駕駛及電制動(dòng)效果2方面，是運(yùn)用效果最好的城市軌道交通線(xiàn)路之一。

其電制動(dòng)裝置可以將車(chē)速下降到5km/h以下，全自動(dòng)駕駛停車(chē)誤差小于±1cm，保證了乘客的乘車(chē)舒適度及登乘需求，又因?yàn)楦咝У碾娭苿?dòng)，大大減少了列車(chē)制動(dòng)閘瓦、閘片的消耗，每年可減少近百萬(wàn)元的維護(hù)費(fèi)用。達(dá)到如此效果的其中一個(gè)原因就是VVVF牽引逆變器裝置控制采用了矢量控制方式，替代了以往做為主流的標(biāo)量控制方式，提高了牽引電機(jī)輸出扭矩的控制的反應(yīng)速度和精度。另外，對(duì)外部干擾因素的過(guò)渡反應(yīng)性和追從性的性能卓越，可充分發(fā)揮這些特性，實(shí)現(xiàn)高速、高精度的粘著控制。

2 DKZ32型列車(chē)牽引控制系統(tǒng)

2.1 DKZ32型列車(chē)牽引控制系統(tǒng)高壓部分

列車(chē)牽引控制系統(tǒng)高壓部分是由第三軌上部供電方式供電，供電電壓DC750V，變動(dòng)范圍：DC500V～DC900V，經(jīng)VVVF中的IGBT逆變后給牽引電機(jī)供電。電機(jī)型號(hào)為T(mén)DK6175-C三相鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)為 180kW、550V、240A、77Hz、2255rpm/h。

主要工作路徑，直流750V電壓經(jīng)過(guò)：受流器、斷路器箱后向VVVF系統(tǒng)供電并通過(guò)IGBT逆變后傳送至電機(jī)使用。列車(chē)牽引控制系統(tǒng)高壓部分電路圖，如圖2所示。

2.2 DKZ32型列車(chē)牽引控制系統(tǒng)低壓部分

列車(chē)牽引控制系統(tǒng)低壓部分是由DC110V供電，變動(dòng)范圍：DC77V～DC121V。經(jīng)司控器手柄變化后轉(zhuǎn)變的PWM信號(hào)傳輸至IO/IF單元，再經(jīng)IO/IF單元將運(yùn)行指令傳輸至VVVF箱內(nèi)，VVVF箱內(nèi)的控制放大器在接收到指令后控制IGBT，最終控制牽引電機(jī)動(dòng)作。

主要工作路徑，（1）司控器手柄變化后，（2）PMW會(huì)向，（3）IO/IF單元輸出控制指令，IO/IF單元隨后會(huì)將信號(hào)傳送至，（4）VVVF控制箱中，最后通過(guò)控制IGBT使?fàn)恳姍C(jī)達(dá)到想要的工況。列車(chē)牽引控制系統(tǒng)低壓部分電路圖，如圖3所示。

2.3 牽引制動(dòng)指令控制部分介紹

（1）有關(guān)牽引和制動(dòng)指令的傳。DKZ32行列車(chē)牽引和制動(dòng)指令的整個(gè)傳輸過(guò)程中主要有3個(gè)步驟：①列車(chē)牽引力和制動(dòng)力的控制，分為列車(chē)自動(dòng)駕駛（ATO）模式和手動(dòng)駕駛（ATP）模式；②編碼器電流范圍4～20mA，電壓范圍0～10V，轉(zhuǎn)換成PWM指令傳輸給列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)；③車(chē)輛控制單元接收到指令后對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行解碼，車(chē)輛依據(jù)PWM實(shí)際值進(jìn)行制動(dòng)和牽引。

（2）制動(dòng)和牽引指令的產(chǎn)生。ATP駕駛模式時(shí)其指令主要由司控室的手柄和級(jí)位手柄發(fā)出，惰行位、牽引位、常用制動(dòng)位、快速制動(dòng)位等是主要級(jí)位，常用的是制動(dòng)位和牽引位2種級(jí)位。司控器傳輸?shù)骄幋a器的指令，信號(hào)可以通過(guò)0～10V的電壓來(lái)傳輸，或通過(guò)4～20mA的信號(hào)對(duì)其進(jìn)行傳輸，電壓實(shí)際信號(hào)容易實(shí)現(xiàn)，但其容易受到干擾，對(duì)數(shù)據(jù)造成影響，所以電壓傳輸信號(hào)時(shí)，對(duì)EMC的設(shè)計(jì)要注意耦合性干擾，要將編碼器安裝在司機(jī)可以控制的地方，或采用屏蔽性雙絞線(xiàn)接地，避免其受到干擾。

（3）有關(guān)制動(dòng)指令與牽引指令的變換。司控器將牽引指令傳輸給編碼器，編碼器在將指令傳給調(diào)制器，脈寬的實(shí)際輸入電流是4～20mA，電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)后，其信號(hào)頻率只有幾百赫茲，幅值是幾十伏。

（4）制動(dòng)指令和牽引指令的接收。制動(dòng)和牽引指令轉(zhuǎn)換為PMW信號(hào)時(shí)，也會(huì)將電流傳遞出來(lái)，電流傳遞時(shí)會(huì)受電纜長(zhǎng)度、輔助逆變器、VVVF等設(shè)備的影響，造成PWM信號(hào)會(huì)耦合噪聲電壓。

（5）PWM信號(hào)的傳輸線(xiàn)。傳輸線(xiàn)耦合電壓后唯一可以改變的是信號(hào)的幅度，不能改變信號(hào)的寬度，提高信號(hào)抗干擾能力的方法是，通過(guò)接收端將電路整形，消除電路內(nèi)的噪聲。

3 PBF故障分析

3.1 案例情況描述

某線(xiàn)YZ012列車(chē)5#車(chē)發(fā)生牽引制動(dòng)指令同時(shí)施加故障，導(dǎo)致列車(chē)無(wú)法動(dòng)車(chē)、清客救援，造成正線(xiàn)晚點(diǎn)，降低運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量。從故障發(fā)生時(shí)的事件記錄儀的數(shù)據(jù)及VVVF記錄的故障記錄來(lái)看，判斷為下列狀態(tài)時(shí)發(fā)生了FAIL中PBF故障。

故障時(shí)間段記錄儀數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 故障時(shí)間段記錄儀數(shù)據(jù)

當(dāng)某一車(chē)輛的VVVF上發(fā)生異常時(shí)，調(diào)查方法是檢查低壓接線(xiàn)箱－控制放大器之間的“前進(jìn)/倒車(chē)”“牽引/制動(dòng)”配線(xiàn)上有無(wú)錯(cuò)誤配線(xiàn)或混合接觸。控制裝置故障調(diào)查方法，如表2所示。

表2 控制裝置故障調(diào)查方法

3.2 故障查找與分析

（1）故障查找。首先，技術(shù)人員按照要求，對(duì)相應(yīng)所有接線(xiàn)進(jìn)行了仔細(xì)排查。在確認(rèn)接線(xiàn)狀態(tài)良好，且多車(chē)陸續(xù)出現(xiàn)問(wèn)題后，技術(shù)人員將接線(xiàn)及插頭的可能性排除。主要檢查點(diǎn)，如圖4所示。

隨后，開(kāi)始比對(duì)所有故障車(chē)的時(shí)間記錄后發(fā)現(xiàn)，所有車(chē)的故障地理位置完全統(tǒng)一。宋家莊出站后720m，此時(shí)為R=350m的大彎道。亦莊火車(chē)站為下行出站后180m，此時(shí)為下行至上行的道岔。宋家莊站故障點(diǎn)和亦莊火車(chē)站故障點(diǎn)，如圖5所示。

為了驗(yàn)證是否為軟硬件設(shè)計(jì)缺陷問(wèn)題導(dǎo)致，開(kāi)始逐一分析各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、軟件邏輯、硬件設(shè)計(jì)等因素。在調(diào)取電機(jī)故障時(shí)故障參數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)R倒退方向存在制動(dòng)電流Iq[A]。故障時(shí)R方向存在制動(dòng)電流Iq[A]圖，如圖6所示。

（2）故障點(diǎn)確認(rèn)。從故障發(fā)生時(shí)的事件記錄儀的數(shù)據(jù)、VVVF記錄的故障記錄來(lái)看，判斷為下列狀態(tài)時(shí)發(fā)生的PBF。①在ATO自動(dòng)駕駛，牽引狀態(tài)時(shí)；②ATO輸出的牽引量指令非常?。?0%以下比手柄操作時(shí)，牽引1級(jí)還?。?，當(dāng)①和②同時(shí)成立的狀態(tài)下，VVVF輸出扭矩電流（Iq）的值變?yōu)?0A以上（制動(dòng)方向），將造成列車(chē)PBF故障。

3.3 問(wèn)題分析

（1）輪徑問(wèn)題。地鐵列車(chē)正常輪徑在770～840mm之間，某線(xiàn)DKZ32型列車(chē)每節(jié)列車(chē)的輪徑差沒(méi)有要求，而故障車(chē)的輪徑均在780～800mm之間，且臨近的兩節(jié)列車(chē)的輪徑均在830mm以上，各節(jié)車(chē)輪徑差超過(guò)30mm。而每節(jié)列車(chē)在接收到的牽引指令大小一樣的情況，電機(jī)實(shí)際的負(fù)載，工況存在差異。

（2）輪軌問(wèn)題。在核對(duì)軌道線(xiàn)路圖后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生故障時(shí)列車(chē)正在通過(guò)道岔，或半徑較小彎道，輪軌配合條件較為惡劣，對(duì)電機(jī)會(huì)存在部分影響。

綜上所述，在輪徑差較大且列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)，若ATO輸出了一個(gè)較低的牽引指令時(shí)，因車(chē)輪空轉(zhuǎn)或其它機(jī)械原因造成轉(zhuǎn)子速度大于定子速度，并隨之產(chǎn)生制動(dòng)電流，最終引發(fā)了此故障。

3.4 改進(jìn)措施

（1）軟件更改。針對(duì)上述情況，對(duì)牽引控制軟件進(jìn)行了修改更新，在牽引指令較低，制動(dòng)電流較小時(shí)不再認(rèn)為是故障情況。

（2）修改說(shuō)明書(shū)。東洋對(duì)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，故障處理建議進(jìn)行修改，增加內(nèi)容如下：①前進(jìn)指令（4號(hào)線(xiàn)）和后退指令（5號(hào)線(xiàn)）同時(shí)得電時(shí)；②牽引指令（12號(hào)線(xiàn)）和制動(dòng)指令（5號(hào)線(xiàn))）同時(shí)得電時(shí)；③TMS牽引指令（M122號(hào)線(xiàn)）和TMS制動(dòng)指令（M123號(hào)線(xiàn)）同時(shí)得電時(shí)；④在牽引狀態(tài)下，制動(dòng)方向的扭矩分電流（Iq）大于50A時(shí)；⑤電制動(dòng)狀態(tài)下，牽引方向的扭矩分電流（Iq）大于50A時(shí)。

（3）鏇輪要求。列車(chē)鏇輪時(shí)，避免各車(chē)之間的輪徑差大于30mm，確保各設(shè)備在最佳狀態(tài)下工作。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于牽引、制動(dòng)指令同時(shí)存在的故障，本文在不改變ATO駕駛的情況下，提出了相應(yīng)的解決措施，結(jié)果表明措施有效并根除了類(lèi)似故障，同時(shí)在故障查找時(shí)應(yīng)先明白電機(jī)原理，從底層數(shù)據(jù)和電路圖分析入手，深入了解各系統(tǒng)之間的配合關(guān)系，這樣才能有效清除故障，確保地鐵的安全運(yùn)營(yíng)，提高運(yùn)營(yíng)的服務(wù)質(zhì)量。