某型動車組國產(chǎn)化充電機外接供電信號異常輸出分析

鄒 穎， 徐 廷

（中車唐山機車車輛有限公司， 河北 唐山 063035）

0 引言

我國高速鐵路總里程已超過4 萬公里， 每天開行4000 多組，已經(jīng)逐步形成貫通南北、銜接?xùn)|西的“八縱八橫”鐵路運輸網(wǎng)。 2021 年2 月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》， 到2035 年高速鐵路運營里程將達到7 萬公里。

1 充電機概述

充電機是各型動車組輔助供電關(guān)鍵部件，輸出DC110V。通常8 編組動車組設(shè)置兩個充電機，互為冗余；本車型，充電機設(shè)在04、05 車。

國產(chǎn)化充電機電路見圖1，其中X4 的A3、A4 是外部DC 110V 電源檢測觸點。

圖1 充電機電路圖

2 存在問題及原因分析

2.1 存在問題

2021 年某日，某動車組施加牽引時，動車組發(fā)生牽引封鎖，全列無牽引電流，無法動車。

由CCU 數(shù)據(jù)可知，運行途中05 車報651F（啟動外部供電）、0822（M1300 控制程序故障，M1300 為原型充電機主控制板）和0819（外部電源已插上），當(dāng)車組停車后報出90AA（因為外部電源供電而禁止運行），導(dǎo)致全列牽引封鎖。

2.2 調(diào)查分析

通過數(shù)據(jù)分析，判斷引起本次故障原因是動車組05車充電機通過MVB 錯誤發(fā)送了蓄電池正在外接供電的信號。 導(dǎo)致該故障的可能原因， 一是外部充電反饋線故障，二是充電機控制模塊故障。

庫內(nèi)檢查05 車充電機至蓄電池外部供電線路，導(dǎo)通及絕緣均正常，排除該原因。 在依次更換05 車充電機控制模塊內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、網(wǎng)關(guān)擴展卡DIO 模塊、網(wǎng)關(guān)擴展卡AIO 模塊， 發(fā)現(xiàn)只有在更換網(wǎng)關(guān)擴展卡DIO 模塊后，0819、0822、651F 故障消除，車組狀態(tài)正常，牽引測試正常，判斷是網(wǎng)關(guān)擴展卡DIO 故障。

遂判斷為05 車充電機內(nèi)部網(wǎng)關(guān)擴展卡DIO 模塊故障，導(dǎo)致異常輸出高電平信號，主控制器誤認(rèn)為接入外接電源，報出651F 等代碼，當(dāng)車組速度為零時，封鎖牽引。更換05 車充電機網(wǎng)關(guān)擴展卡DIO 模塊后正常。

2.3 原理分析

2.3.1 控制單元架構(gòu)

控制單元架構(gòu)圖見圖2。

圖2 充電機控制單元架構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)單元由具有MVB 通信的HSEC500-MVB 主機及開關(guān)量和模擬量擴展模塊構(gòu)成，統(tǒng)稱為HSEC500。

主控單元由HSEC 200 主控板和電源板一起裝在一個盒子中，有統(tǒng)一的外部連接器引出線，統(tǒng)稱為HSEC200。 主控單元系統(tǒng)是整個充電機的控制單元，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和計算，包含內(nèi)部信號的控制，系統(tǒng)邏輯的控制，IGBT PWM 的控制。

2.3.2 外部供電信號的軟件控制邏輯

外部供電信號走向見圖3。

圖3 外部供電信號走向

（1） 開關(guān)量擴展模塊控制邏輯。 開關(guān)量擴展模塊一方面負(fù)責(zé)外部信號的采集，同時承擔(dān)與網(wǎng)關(guān)主機通信功能，通信方式為差分總線。當(dāng)主機需要獲取開關(guān)量的狀態(tài)時，直接從開關(guān)量擴展模塊中讀取；同時在開關(guān)量擴展模塊內(nèi)部有心跳計數(shù)器，可供主機讀取，用作診斷擴展模塊是否在線。

（2）網(wǎng)關(guān)主機的采集。網(wǎng)關(guān)主機模塊通過總線從開關(guān)量擴展模塊中讀取開關(guān)量狀態(tài)，“110 V 外接供電輔助觸點”硬件開關(guān)信號連接在DI0 端子，網(wǎng)關(guān)讀取該硬件信號的高低電平狀態(tài)（110 V 為高電平讀為“1”，0 V 為低電平讀為“0”）；同時網(wǎng)關(guān)通過RS485 通信（應(yīng)用層使用MODBUS 協(xié)議）將該狀態(tài)發(fā)送給充電機控制板。

（3）主控板的采集和處理。主控板通過RS485 通信接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的“110V 外接供電輔助觸點”狀態(tài)信號；若狀態(tài)位為1 則充電機做停機處理， 若狀態(tài)位為0 則不做處理；同時將該信號轉(zhuǎn)發(fā)至RS485 發(fā)送端口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

（4）網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)（RS485-MVB）。網(wǎng)關(guān)將從主控板讀取的RS485 數(shù)據(jù)“110V 外接供電輔助觸點”狀態(tài)信號，按照MVB 通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)處理。

（5）蓄電池外部供電原理。當(dāng)蓄電池需要外部電源供電時，通過X21 插頭與外部電源連接。X11 插頭的3、4 口將外部充電的信息傳遞至充電機內(nèi)的控制模塊， 由控制模塊將外部充電信號通過MVB 發(fā)送至CCU 中。 正常情況下，蓄電池?zé)o需外部供電，此時外部供電信號處于低電平（MVB 反饋信號為0）狀態(tài)。

根據(jù)列車控制邏輯，當(dāng)蓄電池處于外部供電時（信號為高電平）， 為防止閉合主斷路器后沖擊輔助供電系統(tǒng)（充電機、蓄電池及外部供電設(shè)備等），列車將封鎖本牽引單元的TCU，防止主斷路器閉合。

當(dāng)CCU 接收到蓄電池外部供電激活時， 報出651F。若車組靜止?fàn)顟B(tài)，輔助供電系統(tǒng)將禁止?fàn)恳?，?dǎo)致牽引封鎖無輸出。 若車組非靜止?fàn)顟B(tài)，不會影響牽引。

2.4 試驗情況

2.4.1 網(wǎng)關(guān)及擴展模塊試驗

將外部供電的信號接到網(wǎng)關(guān)擴展開關(guān)量模塊的輸入端，模擬外部信號輸入，使用PC 機中的通信軟件，模擬主控單元，接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的開關(guān)量，通過對網(wǎng)關(guān)及擴展模塊的單獨測試，外部信號的閉合或斷開都能被網(wǎng)關(guān)采集，未發(fā)現(xiàn)信號異常的現(xiàn)象，未重現(xiàn)車上相關(guān)的故障現(xiàn)象，如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)及擴展模塊試驗原理

2.4.2 網(wǎng)關(guān)及擴展模塊整機試驗

將故障設(shè)備替換到樣機上，模擬列車通訊環(huán)境，連接外部通信以及硬件信號， 外部信號的閉合或斷開都能被網(wǎng)關(guān)采集并通過網(wǎng)絡(luò)上傳，未發(fā)現(xiàn)信號異常的現(xiàn)象，未重現(xiàn)車上相關(guān)的故障現(xiàn)象，如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)及擴展模塊整機試驗原理

2.4.3 故障還原疲勞性循環(huán)試驗

歷經(jīng)3 天， 共斷合DC 110 V 外接信號21934 次，信號施加10s，取消10s，循環(huán)操作；當(dāng)硬件信號試驗次數(shù)達到1000 次時，斷充電機一次，充電機重新上電21 次，未發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，未重現(xiàn)車上相關(guān)的故障現(xiàn)象。

2.4.4 產(chǎn)品外部供電的EMC 試驗

充電機信號端口X4-A4 干擾源干擾測試，測試項點包括：快速瞬變脈沖群、浪涌，射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)騷擾抗干擾度，未發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，未重現(xiàn)車上相關(guān)的故障現(xiàn)象，見表1。

表1 EMC 試驗要求

4 項試驗都未出現(xiàn)車上相關(guān)的故障現(xiàn)象。

2.5 對比分析

在進一步核對充電機軟件時， 發(fā)現(xiàn)無論列車是否運行都會發(fā)送該信號，列車速度未參與該信號的控制邏輯；同時“外接充電開關(guān)閉合”信號未采取濾波處理，直接將該信號轉(zhuǎn)發(fā)送給列車網(wǎng)絡(luò)， 存在干擾時不排除會出現(xiàn)誤報現(xiàn)象。而原供應(yīng)商充電機的主控器針對“外接充電開關(guān)閉合”信號設(shè)置了軟件濾波功能。

3 解決措施

線上遇到因充電機內(nèi)部故障導(dǎo)致誤報651F、0819、0822 等故障，造成牽引封鎖的，在充電機空開復(fù)位無效的情況下，可通過斷開故障充電機供電空開32-F51，再進行斷蓄電池復(fù)位恢復(fù)牽引，牽引恢復(fù)后可維持正常運行。

651F 故障代碼現(xiàn)為3 級代碼且不上屏，將651F 代碼優(yōu)化為1 級代碼，同時彈屏提示，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，快速應(yīng)急處理。

充電機優(yōu)化：①充電機軟件將增加濾波處理，將“外接充電開關(guān)閉合”信號設(shè)定濾波時間持續(xù)200ms，才認(rèn)為是有效信號；②充電機將增加列車速度參與“外接充電開關(guān)閉合”信號上傳邏輯。 列車運行時出現(xiàn)的外接充電開關(guān)閉合信號，不再上傳到列車網(wǎng)絡(luò)中；③充電機將增加拓展模塊、控制板響應(yīng)異常的內(nèi)部檢測，當(dāng)模塊異常時，上報模塊故障；④增加硬件容錯能力，將110V 外接供電信號分別接入DI0 接口和DI7 接口，網(wǎng)關(guān)采集兩路信號，信號相同時才認(rèn)為有效。

4 結(jié)論

相關(guān)信號未經(jīng)濾波處理造成誤報。

整體控制邏輯不完善，核心故障代碼等級低，未上司機室顯示屏，不能及時發(fā)現(xiàn)問題；列車速度信號未參與“外接充電開關(guān)閉合”信號上傳邏輯；信號采集無容錯能力。

因車輛環(huán)境復(fù)雜，開關(guān)量信號容易受到干擾，整車設(shè)計要梳理那些因開關(guān)量異常輸出造成動車組停車的信號，做好控制邏輯整體設(shè)計，采取多種措施，排除干擾源帶來的影響。