廣州地鐵4號線列車EP2002制動系統(tǒng)介紹及故障分析

萬 宇

(廣州地鐵車輛中心,廣東廣州510730)

廣州地鐵4號線采用KNORR(克諾爾)生產(chǎn)的EP2002系列電氣模擬指令式制動控制系統(tǒng)。4號線采用的是架控式,即一個制動微機(jī)控制單元控制一個轉(zhuǎn)向架,同一列車的兩個(A+B)車作為一個單元進(jìn)行制動控制。

編組列車的每個A車安裝有一個第4軸切除電磁閥,由于4號線車輛全為動車,為了能在ATO模式下更好的采集速度信號,將每個A車的第4軸空氣制動切除,防止列車出現(xiàn)滑行而導(dǎo)致列車速度采集信號失真。

該系統(tǒng)由一個G閥(網(wǎng)關(guān)閥,Gateway Valve)和一個S閥(智能閥,Smart Valve)組成一個分散式制動控制網(wǎng)絡(luò)。每輛車具有一個G閥和一個S閥(圖1),通過制動控制總線連接。每個閥靠近轉(zhuǎn)向架安裝實施制動控制。每個G閥提供與VVVF牽引系統(tǒng)和TMS系統(tǒng)的接口,同時接受列車指令指示列車狀態(tài)和制動等級。為保持冗余性,系統(tǒng)中所有G閥功能相同,兩個G閥的I/O接口能相互替換。每個G閥和監(jiān)視系統(tǒng)之間有硬件連接指示器,用于對EP2002閥位置的識別。

系統(tǒng)運行時,在以兩輛車為單元組成的制動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,其中一個G閥為主閥。制動指令通過TMS系統(tǒng)向制動和防滑電子控制裝置傳遞,主閥向各個制動閥分配相應(yīng)的制動力進(jìn)行制動和防滑控制。列車制動指令以數(shù)字模式輸入,通過模擬信號傳輸?shù)絇WM,并在TMS備份(圖2)。

主G閥進(jìn)行混合制動,它計算并傳輸模擬制動指令,接受處理ED達(dá)到的制動力。在分散式制動網(wǎng)絡(luò)中,ED制動反饋數(shù)據(jù)通過模擬接口傳輸給主閥和另一個G閥。除接受和傳遞ED制動數(shù)據(jù),主G閥也通過TMS傳輸診斷信號以進(jìn)行故障診斷。

同時另一個G閥處于待命狀態(tài)來監(jiān)視主閥的狀態(tài)。一旦主閥出現(xiàn)故障,通訊給另外一個G閥,備用G閥取代主G閥的功能,由其他3個閥補(bǔ)充故障閥所失去的制動力,避免了因為一個閥的故障而導(dǎo)致整節(jié)車制動力的消失,這樣提高了列車運行的可靠性,這是4號線EP2002系統(tǒng)比其他線路制動系統(tǒng)最大的優(yōu)點。

1 制動控制

1.1 制動功能介紹

廣州地鐵4號線列車制動類型包括常用制動、緊急制動、快速制動、停放制動、保壓制動、防滑保護(hù)等。

PWM列車線向系統(tǒng)發(fā)出制動指令,并以TMS網(wǎng)絡(luò)作為備用,制動指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的壓力指令,與得到的電制動比較計算后主閥通過制動線向其他閥分配相應(yīng)的制動力。

(1)常用制動控制

常用制動控制可以通過列車線、制動模式以及電源模式的不同匹配,利用PWM列車線或TMS網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)。制動控制以PWM列車線為優(yōu)先,若PWM列車線出現(xiàn)故障,將以TMS網(wǎng)絡(luò)作為備用來控制制動。

圖1 閥的布置

圖2 制動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

利用模擬信號向G閥發(fā)送制動命令,主G閥得到命令后通過CAN總線向本單元(A車+B車)的G閥和S閥發(fā)出制動指令。

在人工或ATO控制下,常用制動力在0%—100%之間連續(xù)變化(即平均減速度在0—1.0 m/s2之間連續(xù)變化)。常用制動的實施和緩解的平均沖擊限制值小于0.75 m/s3。該數(shù)值可調(diào)節(jié)。

(2)快速制動

快速制動(平均減速度為1.3 m/s2)通過一條單獨的110 V列車線來激活,激活時電壓值為110 V。

(3)緊急模式下的常用制動控制

無論哪個制動閥檢測到緊急制動,都將產(chǎn)生滿負(fù)荷最大常用制動力作為緊急制動的備用。緊急制動時,VVVF的電制動將被禁止,但是電制動力有效的信號不會減少常用制動壓力。

(4)車輪滑動控制

在4號線列車每根軸上各安裝有一個速度傳感器,用于檢測車軸速度,并通過CAN總線將速度傳遞給各個EP2002閥。如果檢測到列車有滑行,車輪防滑控制裝置啟動,EP2002閥將檢測到的速度通過制動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較,監(jiān)測并控制車輪滑行,并將監(jiān)測到的車輛滑行狀態(tài)傳輸給TMS。

(5)空氣彈簧載荷

通過在列車每個轉(zhuǎn)向架上取一個空氣彈簧的壓力信號,并從每輛車上的兩個轉(zhuǎn)向架采集的空氣彈簧壓力取平均值,作為載荷信號計算空氣制動壓力。系統(tǒng)通過連續(xù)采集空氣彈簧壓力信號,不斷地計算空氣制動壓力,將載荷信號連續(xù)不斷的傳送給TMS。當(dāng)TMS系統(tǒng)發(fā)出所有車門均被關(guān)閉的信號時,載荷信號將被固定(如圖3)。

1.2 EP2002閥介紹

廣州地鐵4號線車輛制動系統(tǒng)EP2002閥主要包括S閥和G閥兩種。

S閥產(chǎn)生電控制信號直接控制氣閥,對該轉(zhuǎn)向架的電空制動和車輪的防滑進(jìn)行控制,并通過制動CAN總線與G閥進(jìn)行通信。另外,S閥還對該轉(zhuǎn)向架的空氣制動系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷及故障顯示。

G閥除了具有S閥的功能外,還具有該節(jié)車的停放制動控制和制動管理功能。施加制動時,它接收各種與制動有關(guān)的信號,計算出當(dāng)時本節(jié)車所需空氣制動力大小的電信號,并將電信號傳輸給其他3個閥,每個閥根據(jù)本轉(zhuǎn)向架的載重而換算出相應(yīng)的空氣壓力,并通過空氣閥單元調(diào)整出需要的空氣壓力傳向轉(zhuǎn)向架的盤形制動器來施加空氣制動。

(1)S閥

S閥是制動系統(tǒng)中的電子控制部分,有兩部分組成,圖4中綠色部分為電子裝置,負(fù)責(zé)通訊和制動控制;黃色部分為閥類元件,負(fù)責(zé)執(zhí)行電子裝置發(fā)出的各項指令。S閥直接安裝在被稱作氣動閥單元(PVU)的氣動伺服閥上。S閥負(fù)責(zé)接收G閥通過CAN總線信號,驅(qū)動氣動閥單元,實現(xiàn)本轉(zhuǎn)向架的各項制動功能。S閥具有以下功能:①常用制動控制;②緊急制動控制;③每一根軸的防滑功能。S閥通過專用的CAN制動總線把從各個位置所獲得的輪軸速度數(shù)據(jù)與從其他閥門(S或G閥)獲得的速度數(shù)據(jù)組合起來,以此來實現(xiàn)車輪防滑保護(hù);④施加制動顯示功能;⑤主風(fēng)缸低壓監(jiān)控;⑥閥身份定位;⑦閥本身故障監(jiān)控及狀態(tài)。

(2)G閥

G閥的電氣和氣閥部件與S閥相同,除具有S閥的所有功能,還具備了制動計算及分配、本單元車的制動控制和故障性能數(shù)據(jù)管理功能。除此之外,G閥還負(fù)責(zé)與TMS和列車線之間的通訊,以及本單元車內(nèi)的各個閥之間的CAN總線通訊。空壓機(jī)起停也是由G閥控制(圖5)。

圖3 BCU控制氣路圖

圖4 S閥控制示意圖

圖5 G閥內(nèi)部功能示意圖

1.3 EP2002閥與列車線、TMS和VVVF通訊

EP2002閥通訊接口包括VVVF通訊、TMS、CAN及維護(hù)接口、速度傳感器、列車線及其他控制線信號(圖6)。

(1)EP2002閥與列車線之間的通訊

①110 V直流電源;②0 V地線;③快速制動指令;④緊急制動指令;⑤制動命令;⑥電源模式;⑦保壓制動請求;⑧拖車模式;⑨ATO模式;⑩制動需求。這些模擬信號通過列車直接傳送給EP2002閥,其中G閥可以接收所有的信號,而S閥只能接收110 V直流電源及緊急制動指令。

圖6 EP2002閥通訊示意圖

(2)EP2002閥與TMS之間的通訊

EP2002閥通過RS485與TMS進(jìn)行通訊,TMS作為列車線的熱備份,當(dāng)列車線出現(xiàn)故障,TMS作為備用進(jìn)行制動控制。除此之外,EP2002閥通過TMS將閥狀態(tài)及故障信息發(fā)送到中央控制單元,并且在顯示屏上顯示。

(3)EP2002閥與VVVF之間的通訊

正常情況下,主G閥累計計算每個VVVF的電制動力大小,然后計算出所必需的摩擦制動力后,平均地分配給A—B單元的制動閥。G閥和VVVF之間的通訊如圖7。

圖7 EP2002閥與VVVF之間的通訊

G閥負(fù)責(zé)與VVVF之間的通訊,并且制動系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)只有4個信號進(jìn)行通訊:

①電制動有效。當(dāng)VVVF產(chǎn)生電制動時,VVVF發(fā)送電制動有效信號給G閥。在制動的開始階段,制動系統(tǒng)使用該信號限制沖擊。電制動有效是二元電頻信號,高電頻表示信號有效。

②電制動退出。在速度大約為6 km/h(具體數(shù)值可調(diào))時,VVVF將會向G閥發(fā)送一個電制動退出信號,空氣制動壓力隨之按照比例增大,執(zhí)行保壓制動。除保壓制動外,在電空制動轉(zhuǎn)換后,空氣制動壓力將根據(jù)沖擊限制與載荷成正比。

③電制動力大小。該信號為4—20 mA的模擬信號,代表0—44 kN的電制動力。制動時,G閥不斷接收來自VVVF的電制動力信號,并且根據(jù)載荷信號計算列車需要的總制動力,判斷是否需要空氣制動補(bǔ)充。

④載荷信號。每個G閥將發(fā)送車總重信號給VVVF,信號的大小為4—20 mA,對應(yīng) AW0—AW3之間的車總重。

(4)速度傳感器信號

每個軸的速度傳感器信號都直接送給控制轉(zhuǎn)向架的EP2002閥,在CAN內(nèi)該信息被送至各個EP2002閥。

(5)施加制動信號

EP2002閥內(nèi)有一個常閉的施加制動繼電器,每個閥檢測各自轉(zhuǎn)向架的制動缸壓力,當(dāng)制動缸壓力＞50 kPa,施加制動繼電器常閉觸點斷開,施加制動信號被發(fā)出,列車施加制動燈亮;當(dāng)制動缸壓力＜50 kPa時,施加制動繼電器恢復(fù)閉合狀態(tài),列車緩解燈亮。

(6)其他信號

G閥通過控制線發(fā)出3個信號:空壓機(jī)開啟信號、嚴(yán)重故障信號和ECU關(guān)閉信號。

1.4 制動管理

在正常情況下,主G閥累計計算每個VVVF的電制動力大小,然后計算出所必需的摩擦制動力后,平均地分配給A—B單元的制動閥。

每個G閥將發(fā)送車總重信號給VVVF,信號的大小為4—20 mA,對應(yīng) AW0—AW3之間的車重(圖8)。A車AW3=AW0+312×60kg=48.59 t,B車 AW3=AW0+347×60kg=50.69 t,車總重(平均)=(48.59+50.69)/2=49.64 t。

圖8 電流與車總重信號關(guān)系

當(dāng)VVVF產(chǎn)生電制動時,VVVF發(fā)送DB有效信號給G閥。在制動的開始階段,制動系統(tǒng)使用該信號限制沖擊。①ED大小信號:VVVF發(fā)給G閥ED大小信號,G閥算出需要的摩擦制動。

ED失效信號:在速度大約為6 km/h(具體數(shù)值可調(diào))時,VVVF將會向G閥發(fā)送一個電制動減弱信號,空氣制動壓力隨之按照比例增大。

TMS用由ECU傳送來的空氣彈簧壓力計算出所需的制動力。TMS傳送所需的制動力到牽引系統(tǒng),并監(jiān)視實際的電制動力。同時TMS也傳輸所需的制動力給制動系統(tǒng)。TMS傳送牽引系統(tǒng)實際的電制動力給制動系統(tǒng),制動系統(tǒng)用其來減少所需制動力。制動系統(tǒng)從所需制動力中減去實際電制動力,用計算結(jié)果來產(chǎn)生空氣制動力大小。

正常情況下,主G閥累計計算每個VVVF的電制動力大小,然后計算出所必需的摩擦制動力后,平均地分配給A-B單元的制動閥。當(dāng)A車或B車的S閥故障時,本單元(A+B)的其余閥通過CAN總線自動補(bǔ)充失去的制動力;當(dāng)A車的G閥故障時,B車的G閥成為主閥,接收制動命令,本單元(A+B)的其余閥通過CAN總線自動補(bǔ)充失去的制動力;當(dāng)B車的網(wǎng)關(guān)故障時,本單元(A+B)的其余閥通過CAN總線自動補(bǔ)充失去的制動力。

2 地鐵4號線制動系統(tǒng)故障分析

廣州地鐵4號線從2005-12運營至今,EP2002系統(tǒng)總體運行較穩(wěn)定,但也暴露出一些問題。

2.1 EP2002閥典型故障分析

(1)列車制動速度傳感器故障

在對051052車進(jìn)行制動距離測試試驗時,利用制動軟件Brake Consultant的REAL TIME功能,發(fā)現(xiàn)04B052車第一軸速度傳感器沒有速度值(見圖9)。列出回庫后,首先對04B052車第一軸速度傳感器齒輪及光柵探頭以及接頭進(jìn)行檢查,均正常;接著對G閥PL1插頭到速度傳感器接頭之間的線路進(jìn)行校驗,未發(fā)現(xiàn)異常。然后將該軸速度傳感器連接線與其他功能正常的軸進(jìn)行互換,故障沒有轉(zhuǎn)移。至此,初步確認(rèn)是由于G閥內(nèi)速度傳感器電源模塊故障,不能輸出15 V電源所致,通過更換新G閥后試驗正常。

圖9 04B052車第一軸速度傳感器無信號

(2)G閥故障

正線053054車53單元正線報ECU嚴(yán)重故障,導(dǎo)致清客。列車回庫后,多次讀取53單元車制動數(shù)據(jù)不成功,通過復(fù)位04A053車制動控制電源,強(qiáng)制將主G閥轉(zhuǎn)換至53B車后,能夠讀取 53單元制動數(shù)據(jù),通過故障數(shù)據(jù)記錄發(fā)現(xiàn)04B053車G閥頻繁報出網(wǎng)上出現(xiàn)閥丟失、CAN總線通訊丟失等故障。

ECU故障數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)53單元有一個閥開始頻繁的出現(xiàn)與主G閥通訊中斷,而且通過切換A車主G閥后就能順利讀取故障數(shù)據(jù),懷疑出現(xiàn)通訊故障的閥就為A車G閥。隨后檢修人員更換了04A053車G閥,重新上電試驗制動紅點消失,制動功能正常,上試車線進(jìn)行牽引、制動動態(tài)試驗均正常。

(3)S閥故障

04A002車正線報 ECU嚴(yán)重故障,故障代碼為7001。列車回庫后讀取 ECU制動故障數(shù)據(jù),并對04A002的G閥、S閥的插頭等部件進(jìn)行外觀檢查,校核A車G閥與S閥、A車G閥與B車G閥之間的CAN總線,校線未發(fā)現(xiàn)異常,屏蔽線接地也正常。根據(jù)故障發(fā)生的時間及工況,對04A002車數(shù)據(jù)分析后初步懷疑為A車S閥有故障。

由于ECU嚴(yán)重故障是通過G閥內(nèi)的ECUFR常閉觸點動作,經(jīng)605線發(fā)給CCU的。檢查該段線路也是正常的。至此,可以排除由于外部線路導(dǎo)致的故障,通過更換故障端04A002車的S閥后試驗正常。

2.2 通信干擾

4號線開通初期,許多列車由于CAN總線受通訊干擾出現(xiàn)的ECU紅點故障頻繁,多次造成正線晚點、清客事件,對正線運營帶來較大影響。

通過對列車紅點故障統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)其故障代碼均為CAN_BUS_FAILED SET,MESSAGE-LOST-ERROR SET,故障描述為主G閥與S閥之間的通訊中斷,提示需要檢查CAN總線。將電器柜和車下CAN總線屏蔽線接地,列車報制動系統(tǒng)通訊中斷故障明顯減少,但是還是未能完全解決列車非EP2002閥硬件故障導(dǎo)致的ECU紅點故障問題。

4號線列車制動系統(tǒng)與車上其他系統(tǒng)一樣,主要通過列車硬連線進(jìn)行控制,網(wǎng)絡(luò)控制為輔。ECU與TMS之間通過不斷發(fā)送和接收數(shù)據(jù),來保證良好的通信,即TMS發(fā)送SDR(狀態(tài)數(shù)據(jù)請求)給ECU,當(dāng)ECU接到SDR后發(fā)出SD(狀態(tài)數(shù)據(jù))給 TMS,但是當(dāng)出現(xiàn)①ECU超過250 ms沒有收到SDR;②數(shù)據(jù)包校驗和持續(xù)檢測時間小于或大于250 ms;③SDR的校驗碼超過250 ms還沒有更新3種情況時,ECU將會發(fā)送一個NOSDR信號給TMS,而TMS檢測到這個信號超過3 s未清除,就會報出ECU通信錯誤故障。選用一列車進(jìn)行試驗,通過制動軟件發(fā)送NOSDR信號給TMS,通過TMS檢修界面的傳輸數(shù)據(jù)檢查,確認(rèn)ECU與TMS之間的通信正常。

隨后,克諾爾對4號線所有列車制動系統(tǒng)車載軟件進(jìn)行優(yōu)化,提高列車制動系統(tǒng)EP2002閥內(nèi)故障觸發(fā)報警等級,使得問題得到了很好的解決。

2.3 防列車溜車

4號線列車進(jìn)站停車后曾出現(xiàn)過列車發(fā)生溜車的情況,對正線運營造成重大影響。通過分析,當(dāng)列車在處于坡道位置停車時,容易發(fā)生溜車;同時還發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車在人工駕駛模式下不會出現(xiàn)溜車,但是在ATO模式下卻容易出現(xiàn)溜車的情況。究其原因是由于保壓制動的施加時間問題,如果在列車停車后才施加保壓制動,就容易出現(xiàn)溜車的情況。如果列車在停車前就開始施加保壓制動,就不會出現(xiàn)溜車的情況。

在人工駕駛下,列車保壓制動的施加是在列車運行速度降至0.2 km/h時延遲0.6 s時由車輛牽引系統(tǒng)發(fā)出;而在ATO模式下,只有在列車停車后的0.3—0.9 s時間內(nèi),信號系統(tǒng)才發(fā)出保壓制動指令。有針對的要求列車在ATO模式下,待列車停穩(wěn)之后,向后拉動手柄,使列車提前發(fā)出保壓制動指令,有效的解決了列車行車的情況。

2.4 未安裝假針

圖10 EP2002閥插頭

在4號線EP2002系統(tǒng)使用較長時間,閥A、B插頭的空缺針孔內(nèi)都沒有安裝密封針。由于EP2002閥A、B插頭的空缺針孔未密封,插針底座因有空孔導(dǎo)致受力不均,使插針容易退針和歪斜,影響插頭拔插效果,同時插頭有孔,灰塵和水氣容易滲入。因此,對插頭進(jìn)行改造,首先用潤滑劑對插頭內(nèi)的空缺針進(jìn)行潤滑,將塑料假針埋入插頭。通過對假針的補(bǔ)裝,A、B插頭內(nèi)的插針沒有再出現(xiàn)有彎曲和退針現(xiàn)象,有效降低了制動系統(tǒng)故障(如圖10)。

3 結(jié)束語

EP2002制動系統(tǒng)作為新產(chǎn)品在廣州地鐵4號線投入使用,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,部件模塊化程度高,維護(hù)工作量低,系統(tǒng)功能較穩(wěn)定。但在使用過程中也出現(xiàn)一些問題,其價格比較昂貴,且一旦閥內(nèi)部出現(xiàn)故障,檢修車間沒有得到維修授權(quán),且暫不具備維修能力,需要進(jìn)行委托外部維修,維修成本高。

[1]周志輝.廣州地鐵3號線電動車組的制動控制[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2004,(4):14-17.

[2]朱 翔,肖向前.廣州地鐵3號線列車EP2002制動系統(tǒng)及故障分析[J].機(jī)車電傳動,2008,(3):58-59.

[3]KNORR-BREMSE.B-ET21.200-enRev7[Z].Germany:KNORR-BREMSE,2009.