地鐵列車空氣制動控制系統功能及應用分析

摘要：深圳地鐵二期列車采用了KNORR（克諾爾）公司推出的最新一代產品EP2002空氣制動控制系統。文章對深圳一、二期地鐵列車空氣制動控制ESRA、EP2002系統的特點進行了描述，介紹了EP2002閥的結構原理和內部氣路，并結合結構和控制原理對EP2002系統、ESRA系統的應用進行了對比分析。

關鍵詞：深圳地鐵；空氣制動控制系統；結構原理；內部氣路；架控模式 文獻標識碼：A

中圖分類號：U260 文章編號：1009-2374（2016）10-0055-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.027

1 概述

深圳地鐵二期列車采用了KNORR（克諾爾）公司推出的最新一代產品EP2002空氣制動控制系統。該系統的主要特點是將空氣制動控制由車控轉變為架控模式，較一期22列車項目傳統的ESRA系統在結構及應用上均有所改進。

1.1 EP2002系統的特點

二期列車的制動控制系統采用了分布式結構的架控形式，即一個EP2002閥只控制一個轉向架。如果某一EP2002閥出現故障，只需切除相應轉向架上空氣制動的控制電源，即可使故障對列車運行的影響減至最小。

EP2002系統將制動控制和制動管理電子設備以及常用制動（SB）氣動閥、緊急制動（EB）氣動閥和車輪防滑保護裝置（WSP）氣動閥都集成到裝在各轉向架上的機電包中。氣動系統可以通過一個中心點向各個EP2002閥門供風或從各處向閥門供風。整個EP2002制動系統采用模塊化設計，結構緊湊，可適用多種配置、安裝方式，使用和維修更為便利。

1.2 制動系統的位置及組成

制動系統在整個列車控制中接收到列車控制系統發出的指令，由壓縮機提供風源，通過系統內部對指令的識別施加或緩解制動（圖1EP2002系統指令遞）。制動系統主要由EP2002閥、制動控制模塊以及其他輔助部件組成。其核心部件是機電一體化的電磁閥，即EP2002閥。因通信網絡的功能不同，分為網關閥（Gateway valve）、智能閥（Smart valve）。

圖1 EP2002系統指令傳遞

2 EP2002閥介紹

以六節車編組的制動系統為例，三節車自成一個相對獨立的制動控制單元，單元車EP2002閥之間采用CAN網絡通信，考慮到制動控制網絡與列車控制網絡的數據傳遞以及通信故障的備份，單元車制動控制單元設置兩個網關閥、四個智能閥，每節車按照“智能閥+智能閥”或“智能閥+網關閥”的組合配置（如圖2所示），其分別安裝在其所控制轉向架附近的車體底架上。所有的EP2002閥上均帶有多個壓力測試口，可以方便地測量儲風缸壓力、常用制動缸壓力、車輛載荷壓力以及停放制動缸壓力等。

圖2 EP2002系統配置

2.1 智能閥（Smart Valve）

智能閥的內部結構圖如圖3所示。它是一個機電一體化的組合產品，包括電子控制板（RBX）、電源板（PSU）和氣動閥單元（PVU）組合件。安裝在氣動閥單元上的電子控制板能接收電控制信號并直接控制氣動伺服閥，對相應轉向架上制動器內制動缸的壓力做出調整，可對每個轉向架進行常用制動和獨立的緊急制動控制。

圖3 智能閥內部結構圖

閥件受軟件和硬件的聯合控制和監控，可對該轉向架的空氣制動系統進行故障診斷及顯示。通過專用CAN制動總線和其他EP2002閥進行通信，結合各車軸所產生的車軸速度數據與其他閥件傳來的速度數據比較，即可實施車輪防滑保護功能。智能閥通過硬線與列車安全回路相連。當安全回路失電時，智能閥將使該轉向架產生緊急制動。其輸入和輸出接口形式如圖4所示：

圖4 智能閥的輸入和輸出接口示意圖

主要有如下八個方面的功能：（1）常用制動時，對單個輸出制動壓力進行調整并輸出制動缸壓力；（2）緊急制動時，對單個輸出制動壓力進行調整并輸出制動缸壓力；（3）防滑控制（WSP控制）；（4）對制動風缸壓力進行監控；（5）對兩個軸制動缸壓力進行監控；（6）對停放制動壓力進行監控；（7）對負載稱重進行測量；（8）與其他EP2002閥進行通訊，并向網關閥報告本車故障監視情況。

2.2 網關閥（Gateway Valve）

網關閥的內部結構如圖5所示。它比智能閥多了兩塊電路板——網絡通信板和制動控制板，網關閥除了具有智能閥的所有功能外，同時還可以進行制動管理并為列車監控系統提供通信接口。

圖5 網關閥內部結構圖

圖6 網關閥的輸入和輸出接口

網關閥向本單元車CAN總線上所有EP2002閥傳遞制動參數。在分布式控制網絡中，其制動指令的發布功能只需要通過一個網關閥便可以對列車上以每輛車為單位的制動系統發送制動力要求，以達到司機或ATO對制動力要求。同時，網關閥還提供EP2002控制系統與列車控制系統的連接。網關閥的輸入和輸出接口如圖6所示。

2.3 EP2002閥內部氣路結構

所有的EP2002閥的氣動結構和內部氣路都是相同的，其氣路圖如圖7所示。閥內的氣動部分主要是由壓力調整模塊、制動缸壓力調整模塊、連接閥和壓力傳感器四部分構成。

圖7 EP2002閥內部氣路圖

2.3.1 壓力調整模塊（A、B、C部分）。壓力調整模塊包括初級調整閥（A部分）、負載稱重模塊（C部分）和次級調整閥（B部分）。

初級調整閥（A部分）是一個中繼閥，它可以根據負載稱重閥（C部分）所提供的控制壓力對送風壓力進行調整，最后將送風壓力調整到相應的緊急制動壓力向制動缸壓力調整模塊（D部分）輸出。如果負載稱重模塊（C部分）發生故障時，初級調整閥還可以通過機械方式提供一個空載（AW0）的緊急制動壓力。負載稱重閥（C部分）接收來自空氣簧的壓力信號（ASP1/ASP2），并根據接收到的壓力信號為初級調整閥（A部分）提供一個控制壓力，該控制壓力與空氣簧的壓力成正比，對初級調整閥的預置壓力進行修改，此控制壓力在常用制動和緊急制動時都有效。

次級調整閥（B部）是初級調整的上游裝置，它的作用只是限制提供給制動缸的最大壓力不超過超員載荷（AW3）下緊急制動壓力的水平。

2.3.2 制動缸壓力調整模塊（D部分）。制動缸壓力調整模塊（D部分）負責將壓力調整模塊所輸出緊急制動壓力調節到要求的壓力水平，該模塊還可以在輪對的防滑功能被激活時，對制動缸壓力進行獨立控制，即對制動缸施行排氣控制。

2.3.3 連通閥（E部分）。連通閥可以使同一轉向架兩個軸上的制動缸連接到一起或者分開。在常用制動和緊急制動時，兩個軸上的制動缸輸出氣路相通，以轉向架為單元施加制動力；在輪對防滑功能被激活時，兩個車軸的制動缸被分開，每個車軸的制動缸壓力在制動缸壓力調整階段（D部分）進行獨立控制，對相應打滑軸上的制動缸進行排氣減壓控制。

2.3.4 壓力傳感器（F、G部分）。壓力傳感器（F和G部分）用于制動缸，負載稱重、制動風缸和停放制動等壓力點的測量，測得的壓力信號供內部調節和外部顯示使用。

2.4 ESRA系統控制原理

一期列車制動控制系統采用了集中式車控模式，即一節車的BCU制動系統控制該節車的兩個轉向架。如某一BCU出現故障，則將喪失整節車的制動力。其控制原理是通過MVB（串接接口總線）從司控器接收制動指令信號，由EBCU調節并傳至電氣控制單元（BCU；B01.06），BCU上的模擬轉換器（B01.06.a）將電壓轉化為相應的制動缸壓力。電信號向控制壓力的轉化相對于指令信號是閉環控制。控制回路由施加及緩解電磁閥、壓力傳感器（測量實際壓力）及控制兩個電磁閥相對于指令信號及實際壓力值間差異的調節器組成，根據預控壓力傳感器信號選擇性地控制施加或緩解電磁閥信號，EBCU使指令與制動缸壓力間保持有恒定的關系，控制回路導致“電壓比壓力”間的特征有最佳的滯后及精確的線性度。

一個EP2002閥相當于ESRA空氣制動系統中的微機控制單元（EBCU）加上制動控制單元BCU的組合，此外它還具有網絡通信、防滑保護等功能。

3 EP2002系統、ESRA系統應用情況對比分析

3.1 應用成本分析

3.1.1 列車配置成本。6節編組列車應用ESRA系統需配備2個EBCU和6個BCU，應用EP2002系統則需配備12個EP2002閥，因此采用EP2002系統較ESRA系統需增加配置成本約30%。

3.1.2 維修成本。EP2002系統閥件為高度集成的整體部件，硬件故障維修權限仍控制在生產廠家。一旦發生發硬件故障，須整體更換后發回原生產地進行拆卸維修，可維修性差，用戶靈活度小，維修費用昂貴；而ESRA系統閥件為單個閥件通過模板閥組合連接而成，硬件故障后，用戶可進行拆卸維修，可維修性強，用戶靈活度大，維修費用相對便宜。EP2002系統硬件故障維修成本較ESRA系統閥件高約50%～100%。

3.2 設備穩定性分析

在實際應用中，系統表現狀態良好，其故障率在可接受范圍內，均遠遠低于列車平均故障率。典型故障均集中在軟件配置、數據傳輸及密封圈破損、壓力開關閥值偏差等方面。EP2002在結構及功能設計中控制回路設計更加合理，系統控制更加精準，在系統穩定性方面優于ESRA系統，很少發生傳感器故障，因此整體故障率也略低于ESRA系統。

4 結語

綜上，就系統配置和功能而言，EP2002系統較ESRA系統，其結構緊湊，系統功能更趨穩定，冗余度更高；但就成本和可維修性而言，EP2002系統較ESRA系統，其配置和維修成本高，維修周期長，且可維修性差，用戶靈活度小。隨著各個城市軌道交通線路增多，形成網絡化規模效應時，用戶對列車制動控制系統的選用將日漸成熟。

參考文獻

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作者簡介：歷寧（1981-），廣東深圳人，供職于深圳市地鐵集團有限公司運營總部線網管控中心，研究方向：地鐵運營管理。

（責任編輯：黃銀芳）