冗余設(shè)計(jì)在高速動(dòng)車組列車故障診斷中的應(yīng)用

宋雨哲　馬英超　么舜禹

摘 要：本文通過對(duì)高速動(dòng)車組通信總線、整體控制方式、核心部件的冗余情況的研究分析，提出了高速動(dòng)車組故障診斷方法，尤其在如何快速準(zhǔn)確確認(rèn)故障點(diǎn)方面，提供了新的有效手段，拓展了故障處理思維，打破了以往的故障處理常規(guī)，得到了動(dòng)車組運(yùn)用、維護(hù)中故障處理的新思維和新方法。

關(guān)鍵詞：冗余設(shè)計(jì)；高速動(dòng)車組；故障診斷；新思維新方法

高速動(dòng)車組運(yùn)行速度高，控制系統(tǒng)復(fù)雜。為了提高車組運(yùn)用的安全性與可靠性，保證單個(gè)元件的損壞不會(huì)影響列車的正常運(yùn)行，采用冗余的方式對(duì)高速動(dòng)車組的設(shè)計(jì)是必須的，充分利用高速動(dòng)車組的冗余設(shè)計(jì)概念可以提高動(dòng)車組故障診斷效率。

一、列車通信總線的冗余設(shè)計(jì)

CRH3型動(dòng)車組控制系統(tǒng)主要采用列車級(jí)-WTB（Wire Train Bus）列車總線、車輛級(jí)-MVB（Multifunction Vehicles Bus）多功能車輛總線兩級(jí)總線構(gòu)成的TCN列車控制網(wǎng)絡(luò)。以CRH380B型動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，

CRH3型動(dòng)車組通信系統(tǒng)在冗余上WTB和MVB是類似的，各個(gè)數(shù)據(jù)總線通過Line A和Line B同時(shí)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，但相關(guān)的設(shè)備只從其中一條線路接受數(shù)據(jù)，此線路稱作信任線，設(shè)備同時(shí)監(jiān)視另一條線路，此線路稱為監(jiān)視線。當(dāng)滿足一定條件時(shí)，設(shè)備交換信任線和監(jiān)視線。

二、 列車整體控制方式冗余分析

CRH3型動(dòng)車組高壓系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等控制都是由列車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)完成的，出于列車安全性的考慮，相關(guān)的系統(tǒng)都設(shè)有硬件的保護(hù)電路。其中每個(gè)牽引單元設(shè)有一個(gè)完整的高壓系統(tǒng)，車頂隔離開關(guān)用來隔離故障牽引單元，緊急關(guān)斷環(huán)路用于高壓系統(tǒng)故障情況下的緊急關(guān)斷；牽引系統(tǒng)設(shè)有系統(tǒng)輸入輸出旁路模塊（SKS）；制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)有緊急制動(dòng)環(huán)路、乘客緊急制動(dòng)環(huán)路、停放制動(dòng)監(jiān)控環(huán)路、制動(dòng)緩解環(huán)路等相關(guān)的安全環(huán)路；門系統(tǒng)通過車門關(guān)閉的硬線信號(hào)檢測(cè)車門的關(guān)閉狀態(tài)，以保證車組的行車安全。

三、 列車核心部件的冗余

為了提高高速動(dòng)車組的安全性和可靠性，CRH3型動(dòng)車組的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的核心部件如中央控制單元、網(wǎng)關(guān)、輸入輸出接口都采用冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)在輔助供電電路的設(shè)計(jì)中，考慮了冗余的負(fù)載由不同的供電母線供電，提高了輔助供電系統(tǒng)故障情況下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可用性。

四、 利用冗余設(shè)計(jì)進(jìn)行列車故障診斷

1. 核心部件冗余設(shè)計(jì)的應(yīng)用

CRH3型動(dòng)車組每個(gè)牽引單元的兩個(gè)冗余CCU（中央處理單元），一個(gè)處于主控狀態(tài)（主CCU），另一個(gè)處于熱備狀態(tài)（從CCU），如果主CCU發(fā)生故障，則原來的從CCU將轉(zhuǎn)換為主CCU，但主從CCU同時(shí)對(duì)列車的高壓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)。

列車CCU狀態(tài)正常繼電器=22-K52，=22-K54分別向本CCU反饋另一個(gè)CCU工作正常信號(hào)，當(dāng)CCU故障時(shí)，故障CCU狀態(tài)正常繼電器將失電。列車CCU為主CCU狀態(tài)繼電器保證了CCU為主時(shí)的控制功能。利用以上冗余控制原理可以很好的處理CCU引發(fā)的相關(guān)系統(tǒng)的故障。

1.1 ASD緊急制動(dòng)不緩解故障

操作ASD元件的情況下，通過斷開兩個(gè)ASD輸出來切斷ASD回路。如果司機(jī)室處于無人狀態(tài)（例如在從動(dòng)牽引單元中），執(zhí)行ASD功能的軟件無效。此外，如果CCU1（CCU2）是主控的，CCU2（CCU1）通過切斷 “CCU2（CCU1）為主控” 的繼電器，使其輸出無效。

通過以上冗余設(shè)計(jì)原理分析：ASD的控制功能由列車級(jí)的主CCU進(jìn)行控制，根據(jù)冗余CCU的主從狀態(tài)的切換可以判斷列車的冗余控制故障還是ASD狀態(tài)繼電器（=43-K41）的線路故障。

例如：

某CRH380BL車HIM屏幕上報(bào)16車ASD環(huán)路無法建立。充風(fēng)不能進(jìn)行，制動(dòng)無法緩解。查看CCU1為主CCU，切除CCU1，以CCU2為主CCU，ASD環(huán)路正常。將CCU1和CCU2的C103板卡進(jìn)行更換，故障轉(zhuǎn)移到CCU2，更換故障C103板卡后ASD功能正常。利用冗余原理已快速的處理CRH380B6412L、CRH380B6418L等動(dòng)車組ASD系統(tǒng)故障。

1.2 差動(dòng)電流報(bào)警誤觸發(fā)

CRH3型動(dòng)車組由2個(gè)高壓系統(tǒng)組成，其中受電弓升起的單元為列車的主高壓系統(tǒng)。列車的中央控制單元（CCU）對(duì)列車的高壓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)，主要執(zhí)行的功能有：受電弓的控制、主斷路器的控制、車頂高壓線路分離開關(guān)的控制、主變壓器封鎖。高壓系統(tǒng)相關(guān)電壓電流的監(jiān)控由互感器執(zhí)行。

通過高壓系統(tǒng)冗余原理分析：列車中央控制單元（CCU）對(duì)高壓系統(tǒng)的線電壓、線電流、變壓器電流進(jìn)行監(jiān)控分析，可以將其中之一的冗余CCU切除處理，以判斷列車的冗余控制系統(tǒng)故障還是車組的電氣線路故障。

某CRH380B（非高寒）動(dòng)車組8車占用，升2車受電弓，07：59分，1車報(bào)CCU 2：差動(dòng)電流監(jiān)控：響應(yīng)軟件保護(hù)，代碼：633B。2車主斷、隔離開關(guān)自動(dòng)鎖閉，對(duì)1車進(jìn)行CCU軟件復(fù)位，1分鐘后故障再次報(bào)出，后切除1車CCU2。車組正常。后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)CCU2的G055板卡檢測(cè)到的接地電流值存在較大范圍的偏移，導(dǎo)致列車報(bào)出差動(dòng)電流故障。該處理方法通過切除冗余CCU的方案，進(jìn)行應(yīng)急處理故障判斷。利用CCU的冗余設(shè)計(jì)在快速處理多起網(wǎng)側(cè)過流等多起列車高壓系統(tǒng)故障中得到很好的應(yīng)用。

2.整體冗余設(shè)計(jì)的應(yīng)用

2.1 主斷無法閉合

動(dòng)車組高壓系統(tǒng)在整體上采用冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)牽引單元設(shè)計(jì)成一個(gè)完整的高壓系統(tǒng)，兩個(gè)牽引單元間通車頂隔離開關(guān)相連。正常情況下，當(dāng)本牽引單元和臨牽引單元同時(shí)滿足列車主斷閉合的條件時(shí)，可以由司機(jī)手動(dòng)閉合本動(dòng)車組的主斷路器；故障情況下可以通過切除車頂隔離開關(guān)隔離故障單元，以達(dá)到升弓合主斷路器的目的。

通過高壓系統(tǒng)冗余分析：可以將列車的車頂隔離開關(guān)切除，確定故障車組的所在的牽引單元；再通過切除牽引變流器（TCU）和冗余CCU進(jìn)一步對(duì)列車故障快速準(zhǔn)確的判斷。

某CRH380B車組，00車主控，動(dòng)車組于蘭州西所存車場(chǎng)供電時(shí)，02車主斷路器無法閉合，并報(bào)代碼：6305：通過VCB釋放環(huán)路斷開真空斷路器經(jīng)隨車機(jī)械師檢查確認(rèn)后換升07車受電弓，07車主斷仍然無法閉合，利用動(dòng)車組冗余設(shè)計(jì)原理，升7車受電弓，切除2車隔離開關(guān)，主斷閉合；升2車受電弓時(shí)，主斷無法閉合。判斷為2車受電弓所在牽引單元存在故障。隨后分別切除該牽引單元兩個(gè)TCU，故障依然存在；在分別關(guān)閉該牽引單元兩個(gè)CCU，當(dāng)關(guān)閉1車CCU1時(shí)主斷閉合正常，最終確認(rèn)為CCU1的C103板卡故障，更換后車組狀態(tài)正常。該方法已成功運(yùn)用在車組的運(yùn)用及維護(hù)中且快速處理多起牽引高壓系統(tǒng)故障。

2.2 緊急制動(dòng)試驗(yàn)：緊急制動(dòng)回路打開有問題

動(dòng)車組在進(jìn)行菜單引導(dǎo)的緊急制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)司機(jī)制動(dòng)閥C23被置于EB位時(shí)，列車級(jí)制動(dòng)管理器（TBM）通過列車的WTB和MVB網(wǎng)絡(luò)由分段制動(dòng)管理器（SBM）命令本地制動(dòng)控制單元檢查緊急制動(dòng)回路（EBL）的打開、相關(guān)的閥組件及壓力傳感器等的動(dòng)作狀態(tài)。緊急制動(dòng)回路（EBL）的狀態(tài)由制動(dòng)控制單元（BCU）和中央控制單元（CCU）同時(shí)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。

通過緊急制動(dòng)試驗(yàn)原理分析：車組進(jìn)行菜單引導(dǎo)的緊急制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，EBL打開，BCU對(duì)回路的打開及制動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)元件進(jìn)行狀態(tài)檢查，CCU對(duì)EBL進(jìn)行狀態(tài)檢查同時(shí)與來自制動(dòng)控制單元（BCU）的關(guān)于EBL打開的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行判斷比較，通過分析緊急制動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)控制和硬線電路的冗余設(shè)計(jì)可知，當(dāng)只有BCU檢測(cè)到故障時(shí)優(yōu)先檢查制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)元件；當(dāng)只有CCU檢查到EBL環(huán)路狀態(tài)故障時(shí)檢查列車的通信狀態(tài)；當(dāng)BCU和CCU同時(shí)檢查到故障時(shí)，優(yōu)先檢查EBL狀態(tài)繼電器。

五、總結(jié)

CRH3型動(dòng)車組冗余設(shè)計(jì)對(duì)列車安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)起到至關(guān)重要的作用，充分理解動(dòng)車組冗余設(shè)計(jì)的概念和意義，對(duì)動(dòng)車組的運(yùn)用及維護(hù)至關(guān)重要。車組在運(yùn)用過程中切除冗余的故障部件，可以保證車組的穩(wěn)定運(yùn)行；故障診斷時(shí)，利用冗余的概念同樣可以做到事半功倍的效果。動(dòng)車組冗余設(shè)計(jì)為列車的運(yùn)用維護(hù)、故障診斷提出了新思維和新方法，意義重大。

參考文獻(xiàn)：

[1] CRH380BL動(dòng)車組設(shè)計(jì)概念-列車通信與控制. 唐車公司.

[2] CRH380BL動(dòng)車組設(shè)計(jì)概念-司機(jī)警惕裝置. 唐車公司.