短編動車組風源系統啟?？刂蒲芯?/h1>
2018-10-16 07:31:50王業泰孫環陽鮑江寧
機電產品開發與創新 2018年5期 關鍵詞：故障
王業泰，孫環陽，鮑江寧，章 萍
（南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇 南京 211800）
0 引言
風源系統是動車組的核心系統之一，現有動車組（4輛～8輛編組）的風源系統一般配有兩套主空壓機，由主空壓機為全列車制動系統、空氣彈簧、風笛、撒砂系統等提供壓縮空氣，針對兩套主空壓機的啟?？刂?，一般采用基于硬線電路的同步啟停控制或基于網絡的主輔控制。根據車型配置特點，不能通過網絡實現主輔控制時，有必要研究一種基于硬線電路的主輔控制方法，以滿足車輛設計需求。
1 空壓機管理原則
為更好地實現主空壓機 （以下簡稱空壓機）啟?？刂疲諌簷C控制需遵循以下原則[1]：①滿足制動系統等設備的用風需求；②每套空壓機組工作時間盡量保證一致；實現檢修周期和使用壽命的一致性；③每套空壓機組盡量少的啟動次數，保護電機并減少空壓機損耗；④空壓機組每次啟動后運行時間盡可能延長，保持機油的干燥狀態，降低空壓機潤滑油乳化概率；⑤需要滿足車輛供電系統的要求。
2 空壓機控制方式
基于空壓機管理原則，目前空壓機的控制方式主要有基于硬線電路的同步啟停控制和基于網絡的主輔控制。
2.1 同步啟?？刂?/h3>
同步啟?？刂茷橐环N簡單的控制方式，主要基于硬線電路控制，主要應用于制動系統為單元編組管理的動車組中，如圖1所示。
圖1 同步啟?？刂艶ig.1 Synchronous control of start-stop
當任一空壓機所在的制動控制單元（以下簡稱BCU）檢測總風壓力低于一定壓力閾值時（如780kPa），便輸出空壓機啟動信號，該啟動信號通過列車貫通線同時輸入至所有空壓機，所有空壓機會同步啟動（考慮空壓機啟動時的沖擊電流較高，防止損壞車輛電源，部分車型會設置延時繼電器進行錯峰啟動）。
當BCU檢測總風壓力高于一定壓力閾值時 （如880kPa），會停止輸出空壓機啟動信號，當所有BCU均停止輸出空壓機啟動信號后，空壓機啟動貫通線失電，所有空壓機會同時關閉。
2.2 主輔啟?？刂?/h3>
主輔控制主要基于車輛網絡（如多功能車輛總線，簡稱MVB）進行空壓機的啟?？刂?。
2.2.1 主輔選取
主輔控制需要設置作為主要啟動的空壓機 （以下稱主空壓機）和輔助啟動的空壓機（以下稱輔空壓機）。正常情況下，僅啟動主空壓機，當總風壓力低于一定壓力值時，再啟動輔空壓機。為保證每套空壓機運行時間相近，在兩套空壓機中輪流選擇一套作為主空壓機。
常見的做法有[2]：①單雙日控制：根據日期，單日選定兩套中的一套空壓機作為主空壓機，雙日則選定另一套空壓機作為主空壓機；②工作時間統計控制：統計各空壓機的工作時間，優先啟動工作時間較少的空壓機，協調控制保證各空壓機工作時間接近；③列車運行方向控制：根據列車運行方向，比如選定靠近列車前進方向的空壓機作為主空壓機，則另一套空壓機為輔空壓機。
2.2.2 管理機構
管理機構通常由以下兩種：
（1）由BCU進行空壓機的管理。控制架構分為3層級，見圖2，第1層為TBM，由TBM通過WTB總線向各單元的SBM（單元制動管理器）發送指令，獲取空壓機的狀態消息；第2層為SBM，SBM通過MVB總線向本單元內配置有空壓機的LBCU（車輛制動管理器）發送TBM指令，獲取空壓機狀態信息；第3層為配置有空壓機的LBCU對本車的空壓機進行直接控制。
圖2 空壓機控制架構Fig.2 Control framework of compressor
（2）由列車控制與管理系統（簡稱TCMS）進行空壓機的管理[4]。配置有空壓機的BCU將壓力傳感器采集到的總風壓力信息通過MVB傳給TCMS，由TCMS進行空壓機啟停的統一管理。
2.2.3 正常模式
無論BCU還是TCMS管理空壓機的啟停，正常工作模式下均通過網絡進行信息交互，通常設置3個總風壓力閾值進行空壓機的啟停控制，見表1。
表1 正常工作模式Tab.1 Normal control mode
當總風壓力值低于一定壓力（如閾值2）時，啟動首選空壓機。列車正常用風工況下，1臺空壓機的供風能力可以滿足列車用風需求，這樣就可以使得該空壓機啟動后運行時間盡量長。
當總風壓力低于一定壓力（如閾值1）時，為了增強風源系統的供風能力，兩臺空壓機均啟動，為了減小兩臺空壓機同時啟動對中壓供電系統的沖擊，對共用1套中壓供電系統的2臺空壓機進行錯峰啟動，首選空壓機延時T1秒，次選空壓機延時T2秒。
當總風壓力上升超過一定壓力（如閾值3）時，會停止所有空壓機。
2.2.4 網絡異常
基于網絡的空壓機主輔控制策略的實施必須借助列車通信網絡來實現。在通信失效等故障工況下，這一控制策略隨即失效?；诠收蠈虬踩话阃ㄟ^以下方式啟動：
（1）由BCU進行空壓機的管理。配置有空壓機的LBCU無法通過網絡接收到SBM發來的有效控制信息，而且總風壓力低于一定壓力時（如低于閾值1），LBCU控制本車空壓機啟動。啟動時同時進行錯峰啟動。當總風壓力上升超過一定壓力（如閾值3）時，且沒有接收到SBM發來主空壓機有效停止信號時，自行關閉本車的空壓機。
（2）由TCMS進行空壓機的管理。設置有強泵開關[4]，列車網絡通信異常時，通過閉合強泵開關進行強行啟動空壓機。
3 短編動車組的空壓機控制
短編動力分散型動車組 （如4輛編組的2動2拖），一般設置兩臺輔助變流器（簡稱SIV），當一臺SIV故障時勢必導致整車空壓機及空調系統減載。
空壓機作為制動系統的風源設備涉及到行車安全，因此SIV不能在單點故障情況下主動切除空壓機。
考慮車型設計平臺為基于硬線電路的空壓機同步啟?？刂品绞綍r （見2.1節），需對空壓機控制方式進行調整，以滿足以下要求：
（1）正常1臺空壓機工作，即使1臺SIV故障也不需要切除其他SIV用電設備。
（2）需要兩臺空壓機啟動，同時1臺SIV故障時，能提前切除其它用電設備，以滿足兩臺空壓機啟動的要求。
根據現有空壓機的控制方式，本文設計了基于硬線電路的主輔控制方式（以列車為4輛編組為例，并假定空壓機位于1號車和4號車）。
4 基于硬線電路的空壓機主輔控制
4.1 主輔選取
兩頭車BCU按照TCMS日期信息和車號信息識別主空壓機。識別條件：①控制主空壓機的BCU（以下簡稱M-BCU）；②控制輔空壓機的BCU（以下簡稱S-BCU）。
網絡通信異常時：BCU使用內部日期進行M-BCU，S-BCU的判斷。
圖3 空壓機主輔選取Fig.3 Main-auxiliary selection of compressor
4.2 電氣回路設計
在圖1的基礎上增加空壓機同步電路切除信號 （以下簡稱“同步切除”信號），如圖4所示，為防止“同步切除”繼電器故障等導致的同步電路無法恢復，在“同步切除”常閉觸點電路上并聯同步電路控制開關 （以下簡稱“控制開關”）。
4.3 正常模式
各車BCU采集的總風壓力值低于一定壓力 （如表1的閾值2）時，控制閉合BCU內部的調壓器信號（以下簡稱GOV）如圖4所示。M-BCU車的“同步切除”繼電器為常失電，此時，M-BCU所在車輛的CMK接觸器得電，本車空壓機啟動。同時，S-BCU車的“同步切除”繼電器為常得電，空壓機同步啟動回路斷開，則CMK接觸器失電，SBCU車空壓機不啟動。列車正常用風工況下，1臺主空壓機的供風能力可以滿足列車用風需求，這樣就可以使得該空壓機啟動后運行時間盡量長。
各車BCU采集的總風壓力值低于一定壓力 （如表1的閾值1）時，即發送“空壓機同步預啟動”信號給TCMS。S-BCU控制本車“同步切除”繼電器延時失電（考慮1臺SIV故障時，需提前切除其它用電設備），空壓機同步啟動回路貫通，則CMK接觸器得電，S-BCU車空壓機啟動，同時，2臺空壓機進行錯峰啟動，如表1。
TCMS檢測到任意一臺BCU發送的 “空壓機同步預啟動”信號時，根據當前SIV狀態進行相應控制（若SIV故障則切除其他用電設備，如空調）。
圖4 主輔控制回路Fig.4 Main-auxiliary control loop
當總風壓力上升超過一定壓力（如閾值3）時，各車BCU均斷開GOV，兩臺空壓機停止運行。
4.4 故障模式
基于故障導向安全原則，需同時考慮故障模式：
（1）總風壓力傳感器異常。BCU檢測到本車總風壓力傳感器異常時，通過網絡使用另一車BCU的總風壓力信息進行正常控制，若此時檢測到另一端BCU生命信號異常，則本車BCU停止GOV控制。
（2）“同步切除”回路故障。BCU實時檢測“同步切除”電氣回路，當檢測到輸出不一致時，向TCMS傳輸“BCU切除空壓機輸出回路故障”，TCMS接收到故障信號后，司機通過閉合本車“控制開關”，以短接“同步切除”信號觸點，待運營到終點進行處理。
4.5 運用情況
以上基于硬線電路設計的空壓機主輔控制方式實現了網絡主輔控制的功能，并滿足本文第3節中車輛的特殊要求，本控制方式已批量運用于國內短編動力分散型動車組中，運用表明風源系統的性能能夠滿足運用要求。
5 總結
本文結合現有動車組的空壓機控制方式，根據整車車型設計特點及要求，基于現有硬線電路實現了空壓機的主輔控制，實現了網絡主輔控制的功能，并滿足車型的特殊要求，本控制方式在國內動車組中得到了成功運用，其控制模式合理，功能完善。
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0 引言
風源系統是動車組的核心系統之一，現有動車組（4輛～8輛編組）的風源系統一般配有兩套主空壓機，由主空壓機為全列車制動系統、空氣彈簧、風笛、撒砂系統等提供壓縮空氣，針對兩套主空壓機的啟?？刂?，一般采用基于硬線電路的同步啟停控制或基于網絡的主輔控制。根據車型配置特點，不能通過網絡實現主輔控制時，有必要研究一種基于硬線電路的主輔控制方法，以滿足車輛設計需求。
1 空壓機管理原則
為更好地實現主空壓機 （以下簡稱空壓機）啟?？刂疲諌簷C控制需遵循以下原則[1]：①滿足制動系統等設備的用風需求；②每套空壓機組工作時間盡量保證一致；實現檢修周期和使用壽命的一致性；③每套空壓機組盡量少的啟動次數，保護電機并減少空壓機損耗；④空壓機組每次啟動后運行時間盡可能延長，保持機油的干燥狀態，降低空壓機潤滑油乳化概率；⑤需要滿足車輛供電系統的要求。
2 空壓機控制方式
基于空壓機管理原則，目前空壓機的控制方式主要有基于硬線電路的同步啟停控制和基于網絡的主輔控制。
2.1 同步啟?？刂?/h3>
同步啟?？刂茷橐环N簡單的控制方式，主要基于硬線電路控制，主要應用于制動系統為單元編組管理的動車組中，如圖1所示。
圖1 同步啟?？刂艶ig.1 Synchronous control of start-stop
當任一空壓機所在的制動控制單元（以下簡稱BCU）檢測總風壓力低于一定壓力閾值時（如780kPa），便輸出空壓機啟動信號，該啟動信號通過列車貫通線同時輸入至所有空壓機，所有空壓機會同步啟動（考慮空壓機啟動時的沖擊電流較高，防止損壞車輛電源，部分車型會設置延時繼電器進行錯峰啟動）。
當BCU檢測總風壓力高于一定壓力閾值時 （如880kPa），會停止輸出空壓機啟動信號，當所有BCU均停止輸出空壓機啟動信號后，空壓機啟動貫通線失電，所有空壓機會同時關閉。
2.2 主輔啟?？刂?/h3>
主輔控制主要基于車輛網絡（如多功能車輛總線，簡稱MVB）進行空壓機的啟?？刂?。
2.2.1 主輔選取
主輔控制需要設置作為主要啟動的空壓機 （以下稱主空壓機）和輔助啟動的空壓機（以下稱輔空壓機）。正常情況下，僅啟動主空壓機，當總風壓力低于一定壓力值時，再啟動輔空壓機。為保證每套空壓機運行時間相近，在兩套空壓機中輪流選擇一套作為主空壓機。
常見的做法有[2]：①單雙日控制：根據日期，單日選定兩套中的一套空壓機作為主空壓機，雙日則選定另一套空壓機作為主空壓機；②工作時間統計控制：統計各空壓機的工作時間，優先啟動工作時間較少的空壓機，協調控制保證各空壓機工作時間接近；③列車運行方向控制：根據列車運行方向，比如選定靠近列車前進方向的空壓機作為主空壓機，則另一套空壓機為輔空壓機。
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（1）由BCU進行空壓機的管理。控制架構分為3層級，見圖2，第1層為TBM，由TBM通過WTB總線向各單元的SBM（單元制動管理器）發送指令，獲取空壓機的狀態消息；第2層為SBM，SBM通過MVB總線向本單元內配置有空壓機的LBCU（車輛制動管理器）發送TBM指令，獲取空壓機狀態信息；第3層為配置有空壓機的LBCU對本車的空壓機進行直接控制。
圖2 空壓機控制架構Fig.2 Control framework of compressor
（2）由列車控制與管理系統（簡稱TCMS）進行空壓機的管理[4]。配置有空壓機的BCU將壓力傳感器采集到的總風壓力信息通過MVB傳給TCMS，由TCMS進行空壓機啟停的統一管理。
2.2.3 正常模式
無論BCU還是TCMS管理空壓機的啟停，正常工作模式下均通過網絡進行信息交互，通常設置3個總風壓力閾值進行空壓機的啟停控制，見表1。
表1 正常工作模式Tab.1 Normal control mode
當總風壓力值低于一定壓力（如閾值2）時，啟動首選空壓機。列車正常用風工況下，1臺空壓機的供風能力可以滿足列車用風需求，這樣就可以使得該空壓機啟動后運行時間盡量長。
當總風壓力低于一定壓力（如閾值1）時，為了增強風源系統的供風能力，兩臺空壓機均啟動，為了減小兩臺空壓機同時啟動對中壓供電系統的沖擊，對共用1套中壓供電系統的2臺空壓機進行錯峰啟動，首選空壓機延時T1秒，次選空壓機延時T2秒。
當總風壓力上升超過一定壓力（如閾值3）時，會停止所有空壓機。
2.2.4 網絡異常
基于網絡的空壓機主輔控制策略的實施必須借助列車通信網絡來實現。在通信失效等故障工況下，這一控制策略隨即失效?；诠收蠈虬踩话阃ㄟ^以下方式啟動：
（1）由BCU進行空壓機的管理。配置有空壓機的LBCU無法通過網絡接收到SBM發來的有效控制信息，而且總風壓力低于一定壓力時（如低于閾值1），LBCU控制本車空壓機啟動。啟動時同時進行錯峰啟動。當總風壓力上升超過一定壓力（如閾值3）時，且沒有接收到SBM發來主空壓機有效停止信號時，自行關閉本車的空壓機。
（2）由TCMS進行空壓機的管理。設置有強泵開關[4]，列車網絡通信異常時，通過閉合強泵開關進行強行啟動空壓機。
3 短編動車組的空壓機控制
短編動力分散型動車組 （如4輛編組的2動2拖），一般設置兩臺輔助變流器（簡稱SIV），當一臺SIV故障時勢必導致整車空壓機及空調系統減載。
空壓機作為制動系統的風源設備涉及到行車安全，因此SIV不能在單點故障情況下主動切除空壓機。
考慮車型設計平臺為基于硬線電路的空壓機同步啟?？刂品绞綍r （見2.1節），需對空壓機控制方式進行調整，以滿足以下要求：
（1）正常1臺空壓機工作，即使1臺SIV故障也不需要切除其他SIV用電設備。
（2）需要兩臺空壓機啟動，同時1臺SIV故障時，能提前切除其它用電設備，以滿足兩臺空壓機啟動的要求。
根據現有空壓機的控制方式，本文設計了基于硬線電路的主輔控制方式（以列車為4輛編組為例，并假定空壓機位于1號車和4號車）。
4 基于硬線電路的空壓機主輔控制
4.1 主輔選取
兩頭車BCU按照TCMS日期信息和車號信息識別主空壓機。識別條件：①控制主空壓機的BCU（以下簡稱M-BCU）；②控制輔空壓機的BCU（以下簡稱S-BCU）。
網絡通信異常時：BCU使用內部日期進行M-BCU，S-BCU的判斷。
圖3 空壓機主輔選取Fig.3 Main-auxiliary selection of compressor
4.2 電氣回路設計
在圖1的基礎上增加空壓機同步電路切除信號 （以下簡稱“同步切除”信號），如圖4所示，為防止“同步切除”繼電器故障等導致的同步電路無法恢復，在“同步切除”常閉觸點電路上并聯同步電路控制開關 （以下簡稱“控制開關”）。
4.3 正常模式
各車BCU采集的總風壓力值低于一定壓力 （如表1的閾值2）時，控制閉合BCU內部的調壓器信號（以下簡稱GOV）如圖4所示。M-BCU車的“同步切除”繼電器為常失電，此時，M-BCU所在車輛的CMK接觸器得電，本車空壓機啟動。同時，S-BCU車的“同步切除”繼電器為常得電，空壓機同步啟動回路斷開，則CMK接觸器失電，SBCU車空壓機不啟動。列車正常用風工況下，1臺主空壓機的供風能力可以滿足列車用風需求，這樣就可以使得該空壓機啟動后運行時間盡量長。
各車BCU采集的總風壓力值低于一定壓力 （如表1的閾值1）時，即發送“空壓機同步預啟動”信號給TCMS。S-BCU控制本車“同步切除”繼電器延時失電（考慮1臺SIV故障時，需提前切除其它用電設備），空壓機同步啟動回路貫通，則CMK接觸器得電，S-BCU車空壓機啟動，同時，2臺空壓機進行錯峰啟動，如表1。
TCMS檢測到任意一臺BCU發送的 “空壓機同步預啟動”信號時，根據當前SIV狀態進行相應控制（若SIV故障則切除其他用電設備，如空調）。
圖4 主輔控制回路Fig.4 Main-auxiliary control loop
當總風壓力上升超過一定壓力（如閾值3）時，各車BCU均斷開GOV，兩臺空壓機停止運行。
4.4 故障模式
基于故障導向安全原則，需同時考慮故障模式：
（1）總風壓力傳感器異常。BCU檢測到本車總風壓力傳感器異常時，通過網絡使用另一車BCU的總風壓力信息進行正常控制，若此時檢測到另一端BCU生命信號異常，則本車BCU停止GOV控制。
（2）“同步切除”回路故障。BCU實時檢測“同步切除”電氣回路，當檢測到輸出不一致時，向TCMS傳輸“BCU切除空壓機輸出回路故障”，TCMS接收到故障信號后，司機通過閉合本車“控制開關”，以短接“同步切除”信號觸點，待運營到終點進行處理。
4.5 運用情況
以上基于硬線電路設計的空壓機主輔控制方式實現了網絡主輔控制的功能，并滿足本文第3節中車輛的特殊要求，本控制方式已批量運用于國內短編動力分散型動車組中，運用表明風源系統的性能能夠滿足運用要求。
5 總結
本文結合現有動車組的空壓機控制方式，根據整車車型設計特點及要求，基于現有硬線電路實現了空壓機的主輔控制，實現了網絡主輔控制的功能，并滿足車型的特殊要求，本控制方式在國內動車組中得到了成功運用，其控制模式合理，功能完善。
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