CTCS3-300T車載設備VDX故障分析

畢慧敏

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

CTCS3-300T車載廣泛應用于CRH2型動車組、CRH380A/AL動車組、CRH380A統型動車組、CR400AF標準化動車組、CRH3型動車組、CRH380B/BL動車組、CRH400BF標準化動車、CRH380D型動車組，CTCS3-300T車載ATP設備與車輛的輸入、輸出接口包括駕駛室激活、前向、后向、休眠、緊急制動、一級及四級常用制動、最大常用制動、緊急制動及切牽引命令等，其中緊急制動及最大常用制動屬于失電制動。CTCS3-300T車載設備與車輛非安全信號接口邏輯采用MVB總線通信或繼電器接口，緊急制動接口采用繼電器接口方式，CTCS3-300T車載設備與車輛的緊急制動繼電器接口單元為VDX。

2 ATP與車輛的緊急制動接口特點

ATP與車輛的緊急制動接口特點如下。

輸出形式：干接點。

電壓：DC 110 V×（70% ～125%）。

信號說明：ATP通過EB1R和EB2R繼電器串聯輸出斷開列車緊急制動回路正極，如圖1所示。

圖1 緊急制動回路框 Fig.1 Block diagram of emergency braking circuit

斷開列車緊急制動回路表示ATP輸出緊急制動；閉合列車緊急制動回路表示ATP未輸出緊急制動。

其中EB1R和EB2R串聯，EB1R繼電器得電施加制動，EB2R繼電器失電施加制動。ATP隔離開關的作用是在ATP隔離時通過隔離開關的觸點旁路參與緊急制動的EB1R和EB2R繼電器觸點。EB1R繼電器和EB2R繼電器分別由VDX控制。

3 VDX在CTCS3-300T車載系統中的作用

VDX是為車輛和車載系統之間提供一個安全輸入輸出信號的接口設備，在CTCS3-300T車載設備中VDX與其他設備通過多功能車輛總線（MVB）實現通信。VDX產品在單系CTCS3-300T車載系統中，使用的數量是2個，VDX-C1和VDX-C2。VDX-C1與VDX-C2硬件結構完全一樣，安裝的軟件也是一樣，設備地址不同。

VDX對車輛的輸出接口包括故障安全型(FS)和高可靠型(HR)，故障安全型(FS)輸出控制的繼電器EB2失電施加緊急制動，高可靠型(HR)控制的繼電器EB1得電施加緊急制動。VDX的FS輸出有2種狀態：輸出110 V或者0 V，FS輸出由外部電源供電。為確保FS輸出有隨時關斷的能力，FS輸出要進行進入安全狀態能力的測試，VDX單元每隔5 s對FS輸出端口進行一次檢驗：通過短時間 （3 ms)消除保持FS輸出為上電狀態的4個激勵源（這4個激勵源由VDX的CPU控制）中的1個，FS端口會短時間（3 ms）斷開與該端口連接繼電器的供電電源并立即恢復，由CPU讀取檢測狀態，一旦發現任何故障，FS輸出就將關斷，軟件產生一個系統錯誤。

4 VDX FS輸出簡要測試方法

如圖2所示，VDX2的X4-d6和X4-b6為VDX2的FS輸出口，其中d6為正極，b6為負極。根據VDX2輸出接線圖測試時，需將示波器表筆接入VDX2的FS輸出，即EB2R繼電器底座的D2和D3，EB2R繼電器線圈掉電時常閉觸點閉合的時間小于15 ms，常開觸點閉合的時間小于6 ms，經過理論分析及實驗驗證，3 ms短時中斷不會導致繼電器觸點動作。VDX2的FS輸出波形如圖3所示。

圖2 VDX輸出與繼電器的接線示意Fig.2 Wiring diagram of the VDX output and relay

圖3 VDX2的FS輸出Fig.3 FS output of VDX2

5 VDX的故障分析

5.1 C019故障原因及處理方法

每5 s進行的3 ms檢測過程：第1 ms為電壓下降過程，第2 ms為穩定低電平的過程，第3 ms為電壓上升到緩解的過程，VDX從第2 ms開始采集FS輸出信號，如果為低則正常，否則報C019故障代碼。如圖3所示，正常情況下每5 s進行的3 ms檢測下降時間約為0.969 ms。判定C019故障代碼的條件為：每5 s進行的3 ms測試從第2 ms開始，VDX會采集FS輸出信號，如果測試電壓小于6 V，則判斷正常。否則報C019。

AELog的記錄分析如圖4所示。

圖4 AELog的記錄Fig.4 Records of AELog

該故障在啟機和運行過程中有可能發生，在VDX1和VDX2單元上都可能出現，會導致ATPCU死機，運營中會導致停車。出現C019故障后需要重點考慮，需進行以下排查：

1）檢查VDX相應端口與繼電器的接線情況，對繼電器底座進行檢查；

2）對FS輸出端口開展相應的測試，確認輸出是否異常；

3）更換相應的VDX，記錄故障件編號和故障類型，返廠進一步測試分析。

5.2 特殊場景下的C019故障原因

如圖5所示，VDX的輸出從低到高，即從制動到緩解，緩解之后進行每5 s進行的3 ms檢測的過程，FS輸出電壓為137 V。

圖5中的a點表示的是從緩解到開始每5 s進行的3 ms檢測的時間t1，約為19.795 ms。b點為從緩解到每5 s進行的3 ms檢測下降到0 V的時間t2，約為21.897 ms。a點與b點的時間差Δt即為每5 s進行的3 ms檢測從高電壓到0 V的下降時間，為2.102 ms，大于2 ms，第2 ms檢測FS輸出時電壓大于6 V。因此此次每5 s進行的3 ms檢測失敗，系統會判C019故障，VDX輸出緊急制動，FS的輸出保持為低。

圖5 出現C019故障時波形（緩解到進行每5 s進行的3 ms檢測的時間約為19.795 ms）Fig.5 Waveform when C019 fault occurs(the time from release to 3 ms detection for every 5 s is about 19.795 ms)

如圖6所示，FS輸出電壓為137 V，a點表示的是從緩解到開始每5 s進行的3 ms檢測的時間t1，約為35.75 ms。b點為從緩解到每5 s進行的3 ms檢測下降到0 V的時間t2，約為36.547 ms。a點與b點的時間差Δt即為每5 s進行的3 ms測試從高電壓到0 V的下降時間，為0.797 ms，小于2 ms。每5 s進行的3 ms檢測成功，不會報C019故障代碼。

圖6 每5 s進行的3 ms檢測成功的波形（緩解到進行每5 s進行的3 ms檢測的時間約為35.75 ms）Fig.6 Waveform of successful 3 ms detection for every 5 s(the time from release to 3 ms detection for every 5 s is about 35.75 ms)

經過測試，從FS輸出緩解到開始每5 s進行的3 ms檢測的時間t1一致時，若FS輸出電壓不同，每5 s進行的3 ms測試從高電壓到0 V的轉化時間Δt也不同，如表1所示。

表1 FS輸出電壓及緩解到開始每5 s進行的3 ms檢測的時間對檢測的影響Tab.1 Influence of FS output voltage and the time from release to 3 ms detection for every 5 s on the detection

5.3 特殊場景下影響C019故障的決定性因素

VDX的FS輸出需要緩解時，如果正好要進行每5 s進行的3 ms檢測，舊版VDX固件則會延遲16 ms進行每5 s進行的3 ms檢測。根據實驗室測試結果，如圖5、6所示，出現C019故障代碼的決定性因素為：在緩解后30 ms以內進行每5 s進行的3 ms檢測時會出現C019故障代碼，VDX死機，而在36 ms以外進行每5 s進行的3 ms檢測時，則不會出現C019故障代碼。出現C019故障代碼的次要因素為FS輸出電壓，電壓越高越容易出現C019故障代碼。當FS輸出電壓為137 V時，故障發生概率遠遠高于120 V及以下電壓，因此CRH3系列型車故障發生概率會高于CRH2系列型車，但是解決了決定性因素即每5 s進行的3 ms的測試時機，即可從根本上解決該偶發的時序問題。因此如圖7所示，需要通過程序優化制動到緩解的時間至每5 s進行的3 ms測試的時間來改善C019故障。

圖7 優化C019故障的原理Fig.7 Principle of C019 fault optimization

如果每5 s進行的3 ms檢測前30 ms以內ATP緩解制動，由于緩解制動但繼電器線圈還未充分勵磁時，3 ms檢測到來，令輸出變低，這時輸出無法完全低下去，導致C019故障代碼。如果某個VDX施加 FS制動然后緩解，這個緩解的時間點恰好趕在VDX的5 s的3 ms檢測，即會發生該故障。看起來這個是機率非常小的巧合，但在實際情況下是有可能出現的，這個時序是一定并可控的。所以在制動到緩解過程中出現的C019稱為時序問題。

5.4 時序問題解決方案

通過更新VDX固件程序，在某些特殊的制動緩解場景下，按照舊版邏輯每5 s進行的3 mss檢測會推遲16 ms，將該推遲16 ms的邏輯修改為推遲48 ms，優化自檢時序，即可從根本上解決該問題。

6 總結

根據以上故障原理，時序問題出現的時機是VDX的FS輸出從制動到緩解的過程，SDP中故障log為 VDX的C019故障。經過現場統計和原理分析，此類時序問題分別發生在啟機43 s、制動測試第6步、第9步、第12步，這4種情況均與緊急制動相關。這類故障的共同點是在啟機過程發生，屬于可恢復故障，重啟后一般時序問題不會再次發生，所以不會造成線上停車，但會影響運營效率，通過更新固件可解決此類問題。