機車制動控制系統(tǒng)冗余設(shè)計研究

葛汝博 劉云龍 呂梟 侯化安 朱冠汶 張杰家 何遠航

摘? 要：機車制動控制系統(tǒng)作為軌道交通機車車輛的關(guān)鍵核心子系統(tǒng)，提升制動控制系統(tǒng)的可靠性和可用性至關(guān)重要。開展冗余設(shè)計是提升機車制動控制系統(tǒng)可靠性和可用性的重要方法，該文從功能、系統(tǒng)和機車3個層面上梳理當前國內(nèi)各型機車制動控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計原理，有助于后續(xù)制動控制系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化改進。

關(guān)鍵詞：機車；制動控制系統(tǒng)；冗余設(shè)計；故障導向；功能

中圖分類號：U260.35? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0098-04

Abstract： As the key subsystem of locomotive， it is very important to improve the reliability and availability of locomotive braking control system. Redundancy design is an important method to improve the reliability and availability of locomotive braking control system， in this paper， the redundancy design principle of the current domestic locomotive braking control system is reviewed from three aspects： function， system and locomotive， which is helpful to the design and optimization of the subsequent braking control system.

Keywords： Locomotive; brake control system; redundancy design; fault guidance; function

作為軌道交通機車車輛的關(guān)鍵核心子系統(tǒng)，如何提升制動控制系統(tǒng)的可靠性和可用性至關(guān)重要，研究人員對此作了大量的試驗和研究，除了不斷提高系統(tǒng)各部件自身的可靠性外，開展制動控制系統(tǒng)冗余設(shè)計是一種重要方法。

國內(nèi)機車制動控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從純機械空氣制動控制系統(tǒng)，到基于繼電器的電空制動控制系統(tǒng)，再到基于微機控制的電空制動控制系統(tǒng)，以及當下最先進的分布式網(wǎng)絡(luò)智能模塊制動控制系統(tǒng)的多年發(fā)展，在此過程中，研究人員學習和積累了豐富的冗余設(shè)計經(jīng)驗，推動了制動控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化與改進，極大地提高了制動控制系統(tǒng)的可靠性和可用性。

本文對我國主型機車制動控制系統(tǒng)功能原理進行了研究與梳理，分別從功能、系統(tǒng)和機車3個層面，介紹了不同制動控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計方法。

1? 系統(tǒng)概述

機車制動控制系統(tǒng)主要由制動顯示屏、制動控制器和制動柜等部件組成，如圖1所示。

制動顯示屏作為制動控制系統(tǒng)的人機交互部件，可實時顯示制動控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息、完成系統(tǒng)模式設(shè)置，并提供單機自檢、事件記錄和傳感器校準等診斷功能。

制動控制器作為制動控制系統(tǒng)的主要操縱部件，可將手柄的閘位信息轉(zhuǎn)換為相應的制動指令，并發(fā)送給其他制動部件。

制動柜是制動控制系統(tǒng)的主要控制與執(zhí)行機構(gòu)，負責完成系統(tǒng)邏輯運算、壓力控制等，按照功能可以劃分為均衡風缸控制、列車管控制、制動缸控制等，最終實現(xiàn)單獨制動、自動制動和緊急制動等功能。

目前，我國交流傳動機車主要裝用克諾爾公司CCBⅡ[1]、法維萊Eurotrol、株機公司DK-2[2]、四方所JZ-8[3]和鐵科院CAB-A[4]和中車制動CAB-B制動控制系統(tǒng)。

2? 功能級冗余

功能級冗余是指制動控制系統(tǒng)內(nèi)部某個功能的冗余設(shè)計，當常用部件功能失效時，冗余部件可投入工作，保障該功能不受影響。

本節(jié)主要就機車制動控制系統(tǒng)的自動制動功能、緊急制動功能、單獨制動功能和其他功能的冗余設(shè)計進行梳理和說明。

2.1? 自動制動功能

自動制動功能指的是制動柜響應制動控制器自動制動手柄閘位指令，輸出列車管壓力和機車制動缸壓力，因此，該功能的冗余設(shè)計主要針對列車管壓力和機車制動缸壓力控制兩個方面，功能實現(xiàn)邏輯如圖2所示。

（a）? 制動柜

（b）? 制動控制器? ? ? ? ? ? （c）? 制動顯示屏

2.1.1? 列車管壓力控制冗余設(shè)計

自動制動時，制動控制單元通過控制均衡風缸充排氣電磁閥進而控制均衡風缸壓力，通過列車管中繼閥最終實現(xiàn)列車管的制動與緩解。

在列車管控制過程中，均衡風缸控制至關(guān)重要，大部分機車制動控制系統(tǒng)對均衡風缸控制進行了冗余設(shè)計，但在實現(xiàn)方式上存在差異。

Eurotrol、JZ-8和DK2型機車制動控制系統(tǒng)通過設(shè)置均衡風缸充排氣電磁閥實現(xiàn)冗余控制[5]；CCBII和CAB型制動控制系統(tǒng)則通過其他的智能模塊進行均衡風缸冗余控制。其中，在CCBII制動控制系統(tǒng)中，負責均衡風缸壓力控制的均衡風缸模塊（ERBU）故障時，制動缸控制模塊（16CP）進行備用；在CAB-A制動控制系統(tǒng)中，負責均衡風缸壓力控制的列車管模塊（BPCM）故障時，輔助功能模塊（ACM）進行備用；在CAB-B制動控制系統(tǒng)中，負責均衡風缸壓力控制的列車管模塊（BPCM）故障時，制動缸模塊（BCCM）進行備用。

2.1.2? 機車制動缸壓力控制冗余設(shè)計

自動制動時，制動控制單元根據(jù)列車管壓力控制電子分配閥，進而控制自動制動預控壓力，通過制動缸中繼閥最終輸出制動缸壓力。為了保證機車自動制動預控壓力的有效輸出，當前國內(nèi)各型機車制動控制系統(tǒng)的分配閥模塊均實現(xiàn)了電子分配閥和機械分配閥的冗余配置。正常情況下，系統(tǒng)采用電子分配閥輸出制動缸預控壓力；當電子分配閥控制故障時，制動控制系統(tǒng)自動切換至機械分配閥輸出制動缸預控壓力，保證機車自動制動預控壓力地有效輸出。

2.2? 緊急制動功能

緊急制動功能是機車制動控制系統(tǒng)的安全底線，可響應多路緊急制動指令，快速排空列車管壓力并輸出機車制動缸壓力。因此，該功能的冗余設(shè)計主要針對列車管壓力和機車制動缸壓力控制2個方面。

2.2.1? 列車管排空控制冗余設(shè)計

各型機車制動控制系統(tǒng)均對緊急制動列車管壓力排空控制進行了冗余設(shè)計，功能設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在電氣設(shè)計上，通過緊急環(huán)路設(shè)計，確保網(wǎng)絡(luò)緊急、制動控制系統(tǒng)控制緊急與機車硬線控制緊急冗余輸出緊急制動控制指令；氣路設(shè)計上，一方面通過設(shè)置2個緊急電磁閥，冗余控制緊急氣控閥打開列車管排大氣通路，另一方面通過快速排風閥，加大列車管排風速度；另外，車長閥同樣提供了列車管排大氣通道。

另外，制動控制器部件觸發(fā)緊急制動時，自動制動手柄緊急位設(shè)置了緊急排風通道，最大限度保證了緊急時列車管壓力的快速排空。

2.2.2? 機車制動缸壓力控制冗余設(shè)計

緊急制動時，各型制動控制系統(tǒng)除了2.1所述的制動缸壓力冗余設(shè)計外，還采用了緊急增壓輸出實現(xiàn)了進一步冗余，該通路由總風管經(jīng)450 kPa減壓閥直接輸出作為機車制動缸（預控）壓力，保障了緊急制動時機車制動缸壓力的有效輸出。

2.3? 單獨制動功能

單獨制動功能指的是制動柜響應制動控制器單獨制動手柄閘位指令，輸出機車制動缸壓力。單獨制動時，單獨制動手柄發(fā)出單獨制動控制指令，制動控制單元根據(jù)單獨制動控制指令控制電磁閥，進而控制單獨制動預控壓力輸出制動缸壓力。

Eurotrol、JZ-8和DK2型機車制動控制系統(tǒng)未對單獨制動功能進行冗余設(shè)計，當單獨制動故障時，可以切除單獨制動功能，采用自動制動維持運行；CCBII和CAB型制動控制系統(tǒng)則通過其他的智能模塊進行單獨制動冗余控制。其中，在CCBII制動控制系統(tǒng)中，負責單獨制動壓力控制的平均管控制模塊（20CP）故障時，制動缸控制模塊（16CP）進行備用；在CAB-A和CAB-B制動控制系統(tǒng)中，負責單獨制動壓力控制的單獨制動模塊（IBCM）故障時，制動缸模塊（BCCM）進行備用。

2.4? 其他功能級冗余設(shè)計

除了上述冗余設(shè)計外，部分制動控制系統(tǒng)還從以下幾個方面實現(xiàn)了冗余設(shè)計，見表1。

1）系統(tǒng)供電層面，采用雙電源冗余設(shè)計，單電源故障不影響系統(tǒng)使用。

2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面，采用雙CAN冗余設(shè)計，極大地提升了網(wǎng)絡(luò)通信可靠性。

3? 系統(tǒng)級冗余

系統(tǒng)級冗余是指單節(jié)機車多個制動控制系統(tǒng)間的冗余設(shè)計，通常為電空制動控制系統(tǒng)和純空氣制動控制系統(tǒng)的冗余。當電空制動控制系統(tǒng)故障時，純空氣制動控制系統(tǒng)可投入使用，保證機車正常運營。

當前，主流機車上常見的制動控制系統(tǒng)為微機控制電空制動控制系統(tǒng)和分布式網(wǎng)絡(luò)智能控制電空制動控制系統(tǒng)，它們均屬于電空制動控制系統(tǒng)。部分車型為了保證制動控制系統(tǒng)的有效性，在常用電控制動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，同時配置了空氣后備制動控制系統(tǒng)。當電控制動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障且短時間無法恢復正常時，可將機車電控制動控制系統(tǒng)斷電，并投入空氣后備制動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了常用電控制動控制系統(tǒng)和空氣后備制動控制系統(tǒng)的冗余[6]。

空氣后備制動控制系統(tǒng)是一種純空氣制動控制系統(tǒng)，主要由后備制動閥、調(diào)壓閥（可集成在模塊中）、轉(zhuǎn)換塞門、后備均衡風缸、中繼閥及壓力顯示裝置等部件組成，方案如圖4所示。

其中，后備制動閥具有控制后備均衡風缸壓力的能力，可使后備均衡風缸充氣、保壓或排氣；調(diào)壓閥用于調(diào)整后備制動啟用時后備均衡風缸的整定壓力；轉(zhuǎn)換塞門可控制空氣后備制動控制系統(tǒng)的投入或切除，同時把塞門的狀態(tài)以電信號形式傳送給機車。

目前，系統(tǒng)級冗余設(shè)計已在CR200J型動力集中動車組、HXD2機車等廣泛使用，極大地提高了制動控制系統(tǒng)的可靠性和可用性。

4? 機車級冗余

機車級冗余是指兩節(jié)機車制動控制系統(tǒng)間的冗余設(shè)計，通常當操縱節(jié)機車制動控制系統(tǒng)故障時，非操縱節(jié)機車制動控制系統(tǒng)可投入使用，保障機車正常運營，如圖5所示。

在常用模式下，操縱節(jié)機車的指令轉(zhuǎn)換器接收制動控制器位置信號，通過CAN網(wǎng)絡(luò)將位置指令發(fā)送到操縱節(jié)制動控制單元BCU，此時操縱節(jié)的司機制動閥根據(jù)BCU的控制指令，實現(xiàn)列車管的制動和緩解。操縱節(jié)的制動柜通過兩節(jié)機車之間的空氣管路連接，控制非操縱節(jié)機車的列車管和平均管壓力。

當操縱節(jié)制動柜出現(xiàn)設(shè)備故障導致列車管壓力無法正常控制時，通過制動屏設(shè)置（向BCU發(fā)送備用制動轉(zhuǎn)換信號）和平均管塞門轉(zhuǎn)換（制動柜切換空氣管路控制），將操縱節(jié)制動柜上用于均衡和列車管壓力控制的司機制動閥進行切除，轉(zhuǎn)換為由非操縱節(jié)制動柜的司機制動閥進行均衡和列車管壓力的控制，同時平均管也轉(zhuǎn)換為由非操縱節(jié)制動柜的分配閥輸出壓力進行控制，制動控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為備用模式[7]，如圖6所示。

在備用模式下，操縱節(jié)的司機制動閥由遮斷閥控制切除，操縱節(jié)機車的指令轉(zhuǎn)換器接收制動控制器位置信號，通過CAN網(wǎng)絡(luò)將位置指令發(fā)送到非操縱節(jié)制動控制單元BCU，非操縱節(jié)的司機制動閥根據(jù)BCU的控制指令，實現(xiàn)列車管的制動和緩解。非操縱節(jié)的制動柜通過兩節(jié)機車之間的空氣管路連接，控制操縱節(jié)機車的列車管和平均管壓力，完成制動控制系統(tǒng)的相關(guān)功能，最大程度上保證了機車制動控制系統(tǒng)的正常工作。

目前，機車級制動控制系統(tǒng)冗余設(shè)計僅出現(xiàn)在HXD2型機車上，該機車由兩節(jié)四軸機車重聯(lián)形成八軸機車，其中兩節(jié)機車內(nèi)分別配置獨立的制動控制系統(tǒng)，互為冗余。

5? 結(jié)束語

本文梳理了國內(nèi)主型機車制動控制系統(tǒng)在系統(tǒng)功能冗余設(shè)計方面的現(xiàn)狀，從功能、系統(tǒng)和機車3個層面介紹了具體的冗余設(shè)計原理，有利于后續(xù)制動控制系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化改進，同時也對其他系統(tǒng)設(shè)計具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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