高速动车组车门控制系统研究

朱书娟，徐刚，张卫，陈勇胜，郭冬梅

(1.唐山轨道客车有限责任公司制造技术中心，河北唐山 063000;2.唐山开元机器人系统有限公司研发部，河北唐山 063000)

高速动车组车门控制系统研究

朱书娟1，徐刚2，张卫1，陈勇胜1，郭冬梅1

(1.唐山轨道客车有限责任公司制造技术中心，河北唐山 063000;2.唐山开元机器人系统有限公司研发部，河北唐山 063000)

针对现阶段高速动车组制造技术国产化的趋势，在消化吸收CRH3型动车组关键技术的前提下，研究了CRH3型高速动车组车门控制系统的网络拓扑结构，并在此基础上设计了车门控制系统通过多功能车辆总线 (MVB)与列车控制单元、诊断单元及制动单元间的通信接口，优化车门控制程序，保证车门系统在高速动态运行环境中实时可靠地工作。结合实际运行过程中出现的故障，分析产生的原因，优化了列车控制网络与车门通信控制逻辑，消除运行中的安全隐患，保证了列车高速运行时的安全与稳定性。

高速动车组;列车通信网络;多功能车辆总线;故障分析

随着轨道车辆控制技术的发展，列车控制系统越来越复杂。车辆设备的控制、监测和诊断过程从集中型的直接控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统。为了节约人力，保证列车运行的安全性、可靠性，将网络控制应用于车门控制系统，实时监控车门状态是列车控制技术发展的必然趋势。CRH3型高速动车组是目前我国最为先进的动车组，文中着重研究CRH3型高速动车组车门控制系统。CRH3型高速动车组车门控制系统与碳钢车人工手动开门相比，提高了人工单位时间的工作效率，实现了车门控制的智能化;与地铁车门的控制相比，其控制方式为闭环控制，实时反馈车门状态及故障信息，且有良好的气密、防尘、防水性，保证高速运行时列车内部气压稳定，使乘坐更舒适。CRH3型动车组车门控制系统以其可靠先进的控制技术搭载入列车控制网络，实现了车门的闭环控制。列车控制网络实时准确地监控车门打开/关闭的状态，避免列车在启动及高速运行时，在未进站及站台内非站台侧时打开车门的状况发生，保证列车安全行驶。

1 车门通信控制网络拓扑结构

CRH3型动车组车门具有良好的密封性及防尘、防水性，车门可以承受的内外压强差为±6 000 Pa。车门位于变压器车02和07(TP02、TP07)和中间车03和 06(IC03、IC06)的两端，一等车 05车(FC05)头车01和08(EC01、EC08)的一端。车辆之间通过一种用于连接各节点的可动态编程的车辆间绞线式列车总线 (WTB)互联。车辆内部设备由多功能车辆总线 (MVB)互联。

列车制动系统、列车控制系统和列车诊断系统(集成于HMI)和车门控制系统搭载入列车控制网络形成完整的车门控制网络。列车制动系统发出气压数据及速度数据，提供安全行驶的硬线条件。列车控制系统向车门发出控制指令，集中控制整列车门的状态。列车诊断系统确认、评估、显示发生的故障，并提供解决方案。门控单元 (DCU)与中央控制单元(CCU)、人机交互界面 (HMI)及制动控制单元(BCU)的通信网络拓扑结构如图1所示。

图1 车门通信网络拓扑结构

CRH3型高速动车组车DCU、BCU、CCU、HMI之间的MVB通信如图1所示:每列动车组由两组互相对称的牵引单元组成 (EC01-BC04，FC05-EC08)，牵引单元之间通过车顶电缆连接。主门控器 (MDCU)从CCU、BCU、HMI接收总体的过程数据，如门操作指令和速度信号等。MDCU发送给CCU、HMI门的实际状态和诊断信息。每辆车门控单元通过CAN总线互联。

2 车门控制系统软硬件设计

2.1 硬件接口设计

图2 车门控制系统通信结构图

每辆车的车门通过CAN接口互联，主门控单元设有西门子公司的采用PC/104总线接口标准的MVB32模块，保证主门控单元通过MVB接口与列车控制单元通信。门控制单元由可编程逻辑控制模块、电机控制模块 (电机驱动模块和门锁闭供电模块)和输入扩展模块构成。MDC2-110SMVB-I型 (主控单元)或MDC2-110-I(从控制单元)为车门控制系统的控制单元。车门控制系统通信结构图如图2所示。

每列车车门都分配有不同的车辆代码通过CAN接口X6的1，6，8和9针脚与车门控制单元连接，列车车门编码如表1所示。对于无效的编码门控单元会产生一个诊断信号并发送给列车控制单元，门控单元不做任何动作。

表1 列车车门编码

2.2 软件设计

2.2.1 软件接口

MDCU发给CCU/HMI过程数据(EW_TUR1_EW_ZSGM_1)，MDCU发给HMI的诊断数据1和2(EW_TUR1_EW_Diag_1/2)，BCUM发给MDCU气压数据(EW_BSGM_EW_GW_2)，BCU11发给MDCU硬线速度诊断信号(EW_BSG11_Diagnose)，CCUM发给MDCU速度和距离数据(EW_ZSGM_ZWG_Info)，CCUM发给MDCU时间数据(EW_ZSGM_Zeit_Info_an_alle)，CCU发给MDCU MVB数据(EW_ZSGM_allg_Daten2)。

2.2.2 安全互锁功能

CCU的控制命令与BCU的硬线速度信号共同作用且匹配时，DCU控制驱动电机正反转，从而实现车门的开关动作。由于v＜5 km/h仅有硬线速度信号保证，且车门只有在有这个信号时才可以打开，因此需要在软件上保证车门锁闭与缓解两个状态互锁，才能保证车门不会出现误动作。车门锁闭与缓解互锁逻辑如图3所示。

图3 车门锁闭与缓解互锁逻辑

变量V_CCUM_Doors_Block_le:左侧门处于锁闭状态，不能打开;变量V_CCUM_DoorsRelease_le:左侧门释放，可以集控打开左侧门。由逻辑图可知门锁闭与门释放为互逆关系，因此，可以实现逻辑上的互锁。

2.2.3 门集控功能软件设计

门集控包括集控开门和集控关门两个过程。集控开门流程如图4所示。当主DCU接收到来自MVB的开门命令后，DCU判断速度信号是否一致，不一致反馈回CCU。如果一致，检测开门阻力 (F1)是否大于开门允许力 (F2)，如果小于，主 DCU通过CAN总线给站台侧的从DCU发出开门指令，站台侧门的气动锁打开，解锁电机M2解锁，限位开关断电，门离开100%关闭位置，门开始打开，在打开150 mm处 (通过DCU的计数器实现)，站台补偿器开始打开，打开到300 mm时站台补偿器完全打开，门打开并保持。

图4 集控开门流程图

集控关门流程如下:当主DCU接收到关门指令后，DCU要先判断关门阻力是否大于关门允许值，如果大于反馈给CCU，如果小于，主DCU通过CAN总线给站台侧的从DCU发出关门指令;防挤压功能启动，驱动电机反转，门关至500 mm时收起站台补偿器，750 mm时站台补偿器完全收起，98%限位开关激活，气动锁动作，防挤压功能取消;门继续关闭，100%附加限位开关激活，门完全关闭。

3 故障分析

3.1 集控开关门故障分析

引起车门无法正常集控开/关的原因有:硬线速度信号与MVB信号不一致，附加100%限位开关故障 (故障代码为70)，98%限位开关故障 (故障代码为83)，站台补偿器收起过慢 (故障代码为96)，风压值小于0.45 MPa(故障代码为79)等。出现故障后MDCU通过MVB将故障代码显示到HMI上，通过故障代码可以分析出问题出现的原因。下述内容主要分析硬线速度信号与MVB信号不一致的情况。

HMI报故障，门控器故障指示灯闪12次，故障代码78、92、93，门无法打开。MDCU从MVB接收v＞5 km/h和v＞10 km/h两个速度信号，从BCU接收v＜5 km/h、v＞5 km/h和 v＞10 km/h三个速度信号，如果MVB和BCU来的速度信号不一致，会导致故障代码92和93的产生，硬线速度信号出现逻辑错误时会导致故障代码78的产生。

当DCU接收到的CCU以及BCU的速度信号不一致时，就会产生速度信号不一致的故障。速度信号不一致产生故障代码时序图见图5。

图5 故障代码时序图

代码78含义:硬线速度信号错误且持续10 s，报故障。

代码92含义:MVB总线信号与硬线速度信号v＞5 km/h不一致且持续10 s，报故障。

代码93含义:MVB总线信号与硬线速度信号v＞10 km/h不一致且持续10 s，报故障。

3.2 HMI显示防挤压故障

98%限位开关的主要功能是触发启动气动锁。如果98%限位开关动作提前将导致气动锁压紧位置不正确，导致关门阻力过大启动防挤压程序。98%限位开关动作滞后，导致车门的防挤压胶条碰撞门框启动防挤压程序。这两种情况都会造成门反复关闭5次停在开门位置。

在实际列车运行中，司机集控关门后HMI显示防挤压故障，车门停止在打开位置，门控器故障指示灯闪烁5次，故障代码为83。98%限位开关导致故障流程图见图6所示。

图6 98%限开关故障流程图

4 结束语

以CRH3型高速动车组车门系统为研究对象，此闭环控制系统是将车门控制搭载入列车通信网络(TCN)。该控制系统具有以下优点:(1)实时监控。列车诊断单元分析并显示车门故障信息，司机可以通过故障代码确定故障的严重性，采取解决措施。(2)车门集中控制，减少人力。通过司机室按钮集中开/关站台侧的车门，达到车门集中控制。(3)与CCU、BCU、HMI间通信。车门控制系统与 CCU、BCU、HMI通信不仅提供了更加严密的安全控制条件，而且提高了车门控制系统的可靠性和先进性。研究CRH3型动车组车门系统有助于加快其国产化的进程，提高我国高速动车组技术水平，对于今后我国轨道车辆的设计、运行、维护和保养等方面均有重要的借鉴意义。

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Research on Vehicle Door Control System of High-speed EMU

ZHU Shujuan1，XU Gang2，ZHANGWei1，CHEN Yongsheng1，GUO Dongmei1
(1.Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan Hebei063000，China;2.Tangshan Kaiyuan Robot System Co.，Ltd.，Tangshan Hebei063000，China)

At present，according to the localization trend of high-speed EMU'smanufacturing technology，and under the premise of key technology digestion and absorption of CRH3，the door communication system network topology structure was studied，and then communication interfaces among the door control system，train control unit，diagnostic unit and brake control unit were designed through multifunction vehicle bus(MVB).The door control procedures were optimized，to ensure real time and reliable work of the door system in high speed dynamic operation environment.Though analyzing operation fault，the control logic between the train communication network and the door control system was optimized.Then the hidden trouble of safety was eliminated，and the safety and stability of train running at a high-speed dynamic operating environmentwere ensured.

High-speed EMU;Train communication network;Multifunction vehicle bus;Fault analysis

TP

A

1001－3881(2014)10－158－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.048

2013－04－21

朱书娟 (1983—)，女，硕士，工程师，研究方向为高速动车组电气工艺技术。E－mail:moonlight034142@126.com。