地铁列车TRB模式故障分析与处理

2018-05-02韩增盛张天彤

城市轨道交通研究 2018年4期

韩增盛张天彤

（郑州铁路职业技术学院机车车辆学院，450052，郑州//第一作者，教授）

地铁列车通信控制系统普遍采用总线模块化结构，如深圳地铁1号线、广州地铁2号线等列车均采用了符合TCN标准的总线控制系统。该系统由列车总线（WTB）和多功能车辆总线（MVB）两部分组成，单元内用MVB总线连接，两个单元间用WTB总线连接；MVB总线实现车辆控制，WTB总线实现列车控制［1］。

列车控制核心是车辆控制和通信系统（TCC），车辆控制和通信系统协调所有总线之间的通信和控制列车的功能。TCC系统的核心是VTCU（列车控制单元），它是一个总线管理器，连接车辆总线MVB和列车总线WTB，管理列车控制和网关通信［2］。列车通过网络通信系统实现列车控制，当网络通信出现故障时，无法通过列车总线传递控制信号，列车须采用TRB模式以25 km/h的速度驾驶列车运行到前方车站或车辆段。TRB模式（TCC Restricted/Back-Up Mode）为列车通信控制限制/备份模式［3］。

1 TRB模式在运行初期存在的问题

地铁列车在运行初期经常发生TCC系统通信故障，导致运行列车处于启动连锁状态，表现在列车建立TRB模式后，列车仍不能正常动车，需进行救援。根据TRB模式使用的条件，其故障可分为两类：

一类故障为主控端单元车组的VTCU故障时，列车启动连锁，在激活TRB模式后，列车牵引能建立，制动能正常缓解，当列车启动到零速继电器得电吸合后，列车马上又失去牵引力，随即制动停车［4］。故在TRB模式下，列车只能以稍微起动又制动停车的“窜动”方式运行。

另一类故障为一个单元车组内A车到B车的MVB线出现通信中断故障，列车起动连锁。起动TRB模式后，列车不能建立牵引，气制动不缓解，列车不能起动，列车需借助另一列车进行救援。但将故障端的VTCU电源切断后，列车在TRB模式下却能动车。

2 TRB模式的原理

2.1 列车正常控制模式

在列车TCC系统功能正常的情况下，司机通过改变司机控制器牵引手柄的位置，同时带动司机控制器的凸轮，直接导致按一定逻辑顺序连接的行程开关通断变化，产生两类控制信号：

（1）一类为牵引信号（见图1），牵引状态信号是由02K06、02K30、门关到位、主风缸压力、停放制动等相关子系统监控继电器的触点，按串联连接闭合产生的，并最终使列车牵引线20417转为高电平，并输入给DX模块，再通过MVB及WTB传递给两个A车的VTCU，同时20417线输入到每节车的制动控制单元，进而实现对列车牵引状态的识别，列车即进入牵引状态，并缓解制动压力［5］。而牵引指令信号的大小是通过一个与主牵引手柄一起转动的滑线变阻器，产生与转动位置成一定比例的电流值，输入到主控单元A车的AX模块，再通过MVB传递给本单元的VTCU，本单元VTCU通过网关及WTB总线传递到从属单元车组的VTCU，进而完成列车对牵引指令信号大小的识别，并通过MVB总线传递给牵引逆变器实现列车牵引控制，其指令信号的范围为0～100%。

图1 牵引/控制电气控制局部图（牵引信号）

（2）另一类为制动信号（见图2），其制动状态信号也是由按一定逻辑组合的司机控制器行程开关及继电器触点断开产生的，最终使列车常用制动线20313转为低电平，并输入给DX模块，通过MVB及WTB传递给两个A车的VTCU，以实现对制动状态的识别。列车线20313也直接传送到每节车的制动控制单元，制动控制单元则根据制动力的实际需要进行摩擦制动力的施加［6］。

图2 牵引/控制电气控制局部图（制动信号）

制动时优先顺序为再生电制动、电阻电制动、空气摩擦制动，且电制动与空气摩擦制动转换条件为速度低于12 km/h。制动指令信号大小的识别原理同前面所述的牵引指令信号，只是主牵引手柄转动的方向相反，其制动指令大小的信息则是由VTCU通过MVB总线分别传递给牵引逆变器系统和制动控制系统，进而实现制动类型和制动力大小的控制，其指令信号的范围为0～100%。

2.2 列车TRB模式

当列车TCC系统通信部件发生故障时，列车VTCU将通过内部逻辑运算，判定列车牵引安全连锁条件被触发，通过牵引继电器02K30切断列车牵引线20417的DC110 V信号，保护性封锁牵引指令，列车不能启动。此时，只能实施紧急牵引，即合紧急牵引开关02S18，即能使列车以限速25 km/h的运行方式动车。其实现的方法为用两根贯穿整列车的导线（50%牵引指令线21404、50%制动指令线21405）作为信号的传输备份通道，以控制线电平高低组合成4种不同状态，实现牵引/制动控制指令可靠地传输到功能正常的VTCU及制动控制单元，从而实现对列车的牵引与制动控制（见图3），按故障具体部件不同可分为通信控制限制模式和通信控制备份模式。下面就这两种模式分别进行控制原理分析。

2.2.1 列车通信控制限制模式

列车通信控制限制模式是指在列车VTCU的网关或WTB线通信故障时的运用模式。当该类故障发生后，列车两单元VTCU之间的通讯中断，但每个单元车组的VTCU对本单元的通信控制功能均为正常，故从属单元VTCU不能接收到主控单元发出的牵引/制动控制指令信息，同时主控单元的VTCU不能监控从属单元车组的状态，根据VTCU列车控制软件的安全连锁逻辑，列车处于启动连锁状态，牵引无效。

图3 TRB模式控制电路

在闭合紧急牵引开关02S18后，紧急牵引控制线20418处于高电平，该控制线贯穿整列车，并将高电平输入到列车两端A车的DX模块04A16及每节车的制动控制单元。在两个单元车组的VTCU分别接收到20418线高电平信息后，列车建立紧急牵引模式，02K30继电器失电被释放。当司机将牵引/制动手柄推至牵引位时，列车牵引线20417将正常输出DC110 V给两个A车的DX模块04A15和所有车的制动控制单元，列车进入牵引状态，气制动被缓解。但司机控制器输出的牵引指令模拟信号将无效，VTCU只通过B车的DX模块接收21404线所传递的指令信号［7］，该信号为两种状态：

（1）一种为牵引手柄在1%～99%牵引位的范围内，21404线为高电平，VTCU识别的牵引指令大小为50%，并通过本单元MVB总线传递给本单元的牵引逆变器控制单元。

（2）另一种为牵引手柄处于100%牵引位时，21404线为低电平，VTCU识别的牵引指令大小为100%，通过本单元MVB总线传递给本单元的牵引逆变器控制单元。

当列车在通信限制模式下进行制动控制时，紧急牵引控制线20418为高电平，制动控制单元进入紧急牵引模式，在牵引手柄移至制动区时，常用制动指令线20313转为低电平，制动控制单元进入气制动施加状态：牵引手柄在1%～99%制动位的范围时，制动指令线21405为高电平，制动单元施加50%空气制动指令；牵引手柄处于100%制动位时，制动指令线21405为低电平，制动单元施加100%空气制动，该模式下列车制动均为空气制动，无电制动。

2.2.2 列车通信控制备份模式

列车通信控制备份模式是指在一个单元车组中VTCU的应用控制程序板故障或MVB总线通讯故障时的运行模式。当该类故障发生时，故障单元的VTCU与该单元所有或部分子系统通信控制中断，直接导致司机控制器的各类指令信息不能被读取和识别、牵引逆变器接收不到牵引/制动指令，本单元HSCB状态未知等，单元内列车控制功能基本瘫痪，但另一单元的系统功能正常。根据VTCU列车控制软件安全连锁逻辑，列车处于启动连锁状态，牵引无效。

在闭合紧急牵引开关02S18后，紧急牵引控制线20418处于高电平，由于该控制线贯穿整列车，则该信号反馈给非故障单元A车DX模块04A15和所有车的制动控制单元，使非故障单元的VTCU进入紧急牵引模式。当司机将司机控制器牵引手柄推至牵引位时，非故障单元VTCU所接收的牵引指令信息为21404线所传递的指令，其控制方式和原理与列车通信控制限制模式完全相同，非故障单元的VTCU收到牵引指令信息后，通过本单元MVB总线传递给本单元B车和C车的牵引控制单元，进而实现列车牵引［8］。与列车通信控制限制模式相比，该模式下只有非故障单元的动车（B、C车）能正常工作。故该模式下故障最为严重时，列车总动力输出只为列车通信控制限制模式的一半。

对于该模式下的制动控制，其控制方式和原理与列车通信控制限制模式完全相同。

3 TRB模式存在问题的处理

3.1 列车“窜动”故障的整改

在TRB模式下，通过动态测试列车与牵引控制相关的信号，可监测到在一个列车主控端的VTCU不工作的情况下，从端的VTCU给出的列车限速为“0”，而在两个VTCU均能正常工作时，列车限速为“25”。后通过对VTCU的应用控制程序逻辑进行分析，发现其逻辑设计为：列车从端VTCU实际运行限速是通过WTB总线读取主控端VTCU给出的限速参数，作为其运行参数标准。而在主控端VTCU不工作时，从端VTCU无法从激活端VTCU读取到限速参数，此种情况下，从端VTCU只能将限速参数设置为默认值“0”。当牵引建立后，列车启动到约0.3 km/h时，列车零速继电器得电动作，VTCU检测到速度超过“0”限速，进而施加制动，故出现上述的“窜动”运行方式。

该故障为VTCU应用控制部分软件的设计缺陷。而其修正是通过改变VTCU应用控制程序的限速信息获取的途径，进行软件功能改进。即在TRB模式被激活的条件下，列车两端VTCU都各自设置为25 km/h的限速参数，而无主从之分，进而实现列车在TRB模式下能以最高限速25 km/h运行。

3.2 列车制动不缓解的整改

通过对列车起动连锁相关的逻辑进行分析，列车在多于3节车制动控制单元故障的情况下，列车将被VTCU设置为起动连锁状态，TRB模式下也不能动车，列车02K30得电，牵引指令被切断，制动不能缓解。此种设计是出于列车运行安全考虑，防止在丧失一半以上制动力的情况下能起动列车。

上述故障情况下，列车主控端VTCU中断了与本单元B、C车所有子系统的通信而导致VTCU只能监控到本单元A车的制动控制单元。同时C车车钩连接状态由于负责监控的DX模块通信中断而不能被VTCU识别，直接导致从属单元车组信息被视为无效，此时主控端VTCU即失去了5节车的制动控制单元信息.而根据列车起动连锁的安全要求，在TRB模式下，主控VTCU将给出起动连锁，牵引指令将被切断。但当切断主控VTCU电源后，该端的VTCU并不参与列车控制，同时02K30继电器失电，而从属单元VTCU自动变为主控状态，从属端单元车组能监控到单元车组的3个制动控制单元和激活端A车的制动控制单元，不会起动连锁，列车以通信控制备份模式运行。

此故障为在设计列车制动控制单元故障下的运行模式时，其设定的安全逻辑与TRB模式下的逻辑冲突所致。其修正的措施需重新对VTCU应用程序中牵引封锁判断逻辑进行调整，即在TRB模式下，列车制动控制单元状态不作为列车起动连锁的判断条件，但在正常模式下，判断条件依然有效。此时列车在该类故障情况下安全和紧急牵引功能均能得到满足，完全满足车辆技术文件的功能要求。