中国标准动车组受电弓模拟实训装置的设计

杨贇,陈龙，韩金舫

(1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031；2.中车大连机车车辆有限公司 城铁开发部，辽宁 大连 116027；3.中国有色(沈阳)泵业有限公司，辽宁 沈阳 110027)

目前，我国投入运营的高速铁路超过3.5万公里，居世界首位.随着国内、国际多条高铁线路的开通以及老旧车型的更新换代，市场对中国“复兴号”动车组的需求量大增，同时也大量需要与之匹配的运营管理和调试维护人员[1].

“复兴号”动车组是一个大而复杂的高度集成系统，所有电气线路与控制环路分散隐藏在各个车辆相应位置，现有以真车参观为主的教学模式难窥其内涵，透明化程度较低、培训周期长、培训效果差,受训人员需要长时间在岗训练才能适应，这种人才培养模式难以适应中国动车组的快速发展要求[2].因此，设计一种针对中国标准动车组的模拟实训装置已迫在眉睫.

受电弓是影响动车组可靠运行的关键部件.在运行和调试维护过程中，需要熟悉受电弓的紧急断电、接地钥匙控制、升降弓、紧急降弓等各环路的电气原理、器件位置、控制逻辑、常见故障现象和基于现象的故障判断.本受电弓模拟实训装置是以中国标准动车组“复兴号”CR400BF为基础，采用标准作业平台作为基础框架，各功能单元由相对独立的模块组合构成，可根据实训需要或工作任务的不同进行不同的组合.受训人员能直观、清晰、快速掌握动车组受电弓相关单元的电气原理、提高常见故障的诊断能力和排除效率、增强实操的熟练度，能大大提升培训效果.

1 动车组受电弓结构及工作原理

受电弓主要由底架、阻尼器、升降弓装置等组成，动车组受电弓结构图见图1.当弓网接触时，电流从接触网经碳滑板流到弓头，沿上臂杆、下臂杆进入底架，最后流入动车组的高压系统，为动车组的运行提供先决条件[3-4].

图1 动车组受电弓结构图

如果受电弓发生故障，那么动车组的高压设备将无法受流，导致列车无法运行，造成线路堵塞并影响对其他列车的调度.因此受电弓升降控制环路是动车组最重要的环路之一[5].

“复兴号”动车组受电弓升降装置由升弓电磁阀(RPSV)、升弓单向节流阀、降弓单向节流阀、ADD快排电磁阀、压力开关单向节流阀，快速降弓电磁阀(LPSV)等构成[6]，其控制原理框图见图2.

图2 受电弓升降控制原理框图

当司机室按下升弓开关后，升弓电磁阀得电，通过升弓单向节流阀向气囊充气，驱动受电弓升起，若无意外情况发生，大约8 s之后，受电弓上升到接触网高度，ADD快排电磁阀导通向碳滑板充气，直至碳滑板与接触网线之间达到需要的静态接触力，受电弓正常升起，升弓操作结束.当进行降弓操作时，升弓电磁阀失电，气囊中的气体通过降弓单向节流阀经升弓电磁阀排气口排出，受电弓在重力作用下缓缓下降.压力开关和ADD快排电磁阀内的压力空气也同时排出，降弓操作完成[7-8].

受电弓可能因以下原因无法正常升起，在“故障导向安全”原则下，必须要有自动降弓以避免弓网接触的功能.例如在升弓条件下，若在规定的延时时间内碳滑板压力检测未达到正常值，则认为碳滑板磨耗泄露，受电弓故障.此时控制ADD快排阀得电，快速排出气囊内的气体，受电弓迅速降下，ADD快排阀也可和快速降弓电磁阀联动，在紧急断电以及受电弓遭到异物击打时快速降弓，防止受电弓和接触网被破坏[9-10].

2 受电弓模拟实训装置的结构设计

在中国标准动车组中，受电弓位于3车和6车，模拟实训装置采用标准作业平台为基础框架，抽离出中国标准动车组受电弓系统各控制环路的功能，设计了TC01头车、TP03-TP06车、TC08头车三个模块，各模块通过安全插头与DC110V电源连接，模仿真车的控制电路电压.TC01、TP03-TP06、TC08通过重载连接器连接，达到与真车相同的编组状态.根据头车占用情况，由TC01或TC08发出指令，模拟头车对受电弓发出升降弓信号，经逻辑控制电路模块将运算结果输出到TP03-TP06车模块，通过控制外挂的气源和小型受电弓替代装置，模拟真实动车组的升降弓控制功能，其示意图见图3、图4.

图3 受电弓模拟实训装置架构

图4 受电弓模拟实训装置实物

3 受电弓模拟实训装置控制系统设计

3.1 控制环路硬线电路设计

受电弓的选择、切除、升降弓、互锁功能、紧急驱动模式等功能由列车控制监控系统管理，同时还有接地钥匙控制环路、紧急断电安全环路、受电弓选择及升降弓、紧急模式下受电弓控制等列车硬线.以自动降弓装置(ADD)为例(图5)，介绍控制环路的硬线电气设计.图中继电器的功能含义：=21-K05为升弓继电器.=21-K10、=21-K81和=21-K83为升弓压力检测继电器，当升弓后达到设定压力值时=21-K83得电、=21-K81失电；当受电弓压力出现问题时，=21-K81得电、=21-K83失电，=21-K10延时5 s断开，=21-K11继电器得电.=21-K11是ADD降弓继电器，控制降弓.

图5 ADD自动降弓硬线电气原理图

自动降弓装置(ADD)的工作逻辑如下：

(1)当受电弓未升起，=21-K83(13-14)断开，=21-K81(21-22)断开，=21-K10不得电.=21-K83(21-22)接通，=21-K81(13-14)接通，升弓继电器=21-K05(14-13)断开，=21-K11不得电；

(2)当受电弓升起且压力正常，=21-K83(13-14)接通，=21-K81(21-22)接通，=21-K10得电，其延时断开触点(18-15)接通.=21-K83(21-22)断开，=21-K81(13-14)断开，=21-K05(14-13)接通，故=21-K11不得电；

(3)当受电弓升起且压力不正常时=21-K83(13-14)断开，=21-K81(21-22)断开，=21-K10失电，其延时断开触点(18-15)延时5 s断开.=21-K83(21-22)接通，=21-K81(13-14)接通，=21-K05(14-13)接通，=21-K11得电，导致紧急断电环路断开，5 s后失电.

受电弓的接地钥匙控制环路、紧急断电环路、升降弓控制环路等部分硬线电路设计,见图6.

图6 紧急断电安全环路硬线电气原理图及故障断点设置

3.2 模拟故障断点设置

为了快速提高培训质量，提升受训人员对“复兴号”动车组受电弓系统的结构与功能理解能力、对常见故障的排查与定位能力，模拟实训装置在TC01、TP03-TP06、TC08的3个模块的侧板设有对应故障的“硬开关”，也可通过触摸屏的“软开关”设置故障点，来模拟真车受电弓系统在实际运行中的常见故障.图6中“×”号代表设置的故障断点.当受电弓升降系统因故障无法正常运行，受训人员可根据电气原理、电路测量、现象分析、故障排查，直至故障定位，并将故障开关复位，排除故障.

本装置既可以在控制环路中设置单个常见故障，也可以同时设置多个故障，实现不同类型、不同位置的故障组合与故障复现，增加训练难度.

3.3 故障检测与软开关控制

为提高培训效率和装置的智能化，实现故障排查与定位准确度的自动判别，检验受训学员的学习效果，模拟实训装置增加故障检测与“软开关”控制，控制器选用大工计控PLC的PAG310控制器，IO扩展选用20路数字量输入EIO103和15路数字量输出EIO172，通过中间继电器实现模拟车载DC 110V电压与控制器的电气隔离.其IO分配和接线见图7.

(a)数字量输入接线图

故障检测与定位判别流程见图8.

图8 故障检测与定位判别流程

3.4 人机交互界面设计

本装置采用昆仑通态(MCGS)触摸屏来完成故障采集、实时显示、故障定位准确性判别和事件记录等功能.MCGS具有全中文和可视化开发界面、丰富的动画构件、支持串口和以太网通信、具有不同的报警方式等优点[11].

在进行MCGS人机交互界面设计时，先创建工程，在设备窗口添加TCP/IP父设备，进行基本属性参数设置，选择网络类型，添加设备通道，定义变量和对应的MODBUS变量地址，见图9.

图9 MCGS设备通道设置

图10 MCGS实时数据库

构建实时数据库，设置包括数据定义对象、数据类型、配置数据对象属性等.人机界面实时数据库见图10.

在用户窗口中绘制受电弓升降控制环路电气原理图，并在其中添加“×”号，代表设置的故障断点.“×”设置为条件非零时可见，当实际电路出现故障时，相应位置对应的故障变量置1，则对应的“×”显示故障位置(图6).

复现故障是不同类型、不同位置的故障组合，故障嵌在多控制环路中.为判定受训学员的故障排查操作是否正确，在MCGS用户窗口面向考官设计了故障位置显示和排查结果自动判断功能.当控制电路出现故障时，屏幕上自动跳转到相应的故障界面，并“×”显示故障位置.当出现多个故障界面时，屏幕自动弹出故障位置显示切换按钮，点击可跳转到任意一个故障界面.若受训人员未能将故障成功排除，又制造出新的故障，则新增 “×”标志新增故障点.当受训人员将故障成功排除后，“×”显示故障消失，系统自动跳转到下一个有故障断点的界面，从而能快速判断受训学员的故障分析，判别与定位的实践能力，达到检验受训学员学习效果的目的.

4 结论

本文设计的中国标准动车组受电弓模拟实训装置，能模拟“复兴号”真车功能，使受训人员通过该装置虚实结合、理实一体化的操作培训，能直观、清晰、快速掌握动车组受电弓单元的电气原理、提高常见故障的诊断能力和排除效率、增强实际操作的熟练度，大大提升培训效果.