地铁车辆车门安全环路故障分析与探讨

薛世城，章贺磊，王自鑫

（郑州地铁集团有限公司，河南郑州 450000）

0 引言

郑州地铁4 号线车辆网络控制和诊断系统，采用国产化DTECS（Distribute Train Electric Control System，分布式列车电气控制系统）平台，它好比列车的眼睛和大脑，有监视电客车和针对各种情况做出逻辑判断的功能[1]。

车辆安全环路是以故障安全导向为基础的一种控制方法，介绍4 号线近期在正线出现多起无规律车门安全环路故障，通过深入分析车门安全环路故障、网络零速逻辑、车辆速度传感器结构和工作原理等方面，查明故障原因，为车辆检修人员处理该故障提供理论支持[2]。

1 车辆网络系统介绍

TCMS（Train Control and Management System，列车控制及管理系统）采用国产化DTECS 系统，按照不同的功能与硬件配置分为3 种车型：有司机室的拖车（Tc 车）、无司机室带受电弓的动车（Mp 车）、无司机室的动车（M 车）。不同车型由数量不同的网关模块（EGWM）、中继器（REPs）、数字量输入、输出模块（DXMe）、数字量输入模块（DIMe）、模拟量输入、输出模块（AXMe）、人机接口模块（HMI）组成[3]。

TCMS 通过以太网接口用来连接第三方设备将列车故障信息、状态信息传送到地面分析设备，具有很多便于用户使用的特点。例如，采用分布式模块化设计，易于配置和维修；采用符合IEC 61375-1 标准的TCN 总线，易于扩展，适应不同形式的列车编组；通信采用双通道互相替补机制，提高系统运行可靠性等。

2 典型故障分析

某日0406 车在某站下行站台，ATC（Automatic Train Control，列车自动控制系统）车载设备发出开门指令，车门同步打开；司机操作Tc2 车左门关按钮，车门同步关闭；随后HMI 显示“Tc2车右侧门安全环路故障”，司机点击确认后故障消失，司机向行调报告故障情况。

2.1 车门安全环路故障上报逻辑

列车占有信号与列车非零速信号同时有效时，网络才允许进行门安全环路故障的判断。当上述信号同时有效且列车左门与右门关好信号任意一个丢失时，网络会依次检测Tc 车、Mp 车、M 车的左门或右门的门关好信号是否有效。若检测到某节车的门关好信号无效，则网络判定“X 车左（右）门安全环路故障”。故此类故障的主要故障点可能为列车占有信号丢失、列车门关好信号丢失、列车网络零速信号丢失等，车门安全环路故障上报逻辑如图1 所示。

图1 车门安全环路故障上报逻辑

2.2 列车网络零速判定逻辑

列车网络零速判断时，需先进行速度有效性判断，当BCU发送的速度在0.1～120 km/h 时，认定该轴速度有效。然后取两个Tc 车8 根轴的速度，去掉一个最大值和一个最小值，然后取剩下6 根轴的平均速度作为网络计算的列车综合速度。当仅有一根轴的速度信号有效时，即取该轴速度为列车综合速度。

当列车网络速度低于0.5 km/h 时，网络零速有效，当列车网络速度高于1.0 km/h 时，网络零速失效。

2.3 事件记录仪数据分析

选取最近一次故障数据，分析故障时间点的事件记录仪数据，Tc1 车为占有端，故障前后列车占有相关信号无异常波动，Tc1 车列车左门关好信号、Tc2 车右门关好信号都与Tc1 车开关门指令同步动作，与网络零速相关的信号量中，除Tc2 车4 轴速度信号于18:18:00 跳变为16.9 km/h 外，其他轴均为0。事件记录仪数据如图2 所示。

图2 事件记录仪数据

综合事件记录仪数据，判断该故障为列车静止状态下，BCU向TCMS 发送的Tc2 车4 轴的速度信号异常引起。

3 速度传感器分析

3.1 速度传感器结构

郑州地铁4 号线采用的是FS01A 电流型速度传感器[4]（图3），为单通道霍尔速度传感器，安装于轴箱端盖位置，用于给空气制动系统提供轴速信号。传感器头和线缆为整体部件，头部采用圆柱螺栓固定连接，尾端采用快速连接器连接，线缆为4 芯屏蔽电缆，被测转动物体为80 齿的的导磁性测速齿轮。

图3 FS01A 电流型速度传感器

3.2 速度传感器工作原理

列车所使用的速度传感器是一种具有霍尔特性的成熟型传感器。根据美国物理学家E.H.Hall 提出的观点，霍尔效应本质上是一种电磁效应。给一段导体上通上电流，导体周围就会产生一个磁场，通过的电流越大产生的磁场也就越强。磁体是有极性的，可分为南极（S 级）和北极（N 级），不同极性相互靠近时会产生相互的吸引力，而不同的极性相互靠近时会产生排斥力。举一个简单的例子，给一块金属板的左右两边加上电源，金属板里电子在电源的作用下开始移动，产生电流进而产生磁场，这时，把一个磁铁靠近金属板，磁铁自身的磁场和电流产生的磁场相互作用，会使得金属板上的电流产生偏移，电子不断的向下聚集，上下部之间的差值称为霍尔电压，磁铁越靠近金属板，相互作用越强，霍尔电压越大，这就是霍尔效应[5]。

对比地铁列车的速度传感器检测系统，当测速齿轮在磁场中转动时，在霍尔效应的作用下，速度传感器会产生一系列的脉冲信号，制动系统可以通过每分钟的脉冲数来计算轴的转速。

3.3 速度传感器计数

FS01A 电流型速度传感器是单通道霍尔速度传感器，输出信号波形为方波，每个EP2002 制动控制阀读取该阀所对应转向架的2 个轴速信息。霍尔式速度传感器相对于电磁式速度传感器而言，属于有源速度传感器，需要借助外部电源工作，速度传感器通过EP2002 阀提供的DC 15 V 电源工作。

霍尔式速度传感器利用霍尔元件产生的霍尔电压。当安装在车轴端部的测速齿轮转动时，使得与之配对安装的速度传感器内通过霍尔元件的磁力线密度发生变化，从而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出准正弦波电压，此信号由速度传感器自带的电子电路转换成脉冲电流信号。由于霍尔元件的输出电压与被测物体的运动速度无关，因此它的高、低速特性很好，若用其测量物体的转速，其下限速度从理论上讲可以接近于0（实际最小为1 Hz），当EP2002 阀本架上的一个速度传感器故障时，该EP2002 阀的防滑保护控制处于架控状态，但由于此时速度传感器故障，没有实际轴速，仅能以该转向架另一个轴的速度来控制这根轴的防滑动作，此时与传统意义的架控防滑仍有区别，没有实际轴速的情况下，这根轴出现擦轮的可能性较高。当EP2002 阀本架上的两个速度传感器都存在故障时，该EP2002阀将没有防滑保护控制。

地铁列车速度传感器对应的测速齿轮通常是80 齿，如果要产生一个脉冲变化，则相当于至少转动4.5°，换算下来EP2002阀读取的速度传感器最低速度为0.5 km/h。输出脉冲如图4 所示。

图4 速度传感器输出脉冲

4 结束语

通过对车门安全环路故障的上报逻辑、网络零速判断逻辑及FS01A 型速度传感器结构、工作原理、计数原理等进行分析，得出导致速度传感器计数跳变的原因及排查方法如下：

（1）速度传感器自身故障。检查EP 阀插头无缩针，检查速度传感器间隙在标准范围内，速度传感器表面无破损、污染。选取一个跳变的速度传感器，换位置后跟踪是否故障跟随转移，以便检查或排除是否速度传感器自身存在故障。

（2）受到外部电磁干扰。排查跳变轴附近是否有瞬间大电流（如接地点）经过。

（3）列车晃动导致测速齿轮转动。4 号线电客车速度传感器对应的测速齿轮是80 齿。根据计数原理分析，如果要产生一个脉冲变化，仅需要测速齿轮转动4.5°即可。

（4）轮对失圆导致停车时测速齿轮转动。单侧轮对失圆或双侧轮对均失圆导致停车时两侧车轴未处于同一水平高度，轻微晃动就会引发测速齿轮出现转动，进而产生轴速。