李永全

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 511430）

0 引言

廣州地鐵五號(hào)線國(guó)產(chǎn)化列車為廣州地鐵公司、南車時(shí)代電氣和南車青島四方公司聯(lián)合研制的首列采用國(guó)內(nèi)技術(shù)的直線電機(jī)列車，該車采用了由國(guó)內(nèi)株洲南車時(shí)代電氣自主研發(fā)，符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的車載列車控制及診斷系統(tǒng)，通過(guò)與列車各子系統(tǒng)的通訊及傳輸，實(shí)現(xiàn)了故障的準(zhǔn)確定位、判斷及實(shí)時(shí)反映子系統(tǒng)的狀態(tài)。

1 列車網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)

1.1 DTECS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺(tái)

DTECS是專為軌道車輛的列車控制和通信而設(shè)計(jì)的一套車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括車載硬件、操作系統(tǒng)、控制軟件、診斷軟件、監(jiān)視軟件和維護(hù)工具，它控制并監(jiān)視整個(gè)列車。

DTECS是一個(gè)分布式控制系統(tǒng)，它將分布于整個(gè)列車的各個(gè)智能單元聯(lián)結(jié)成一個(gè)列車網(wǎng)絡(luò)，這些單元可分別安裝于車下設(shè)備箱中、司機(jī)臺(tái)或車廂內(nèi)的控制柜中，各不同的分布式單元將使用TCN總線連接起來(lái)。這種系統(tǒng)的最大的優(yōu)點(diǎn)是：顯著減少各箱柜之間的連線，方便將來(lái)對(duì)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展?？偩€的擴(kuò)展比較簡(jiǎn)單，只須增加一根連接到該單元的電纜線，并更新應(yīng)用軟件就能和新的單元進(jìn)行通信。

DTECS的模塊包括車輛控制模塊（VCM）、事件記錄模塊（ERM）、數(shù)字量輸入輸出模塊（DXM）、數(shù)字量輸入模塊（DIM）、模擬量輸入輸出模塊（AXM）、RS485通信管理模塊（HCM）、總線耦合模塊（BCM）、智能顯示單元（IDU）。

車輛控制程序是下載到VCM里的程序，DXM、DIM、AXM用來(lái)采集硬線電路的數(shù)字量、模擬量信號(hào)，DXM和AXM用來(lái)輸出VCM發(fā)給外部硬線電路的控制信號(hào)，IDU顯示相應(yīng)的信息給司機(jī)。VCM、DXM、DIM、AXM及IDU各模塊自帶底層軟件，并遵循統(tǒng)一的通訊標(biāo)準(zhǔn)IEC61375，相互之間通過(guò)MVB總線進(jìn)行通信。DTECS列車網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)的車輛總線為基于EMD/ESD+介質(zhì)的WTB/MVB網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。

1.2 網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為整車的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，列車控制及診斷系統(tǒng)采用分布式控制技術(shù)，符合IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)采用三級(jí)：列車控制級(jí)、車輛控制級(jí)和功能控制級(jí)。列車控制級(jí)總線為EMD通信介質(zhì)的MVB，車輛控制級(jí)總線ESD通信介質(zhì)的MVB，功能控制級(jí)總線為RS485。

采用分布式技術(shù)，即分布采集及執(zhí)行，中央集中控制與管理的模式。各個(gè)功能模塊分別安裝于不同車型的控制柜中，模塊之間通過(guò)列車總線和車輛總線連接。不論是列車總線還是MVB車輛總線，均采用通信雙通道冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)某一路通信通道出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)切換到另一路通信通道。對(duì)于關(guān)鍵的車輛控制模塊VCM，由于其主要實(shí)現(xiàn)重要的車輛控制、總線管理功能，因此在整車內(nèi)對(duì)VCM做了熱備冗余配置，在當(dāng)前主VCM出現(xiàn)故障的時(shí)候，備用VCM將接管主要VCM的職責(zé)，行使所有的控制功能。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成控制和監(jiān)視、故障診斷、數(shù)據(jù)記錄、信號(hào)采集、通信控制、通信冗余等功能。

2 系統(tǒng)各部件功能

2.1 車輛控制模塊

VCM模塊安裝在列車兩端司機(jī)室內(nèi)，每列車共安裝了2個(gè)VCM，通過(guò)MVB EMD總線與其他設(shè)備進(jìn)行通信，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心部件，具備以下幾項(xiàng)功能：

（1）列車和車輛級(jí)的過(guò)程控制，如列車牽引制動(dòng)控制、空調(diào)啟動(dòng)時(shí)序控制及電空混合制動(dòng)控制等功能；

（2）通信管理：具備MVB的通信管理能力，實(shí)現(xiàn)車輛級(jí)的通信控制功能；

（3）顯示控制：通過(guò)多功能車輛總線與HMI顯示屏的接口，輸出各種顯示信息；

（4）故障診斷：可采集處理列車的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，并通過(guò)HMI顯示屏真實(shí)的反映出來(lái)。

2.2 事件記錄模塊ERM

每列車共安裝了2個(gè)ERM模塊，分別安裝在兩端A車司機(jī)臺(tái)下方，通過(guò)MVB與其他設(shè)備進(jìn)行通信，可記錄列車故障履歷數(shù)據(jù)及各類數(shù)字量、模擬量的變化情況，是列車存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的重要部件，具備功能如下：

（1）數(shù)據(jù)記錄功能：記錄司機(jī)操作數(shù)據(jù)（如操作各種開關(guān)、按鈕動(dòng)作情況）、故障履歷數(shù)據(jù)，將VCM模塊的故障數(shù)據(jù)具體化；

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：可通過(guò)車載信息網(wǎng)（工業(yè)以太網(wǎng)）將ERM模塊所記錄的數(shù)據(jù)下載至PTU電腦，便于在地面分析列車故障數(shù)據(jù)。

2.3 RS485通信管理模塊HCM

部分系統(tǒng)自身不具備與MVB總線進(jìn)行通信的功能，如乘客信息系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、列車車載信號(hào)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，需借助此模塊實(shí)現(xiàn)與MVB總線之間的數(shù)據(jù)交換。每個(gè)HCM模塊可實(shí)現(xiàn)與兩組MVB與RS485之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)由于每節(jié)車廂分布的系統(tǒng)不一致，目前五號(hào)線國(guó)產(chǎn)化增購(gòu)列車HCM模塊的分布情況為A車3個(gè)，定義為HCM1、HCM2、HCM3，B、C車各安裝了1個(gè)HCM模塊。HCM模塊電氣接口如圖2所示。

圖2 HCM模塊電氣接口圖

2.4 總線耦合模塊BCM

每節(jié)車廂安裝了2個(gè)總線耦合模塊，定義為BCMA及BCMB模塊，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的A、B傳輸通道，可提供多功能車輛總線的電氣短距離到電氣中距離傳輸?shù)慕涌?，?shí)現(xiàn)多功能車輛總線MVB的電氣短距離傳輸介質(zhì)ESD到電氣中距離傳輸介質(zhì)EMD的轉(zhuǎn)換，將單個(gè)車組單元的智能設(shè)備通過(guò)MVB總線互連成列車通信網(wǎng)。

2.5 模擬量輸入/輸出模塊AXM

在兩個(gè)A車及B1車中均安裝了一個(gè)AXM模塊，主要負(fù)責(zé)模擬量的輸入輸出控制功能，通過(guò)MVB總線與其他設(shè)備進(jìn)行通訊，具備的功能包括以下幾種：

（1）采集司控器的級(jí)位并傳送給TCMS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制列車發(fā)揮的牽引、制動(dòng)力；

（2）可采集來(lái)自于ATO系統(tǒng)的模擬信息，可將0～20 mA的電流值轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓值并傳送給TCMS；

（3）實(shí)時(shí)采集蓄電池溫度，并傳送給TCMS，可準(zhǔn)確無(wú)誤地在HMI顯示屏中觀察到蓄電池的溫度情況；

（4）采集列車速度值并直接驅(qū)動(dòng)速度表，通過(guò)速度表反映列車運(yùn)行時(shí)速。

2.6 數(shù)字量輸入/輸出模塊DXM

該模塊是整個(gè)列車控制及診斷系統(tǒng)中又一個(gè)極其重要的模塊，每節(jié)A車中安裝了2個(gè)DXM模塊，其他車中每節(jié)車安裝了一個(gè)，其主要負(fù)責(zé)數(shù)字量的輸入輸出控制，采用了16路110 V光電隔離輸入通道及6路110 V的MOS管輸出通道，具備以下三種功能：

（1）輸入信號(hào)采集：將車輛間電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由列車控制網(wǎng)絡(luò)傳送給VCM，完成信號(hào)監(jiān)視功能；

（2）數(shù)字信號(hào)輸出：將網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)，控制諸如指示燈、繼電器等設(shè)備；

（3）設(shè)備地址輸入：通過(guò)外部跳線配置設(shè)備地址，維護(hù)簡(jiǎn)單。

2.7 數(shù)字量輸入模塊DIM

DIM模塊主要完成數(shù)字量的采集輸入功能，每節(jié)A車中安裝了兩個(gè)DIM模塊，其余每節(jié)車各安裝了一個(gè)DIM模塊，采用了32路110 V光電隔離輸入通道，與DXM模塊相比較，該模塊缺少了數(shù)字信號(hào)的輸出功能。

3 系統(tǒng)主要功能介紹

列車控制及診斷系統(tǒng)（TCMS）集中提供了控制和監(jiān)視車載系統(tǒng)和設(shè)備的功能。列車的操作，車載系統(tǒng)的故障診斷、故障數(shù)據(jù)記錄、事件分析和報(bào)告等功能都集成在一個(gè)分布式智能系統(tǒng)中。TCMS對(duì)列車的控制、監(jiān)控和診斷都是基于與各子系統(tǒng)的通信的，與TCMS進(jìn)行通信的包括以下子系統(tǒng)：牽引系統(tǒng)；制動(dòng)系統(tǒng)；輔助供電系統(tǒng)；空調(diào)系統(tǒng)；車門系統(tǒng)；列車廣播系統(tǒng)及乘客信息系統(tǒng)（PIDS）；列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）；列車無(wú)線通信系統(tǒng)。

3.1 控制功能

3.1.1 系統(tǒng)冗余控制

（1）VCM冗余。正常情況下，系統(tǒng)選擇激活端作為主控設(shè)備，從控端作為備用。備用設(shè)備不斷監(jiān)視主控設(shè)備的狀態(tài)，當(dāng)主控設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，備用設(shè)備將自動(dòng)代替主控設(shè)備的一切控制功能，保證列車正常運(yùn)行[3]。

（2）總線冗余。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了雙通道互為冗余的列車及車輛總線MVB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。正常情況下網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)選擇A或B通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)某一路出現(xiàn)通信故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能自動(dòng)切換至另一通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.1.2 牽引、制動(dòng)控制

列車網(wǎng)路系統(tǒng)接受來(lái)自于ATO或者司控器的級(jí)位信號(hào)后通過(guò)MVB總線傳輸給牽引、制動(dòng)系統(tǒng)，并以此信號(hào)為準(zhǔn)執(zhí)行相應(yīng)的牽引或制動(dòng)力。

3.1.3 空壓機(jī)與空調(diào)啟動(dòng)順序控制

空壓機(jī)與空調(diào)的啟動(dòng)順序控制為了避免所有空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)所造成的沖擊電流，TMS對(duì)空壓機(jī)和空調(diào)的啟動(dòng)進(jìn)行順序控制。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)MVB總線發(fā)送啟動(dòng)碼給空調(diào)系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的啟動(dòng)進(jìn)行控制。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)每隔10秒改變一次啟動(dòng)碼。如圖3所示，在制動(dòng)空壓機(jī)沒有啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)空調(diào)系統(tǒng)每隔60秒收到一次啟動(dòng)碼。只有當(dāng)空調(diào)控制單元（ACU）收到持續(xù)時(shí)間為2秒的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，才啟動(dòng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的控制。而當(dāng)已經(jīng)啟動(dòng)的空調(diào)控制單元收到該觸發(fā)信號(hào)時(shí)，它將忽略此信號(hào)。

同時(shí)，當(dāng)TCMS檢測(cè)到空壓機(jī)接觸器（compressor motor contactor，CMC）正在啟動(dòng)時(shí)，將10秒的時(shí)間間隔調(diào)整為13秒，以避免空調(diào)壓縮機(jī)與制動(dòng)空壓機(jī)的同時(shí)啟動(dòng)，如圖4所示。

3.1.4 啟動(dòng)聯(lián)鎖功能

聯(lián)鎖功能是指列車在某種特定條件下，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)其控制功能使列車施加緊急制動(dòng)、封鎖牽引或者控制車門開啟，保證列車的安全運(yùn)行。其聯(lián)鎖功能主要包括：停放制動(dòng)啟動(dòng)聯(lián)鎖；主風(fēng)缸壓力啟動(dòng)聯(lián)鎖；車門啟動(dòng)聯(lián)鎖，并且為停放制動(dòng)啟動(dòng)、主風(fēng)缸壓力啟動(dòng)聯(lián)鎖回路提供軟件旁路功能。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，車輛還提供對(duì)以上聯(lián)鎖的硬件旁路功能。

（1）停放制動(dòng)啟動(dòng)聯(lián)鎖

采用停放制動(dòng)啟動(dòng)聯(lián)鎖功能是為了避免當(dāng)列車發(fā)生停放制動(dòng)故障時(shí)，列車的錯(cuò)誤啟動(dòng)。停放制動(dòng)施加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制停放制動(dòng)繼電器（PKBR）失電，致使列車無(wú)法發(fā)出牽引指令，因此實(shí)現(xiàn)了對(duì)停放制動(dòng)啟動(dòng)聯(lián)鎖功能。

但是如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障而無(wú)法控制PKBR繼電器正常得電時(shí)，可以通過(guò)機(jī)械旁路開關(guān)（PKBRCOS）來(lái)使?fàn)恳熊嚲€合上。此時(shí)司機(jī)緩解停放制動(dòng)，則對(duì)列車沒有影響。

圖3 無(wú)空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)空調(diào)啟動(dòng)時(shí)序

圖4 空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)空調(diào)啟動(dòng)時(shí)序

（2）主風(fēng)缸低壓?jiǎn)?dòng)聯(lián)鎖

采用主風(fēng)缸低壓?jiǎn)?dòng)聯(lián)鎖功能是為了避免因?yàn)橹黠L(fēng)缸壓力低時(shí)的列車不安全運(yùn)行，是對(duì)司機(jī)主動(dòng)監(jiān)控的補(bǔ)充手段。當(dāng)任何一個(gè)傳感器檢測(cè)到主風(fēng)缸壓力低于6.0 bar時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)AXM模塊控制主風(fēng)缸壓力低繼電器2（MRPR2）失電，切斷牽引列車線，封鎖牽引。當(dāng)所有傳感器檢測(cè)到的主風(fēng)缸壓力都不低于6.0 bar時(shí)，合上牽引列車線[2]。

當(dāng)牽引列車線由于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障而無(wú)法正常閉合時(shí)，可通過(guò)機(jī)械旁路開關(guān)（MRP2COS）來(lái)使?fàn)恳熊嚲€閉合。同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常監(jiān)視列車氣壓情況時(shí)，正線運(yùn)營(yíng)過(guò)程中還需密切監(jiān)視列車氣壓表情況。

（3）車門啟動(dòng)聯(lián)鎖

車門啟動(dòng)聯(lián)鎖是作為ATO模式的備份而采用的。因?yàn)門MS系統(tǒng)對(duì)車門系統(tǒng)不進(jìn)行控制，而只是進(jìn)行監(jiān)控。通常情況下，由ATO激活零速列車線，當(dāng)ATO設(shè)備故障，且當(dāng)列車速度小于3 km/h時(shí)，TMS激活零速列車線。列車速度由TMS根據(jù)來(lái)自VVVF的傳感器信息進(jìn)行計(jì)算。對(duì)零速的控制轉(zhuǎn)換由司機(jī)操作切除開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)TMS會(huì)顯示切除狀態(tài)，以表示TMS對(duì)零速的控制[2]。

3.2 監(jiān)控功能

通過(guò)HMI顯示屏可直觀地了解系統(tǒng)本身設(shè)備以及車輛各個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)，方便司機(jī)及檢修人員第一時(shí)間掌握車輛總體情況，監(jiān)控的主要對(duì)象包括以下幾個(gè)系統(tǒng)：

（1）牽引系統(tǒng)；

（2）制動(dòng)系統(tǒng)；

（3）輔助系統(tǒng)；

（4）空調(diào)系統(tǒng)；

（5）車門系統(tǒng)；

（6）乘客信息系統(tǒng)；

（7）車載信號(hào)系統(tǒng)。

3.3 診斷功能

車載故障診斷系統(tǒng)可以協(xié)助司機(jī)和檢修人員快速定位車輛故障原因，及時(shí)做出相應(yīng)的處理，依據(jù)出現(xiàn)故障的重要性對(duì)故障進(jìn)行了等級(jí)劃分。

（1）3級(jí)故障：在TMS顯示屏上自動(dòng)彈出故障描述，需要司機(jī)進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)發(fā)出蜂鳴聲；出現(xiàn)該等級(jí)的故障一般需要司機(jī)立即采取相應(yīng)處理措施。

（2）2級(jí)故障：TMS顯示屏右上角的“故障”按鍵將閃爍；出現(xiàn)該等級(jí)的故障一般需要司機(jī)引起注意，但暫不影響行車。

（3）1級(jí)故障：在TMS顯示屏上沒有任何顯示；該等級(jí)的故障一般對(duì)列車運(yùn)行沒有明顯影響。

（4）0級(jí)故障：在TMS顯示屏上自動(dòng)彈出故障描述，需要司機(jī)進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)發(fā)出蜂鳴聲；該等級(jí)的故障一般對(duì)列車運(yùn)行沒有明顯影響，但需要司機(jī)知曉。

所有故障信息均以特定格式存放在ERM模塊當(dāng)中，每條故障信息包含的內(nèi)容有：故障內(nèi)容、故障代碼、故障車號(hào)、發(fā)生時(shí)間、消除時(shí)間以及等級(jí)信息等，同時(shí)可使用特定的PTU軟件通過(guò)以太網(wǎng)下載至筆記本電腦中，方便數(shù)據(jù)分析和故障診斷。

4 結(jié)語(yǔ)

廣州地鐵5號(hào)線是國(guó)內(nèi)首列采用國(guó)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制及診斷系統(tǒng)的直線電機(jī)車輛，首列車已于2012年調(diào)試完畢并上線投入運(yùn)營(yíng)，雖然上線之初因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不穩(wěn)定出現(xiàn)了一些故障，但相信經(jīng)過(guò)不斷的磨合，5號(hào)線國(guó)產(chǎn)化列車運(yùn)營(yíng)中的可靠性必將大大提高。

［1］株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司.廣州市軌道交通五號(hào)線直線電機(jī)車輛微機(jī)控制說(shuō)明書［Z］.2012.

［2］朱士友，呂勁松.車輛檢修工［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2009.

［3］鄧小娟，劉軍良.深圳地鐵5號(hào)線國(guó)產(chǎn)化車輛網(wǎng)絡(luò)控制和診斷系統(tǒng)［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2011（4）：15-18.