朱書娟，徐剛，張衛(wèi)，陳勇勝，郭冬梅

(1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司制造技術(shù)中心，河北唐山 063000;2.唐山開(kāi)元機(jī)器人系統(tǒng)有限公司研發(fā)部，河北唐山 063000)

高速動(dòng)車組車門控制系統(tǒng)研究

朱書娟1，徐剛2，張衛(wèi)1，陳勇勝1，郭冬梅1

(1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司制造技術(shù)中心，河北唐山 063000;2.唐山開(kāi)元機(jī)器人系統(tǒng)有限公司研發(fā)部，河北唐山 063000)

針對(duì)現(xiàn)階段高速動(dòng)車組制造技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的趨勢(shì)，在消化吸收CRH3型動(dòng)車組關(guān)鍵技術(shù)的前提下，研究了CRH3型高速動(dòng)車組車門控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了車門控制系統(tǒng)通過(guò)多功能車輛總線 (MVB)與列車控制單元、診斷單元及制動(dòng)單元間的通信接口，優(yōu)化車門控制程序，保證車門系統(tǒng)在高速動(dòng)態(tài)運(yùn)行環(huán)境中實(shí)時(shí)可靠地工作。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障，分析產(chǎn)生的原因，優(yōu)化了列車控制網(wǎng)絡(luò)與車門通信控制邏輯，消除運(yùn)行中的安全隱患，保證了列車高速運(yùn)行時(shí)的安全與穩(wěn)定性。

高速動(dòng)車組;列車通信網(wǎng)絡(luò);多功能車輛總線;故障分析

隨著軌道車輛控制技術(shù)的發(fā)展，列車控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。車輛設(shè)備的控制、監(jiān)測(cè)和診斷過(guò)程從集中型的直接控制系統(tǒng)發(fā)展成為基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)。為了節(jié)約人力，保證列車運(yùn)行的安全性、可靠性，將網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用于車門控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控車門狀態(tài)是列車控制技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。CRH3型高速動(dòng)車組是目前我國(guó)最為先進(jìn)的動(dòng)車組，文中著重研究CRH3型高速動(dòng)車組車門控制系統(tǒng)。CRH3型高速動(dòng)車組車門控制系統(tǒng)與碳鋼車人工手動(dòng)開(kāi)門相比，提高了人工單位時(shí)間的工作效率，實(shí)現(xiàn)了車門控制的智能化;與地鐵車門的控制相比，其控制方式為閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)反饋車門狀態(tài)及故障信息，且有良好的氣密、防塵、防水性，保證高速運(yùn)行時(shí)列車內(nèi)部氣壓穩(wěn)定，使乘坐更舒適。CRH3型動(dòng)車組車門控制系統(tǒng)以其可靠先進(jìn)的控制技術(shù)搭載入列車控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了車門的閉環(huán)控制。列車控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控車門打開(kāi)/關(guān)閉的狀態(tài)，避免列車在啟動(dòng)及高速運(yùn)行時(shí)，在未進(jìn)站及站臺(tái)內(nèi)非站臺(tái)側(cè)時(shí)打開(kāi)車門的狀況發(fā)生，保證列車安全行駛。

1 車門通信控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CRH3型動(dòng)車組車門具有良好的密封性及防塵、防水性，車門可以承受的內(nèi)外壓強(qiáng)差為±6 000 Pa。車門位于變壓器車02和07(TP02、TP07)和中間車03和 06(IC03、IC06)的兩端，一等車 05車(FC05)頭車01和08(EC01、EC08)的一端。車輛之間通過(guò)一種用于連接各節(jié)點(diǎn)的可動(dòng)態(tài)編程的車輛間絞線式列車總線 (WTB)互聯(lián)。車輛內(nèi)部設(shè)備由多功能車輛總線 (MVB)互聯(lián)。

列車制動(dòng)系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)和列車診斷系統(tǒng)(集成于HMI)和車門控制系統(tǒng)搭載入列車控制網(wǎng)絡(luò)形成完整的車門控制網(wǎng)絡(luò)。列車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出氣壓數(shù)據(jù)及速度數(shù)據(jù)，提供安全行駛的硬線條件。列車控制系統(tǒng)向車門發(fā)出控制指令，集中控制整列車門的狀態(tài)。列車診斷系統(tǒng)確認(rèn)、評(píng)估、顯示發(fā)生的故障，并提供解決方案。門控單元 (DCU)與中央控制單元(CCU)、人機(jī)交互界面 (HMI)及制動(dòng)控制單元(BCU)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車門通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CRH3型高速動(dòng)車組車DCU、BCU、CCU、HMI之間的MVB通信如圖1所示:每列動(dòng)車組由兩組互相對(duì)稱的牽引單元組成 (EC01-BC04，F(xiàn)C05-EC08)，牽引單元之間通過(guò)車頂電纜連接。主門控器 (MDCU)從CCU、BCU、HMI接收總體的過(guò)程數(shù)據(jù)，如門操作指令和速度信號(hào)等。MDCU發(fā)送給CCU、HMI門的實(shí)際狀態(tài)和診斷信息。每輛車門控單元通過(guò)CAN總線互聯(lián)。

2 車門控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件接口設(shè)計(jì)

圖2 車門控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖

每輛車的車門通過(guò)CAN接口互聯(lián)，主門控單元設(shè)有西門子公司的采用PC/104總線接口標(biāo)準(zhǔn)的MVB32模塊，保證主門控單元通過(guò)MVB接口與列車控制單元通信。門控制單元由可編程邏輯控制模塊、電機(jī)控制模塊 (電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和門鎖閉供電模塊)和輸入擴(kuò)展模塊構(gòu)成。MDC2-110SMVB-I型 (主控單元)或MDC2-110-I(從控制單元)為車門控制系統(tǒng)的控制單元。車門控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

每列車車門都分配有不同的車輛代碼通過(guò)CAN接口X6的1，6，8和9針腳與車門控制單元連接，列車車門編碼如表1所示。對(duì)于無(wú)效的編碼門控單元會(huì)產(chǎn)生一個(gè)診斷信號(hào)并發(fā)送給列車控制單元，門控單元不做任何動(dòng)作。

表1 列車車門編碼

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件接口

MDCU發(fā)給CCU/HMI過(guò)程數(shù)據(jù)(EW_TUR1_EW_ZSGM_1)，MDCU發(fā)給HMI的診斷數(shù)據(jù)1和2(EW_TUR1_EW_Diag_1/2)，BCUM發(fā)給MDCU氣壓數(shù)據(jù)(EW_BSGM_EW_GW_2)，BCU11發(fā)給MDCU硬線速度診斷信號(hào)(EW_BSG11_Diagnose)，CCUM發(fā)給MDCU速度和距離數(shù)據(jù)(EW_ZSGM_ZWG_Info)，CCUM發(fā)給MDCU時(shí)間數(shù)據(jù)(EW_ZSGM_Zeit_Info_an_alle)，CCU發(fā)給MDCU MVB數(shù)據(jù)(EW_ZSGM_allg_Daten2)。

2.2.2 安全互鎖功能

CCU的控制命令與BCU的硬線速度信號(hào)共同作用且匹配時(shí)，DCU控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)車門的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。由于v＜5 km/h僅有硬線速度信號(hào)保證，且車門只有在有這個(gè)信號(hào)時(shí)才可以打開(kāi)，因此需要在軟件上保證車門鎖閉與緩解兩個(gè)狀態(tài)互鎖，才能保證車門不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。車門鎖閉與緩解互鎖邏輯如圖3所示。

圖3 車門鎖閉與緩解互鎖邏輯

變量V_CCUM_Doors_Block_le:左側(cè)門處于鎖閉狀態(tài)，不能打開(kāi);變量V_CCUM_DoorsRelease_le:左側(cè)門釋放，可以集控打開(kāi)左側(cè)門。由邏輯圖可知門鎖閉與門釋放為互逆關(guān)系，因此，可以實(shí)現(xiàn)邏輯上的互鎖。

2.2.3 門集控功能軟件設(shè)計(jì)

門集控包括集控開(kāi)門和集控關(guān)門兩個(gè)過(guò)程。集控開(kāi)門流程如圖4所示。當(dāng)主DCU接收到來(lái)自MVB的開(kāi)門命令后，DCU判斷速度信號(hào)是否一致，不一致反饋回CCU。如果一致，檢測(cè)開(kāi)門阻力 (F1)是否大于開(kāi)門允許力 (F2)，如果小于，主 DCU通過(guò)CAN總線給站臺(tái)側(cè)的從DCU發(fā)出開(kāi)門指令，站臺(tái)側(cè)門的氣動(dòng)鎖打開(kāi)，解鎖電機(jī)M2解鎖，限位開(kāi)關(guān)斷電，門離開(kāi)100%關(guān)閉位置，門開(kāi)始打開(kāi)，在打開(kāi)150 mm處 (通過(guò)DCU的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn))，站臺(tái)補(bǔ)償器開(kāi)始打開(kāi)，打開(kāi)到300 mm時(shí)站臺(tái)補(bǔ)償器完全打開(kāi)，門打開(kāi)并保持。

圖4 集控開(kāi)門流程圖

集控關(guān)門流程如下:當(dāng)主DCU接收到關(guān)門指令后，DCU要先判斷關(guān)門阻力是否大于關(guān)門允許值，如果大于反饋給CCU，如果小于，主DCU通過(guò)CAN總線給站臺(tái)側(cè)的從DCU發(fā)出關(guān)門指令;防擠壓功能啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，門關(guān)至500 mm時(shí)收起站臺(tái)補(bǔ)償器，750 mm時(shí)站臺(tái)補(bǔ)償器完全收起，98%限位開(kāi)關(guān)激活，氣動(dòng)鎖動(dòng)作，防擠壓功能取消;門繼續(xù)關(guān)閉，100%附加限位開(kāi)關(guān)激活，門完全關(guān)閉。

3 故障分析

3.1 集控開(kāi)關(guān)門故障分析

引起車門無(wú)法正常集控開(kāi)/關(guān)的原因有:硬線速度信號(hào)與MVB信號(hào)不一致，附加100%限位開(kāi)關(guān)故障 (故障代碼為70)，98%限位開(kāi)關(guān)故障 (故障代碼為83)，站臺(tái)補(bǔ)償器收起過(guò)慢 (故障代碼為96)，風(fēng)壓值小于0.45 MPa(故障代碼為79)等。出現(xiàn)故障后MDCU通過(guò)MVB將故障代碼顯示到HMI上，通過(guò)故障代碼可以分析出問(wèn)題出現(xiàn)的原因。下述內(nèi)容主要分析硬線速度信號(hào)與MVB信號(hào)不一致的情況。

HMI報(bào)故障，門控器故障指示燈閃12次，故障代碼78、92、93，門無(wú)法打開(kāi)。MDCU從MVB接收v＞5 km/h和v＞10 km/h兩個(gè)速度信號(hào)，從BCU接收v＜5 km/h、v＞5 km/h和 v＞10 km/h三個(gè)速度信號(hào)，如果MVB和BCU來(lái)的速度信號(hào)不一致，會(huì)導(dǎo)致故障代碼92和93的產(chǎn)生，硬線速度信號(hào)出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤時(shí)會(huì)導(dǎo)致故障代碼78的產(chǎn)生。

當(dāng)DCU接收到的CCU以及BCU的速度信號(hào)不一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生速度信號(hào)不一致的故障。速度信號(hào)不一致產(chǎn)生故障代碼時(shí)序圖見(jiàn)圖5。

圖5 故障代碼時(shí)序圖

代碼78含義:硬線速度信號(hào)錯(cuò)誤且持續(xù)10 s，報(bào)故障。

代碼92含義:MVB總線信號(hào)與硬線速度信號(hào)v＞5 km/h不一致且持續(xù)10 s，報(bào)故障。

代碼93含義:MVB總線信號(hào)與硬線速度信號(hào)v＞10 km/h不一致且持續(xù)10 s，報(bào)故障。

3.2 HMI顯示防擠壓故障

98%限位開(kāi)關(guān)的主要功能是觸發(fā)啟動(dòng)氣動(dòng)鎖。如果98%限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作提前將導(dǎo)致氣動(dòng)鎖壓緊位置不正確，導(dǎo)致關(guān)門阻力過(guò)大啟動(dòng)防擠壓程序。98%限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作滯后，導(dǎo)致車門的防擠壓膠條碰撞門框啟動(dòng)防擠壓程序。這兩種情況都會(huì)造成門反復(fù)關(guān)閉5次停在開(kāi)門位置。

在實(shí)際列車運(yùn)行中，司機(jī)集控關(guān)門后HMI顯示防擠壓故障，車門停止在打開(kāi)位置，門控器故障指示燈閃爍5次，故障代碼為83。98%限位開(kāi)關(guān)導(dǎo)致故障流程圖見(jiàn)圖6所示。

圖6 98%限開(kāi)關(guān)故障流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

以CRH3型高速動(dòng)車組車門系統(tǒng)為研究對(duì)象，此閉環(huán)控制系統(tǒng)是將車門控制搭載入列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)。該控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控。列車診斷單元分析并顯示車門故障信息，司機(jī)可以通過(guò)故障代碼確定故障的嚴(yán)重性，采取解決措施。(2)車門集中控制，減少人力。通過(guò)司機(jī)室按鈕集中開(kāi)/關(guān)站臺(tái)側(cè)的車門，達(dá)到車門集中控制。(3)與CCU、BCU、HMI間通信。車門控制系統(tǒng)與 CCU、BCU、HMI通信不僅提供了更加嚴(yán)密的安全控制條件，而且提高了車門控制系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性。研究CRH3型動(dòng)車組車門系統(tǒng)有助于加快其國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，提高我國(guó)高速動(dòng)車組技術(shù)水平，對(duì)于今后我國(guó)軌道車輛的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)和保養(yǎng)等方面均有重要的借鑒意義。

［1］鐵道部運(yùn)輸局.CRH2型動(dòng)車組途中應(yīng)急故障處理手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社.2009.

［2］IEC61375-1 Train Communication Network［S］.

［3］劉先愷.CRH2型200km/h動(dòng)車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2008，11(6):1 －4.

［4］劉洋.基于TCN標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連:大連交通大學(xué)，2009.

［5］吳國(guó)清，朱琴躍，趙亞輝，等.CRH高速動(dòng)車組中控制網(wǎng)絡(luò)總線的應(yīng)用探究［J］.機(jī)電一體化，2011(10):13－18.

［6］歐陽(yáng)劍.TCN實(shí)時(shí)協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［7］計(jì)輝，馮萍，張志芬，等.基于PC/104的WTB適配器的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006(3):16－18.

［8］李常賢，謝步明.TCN通信技術(shù)的自主研發(fā)［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2006(2):10－13.

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

朱書娟 (1983—)，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)楦咚賱?dòng)車組電氣工藝技術(shù)。E－mail:moonlight034142@126.com。