張建平, 張 濤

(1 太原鐵路局 職工培訓(xùn)中心， 太原 030009；2 太原鐵路局 機務(wù)處， 太原 030000)

作為大秦線擔(dān)當(dāng)2.1萬t重載組合列車牽引任務(wù)的主型機車，HXD2型電力機車的制動系統(tǒng)采用法維萊制動機，該制動系統(tǒng)的核心控制部件為制動控制單元(BCU)。在組合列車運行模式下，通過機車裝用的GE公司LOCOTROL動力分布式控制系統(tǒng)(簡稱DP)，實現(xiàn)組合列車運行時主控機車和從控機車的同步控制作用，機車制動系統(tǒng)的BCU通過RS422網(wǎng)絡(luò)與LOCOTROL系統(tǒng)串行處理器模塊(SIPM)連接，主要向SIPM傳遞機車列車管、均衡風(fēng)缸等壓力信號。在DP控車模式下，當(dāng)BCU與SIPM的通訊發(fā)生故障時，LOCOTROL系統(tǒng)依據(jù)故障導(dǎo)向安全的原則，SIPM會發(fā)出懲罰指令，使主控機車產(chǎn)生列車管減壓到零的懲罰制動作用，同時將該懲罰指令由LOCOTROL系統(tǒng)通訊處理器模塊(CPM)通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)傳遞至位于列車遠(yuǎn)端的從控機車，從控機車響應(yīng)主控機車指令觸發(fā)懲罰制動。大秦線作為重載鐵路線，列車懲罰制動的發(fā)生對重載列車運輸安全影響較大，稍有不慎就有可能出現(xiàn)列車分離、脫線等難以預(yù)料的情形。因此，在組合列車DP控車模式下，如何有效減少因BCU通訊問題產(chǎn)生的懲罰制動已成為機車質(zhì)量安全管理中的一個重要課題。

1 HXD2機車BCU通訊超時的報錯機制

DP狀態(tài)下，如果主控機車SIPM在5.0 s內(nèi)沒有收到來自BCU的心跳信息，在機車的LDM顯示屏上會顯示BCU通訊超時故障信息，同時SIPM發(fā)出懲罰指令，使得主控機車產(chǎn)生懲罰制動作用，同時從控機車響應(yīng)主控機車同步產(chǎn)生懲罰制動?；蛘邠Q一種說法，由于BCU與SIPM主要進(jìn)行機車均衡風(fēng)缸(ER)、列車管(BP)等壓力值的傳輸，當(dāng)上述壓力值在傳輸過程中出現(xiàn)5.0 s及以上的丟失時，即DP系統(tǒng)判斷出現(xiàn)BCU通訊超時故障現(xiàn)象，機車同步產(chǎn)生懲罰制動。HXD2機車DP系統(tǒng)控制框圖如下圖1。

2 BCU通訊超時故障的分析

2.1 BCU通訊超時故障的影響

2.1.1研究BCU通訊超時故障原因的重要性

通過對近3年大秦公司湖東電力機務(wù)段配屬的和諧機車懲罰制動事件進(jìn)行梳理，2014年1～12月重載列車發(fā)生懲罰制動故障19件，其中HXD2型機車8件，占總數(shù)的42.1%；而BCU與SIPM通信超時故障共發(fā)生4件。2015年1～12月重載列車發(fā)生懲罰制動故障11件，其中HXD2型機車7件，占總數(shù)的63.6%；BCU與SIPM通信超時故障共發(fā)生3件。2016年1～12月重載列車發(fā)生懲罰制動故障15件，其中HXD2型機車8件，占總數(shù)的53.3%； BCU 與SIPM通信超時故障共發(fā)生5件，見表1。

綜上所述，BCU通訊超時故障已成為影響HXD2機車運用安全的主要故障，且當(dāng)該故障發(fā)生后必須分解組合列車，實施分部運行，極易導(dǎo)致出現(xiàn)堵塞區(qū)間，影響大秦線的運輸暢通。

2.1.2BCU通訊超時故障的分類

結(jié)合BCU與SIPM的通訊原理進(jìn)行分析，引起B(yǎng)CU與SIPM通訊問題主要有3個方面的原因：

(1) BCU內(nèi)部的RS422網(wǎng)絡(luò)板卡存在故障，這個故障導(dǎo)致通訊超時使得機車產(chǎn)生懲罰制動作用。HXD2機車BCU自身具有故障診斷系統(tǒng)，當(dāng)BCU檢測到內(nèi)部RS422網(wǎng)絡(luò)板卡故障時，在BCU的主CPU板卡上會顯示相應(yīng)的故障代碼“E054”；

圖1 LOCOTROL系統(tǒng)模塊控制原理框圖

年度重載列車懲罰制動/件HXD2型機車故障/件占總數(shù)比/%涉及BCU通信超時/件占總數(shù)比/%201419842.1421.1201511763.6327.3201615853.3533.3

(2) BCU與SIPM之間通訊電纜受到機車內(nèi)部高壓電器啟動時的電磁干擾等，使得通訊數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)中斷，導(dǎo)致通訊超時而產(chǎn)生懲罰制動；

(3) SIPM內(nèi)部的RS422網(wǎng)絡(luò)板卡存在故障，導(dǎo)致通訊超時使得機車產(chǎn)生懲罰制動作用。

上述這3種故障最終都表現(xiàn)為BCU與SIPM模塊之間的通訊中斷，而使機車自動產(chǎn)生懲罰制動作用。其中第1種和第3種原因分別為BCU和SIPM模塊內(nèi)部的硬件故障，一旦發(fā)生該故障現(xiàn)象會一直存在。但從目前的故障分析及統(tǒng)計情況來看，第2種故障原因發(fā)生的幾率最大，因此主要針對第2種故障原因進(jìn)行分析研究。

2.2 BCU通訊超時的原因

由于HXD2機車的DP系統(tǒng)采用RS422接口，首先對RS422接口進(jìn)行簡要說明。RS422接口標(biāo)準(zhǔn)全稱是平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性，它定義了接口電路的特性，接口中共設(shè)5根線，分別為TX+、TX-、RX+、RX-、GND。由于接收器采用高輸入阻抗和具有更強驅(qū)動能力的發(fā)送驅(qū)動器，允許在相同傳輸線上最多連接10個節(jié)點；RS422接口需要設(shè)置終端電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。HXD2機車 BCU與SIPM的RS422網(wǎng)絡(luò)接口圖見圖2，圖中A表示為A節(jié)機車、B表示為B節(jié)機車。

圖2 HXD2機車 BCU與SIPM的RS422網(wǎng)絡(luò)接口圖

每節(jié)機車的BCU的接收電路上均裝有240 Ω的終端電阻，并且每節(jié)機車SIPM的接收電路上也裝有240 Ω的終端電阻。

通過對近3年來發(fā)生BCU通訊超時問題的機車進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析，選擇將HXD2 0092機車(1年中已2次發(fā)生BCU通訊超時故障)作為試驗機車。試驗主要分為兩部分，一是對BCU與SIPM通信電纜阻值進(jìn)行測量，主要目的是檢測通信通道阻值是否符合技術(shù)要求；二是人為在BCU的RS422的板卡上加裝兩個15 kΩ的上拉電阻和下拉電阻作為防干擾裝置，主要目的為測試在干擾確實存在的前提下，能否有效防止故障的出現(xiàn)。

2.2.1第1階段試驗

首先在HXD2 0092機車上及另1臺狀況良好的機車HXD2 0008進(jìn)行測試，測試內(nèi)容分別為BCU終端電阻(插頭的1點到6點)、BCU插頭到BCU地的電阻、BCU地與SIPM地之間的電阻、BCU屏蔽電阻、BCU插頭到SIPM地之間的電阻、BCU對地電阻、SIPM對地電阻等。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)HXD2 0092機車B節(jié)的BCU終端電阻為27.5 kΩ，而HXD2 0008機車A、B節(jié)的BCU終端電阻僅為239 Ω，測量的其余電阻兩車均在0～0.5Ω之間，為理論允許值。

之后再隨機挑選段內(nèi)的其他15臺HXD2型機車進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)BCU的終端電阻全部在235～245 Ω之間，初步懷疑HXD2 0092機車的終端電阻偏高是導(dǎo)致BCU通訊超時發(fā)生的主要原因。機車BCU阻值測試情況見表2，表2中所列的12臺HXD2機車均發(fā)生過BCU通訊超時故障。

表2 HXD2型機車BCU阻值測量表

經(jīng)過再次對HXD2 0092機車BCU狀態(tài)的檢查，發(fā)現(xiàn)了以下現(xiàn)象：

(1) B節(jié)BCU的RS422板卡外屏蔽電纜存在破皮現(xiàn)象；

(2) 再次測量AB節(jié)BCU終端電阻，在B節(jié)測量終端電阻仍為27.5 kΩ。

經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)A、B節(jié)機車重聯(lián)電纜屏蔽層存在3處斷點，導(dǎo)致B節(jié)終端電阻增大。對上述故障點進(jìn)行修復(fù)后，重新測量B節(jié)終端電阻為241 Ω，再次進(jìn)行DP系統(tǒng)試驗，結(jié)果機車性能良好，BCU通訊超時故障也沒有發(fā)生。

在機車上，因兩端BCU同時上電，通過BCU之間的重聯(lián)線，使BCU的RS422網(wǎng)絡(luò)處于一個閉環(huán)動態(tài)平衡中，當(dāng)重聯(lián)線屏蔽層出現(xiàn)斷點時，使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了開路，此時進(jìn)行測量，直觀反映為終端電阻增大數(shù)千倍，甚至為無窮大，無形中降低了RS422網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能，在電磁干擾較強的地方，極易導(dǎo)致BCU通訊超時現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.2第2階段試驗

DP模擬試驗，仍選擇在HXD2 0092機車進(jìn)行，試驗前保持BCU通訊超時故障始終存在，通過在A節(jié)的RS422的板卡上加裝兩個15 kΩ的上拉電阻和下拉電阻的方法，測試在干擾確實存在的前提下(通過頻繁斷合主斷，使機車內(nèi)高壓電器啟動，模擬電磁干擾)，能否有效防止故障？

試驗前在BCU的P1連接頭之間加裝擴展盒(見圖3)，以便于用示波器采集RS422信號(見圖4)，在A節(jié)的RS422的板卡上加裝兩個15 kΩ的上拉電阻和下拉電阻。

用示波器實時監(jiān)控的過程中(見圖5)，可明顯看到一些噪聲耦合到RS422線上(這些噪聲來源可能為無線電設(shè)備)；從示波器圖中可以看出，BCU發(fā)送線路在閑置時進(jìn)入高阻態(tài)且差分電壓大約為0 V，而BCU接收電路的差分電壓大約為-2.5 V，加裝上、下拉電阻對于線路空閑時的BCU的差分電壓也沒有較大影響，BCU通訊超時現(xiàn)象也沒有再發(fā)生。

綜上試驗所述，一方面通過修復(fù)通訊電纜的屏蔽層可有效防止車體內(nèi)部電磁干擾造成的通訊超時問題，另一方面通過在BCU的發(fā)送端加裝上、下拉電阻也可起到抗電磁干擾作用。

圖3 用于采集信號的擴展盒

圖4 RS422信號采集

圖5 噪聲圖像

2.3 采取抗干擾有效的說明

上、下拉電阻通常用在發(fā)送器可以同時進(jìn)入高阻態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，為避免在接收端發(fā)生錯誤，在正負(fù)線之間維持

200 mV的差分電壓。因BCU是兩端同時上電，故在空閑時BCU會進(jìn)入高阻抗，而SIPM在同一時刻有且只有一個處于上電狀態(tài)，故SIPM不存在高阻抗?fàn)顟B(tài)。因此SIPM發(fā)送器從不進(jìn)入高阻態(tài)模式，故BCU的接收電路沒有必要進(jìn)行電壓偏置。通過加裝上、下拉電阻，在電氣降級模式下(如重聯(lián)電纜屏蔽層之間存在斷點)依然可以起到加固通信的作用，所以在BCU的發(fā)送端加裝上、下拉電阻是很有必要的。

3 解決BCU通訊超時故障采取的措施

(1) 在BCU的RS422板卡上加裝上、下拉電阻，增強網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能。

(2) 對HXD2機車制動柜車上檢修范圍進(jìn)行修訂，增加檢查BCU控制單元及插頭的安裝牢固無松動，屏蔽層狀態(tài)良好，確保各級修程檢查機車BCU通訊網(wǎng)絡(luò)電纜屏蔽層狀態(tài)良好；同時在DP狀態(tài)下高壓試驗中要求進(jìn)行制動機備用試驗，確保A、B節(jié)機車通訊重聯(lián)電纜接線良好。

(3) 機車入庫整備作業(yè)時，HXD2機車制動機試驗時，按照單機試驗、DP試驗逐步進(jìn)行，嚴(yán)禁簡化試驗程序。

4 結(jié)束語

通過此次分析及試驗研究，說明在HXD2型機車制動系統(tǒng)BCU的RS422板卡上加裝上、下拉電阻有利于抑制組合列車DP模式運行時HXD2機車BCU通訊超時的發(fā)生，減少組合列車懲罰制動的實施。結(jié)合研究成果目前已對現(xiàn)有HXD2機車RS422板卡進(jìn)行加裝改造，在完成改造的30臺機車通過一年時間的組合列車牽引運行，未發(fā)生BCU通訊超時的故障，這就證明在上述改造實施后可以有效減少因外部因素導(dǎo)致的HXD2型機車BCU通訊超時故障，可以保證大秦線的重載運行安全及運輸暢通。

[1] 張曙光. HXD2型電力機車[M].北京:中國鐵道出版社,2009.