薛世城，章賀磊，王自鑫

（鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

鄭州地鐵4 號(hào)線車輛網(wǎng)絡(luò)控制和診斷系統(tǒng)，采用國(guó)產(chǎn)化DTECS（Distribute Train Electric Control System，分布式列車電氣控制系統(tǒng)）平臺(tái)，它好比列車的眼睛和大腦，有監(jiān)視電客車和針對(duì)各種情況做出邏輯判斷的功能[1]。

車輛安全環(huán)路是以故障安全導(dǎo)向?yàn)榛A(chǔ)的一種控制方法，介紹4 號(hào)線近期在正線出現(xiàn)多起無(wú)規(guī)律車門安全環(huán)路故障，通過(guò)深入分析車門安全環(huán)路故障、網(wǎng)絡(luò)零速邏輯、車輛速度傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理等方面，查明故障原因，為車輛檢修人員處理該故障提供理論支持[2]。

1 車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)介紹

TCMS（Train Control and Management System，列車控制及管理系統(tǒng)）采用國(guó)產(chǎn)化DTECS 系統(tǒng)，按照不同的功能與硬件配置分為3 種車型：有司機(jī)室的拖車（Tc 車）、無(wú)司機(jī)室?guī)茈姽膭?dòng)車（Mp 車）、無(wú)司機(jī)室的動(dòng)車（M 車）。不同車型由數(shù)量不同的網(wǎng)關(guān)模塊（EGWM）、中繼器（REPs）、數(shù)字量輸入、輸出模塊（DXMe）、數(shù)字量輸入模塊（DIMe）、模擬量輸入、輸出模塊（AXMe）、人機(jī)接口模塊（HMI）組成[3]。

TCMS 通過(guò)以太網(wǎng)接口用來(lái)連接第三方設(shè)備將列車故障信息、狀態(tài)信息傳送到地面分析設(shè)備，具有很多便于用戶使用的特點(diǎn)。例如，采用分布式模塊化設(shè)計(jì)，易于配置和維修；采用符合IEC 61375-1 標(biāo)準(zhǔn)的TCN 總線，易于擴(kuò)展，適應(yīng)不同形式的列車編組；通信采用雙通道互相替補(bǔ)機(jī)制，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等。

2 典型故障分析

某日0406 車在某站下行站臺(tái)，ATC（Automatic Train Control，列車自動(dòng)控制系統(tǒng)）車載設(shè)備發(fā)出開(kāi)門指令，車門同步打開(kāi)；司機(jī)操作Tc2 車左門關(guān)按鈕，車門同步關(guān)閉；隨后HMI 顯示“Tc2車右側(cè)門安全環(huán)路故障”，司機(jī)點(diǎn)擊確認(rèn)后故障消失，司機(jī)向行調(diào)報(bào)告故障情況。

2.1 車門安全環(huán)路故障上報(bào)邏輯

列車占有信號(hào)與列車非零速信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)才允許進(jìn)行門安全環(huán)路故障的判斷。當(dāng)上述信號(hào)同時(shí)有效且列車左門與右門關(guān)好信號(hào)任意一個(gè)丟失時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)依次檢測(cè)Tc 車、Mp 車、M 車的左門或右門的門關(guān)好信號(hào)是否有效。若檢測(cè)到某節(jié)車的門關(guān)好信號(hào)無(wú)效，則網(wǎng)絡(luò)判定“X 車左（右）門安全環(huán)路故障”。故此類故障的主要故障點(diǎn)可能為列車占有信號(hào)丟失、列車門關(guān)好信號(hào)丟失、列車網(wǎng)絡(luò)零速信號(hào)丟失等，車門安全環(huán)路故障上報(bào)邏輯如圖1 所示。

圖1 車門安全環(huán)路故障上報(bào)邏輯

2.2 列車網(wǎng)絡(luò)零速判定邏輯

列車網(wǎng)絡(luò)零速判斷時(shí)，需先進(jìn)行速度有效性判斷，當(dāng)BCU發(fā)送的速度在0.1～120 km/h 時(shí)，認(rèn)定該軸速度有效。然后取兩個(gè)Tc 車8 根軸的速度，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后取剩下6 根軸的平均速度作為網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的列車綜合速度。當(dāng)僅有一根軸的速度信號(hào)有效時(shí)，即取該軸速度為列車綜合速度。

當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)速度低于0.5 km/h 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)零速有效，當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)速度高于1.0 km/h 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)零速失效。

2.3 事件記錄儀數(shù)據(jù)分析

選取最近一次故障數(shù)據(jù)，分析故障時(shí)間點(diǎn)的事件記錄儀數(shù)據(jù)，Tc1 車為占有端，故障前后列車占有相關(guān)信號(hào)無(wú)異常波動(dòng)，Tc1 車列車左門關(guān)好信號(hào)、Tc2 車右門關(guān)好信號(hào)都與Tc1 車開(kāi)關(guān)門指令同步動(dòng)作，與網(wǎng)絡(luò)零速相關(guān)的信號(hào)量中，除Tc2 車4 軸速度信號(hào)于18:18:00 跳變?yōu)?6.9 km/h 外，其他軸均為0。事件記錄儀數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 事件記錄儀數(shù)據(jù)

綜合事件記錄儀數(shù)據(jù)，判斷該故障為列車靜止?fàn)顟B(tài)下，BCU向TCMS 發(fā)送的Tc2 車4 軸的速度信號(hào)異常引起。

3 速度傳感器分析

3.1 速度傳感器結(jié)構(gòu)

鄭州地鐵4 號(hào)線采用的是FS01A 電流型速度傳感器[4]（圖3），為單通道霍爾速度傳感器，安裝于軸箱端蓋位置，用于給空氣制動(dòng)系統(tǒng)提供軸速信號(hào)。傳感器頭和線纜為整體部件，頭部采用圓柱螺栓固定連接，尾端采用快速連接器連接，線纜為4 芯屏蔽電纜，被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)物體為80 齒的的導(dǎo)磁性測(cè)速齒輪。

圖3 FS01A 電流型速度傳感器

3.2 速度傳感器工作原理

列車所使用的速度傳感器是一種具有霍爾特性的成熟型傳感器。根據(jù)美國(guó)物理學(xué)家E.H.Hall 提出的觀點(diǎn)，霍爾效應(yīng)本質(zhì)上是一種電磁效應(yīng)。給一段導(dǎo)體上通上電流，導(dǎo)體周圍就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，通過(guò)的電流越大產(chǎn)生的磁場(chǎng)也就越強(qiáng)。磁體是有極性的，可分為南極（S 級(jí)）和北極（N 級(jí)），不同極性相互靠近時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互的吸引力，而不同的極性相互靠近時(shí)會(huì)產(chǎn)生排斥力。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，給一塊金屬板的左右兩邊加上電源，金屬板里電子在電源的作用下開(kāi)始移動(dòng)，產(chǎn)生電流進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)，這時(shí)，把一個(gè)磁鐵靠近金屬板，磁鐵自身的磁場(chǎng)和電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，會(huì)使得金屬板上的電流產(chǎn)生偏移，電子不斷的向下聚集，上下部之間的差值稱為霍爾電壓，磁鐵越靠近金屬板，相互作用越強(qiáng)，霍爾電壓越大，這就是霍爾效應(yīng)[5]。

對(duì)比地鐵列車的速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)測(cè)速齒輪在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在霍爾效應(yīng)的作用下，速度傳感器會(huì)產(chǎn)生一系列的脈沖信號(hào)，制動(dòng)系統(tǒng)可以通過(guò)每分鐘的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算軸的轉(zhuǎn)速。

3.3 速度傳感器計(jì)數(shù)

FS01A 電流型速度傳感器是單通道霍爾速度傳感器，輸出信號(hào)波形為方波，每個(gè)EP2002 制動(dòng)控制閥讀取該閥所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向架的2 個(gè)軸速信息?；魻柺剿俣葌鞲衅飨鄬?duì)于電磁式速度傳感器而言，屬于有源速度傳感器，需要借助外部電源工作，速度傳感器通過(guò)EP2002 閥提供的DC 15 V 電源工作。

霍爾式速度傳感器利用霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓。當(dāng)安裝在車軸端部的測(cè)速齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得與之配對(duì)安裝的速度傳感器內(nèi)通過(guò)霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，從而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出準(zhǔn)正弦波電壓，此信號(hào)由速度傳感器自帶的電子電路轉(zhuǎn)換成脈沖電流信號(hào)。由于霍爾元件的輸出電壓與被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，因此它的高、低速特性很好，若用其測(cè)量物體的轉(zhuǎn)速，其下限速度從理論上講可以接近于0（實(shí)際最小為1 Hz），當(dāng)EP2002 閥本架上的一個(gè)速度傳感器故障時(shí)，該EP2002 閥的防滑保護(hù)控制處于架控狀態(tài)，但由于此時(shí)速度傳感器故障，沒(méi)有實(shí)際軸速，僅能以該轉(zhuǎn)向架另一個(gè)軸的速度來(lái)控制這根軸的防滑動(dòng)作，此時(shí)與傳統(tǒng)意義的架控防滑仍有區(qū)別，沒(méi)有實(shí)際軸速的情況下，這根軸出現(xiàn)擦輪的可能性較高。當(dāng)EP2002 閥本架上的兩個(gè)速度傳感器都存在故障時(shí)，該EP2002閥將沒(méi)有防滑保護(hù)控制。

地鐵列車速度傳感器對(duì)應(yīng)的測(cè)速齒輪通常是80 齒，如果要產(chǎn)生一個(gè)脈沖變化，則相當(dāng)于至少轉(zhuǎn)動(dòng)4.5°，換算下來(lái)EP2002閥讀取的速度傳感器最低速度為0.5 km/h。輸出脈沖如圖4 所示。

圖4 速度傳感器輸出脈沖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)車門安全環(huán)路故障的上報(bào)邏輯、網(wǎng)絡(luò)零速判斷邏輯及FS01A 型速度傳感器結(jié)構(gòu)、工作原理、計(jì)數(shù)原理等進(jìn)行分析，得出導(dǎo)致速度傳感器計(jì)數(shù)跳變的原因及排查方法如下：

（1）速度傳感器自身故障。檢查EP 閥插頭無(wú)縮針，檢查速度傳感器間隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，速度傳感器表面無(wú)破損、污染。選取一個(gè)跳變的速度傳感器，換位置后跟蹤是否故障跟隨轉(zhuǎn)移，以便檢查或排除是否速度傳感器自身存在故障。

（2）受到外部電磁干擾。排查跳變軸附近是否有瞬間大電流（如接地點(diǎn)）經(jīng)過(guò)。

（3）列車晃動(dòng)導(dǎo)致測(cè)速齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。4 號(hào)線電客車速度傳感器對(duì)應(yīng)的測(cè)速齒輪是80 齒。根據(jù)計(jì)數(shù)原理分析，如果要產(chǎn)生一個(gè)脈沖變化，僅需要測(cè)速齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)4.5°即可。

（4）輪對(duì)失圓導(dǎo)致停車時(shí)測(cè)速齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。單側(cè)輪對(duì)失圓或雙側(cè)輪對(duì)均失圓導(dǎo)致停車時(shí)兩側(cè)車軸未處于同一水平高度，輕微晃動(dòng)就會(huì)引發(fā)測(cè)速齒輪出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生軸速。