鄒 穎， 徐 廷

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司， 河北 唐山 063035）

0 引言

我國(guó)高速鐵路總里程已超過(guò)4 萬(wàn)公里， 每天開(kāi)行4000 多組，已經(jīng)逐步形成貫通南北、銜接?xùn)|西的“八縱八橫”鐵路運(yùn)輸網(wǎng)。 2021 年2 月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》， 到2035 年高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到7 萬(wàn)公里。

1 充電機(jī)概述

充電機(jī)是各型動(dòng)車(chē)組輔助供電關(guān)鍵部件，輸出DC110V。通常8 編組動(dòng)車(chē)組設(shè)置兩個(gè)充電機(jī)，互為冗余；本車(chē)型，充電機(jī)設(shè)在04、05 車(chē)。

國(guó)產(chǎn)化充電機(jī)電路見(jiàn)圖1，其中X4 的A3、A4 是外部DC 110V 電源檢測(cè)觸點(diǎn)。

圖1 充電機(jī)電路圖

2 存在問(wèn)題及原因分析

2.1 存在問(wèn)題

2021 年某日，某動(dòng)車(chē)組施加牽引時(shí)，動(dòng)車(chē)組發(fā)生牽引封鎖，全列無(wú)牽引電流，無(wú)法動(dòng)車(chē)。

由CCU 數(shù)據(jù)可知，運(yùn)行途中05 車(chē)報(bào)651F（啟動(dòng)外部供電）、0822（M1300 控制程序故障，M1300 為原型充電機(jī)主控制板）和0819（外部電源已插上），當(dāng)車(chē)組停車(chē)后報(bào)出90AA（因?yàn)橥獠侩娫垂╇姸惯\(yùn)行），導(dǎo)致全列牽引封鎖。

2.2 調(diào)查分析

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，判斷引起本次故障原因是動(dòng)車(chē)組05車(chē)充電機(jī)通過(guò)MVB 錯(cuò)誤發(fā)送了蓄電池正在外接供電的信號(hào)。 導(dǎo)致該故障的可能原因， 一是外部充電反饋線(xiàn)故障，二是充電機(jī)控制模塊故障。

庫(kù)內(nèi)檢查05 車(chē)充電機(jī)至蓄電池外部供電線(xiàn)路，導(dǎo)通及絕緣均正常，排除該原因。 在依次更換05 車(chē)充電機(jī)控制模塊內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展卡DIO 模塊、網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展卡AIO 模塊， 發(fā)現(xiàn)只有在更換網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展卡DIO 模塊后，0819、0822、651F 故障消除，車(chē)組狀態(tài)正常，牽引測(cè)試正常，判斷是網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展卡DIO 故障。

遂判斷為05 車(chē)充電機(jī)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展卡DIO 模塊故障，導(dǎo)致異常輸出高電平信號(hào)，主控制器誤認(rèn)為接入外接電源，報(bào)出651F 等代碼，當(dāng)車(chē)組速度為零時(shí)，封鎖牽引。更換05 車(chē)充電機(jī)網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展卡DIO 模塊后正常。

2.3 原理分析

2.3.1 控制單元架構(gòu)

控制單元架構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2 充電機(jī)控制單元架構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)單元由具有MVB 通信的HSEC500-MVB 主機(jī)及開(kāi)關(guān)量和模擬量擴(kuò)展模塊構(gòu)成，統(tǒng)稱(chēng)為HSEC500。

主控單元由HSEC 200 主控板和電源板一起裝在一個(gè)盒子中，有統(tǒng)一的外部連接器引出線(xiàn)，統(tǒng)稱(chēng)為HSEC200。 主控單元系統(tǒng)是整個(gè)充電機(jī)的控制單元，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和計(jì)算，包含內(nèi)部信號(hào)的控制，系統(tǒng)邏輯的控制，IGBT PWM 的控制。

2.3.2 外部供電信號(hào)的軟件控制邏輯

外部供電信號(hào)走向見(jiàn)圖3。

圖3 外部供電信號(hào)走向

（1） 開(kāi)關(guān)量擴(kuò)展模塊控制邏輯。 開(kāi)關(guān)量擴(kuò)展模塊一方面負(fù)責(zé)外部信號(hào)的采集，同時(shí)承擔(dān)與網(wǎng)關(guān)主機(jī)通信功能，通信方式為差分總線(xiàn)。當(dāng)主機(jī)需要獲取開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)時(shí)，直接從開(kāi)關(guān)量擴(kuò)展模塊中讀取；同時(shí)在開(kāi)關(guān)量擴(kuò)展模塊內(nèi)部有心跳計(jì)數(shù)器，可供主機(jī)讀取，用作診斷擴(kuò)展模塊是否在線(xiàn)。

（2）網(wǎng)關(guān)主機(jī)的采集。網(wǎng)關(guān)主機(jī)模塊通過(guò)總線(xiàn)從開(kāi)關(guān)量擴(kuò)展模塊中讀取開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，“110 V 外接供電輔助觸點(diǎn)”硬件開(kāi)關(guān)信號(hào)連接在DI0 端子，網(wǎng)關(guān)讀取該硬件信號(hào)的高低電平狀態(tài)（110 V 為高電平讀為“1”，0 V 為低電平讀為“0”）；同時(shí)網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS485 通信（應(yīng)用層使用MODBUS 協(xié)議）將該狀態(tài)發(fā)送給充電機(jī)控制板。

（3）主控板的采集和處理。主控板通過(guò)RS485 通信接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的“110V 外接供電輔助觸點(diǎn)”狀態(tài)信號(hào)；若狀態(tài)位為1 則充電機(jī)做停機(jī)處理， 若狀態(tài)位為0 則不做處理；同時(shí)將該信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至RS485 發(fā)送端口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

（4）網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)（RS485-MVB）。網(wǎng)關(guān)將從主控板讀取的RS485 數(shù)據(jù)“110V 外接供電輔助觸點(diǎn)”狀態(tài)信號(hào)，按照MVB 通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)處理。

（5）蓄電池外部供電原理。當(dāng)蓄電池需要外部電源供電時(shí)，通過(guò)X21 插頭與外部電源連接。X11 插頭的3、4 口將外部充電的信息傳遞至充電機(jī)內(nèi)的控制模塊， 由控制模塊將外部充電信號(hào)通過(guò)MVB 發(fā)送至CCU 中。 正常情況下，蓄電池?zé)o需外部供電，此時(shí)外部供電信號(hào)處于低電平（MVB 反饋信號(hào)為0）狀態(tài)。

根據(jù)列車(chē)控制邏輯，當(dāng)蓄電池處于外部供電時(shí)（信號(hào)為高電平）， 為防止閉合主斷路器后沖擊輔助供電系統(tǒng)（充電機(jī)、蓄電池及外部供電設(shè)備等），列車(chē)將封鎖本牽引單元的TCU，防止主斷路器閉合。

當(dāng)CCU 接收到蓄電池外部供電激活時(shí)， 報(bào)出651F。若車(chē)組靜止?fàn)顟B(tài)，輔助供電系統(tǒng)將禁止?fàn)恳?，?dǎo)致?tīng)恳怄i無(wú)輸出。 若車(chē)組非靜止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)影響牽引。

2.4 試驗(yàn)情況

2.4.1 網(wǎng)關(guān)及擴(kuò)展模塊試驗(yàn)

將外部供電的信號(hào)接到網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展開(kāi)關(guān)量模塊的輸入端，模擬外部信號(hào)輸入，使用PC 機(jī)中的通信軟件，模擬主控單元，接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的開(kāi)關(guān)量，通過(guò)對(duì)網(wǎng)關(guān)及擴(kuò)展模塊的單獨(dú)測(cè)試，外部信號(hào)的閉合或斷開(kāi)都能被網(wǎng)關(guān)采集，未發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常的現(xiàn)象，未重現(xiàn)車(chē)上相關(guān)的故障現(xiàn)象，如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)及擴(kuò)展模塊試驗(yàn)原理

2.4.2 網(wǎng)關(guān)及擴(kuò)展模塊整機(jī)試驗(yàn)

將故障設(shè)備替換到樣機(jī)上，模擬列車(chē)通訊環(huán)境，連接外部通信以及硬件信號(hào)， 外部信號(hào)的閉合或斷開(kāi)都能被網(wǎng)關(guān)采集并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳，未發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常的現(xiàn)象，未重現(xiàn)車(chē)上相關(guān)的故障現(xiàn)象，如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)及擴(kuò)展模塊整機(jī)試驗(yàn)原理

2.4.3 故障還原疲勞性循環(huán)試驗(yàn)

歷經(jīng)3 天， 共斷合DC 110 V 外接信號(hào)21934 次，信號(hào)施加10s，取消10s，循環(huán)操作；當(dāng)硬件信號(hào)試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到1000 次時(shí)，斷充電機(jī)一次，充電機(jī)重新上電21 次，未發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，未重現(xiàn)車(chē)上相關(guān)的故障現(xiàn)象。

2.4.4 產(chǎn)品外部供電的EMC 試驗(yàn)

充電機(jī)信號(hào)端口X4-A4 干擾源干擾測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)包括：快速瞬變脈沖群、浪涌，射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)騷擾抗干擾度，未發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，未重現(xiàn)車(chē)上相關(guān)的故障現(xiàn)象，見(jiàn)表1。

表1 EMC 試驗(yàn)要求

4 項(xiàng)試驗(yàn)都未出現(xiàn)車(chē)上相關(guān)的故障現(xiàn)象。

2.5 對(duì)比分析

在進(jìn)一步核對(duì)充電機(jī)軟件時(shí)， 發(fā)現(xiàn)無(wú)論列車(chē)是否運(yùn)行都會(huì)發(fā)送該信號(hào)，列車(chē)速度未參與該信號(hào)的控制邏輯；同時(shí)“外接充電開(kāi)關(guān)閉合”信號(hào)未采取濾波處理，直接將該信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)送給列車(chē)網(wǎng)絡(luò)， 存在干擾時(shí)不排除會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象。而原供應(yīng)商充電機(jī)的主控器針對(duì)“外接充電開(kāi)關(guān)閉合”信號(hào)設(shè)置了軟件濾波功能。

3 解決措施

線(xiàn)上遇到因充電機(jī)內(nèi)部故障導(dǎo)致誤報(bào)651F、0819、0822 等故障，造成牽引封鎖的，在充電機(jī)空開(kāi)復(fù)位無(wú)效的情況下，可通過(guò)斷開(kāi)故障充電機(jī)供電空開(kāi)32-F51，再進(jìn)行斷蓄電池復(fù)位恢復(fù)牽引，牽引恢復(fù)后可維持正常運(yùn)行。

651F 故障代碼現(xiàn)為3 級(jí)代碼且不上屏，將651F 代碼優(yōu)化為1 級(jí)代碼，同時(shí)彈屏提示，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，快速應(yīng)急處理。

充電機(jī)優(yōu)化：①充電機(jī)軟件將增加濾波處理，將“外接充電開(kāi)關(guān)閉合”信號(hào)設(shè)定濾波時(shí)間持續(xù)200ms，才認(rèn)為是有效信號(hào)；②充電機(jī)將增加列車(chē)速度參與“外接充電開(kāi)關(guān)閉合”信號(hào)上傳邏輯。 列車(chē)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的外接充電開(kāi)關(guān)閉合信號(hào)，不再上傳到列車(chē)網(wǎng)絡(luò)中；③充電機(jī)將增加拓展模塊、控制板響應(yīng)異常的內(nèi)部檢測(cè)，當(dāng)模塊異常時(shí)，上報(bào)模塊故障；④增加硬件容錯(cuò)能力，將110V 外接供電信號(hào)分別接入DI0 接口和DI7 接口，網(wǎng)關(guān)采集兩路信號(hào)，信號(hào)相同時(shí)才認(rèn)為有效。

4 結(jié)論

相關(guān)信號(hào)未經(jīng)濾波處理造成誤報(bào)。

整體控制邏輯不完善，核心故障代碼等級(jí)低，未上司機(jī)室顯示屏，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；列車(chē)速度信號(hào)未參與“外接充電開(kāi)關(guān)閉合”信號(hào)上傳邏輯；信號(hào)采集無(wú)容錯(cuò)能力。

因車(chē)輛環(huán)境復(fù)雜，開(kāi)關(guān)量信號(hào)容易受到干擾，整車(chē)設(shè)計(jì)要梳理那些因開(kāi)關(guān)量異常輸出造成動(dòng)車(chē)組停車(chē)的信號(hào)，做好控制邏輯整體設(shè)計(jì)，采取多種措施，排除干擾源帶來(lái)的影響。