新型西門子地鐵列車空氣壓縮機的控制分析

姜 敏

（蘇州建設交通高等職業技術學校，江蘇 蘇州 215104）

空氣壓縮機在地鐵列車上作為唯一的氣源為地鐵列車的空氣制動系統和車輛空氣懸掛系統提供必要的壓縮空氣。由于控制系統的發展，看似簡單的空壓機啟停控制越來越多地從車輛的全局考慮各種需求，并提供相應的故障診斷。

1 控制原理

上海地鐵新型西門子列車的空壓機控制主要是通過制動系統的壓力開關、壓力傳感器收集車輛的壓縮空氣信息，綜合信息通過簡單的硬件電路實現對空壓機的啟停控制。所有的邏輯判斷通過VCU軟件來完成。

1.1 硬件控制

以上海地鐵四號線列車（AC05）為例：硬件電路上，空壓機的主要動力機構是一臺交流380V三相電機。對供風系統的硬件控制主要就是控制電機的電源。繼電器34－k02（低容量繼電器，受控于SIBAS SIBAS KLIP分站及另一硬件電路）、34－k01（大容量繼電器，受控于34－k02直接進行380V電源通斷）執行電源控制功能。

空氣壓縮機內部包含了一組2個獨立的壓力開關，監控空氣壓縮機的供氣壓力。

－A01.8壓力開關作為正常供氣范圍控制的信息監控開關，其正常的整定值為9bar—7.5bar。當空壓機出風管的壓力值被檢測到大于9bar時，開關斷開，向SIBAS SIBAS KLIP數字量輸入端輸出“0”；當風管空氣壓力下降至小于7.5bar時開關閉合，向SIBAS SIBAS KLIP輸出“1”。

－A01.9壓力開關作為非正常供氣硬件啟動的信息監控開關，其正常整定值為7.5bar—7bar。當風管壓力由于各種原因小于7bar時，將強行通過吸合繼電器34－k02，使兩臺空壓機同時啟動，保證壓縮空氣供應。當氣壓回升超過7.5bar時，壓力開關斷開，氣壓交由另一壓力開關監控。同樣這個壓力開關的動作將輸出到SIBAS KLIP。

1.2 VCU軟件控制

軟件對空壓機的起停是通過兩個方面來完成的：從電子制動控制單元（BECU）獲得信息，判斷控制空壓機的起停。6節編組的列車都存在一個獨立的BECU，每個BECU都將本車的近似主風缸壓力傳送到MVB總線，主VCU將判斷出6節車中主風缸壓力的最小值：＄PRMIN。該風缸最小壓力與兩個預設值進行比較，軟件中該預設值為6.8bar和9.0bar［1］。－A01.8壓力開關通過SIBAS KLIP分站傳送到MVB總線，在主VCU中這兩個信號為＄AFDS7B1和＄AFDS7B2，分別代表兩個空壓機的該壓力開關。當兩個壓力開關都指示1，即小于7.5bar時，軟件將指令啟動空壓機。

2 供氣系統故障診斷及列車保護

2.1 壓力開關的故障診斷

VCU軟件通過－A01.9和－A01.8開關狀態相互邏輯關系，互相檢查壓力開關功能完好性。

當－A01.9輸出“1”，而－A01.8仍然沒有通過SIBAS KLIP告知VCU氣壓低于7.5Bar時，軟件即可判斷為－A01.8壓力開關閉合故障。當空壓機啟動至正常停止點（9.2bar）后5秒內，－A01.8仍然沒有通過SIBAS SIBAS KLIP告知VCU氣壓高于9.0Bar時，軟件即可判斷為－A01.8壓力開關分斷故障。

2.2 壓機的故障診斷

直接判斷：軟件通過判斷要求空壓機啟動的指令與實際的供電電路執行是否相符。比較34－k01的狀態是否與軟件預期一致。軟件要求空壓機啟動2秒后34－k01的反饋信號不一致判斷為空壓機控制電路故障。此判斷相對簡單，但不能確認空壓機是否正常供氣。［2］

間接判斷：軟件通過判斷要求空壓機啟動的指令與實際的氣壓變化情況是否相符。當軟件要求空壓機啟動后，列車控制系統將連續檢測車輛氣壓的變化，當氣壓在規定檢測時間內不能達到設定的氣壓上升率，則判斷為空壓機故障。這樣的判斷邏輯相對準確反應空壓機是否正常供氣，但車輛在運行過程中的氣壓變化頻繁，誤報的可能性較高。

2.3 列車氣壓狀況的診斷

通過壓力制動系統的壓力傳感器和空壓機使用的壓力開關綜合判斷車輛主風缸的氣壓狀況。列車保護空壓機故障：一旦列車診斷主空壓機故障，備用空壓機將被軟件指定為主空壓機工作。列車保護列車主風缸壓力不足：一旦列車診斷列車主風缸壓力不足，軟件和硬件會指令主、備空壓機立即啟動快速恢復列車氣壓。在一定時間內如果車輛氣壓不能恢復到設定值，車輛將立即采取制動并同時被禁止牽引直到壓力恢復。［3］

3 軟件空壓機控制的問題及初步解決方案

3.1 示例

AC05型西門子列車首先在3號線上進行試運營。期間反復發生氣壓過低，列車在站臺長時間等候空壓機啟動的晚點事故。

3.2 原因調查

3.2.1 氣路分析

圖1中1和2為壓力開關。空壓機產生的氣源通過管路送到主風管。制動控制單元BCU通過一個單向閥從主風管獲得制動所需的氣源。制動控制單元中模／數轉換器，將該點的氣壓模擬輛采集成為數字量傳送到BECU。

3.2.2 測試分析

壓力開關的整定值進行檢測。截斷C車輛端的主風管截止閥，同時將數字氣壓表連接至.07測試點，通過反復強制啟動空壓機及放氣，我們獲得了較精確的壓力開關整定值；［4］754－755通過軟件，檢測當 SIBAS KLIP收到壓力開關動作信號時，從模／數轉換器獲得的氣壓值。

通過以上兩種測試，得出一個定性結果，列車的壓力開關整定值偏離預設值且小于預設值。

圖1 氣路原理圖

以上兩種測試方法的定量結果有0.1－0.2bar的差別，是由單向閥的損耗引起了軟硬件判斷的誤差。未整改的軟件6.8－9.0bar的軟件啟動是作為硬件的冗余。6.8的整定值不恰當，主風管的壓力在6.6左右。啟動空壓機需要幾十秒的時間，嚴重影響了運營。［5］壓力開關－A01.9，有任意一個向SIBAS KLIP輸出信號”1”時，列車即被靜止牽引。

3.3 整改方案

壓力開關調整，使用前文所述截斷C車的方法，配合萬用表，對硬件壓力開關的整定值驚醒調整，使其恢復到預設值。

控制軟件調整，使軟件控制的空壓機啟動成為主要低壓保障，而使硬件壓力開關－A01.9成為冗余措施。調整其控制范圍至7.2－9.3bar。如圖2所示。

圖2 軟件控制調整

當兩個壓力開關－A01.9全部向SIBAS KLIP輸出信號”1”時，列車即被靜止牽引。從邏輯“或”改為邏輯“與”。減少了列車被靜止牽引的概率。同時當上述情況發生時，列車仍可以運行2分鐘，使空壓機獲得足夠的時間恢復到正常壓力值。

增加了故障診斷更完善的故障診斷功能，以及在司機顯示器上作出相應提示。

4 小結

使用網絡及列車中央控制單元進行集中控制、監控、管理已經成為地鐵列車的發展趨勢，但集中控制帶來的缺點也是明顯的，制造水平低下及軟硬件配合能力的限制，集中控制可能將一個小故障放大到系統癱瘓。

在目前網絡控制的發展階段，設計時必須對控制的軟硬件設計、邏輯判斷進行反復的考量；在網絡控制的同時預留必要的硬件冗余，保證列車在特殊情況下的應急運行。

［1］上海地鐵運營公司車輛分公司.6改8文件管理軟件HIDS［G］.上海：上海地鐵運營公司車輛分公司，2007.

［2］郁永章.容積式壓縮機技術手冊［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［3］李華德.交流同速控制系統［M］.北京：電子工業出版社，2003.

［4］陳冠玲.工控組態軟件與其它軟件數據交換的三種方式［J］.計算機測量與控制，2002（11）.

［5］肖金林.基于DeviceNet現場總線的車門整形伺服集成系統的設計與實現［D］.上海：上海交通大學，2006.