廣州地鐵五號線國產化列車網絡控制及診斷系統

李永全

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 511430）

0 引言

廣州地鐵五號線國產化列車為廣州地鐵公司、南車時代電氣和南車青島四方公司聯合研制的首列采用國內技術的直線電機列車，該車采用了由國內株洲南車時代電氣自主研發，符合TCN標準的車載列車控制及診斷系統，通過與列車各子系統的通訊及傳輸，實現了故障的準確定位、判斷及實時反映子系統的狀態。

1 列車網絡控制設計

1.1 DTECS網絡控制系統平臺

DTECS是專為軌道車輛的列車控制和通信而設計的一套車載計算機系統，包括車載硬件、操作系統、控制軟件、診斷軟件、監視軟件和維護工具，它控制并監視整個列車。

DTECS是一個分布式控制系統，它將分布于整個列車的各個智能單元聯結成一個列車網絡，這些單元可分別安裝于車下設備箱中、司機臺或車廂內的控制柜中，各不同的分布式單元將使用TCN總線連接起來。這種系統的最大的優點是：顯著減少各箱柜之間的連線，方便將來對系統功能的擴展。總線的擴展比較簡單，只須增加一根連接到該單元的電纜線，并更新應用軟件就能和新的單元進行通信。

DTECS的模塊包括車輛控制模塊（VCM）、事件記錄模塊（ERM）、數字量輸入輸出模塊（DXM）、數字量輸入模塊（DIM）、模擬量輸入輸出模塊（AXM）、RS485通信管理模塊（HCM）、總線耦合模塊（BCM）、智能顯示單元（IDU）。

車輛控制程序是下載到VCM里的程序，DXM、DIM、AXM用來采集硬線電路的數字量、模擬量信號，DXM和AXM用來輸出VCM發給外部硬線電路的控制信號，IDU顯示相應的信息給司機。VCM、DXM、DIM、AXM及IDU各模塊自帶底層軟件，并遵循統一的通訊標準IEC61375，相互之間通過MVB總線進行通信。DTECS列車網絡控制平臺的車輛總線為基于EMD/ESD+介質的WTB/MVB網絡控制技術。

1.2 網路拓撲結構

圖1為整車的網絡拓撲圖，列車控制及診斷系統采用分布式控制技術，符合IEC 61375標準，網絡體系結構采用三級：列車控制級、車輛控制級和功能控制級。列車控制級總線為EMD通信介質的MVB，車輛控制級總線ESD通信介質的MVB，功能控制級總線為RS485。

采用分布式技術，即分布采集及執行，中央集中控制與管理的模式。各個功能模塊分別安裝于不同車型的控制柜中，模塊之間通過列車總線和車輛總線連接。不論是列車總線還是MVB車輛總線，均采用通信雙通道冗余設計，當某一路通信通道出現故障時，系統可以自動切換到另一路通信通道。對于關鍵的車輛控制模塊VCM，由于其主要實現重要的車輛控制、總線管理功能，因此在整車內對VCM做了熱備冗余配置，在當前主VCM出現故障的時候，備用VCM將接管主要VCM的職責，行使所有的控制功能。

整個網絡系統負責完成控制和監視、故障診斷、數據記錄、信號采集、通信控制、通信冗余等功能。

2 系統各部件功能

2.1 車輛控制模塊

VCM模塊安裝在列車兩端司機室內，每列車共安裝了2個VCM，通過MVB EMD總線與其他設備進行通信，是整個網絡系統的核心部件，具備以下幾項功能：

（1）列車和車輛級的過程控制，如列車牽引制動控制、空調啟動時序控制及電空混合制動控制等功能；

（2）通信管理：具備MVB的通信管理能力，實現車輛級的通信控制功能；

（3）顯示控制：通過多功能車輛總線與HMI顯示屏的接口，輸出各種顯示信息；

（4）故障診斷：可采集處理列車的狀態數據、故障數據，并通過HMI顯示屏真實的反映出來。

2.2 事件記錄模塊ERM

每列車共安裝了2個ERM模塊，分別安裝在兩端A車司機臺下方，通過MVB與其他設備進行通信，可記錄列車故障履歷數據及各類數字量、模擬量的變化情況，是列車存儲數據的重要部件，具備功能如下：

（1）數據記錄功能：記錄司機操作數據（如操作各種開關、按鈕動作情況）、故障履歷數據，將VCM模塊的故障數據具體化；

（2）數據存儲功能：可通過車載信息網（工業以太網）將ERM模塊所記錄的數據下載至PTU電腦，便于在地面分析列車故障數據。

2.3 RS485通信管理模塊HCM

部分系統自身不具備與MVB總線進行通信的功能，如乘客信息系統、車門系統、列車車載信號系統、視頻監控系統等，需借助此模塊實現與MVB總線之間的數據交換。每個HCM模塊可實現與兩組MVB與RS485之間的數據轉換，同時由于每節車廂分布的系統不一致，目前五號線國產化增購列車HCM模塊的分布情況為A車3個，定義為HCM1、HCM2、HCM3，B、C車各安裝了1個HCM模塊。HCM模塊電氣接口如圖2所示。

圖2 HCM模塊電氣接口圖

2.4 總線耦合模塊BCM

每節車廂安裝了2個總線耦合模塊，定義為BCMA及BCMB模塊，即網絡系統的A、B傳輸通道，可提供多功能車輛總線的電氣短距離到電氣中距離傳輸的接口，實現多功能車輛總線MVB的電氣短距離傳輸介質ESD到電氣中距離傳輸介質EMD的轉換，將單個車組單元的智能設備通過MVB總線互連成列車通信網。

2.5 模擬量輸入/輸出模塊AXM

在兩個A車及B1車中均安裝了一個AXM模塊，主要負責模擬量的輸入輸出控制功能，通過MVB總線與其他設備進行通訊，具備的功能包括以下幾種：

（1）采集司控器的級位并傳送給TCMS系統，實時控制列車發揮的牽引、制動力；

（2）可采集來自于ATO系統的模擬信息，可將0～20 mA的電流值轉換為0～10 V的電壓值并傳送給TCMS；

（3）實時采集蓄電池溫度，并傳送給TCMS，可準確無誤地在HMI顯示屏中觀察到蓄電池的溫度情況；

（4）采集列車速度值并直接驅動速度表，通過速度表反映列車運行時速。

2.6 數字量輸入/輸出模塊DXM

該模塊是整個列車控制及診斷系統中又一個極其重要的模塊，每節A車中安裝了2個DXM模塊，其他車中每節車安裝了一個，其主要負責數字量的輸入輸出控制，采用了16路110 V光電隔離輸入通道及6路110 V的MOS管輸出通道，具備以下三種功能：

（1）輸入信號采集：將車輛間電氣信號轉換成數字信號，經由列車控制網絡傳送給VCM，完成信號監視功能；

（2）數字信號輸出：將網絡數字信號轉換成電氣信號，控制諸如指示燈、繼電器等設備；

（3）設備地址輸入：通過外部跳線配置設備地址，維護簡單。

2.7 數字量輸入模塊DIM

DIM模塊主要完成數字量的采集輸入功能，每節A車中安裝了兩個DIM模塊，其余每節車各安裝了一個DIM模塊，采用了32路110 V光電隔離輸入通道，與DXM模塊相比較，該模塊缺少了數字信號的輸出功能。

3 系統主要功能介紹

列車控制及診斷系統（TCMS）集中提供了控制和監視車載系統和設備的功能。列車的操作，車載系統的故障診斷、故障數據記錄、事件分析和報告等功能都集成在一個分布式智能系統中。TCMS對列車的控制、監控和診斷都是基于與各子系統的通信的，與TCMS進行通信的包括以下子系統：牽引系統；制動系統；輔助供電系統；空調系統；車門系統；列車廣播系統及乘客信息系統（PIDS）；列車自動控制系統（ATC）；列車無線通信系統。

3.1 控制功能

3.1.1 系統冗余控制

（1）VCM冗余。正常情況下，系統選擇激活端作為主控設備，從控端作為備用。備用設備不斷監視主控設備的狀態，當主控設備出現故障時，備用設備將自動代替主控設備的一切控制功能，保證列車正常運行[3]。

（2）總線冗余。網絡系統采用了雙通道互為冗余的列車及車輛總線MVB進行數據傳輸。正常情況下網絡隨機選擇A或B通道進行數據傳輸，當某一路出現通信故障時，網絡系統能自動切換至另一通道進行數據傳輸。

3.1.2 牽引、制動控制

列車網路系統接受來自于ATO或者司控器的級位信號后通過MVB總線傳輸給牽引、制動系統，并以此信號為準執行相應的牽引或制動力。

3.1.3 空壓機與空調啟動順序控制

空壓機與空調的啟動順序控制為了避免所有空壓機同時啟動時所造成的沖擊電流，TMS對空壓機和空調的啟動進行順序控制。

網絡系統通過MVB總線發送啟動碼給空調系統從而實現對空調的啟動進行控制。網絡系統每隔10秒改變一次啟動碼。如圖3所示，在制動空壓機沒有啟動時，每個空調系統每隔60秒收到一次啟動碼。只有當空調控制單元（ACU）收到持續時間為2秒的觸發信號時，才啟動對空調系統的控制。而當已經啟動的空調控制單元收到該觸發信號時，它將忽略此信號。

同時，當TCMS檢測到空壓機接觸器（compressor motor contactor，CMC）正在啟動時，將10秒的時間間隔調整為13秒，以避免空調壓縮機與制動空壓機的同時啟動，如圖4所示。

3.1.4 啟動聯鎖功能

聯鎖功能是指列車在某種特定條件下，網絡系統通過其控制功能使列車施加緊急制動、封鎖牽引或者控制車門開啟，保證列車的安全運行。其聯鎖功能主要包括：停放制動啟動聯鎖；主風缸壓力啟動聯鎖；車門啟動聯鎖，并且為停放制動啟動、主風缸壓力啟動聯鎖回路提供軟件旁路功能。而當網絡系統發生故障時，車輛還提供對以上聯鎖的硬件旁路功能。

（1）停放制動啟動聯鎖

采用停放制動啟動聯鎖功能是為了避免當列車發生停放制動故障時，列車的錯誤啟動。停放制動施加時，網絡系統控制停放制動繼電器（PKBR）失電，致使列車無法發出牽引指令，因此實現了對停放制動啟動聯鎖功能。

但是如果出現網絡系統故障而無法控制PKBR繼電器正常得電時，可以通過機械旁路開關（PKBRCOS）來使牽引列車線合上。此時司機緩解停放制動，則對列車沒有影響。

圖3 無空壓機啟動時空調啟動時序

圖4 空壓機啟動時空調啟動時序

（2）主風缸低壓啟動聯鎖

采用主風缸低壓啟動聯鎖功能是為了避免因為主風缸壓力低時的列車不安全運行，是對司機主動監控的補充手段。當任何一個傳感器檢測到主風缸壓力低于6.0 bar時，網絡系統通過AXM模塊控制主風缸壓力低繼電器2（MRPR2）失電，切斷牽引列車線，封鎖牽引。當所有傳感器檢測到的主風缸壓力都不低于6.0 bar時，合上牽引列車線[2]。

當牽引列車線由于網絡系統故障而無法正常閉合時，可通過機械旁路開關（MRP2COS）來使牽引列車線閉合。同時，由于網絡系統故障導致系統無法正常監視列車氣壓情況時，正線運營過程中還需密切監視列車氣壓表情況。

（3）車門啟動聯鎖

車門啟動聯鎖是作為ATO模式的備份而采用的。因為TMS系統對車門系統不進行控制，而只是進行監控。通常情況下，由ATO激活零速列車線，當ATO設備故障，且當列車速度小于3 km/h時，TMS激活零速列車線。列車速度由TMS根據來自VVVF的傳感器信息進行計算。對零速的控制轉換由司機操作切除開關來實現，同時TMS會顯示切除狀態，以表示TMS對零速的控制[2]。

3.2 監控功能

通過HMI顯示屏可直觀地了解系統本身設備以及車輛各個子系統的狀態，方便司機及檢修人員第一時間掌握車輛總體情況，監控的主要對象包括以下幾個系統：

（1）牽引系統；

（2）制動系統；

（3）輔助系統；

（4）空調系統；

（5）車門系統；

（6）乘客信息系統；

（7）車載信號系統。

3.3 診斷功能

車載故障診斷系統可以協助司機和檢修人員快速定位車輛故障原因，及時做出相應的處理，依據出現故障的重要性對故障進行了等級劃分。

（1）3級故障：在TMS顯示屏上自動彈出故障描述，需要司機進行確認，同時發出蜂鳴聲；出現該等級的故障一般需要司機立即采取相應處理措施。

（2）2級故障：TMS顯示屏右上角的“故障”按鍵將閃爍；出現該等級的故障一般需要司機引起注意，但暫不影響行車。

（3）1級故障：在TMS顯示屏上沒有任何顯示；該等級的故障一般對列車運行沒有明顯影響。

（4）0級故障：在TMS顯示屏上自動彈出故障描述，需要司機進行確認，同時發出蜂鳴聲；該等級的故障一般對列車運行沒有明顯影響，但需要司機知曉。

所有故障信息均以特定格式存放在ERM模塊當中，每條故障信息包含的內容有：故障內容、故障代碼、故障車號、發生時間、消除時間以及等級信息等，同時可使用特定的PTU軟件通過以太網下載至筆記本電腦中，方便數據分析和故障診斷。

4 結語

廣州地鐵5號線是國內首列采用國產網絡控制及診斷系統的直線電機車輛，首列車已于2012年調試完畢并上線投入運營，雖然上線之初因網絡系統的不穩定出現了一些故障，但相信經過不斷的磨合，5號線國產化列車運營中的可靠性必將大大提高。

［1］株洲南車時代電氣股份有限公司.廣州市軌道交通五號線直線電機車輛微機控制說明書［Z］.2012.

［2］朱士友，呂勁松.車輛檢修工［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2009.

［3］鄧小娟，劉軍良.深圳地鐵5號線國產化車輛網絡控制和診斷系統［J］.電力機車與城軌車輛，2011（4）：15-18.