廣州地鐵三北線列車信號系統引起的牽引故障分析

謝竹偉

（廣州市地下鐵道總公司運營事業總部運營三中心，廣東 廣州 510000）

0 引言

廣州地鐵三號線北延線列車（廣州地鐵B2、B4型車）為6節編組、4動2拖形式的B型地鐵列車，編組形式為：－A＋B＋C＝C＋B＋A－。其中，A車為帶司機室的動車；B車為帶受電弓的拖車；C車為動車；“－”表示全自動車鉤；“＝”表示半自動車鉤；“＋”表示半永久牽引桿；每組A、B、C車為一個單元。列車采用西門子SIBAS32平臺搭建的控制診斷系統，車輛控制單元VCU作為整列車的控制核心，帶有故障診斷記錄功能。

在日常運營時，列車為ATO模式（自動駕駛模式）運行，即中央信號控制系統通過與車載信號系統的通訊，控制列車的牽引、制動、開關門等功能，當VOBC（車載信號控制器）出現死機故障時，曾多次引起整列車牽引系統故障。

該故障涉及信號專業與車輛專業的接口，產生的非正常連鎖反應沒有直接的故障數據可以確認故障點。本文通過分析列車故障信息的產生原因，并通過列車診斷系統記錄的部分數據，推斷確定故障具體原因。

1 故障分析及調查

1.1 故障描述

故障觸發的前提條件：列車正線運營時出現VOBC死機。

具體現象：在VOBC死機時，車輛顯示屏HMI顯示整列車牽引系統圖標黃色報警”，故障欄出現“安全回路故障”“牽引系統輕微故障”“牽引／制動控制嚴重故障”等故障信息。

1.2 故障的形成原理分析

從車輛控制單元VCU中存儲的TCF（牽引控制功能）故障記錄中可以看到，該故障是由于安全回路故障引起的。

1.2.1 安全回路控制原理

安全回路是地鐵列車用來保障緊急情況下緊急制動的回路，對緊急制動采用硬線控制，以保障列車即使在網絡癱瘓的情況下依舊能夠施加緊急制動（簡稱“緊制”），確保運營的安全。安全回路主要包含了緊急停車回路、緊急制動回路、ATC緊制回路、緊制負載回路、牽引允許回路及快速制動回路，如圖1所示。

安全回路由110 V控制電源母線從司機室激活端進行供電，當緊制負載回路失電時，回路上的EP2002制動系統網關閥（Gateway Value，圖1中縮寫 GV）、智能閥（Smart Value，縮寫SV）收到緊制信號低電平，執行緊急制動。由圖1可以看出，列車控制系統可以通過控制緊急停車回路及緊急制動回路使緊制負載回路失電，從而達到使列車緊制的目的。

緊急停車回路主要通過拍打設置在司機臺左右兩側的緊急停車按鈕（俗稱“蘑菇頭”）來實現斷電，是列車緊急情況下的最后一道停車保障，同時可以實現列車緊急制動、高速斷路器斷開和受電弓降下的功能。

緊急制動回路主要是通過控制緊制繼電器＝22-K125的觸頭分合來實現對緊制負載回路得失電的控制。

ATC緊制回路主要在列車ATO（自動列車運行）模式運行下，由VOBC控制ATC緊制繼電器＝91-K107的動作來實現對緊急制動回路的控制。而非ATO運行的情況下，可通過操作ATC切除旋鈕，使ATPC繼電器＝91-K108得電，解除ATC緊制繼電器的控制。

圖1 列車安全回路示意圖（單個單元）

圖1中縮寫為SKS的設備為SIBAS KLIP Station智能外圍接口終端站，列車控制系統通過SKS采集、監測、控制110 V硬線控制電路的電平信號，實現硬線信號與TCN網絡信號的轉換及數字量、模擬量輸入／輸出功能，使車輛控制單元VCU能全面地監測、控制列車的狀態，并通過對比2種信號來進行故障的診斷。

1.2.2 安全回路故障診斷

安全回路故障診斷主要通過SKS采集硬線信號進行對比判斷，診斷控制回路與執行回路是否保持一致。診斷邏輯如圖2所示。

緊急停車回路反饋信號、緊制繼電器反饋信號、ATC緊制繼電器反饋信號輸入“或”門后與緊急負載回路反饋信號的“非”邏輯共同輸入“與”門，若在512 ms內持續輸出為高電平，則出現安全回路故障，同時VCU施加快速制動。

本文分析的故障信息主要由安全回路故障引起，可從故障邏輯中的信號推導出引起故障的根本原因。

圖2 安全回路故障診斷邏輯簡圖

1.3 故障的調查與分析

采用SIBAS32系統的故障診斷軟件eXpert2讀取事件信息，事件記錄儀信息如圖3所示。

圖3 事件記錄儀故障信息記錄

圖3中，17：22：41.54故障時，ATP緊制繼電器動作后VCU監測到緊制回路反饋沒有施加（圖4），于是512 ms后根據故障邏輯判定安全回路故障，VCU使用快速制動替代緊制，同時發送“牽引／制動控制嚴重故障”“牽引系統輕微故障”，ICU圖標因此變為黃點。約7 s后緊制回路反饋已施加緊制，故障消失，但圖標依舊保留在HMI屏上，直到復位MVB總線，才能將黃點圖標消除。

圖4 故障環境數據截屏

分析電路圖（圖1）可以看出，在緊急制動回路中，若要使ATC緊制繼電器失電，而緊急制動繼電器不失電，只可能存在一種情況，即ATPC繼電器＝91-K108得電吸合。

正常情況下，如果要將ATP保護切除，則須將ATP切除旋鈕打至合位，通過列車線，使91-K108得電，VOBC則通過連接在列車線上的P3：M插頭接收該列車線電平信號，進行ATP切除。結合前面調查的信息分析，若發生故障，VOBC處于死機狀態時，P3：M插頭逆向對ATPC繼電器＝91-K108輸出了一段時間的高電平，將會使91-K108得電（圖5）。

若上述分析正確，列車將會處于ATP切除旋鈕未打至分位，而ATPC繼電器＝91-K108線圈吸合的情況。為驗證上述分析，可通過eXpert2軟件讀取故障代碼出現時的車輛環境數據的I／O信號記錄來進行判斷。若ATPC繼電器＝91-K108得電，繼電器的常閉觸頭斷開，ATO模式繼電器將失電，從而使列車退出ATO模式（圖4）。

圖5 VOBC反向串電圖

由故障時的環境數據可以看出，故障時ATP切除旋鈕未打至切除位（＄E113＿09信號為低電平），ATO模式已退出（＄E112＿01信號為低電平），由此可以驗證ATPC繼電器＝91-K108異常得電。

2 后續調查與改進措施

對于此問題，聯系通號部門檢查發現VOBC的IRU單元內部二極管擊穿，核對VOBC內部電路可以發現該二極管擊穿后，按壓VOBC復位按鈕將會出現逆向串電，而此二極管下級電路對外接口就是P3：M插頭，逆向串電可引起ATPC繼電器＝91-K108得電。由此可驗證，根據車輛數據邏輯推理出的故障原因被核實。

對于此信號與車輛接口問題，可對電路進行改進，在P3：M插頭下級電路添加一個二極管，防止VOBC內部二極管擊穿后逆向串電引起車輛繼電器異常得電的情況。

3 結語

廣州地鐵三號線北延段列車控制診斷及牽引系統由西門子設計制造，擁有完善的故障診斷系統，利用專門的工具維護軟件可以對故障時的各個關鍵信號進行查找和分析，結合電路圖、診斷邏輯圖對出現故障的原因進行分析判斷。熟練地使用列車工具軟件并嚴謹地進行邏輯分析，對地鐵車輛的檢修具有重要的應用價值，可輔助檢修技術人員較快地排除故障，保障列車的運行質量。

本文通過對信號系統引起的牽引故障的分析與查找，提供了利用地鐵診斷系統及控制邏輯來查找解決車輛與信號接口問題的一種思路。同時，筆者建議，在新線車輛電路設計時，須充分考慮接口系統的電路，盡量避免因接口電路故障引起的一系列問題。

［1］南車株洲電力機車有限公司.GZML3E項目電氣原理圖（C版），2010