城市軌道交通車輛牽引與制動(dòng)系統(tǒng)接口的優(yōu)化

朱明亮 段洪亮 歐陽(yáng)瑞璟

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，130062，長(zhǎng)春∥高級(jí)工程師）

城市軌道交通車輛牽引與制動(dòng)系統(tǒng)接口的優(yōu)化

朱明亮 段洪亮 歐陽(yáng)瑞璟

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，130062，長(zhǎng)春∥高級(jí)工程師）

介紹了常用的地鐵牽引系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)的接口方案，建議采用增加硬線接口的優(yōu)化方式，提高整車使用的可靠性。

列車控制與管理系統(tǒng)；牽引與制動(dòng)系統(tǒng)；接口優(yōu)化

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehieles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

目前，城市軌道交通的列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）一般都由車輛供應(yīng)商提供，并且已基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。由于TCMS的設(shè)計(jì)和編程在國(guó)內(nèi)仍處于經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)提升階段，其穩(wěn)定性還需要做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

歐洲軌道交通發(fā)展經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間，TCMS相對(duì)成熟可靠。目前，歐洲車輛供應(yīng)商的設(shè)計(jì)方案基本上采用直接網(wǎng)絡(luò)控制，各系統(tǒng)之間的硬線接口非常少。如果國(guó)內(nèi)車輛供應(yīng)商也采用直接網(wǎng)絡(luò)控制方案，由于國(guó)產(chǎn)化TCMS成熟度相對(duì)較低，可能會(huì)由于TCMS的通信故障引發(fā)車輛故障，從而降低車輛的可用性。

城市軌道交通對(duì)TCMS及車輛的可靠性要求非常高，基于TCMS國(guó)產(chǎn)化實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀，本文提出了TCMS與牽引及制動(dòng)系統(tǒng)的接口優(yōu)化方案，用于提高整個(gè)車輛使用的穩(wěn)定性及可靠性。

1 TCMS與牽引及制動(dòng)系統(tǒng)的接口優(yōu)化方案

基于目前TCMS國(guó)產(chǎn)化實(shí)際情況，在牽引變流器和制動(dòng)控制單元之間增加一些必要的硬線接口，用以交互信息并增強(qiáng)可靠性。增加的硬線主要在本節(jié)車廂內(nèi)布線，盡量不影響到車輛間的過(guò)橋線，這樣對(duì)車輛日常維護(hù)影響較小。相關(guān)信號(hào)接口定義與特性如表1所示。

表1 信號(hào)接口定義與特性

由于牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)采樣于司控器發(fā)出的牽引力／制動(dòng)力脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，這樣牽引力／制動(dòng)力的需求值就不需要通過(guò)TCMS傳送。在牽引變流器和制動(dòng)系統(tǒng)之間增加幾條硬線信號(hào)，在TCMS傳輸發(fā)生故障時(shí)用于信號(hào)傳輸，可以保證車輛正常運(yùn)行。

2 制動(dòng)過(guò)程中控制信號(hào)傳遞

2．1 制動(dòng)類型

（1）常用制動(dòng)：列車常用制動(dòng)通過(guò)解析PWM信號(hào)或者緊急牽引信號(hào)執(zhí)行。

（2）快速制動(dòng)：類似于常用制動(dòng)的正常制動(dòng)模式。

（3）緊急制動(dòng)：牽引系統(tǒng)不參與緊急制動(dòng)，僅有空氣制動(dòng)起作用。

（4）保持制動(dòng)：在列車停車時(shí)，只施加空氣制動(dòng)。

（5）混合制動(dòng)：空電混合制動(dòng)時(shí)電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力之間的配合對(duì)于達(dá)到理想的制動(dòng)狀態(tài)非常重要。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的制動(dòng)效果，制動(dòng)系統(tǒng)需要得知牽引變流器的實(shí)際電制動(dòng)力值。

根據(jù)負(fù)載信號(hào)和制動(dòng)需求，牽引變流器發(fā)送AO＿BEA信號(hào)到相應(yīng)的制動(dòng)控制單元，制動(dòng)控制單元再將這個(gè)信號(hào)傳輸給其他的控制單元，完成總制動(dòng)力的計(jì)算。

2．2 制動(dòng)力可用值

根據(jù)負(fù)載信號(hào)和制動(dòng)需求，牽引變流器在電制動(dòng)初期發(fā)送最大電制動(dòng)力可用值信號(hào)到相應(yīng)的制動(dòng)控制單元，制動(dòng)控制單元再將這個(gè)信號(hào)傳輸給其他的控制單元，完成總制動(dòng)力的計(jì)算。

AO＿BEA信號(hào)在電制動(dòng)建立初期，用于避免在電制動(dòng)力從零到最大值的情況下施加空氣制動(dòng)。如果這個(gè)信號(hào)不存在，將造成額外的空氣制動(dòng)施加，會(huì)讓閘瓦造成過(guò)度磨耗。

在電制動(dòng)建立初期，空氣制動(dòng)在開(kāi)始的t時(shí)段內(nèi)不施加（具體時(shí)間在調(diào)試階段確認(rèn)）。在t時(shí)段后，AO＿BEA信號(hào)向制動(dòng)單元發(fā)送實(shí)際電制動(dòng)力值信號(hào)，空氣制動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算需要施加的空氣制動(dòng)力值，并按照F空＝F總－F電施加。

當(dāng)出現(xiàn)下述情況，制動(dòng)力值設(shè)為零，此時(shí)不考慮AO＿BEA信號(hào)：沒(méi)有制動(dòng)需求；速度值小于最小淡出速度（3km／h）；牽引沒(méi)有激活。

2．3 防滑保護(hù)功能

為了更好地實(shí)現(xiàn)防滑與防空轉(zhuǎn)保護(hù)，制動(dòng)系統(tǒng)提供列車的參考速度。在網(wǎng)絡(luò)模式下，多功能車輛總線（MVB）傳輸本制動(dòng)控制單元（BCU）的速度作為動(dòng)車的參考速度。在硬線模式下，制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)硬線為動(dòng)車提供本BCU參考速度。如果此參考速度超出定義范圍（0～200km／h），將視為無(wú)效。

動(dòng)車上的參考速度在牽引和制動(dòng)情況下都采用與拖車一致的采樣計(jì)算方式。參考速度為持續(xù)采樣計(jì)算（除列車速度低于3km／h時(shí)），更新周期初定為100ms。

防滑行保護(hù)分為拖車和動(dòng)車兩部分。拖車防滑保護(hù)僅由制動(dòng)控制單元激活，而動(dòng)車的防滑行保護(hù)則由牽引變流器和制動(dòng)控制單元共同控制。防滑保護(hù)時(shí)，需要將列車實(shí)際速度和每個(gè)軸上的實(shí)時(shí)速度做比較，這個(gè)速度信號(hào)由制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送到牽引變流器。

在動(dòng)車上，防滑保護(hù)主要由牽引變流器和制動(dòng)控制單元負(fù)責(zé)。如果輪對(duì)發(fā)生滑行，牽引變流器和制動(dòng)控制單元共同進(jìn)行控制。如果輪對(duì)滑行率低于10%，此時(shí)只激活牽引變流器做防滑行保護(hù)。當(dāng)LO＿SLIDE信號(hào)為高電平，AO＿BEA信號(hào)將不予以考慮。如果超越上述約束條件，制動(dòng)控制單元將接管制動(dòng)過(guò)程，禁止電制動(dòng)（L＿DISEB）。

當(dāng)制動(dòng)控制單元檢測(cè)到滑行信號(hào)超過(guò)2s或者滑行率超過(guò)15%并持續(xù)3s（具體時(shí)間在調(diào)試階段確定），將會(huì)起動(dòng)防滑行保護(hù)并切除電制動(dòng)。在列車從制動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到牽引或惰行模式，牽引變流器需要能激活電制動(dòng)。

當(dāng)輪對(duì)滑行發(fā)生時(shí)，電制動(dòng)力減小（見(jiàn)圖1的①處）以適應(yīng)軌道的黏著，一旦滑行情況消除后，制動(dòng)指令分兩步快速恢復(fù)。第一步是快速恢復(fù)到發(fā)生滑行前制動(dòng)力值的70%左右（見(jiàn)圖1的②處），第二步是以較低的斜率恢復(fù)到制動(dòng)的需求值（見(jiàn)圖1的③處）。如果在恢復(fù)過(guò)程中再一次發(fā)生滑行，將會(huì)消除制動(dòng)力需求值指令，制動(dòng)力將以更小的變化率恢復(fù)（見(jiàn)圖1的④處），在這種情況下，系統(tǒng)調(diào)整轉(zhuǎn)矩指令以充分發(fā)揮黏著作用。

圖1 列車防滑保護(hù)過(guò)程

2．4 制動(dòng)淡入點(diǎn)和淡出點(diǎn)

通常來(lái)說(shuō)，在高速的時(shí)候采用電制動(dòng)，在低速的時(shí)候采用空氣制動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)兩者間無(wú)沖擊地平穩(wěn)過(guò)渡，電制動(dòng)應(yīng)該逐漸淡出而空氣制動(dòng)應(yīng)該逐漸淡入。如圖2所示，在t2－t3時(shí)段，電制動(dòng)和空氣制動(dòng)應(yīng)按相反斜率線性變化。

圖2 制動(dòng)淡入和淡出過(guò)程

當(dāng)列車速度為7km／h時(shí)，LO＿FADE信號(hào)設(shè)為高電平，400ms延時(shí)后，電制動(dòng)力開(kāi)始減小（如果列車速度低于3km／h或大于7km／h，LO＿FADE信號(hào)設(shè)為低電平；當(dāng)制動(dòng)不施加時(shí)，LO＿FADE信號(hào)設(shè)為低電平）。延時(shí)400ms后，電制動(dòng)在t2～t3時(shí)段內(nèi)按照沖擊極限0．75m／s3線性減小，同時(shí)，在這個(gè)時(shí)段內(nèi)空氣制動(dòng)也按照沖擊極限0．75m／s3線性上升。

2．5 保持制動(dòng)釋放與牽引力施加

當(dāng)列車在坡道上起動(dòng)時(shí)，防倒退控制功能非常重要。由于防倒退機(jī)制是在牽引變流器收到牽引信號(hào)時(shí)，制動(dòng)力已經(jīng)施加，所以了解制動(dòng)系統(tǒng)如何在停車后施加制動(dòng)力非常重要，即使制動(dòng)信號(hào)L＿BRAKE為高電平。制動(dòng)力在保持制動(dòng)時(shí)施加100%的制動(dòng)力，由于牽引變流器在列車速度低于3 km／h時(shí)不負(fù)責(zé)制動(dòng)，此時(shí)變流器僅用于牽引。當(dāng)列車啟動(dòng)時(shí)，L＿M(jìn)OTOR信號(hào)設(shè)為高電平，空氣制動(dòng)在一段時(shí)間T1（暫定1s，具體值在調(diào)試階段確定）內(nèi)保持不變，在延時(shí)T1后，空氣制動(dòng)在2s后完成釋放。

由于牽引變流器防倒退功能不負(fù)責(zé)制動(dòng)控制，所以防倒退功能（保持制動(dòng)）應(yīng)由制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)。

3 結(jié)語(yǔ)

采用增加硬線接口的優(yōu)化方式，在TCMS故障時(shí)，可以保證車輛正常運(yùn)行，提高了整車使用的可靠性。

［1］ 張津津．西安地鐵3號(hào)線車輛牽引與制動(dòng)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)［J］．鐵道車輛，2015，53（8）：22．

［2］ NEWTON D A，姚永康．先進(jìn)的牽引和制動(dòng)系統(tǒng)［J］．大功率變流技術(shù)，1997（2）：33．

［3］ 王立文，趙紅衛(wèi)，田軍，等．電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)車輛接口單元的設(shè)計(jì)［C］∥中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)牽引動(dòng)力委員會(huì)制動(dòng)學(xué)組學(xué)術(shù)年會(huì)論文集．北京：中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)牽引動(dòng)力委員會(huì)，2008：217．

Improvement of Interfaces between Metro Traction System and Metro Braking System

ZHU Mingliang，DUAN Hongliang，OUYANG Ruijing

The widely used schemes of interfaces between metro traction system and metro braking system are introduced，some improvement suggestions like hard wire interface optimization are proposed to enhance the reliability of the whole train operation．

train control and management system（TCMS）；traction and braking system；interface optimization

U284．48

10．16037／j．1007－869x．2017．02．028

2016－09－21）