光電式司機主控制器的應用和優化

王剛　張現鋒

摘 要：光電式司機主控制器（以下簡稱司控器）成功應用在某型動車組中，相比傳統微動開關式司控器具有體積小、電氣/機械接口簡單、壽命長、可靠性高等特點。我們根據國內應用特點對原進口產品進行了優化，使之降低了故障率，提高了可靠性，并進行再創新設計，成功實現了國產化。

關鍵詞：光電式；司機主控制器；優化設計；國產化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.193

0 引言及現狀

司控器是司機操縱列車的主要部件，司機通過操縱司控器來實現車輛的加速、減速、制動等動作，須具有高可靠性、動作迅速準確、操作簡單方便等特點。近十幾年來，伴隨著電子技術在機車車輛領域的應用，司控器逐漸拋棄了復雜的機械結構和分立式電子器件而變得體積越來越小，功能越來越強大，性能越來越可靠。特別是使用光電編碼器作為編碼發生器的司控器已經廣泛應用于機車車輛、船舶、工程車輛、軍工、航天等領域。

1 在動車組中的應用

在國產某型動車組上就使用了這種以光電編碼器作為編碼發生器的司控器。同其它動車組相比，該型司控器具有體積更小、安裝更方便、機械/電氣接口簡單、可靠性高、操作方便、維護周期長、全數字量輸出等特點，代表了司機主控制器的發展方向，并在實際應用中得到了用戶的好評。是國內同類型動車中較先進的產品。其具體工作過程大略為：司機通過板動司控器手柄發出操作指令，司控器內部的光電編碼器將此指令發送給列車控制管理系統（TCMS），列車管理系統通過一系列的編碼、譯碼、計算、再編碼、再譯碼等過程將信息指令發送給相應的系統去執行，如圖1所示。由于列車控制管理系統是由運算速度極快的計算機組成，從控制指令發出到列車根據指令動作在極短的時間即可完成，幾乎感覺不到控制延遲。

圖2中的選擇按鈕是一個半鎖按鈕，具有安全選擇性。由于制動是安全性操作，故實施制動時不需要按下此按鈕，直接后拉操縱桿即可實現制動操作；在實施列車驅動指令時，必須按下此按鈕方可前推來實施驅動指令。這種設計即防止了誤操作又提高了安全性。1）操作手柄：外層是橡膠套，考慮了人機工程，具有較高的操作舒適性；2）操作指示牌：印有加速位、保持位、減速位、零位、7級制動位、緊急制動位。

從圖3可以看出，其主要設計結構為：1）一套凸輪機構來傳動；2）雙光電編碼器，一般情況時同時有效，緊急情況時互為冗余備份；3）緊急安全回路，采用單獨設計，機械觸發結構。

由于司控器的位置限制，最大操作角度設計在720。根據操作的不同要求在不同的級位設計了不同的操作角跨度。如在3級加速位和緊急位設計了60 的跨度，而在保持位設計了40 的跨度。

綜合司控器手柄操作順序，使用了4位格雷碼傳輸司機操作意圖。格雷碼與手柄級位的對應關系如圖4。

此種編碼方式，在每次操作時，僅有一位編碼變化。避免了由于輸出的變化而產生較大的電流變化沖擊，從而降低了對TCMS硬件AD模塊的沖擊。（TCMS：列車控制管理系統；AD：輸入輸出模塊）。

2 緊急回路故障分析、解決、設計優化

緊急回路是指在列車緊急情況時（例如火災），將司控器手柄置于緊急位置，列車將觸發緊急斷開安全環，切除牽引，施加緊急制動。當司控器處于緊急位時，主控手柄將按圖4輸出編碼至列控系統，同時主控手柄的緊急回路觸點動作如圖3。在實際應用中，此型動車組多次出現緊急觸點燒毀事故，當緊急觸點燒毀后列車始終處于緊急制動狀態，無法緩解，只能救援，嚴重影響了行車秩序； 而原型車從未發生過此類情況，我們對此進行類調查和分析：

（1）緊急回路分析：每車都有一個緊急繼電器，與其它車的緊急繼電器并聯在一起，與主控手柄緊急觸點關聯在一起形成緊急回路。長編組列車共有16個緊急繼電器。

（2）故障分析及原因判斷：1）在16輛編組中，電纜總長度超過1KM，而國外原型車從未有過8輛甚至16輛編組，最多是6輛編組；2）線路中感性特征明顯，并且由于線路長導致分布在各車上緊急繼電器動作不同步，延遲現象明顯；3）電路時間常數應在15以上；4）觸點無滅弧裝置。

故障原因是：在緊急回路中存在較大感性特征，當常閉點斷開時動靜觸點之間放電拉弧，多次累加后觸點到達壽命極限而最終被燒毀。

（3）設計優化：提高電路的滅弧能力或者是改變電路整體的感性特征是解決此問題的關鍵，主要有如下幾種方法：1）在電路中并聯RC吸收；2）強化滅弧能力；3）采用無觸點開關。

由于RC吸收式電路容易引起開關延時，不能用于此安全回路；而若采用無觸點開關將涉及大量物理和電氣接口改動，費效比較差，因此首選采用帶滅護罩開關來替代原設計開關。最終我們以沙爾特堡S800型開關（帶磁吹滅護罩）替換原有型號進行升級改造。試驗和運用情況表明效果顯著，自改造6年以來，無故障最長單列運營里程超過240萬公里，型號無故障總運營里程超過3億公里。

3 結束語

司控器作為高鐵關鍵配套技術之一，我們深知對列車安全和高效運營的重要意義。經過在國內12年的實際運用，特別是經過國內適應性優化后，證明光電式司控器適應我國高速鐵路的實際情況，為此型動車組贏得良好的用戶口碑做出了貢獻。其優良的運營業績得到了路內專家的好評，并推薦為我國標準動車組的定型設計。