地鐵列車空壓機故障分析及邏輯優化

胡方陽

(南京地鐵運營有限責任公司， 南京 210012)

南京地鐵1號線于2005年開通運營，隨著客流量的日益增長，供車壓力逐步增大，因此于2013年底啟動了1號線車輛增購項目。13列增購車輛為6節編組A型車(A-B-C=C-B-A編組)，中車南京浦鎮車輛有限公司設計生產，牽引系統采用瑞士ABB方案，制動系統采用克諾爾EP2002方案。

2016年底增購13列車已全部到貨并上線運營，車輛狀態平穩，有效緩解了運營壓力。增購車輛在初期運營中，出現了2臺空壓機同時不啟動工作故障，對正線運營造成了較大隱患。由于2臺空壓機同時不工作，導致主風管壓力逐漸低至緊急制動壓力閾值(700 kPa)，在正線產生緊急制動無法動車，最后導致清客事件。使用制動旁路(BBS)才得以動車至存車線，最終的制動系統主風管壓力下降至500 kPa附近。由于停放制動從480 kPa開始觸發，已接近觸發停放制動壓力值。

停放制動是充氣緩解，排氣制動。嚴重欠壓狀態(低于480 kPa)引起的停放制動，若要緩解，只有通過救援列車供氣緩解或在車下手動拉動緩解拉環，這些都是在正線行車中一定要避免發生的極端情況。因此增購車輛空壓機的啟動邏輯存在缺陷，需要改進優化。

1 空氣制動及風源系統控制簡介

1.1 制動系統網絡

增購車輛空氣制動系統的網絡拓撲結構見圖1。由圖1可見，制動系統每3節車組成一個CAN網絡單元，全車共2個CAN網絡單元，下掛在車輛MVB總線下。EP2002制動系統核心部件是網關閥(G閥)、智能閥(S閥)和遠程輸入輸出閥(R閥)。由G閥進行本CAN單元的制動管理，其中一個G閥處于主通路狀態，另外一個G閥處于熱備狀態[1]。

圖1 制動系統網絡拓撲圖

1.2 空壓機啟動邏輯

全車共有2臺空壓機組(每個CAN網絡單元管理1臺)，由R閥具體控制空壓機的啟停，并按TCMS(列車監測與控制系統)發來的日期的奇、偶數來區分主、次空壓機。

現有邏輯為奇數日CAN1單元空壓機為主，偶數日則CAN2單元空壓機為主。車輛的時間基準由TCMS的主機——VCU(車輛控制單元)提供，VCU完成啟動后即進行列車總線廣播，實現整列車所有微機控制單元的時鐘同步，并周期性發送時間(256 ms一次)。在ATC(列車自動駕駛)系統無故障并且ATC時間有效時，VCU實時時鐘將由ATC設置，然后同步TCMS系統內各微機時鐘。在列車喚醒后，制動系統兩個CAN網絡單元內G閥會收到TCMS發來的時間并作為基準，然后每個小時再更新一次時間，并以此為基準確定主次空壓機。

在每個CAN網絡單元的B車的一個S閥會直接與主風管相連接，用來檢測主風管的壓力值。當車輛控制管理系統(TCMS)正常時，2個CAN網絡單元通過車輛的MVB網絡進行通信，會將自己監測的壓力值和網絡傳遞來的壓力值進行比較，取兩者的小值作為主風管壓力。當車輛TCMS故障時，2個CAN網絡各自監測主風壓力。當主風壓力低于840 kPa 時主空壓機啟動；當主風壓力低于750 kPa時次空壓機啟動；當主風壓力高于或等于950 kPa時，主、次空壓機均關閉。

圖2 主風管壓力監測

1.3 空壓機啟動電路

如圖3所示，R閥會根據接受網絡發來的啟動指令，當前日期，三相電是否可用等條件綜合判定是否啟動當前空壓機。啟動順序是，首先R閥控制驅動繼電器CDR得電啟動，隨即空壓機啟動接觸器CMK得電閉合，最后空壓機接通三相電啟動。同時，當空壓機啟動以后，R閥會接收來自啟動接觸器CMK輔助觸點信號，并上傳網絡，該信號用于判斷空壓機是否已啟動。

當空壓機啟動時，干燥器也同時啟動。干燥器內部設置2個壓力開關用于監測干燥塔是否正常切換，當干燥塔內部壓力高于270 kPa時，R閥會得到一個高電平信號，表示該干燥塔正常工作，若干燥塔異常也會導致空壓機啟動失敗。

圖3 空氣壓縮機啟動電路

2 故障分析

故障發生后，下載2個CAN網絡單元的故障記錄顯示，CAN1單元的時間與車輛VCU時間一致，為2015年11月10日，見圖4，CAN1單元時間；而CAN2單元的時間出現異常，恢復到Unix系統(EP2002系統軟件內核)的初始時間1970年1月1日，見圖5，CAN2單元時間。

1970年1月1日是Unix系統的初始時間戳，只有在EP2002閥上電配置系統時才會出現，由此可以確定CAN2網絡單元G閥出現了異常初始化現象，導致時間恢復到1970年，由于制動系統1 h才更新一次時間，就出現了1 h內2個CAN網絡單元時間不一致情況[2]。

根據空壓機啟動邏輯，CAN1單元時間為11月10日，為偶數日，則CAN1單元空壓機為次空壓機，而CAN2單元時間為1月1日，為奇數日，則CAN2單元空壓機為次空壓機。這樣就導致了2臺空壓機組都是次空壓機。只有在主風管壓力低至750 kPa時次空壓機才會啟動。但當時氣壓低于750 kPa時2臺空壓機并沒有啟動。

究其原因，本單元的空壓機為次空壓機時，會默認另外一個單元的空壓機為主，為了避免兩臺空壓機同時啟動對輔助中壓電網的沖擊，另外一個單元空壓機收到啟動指令后，本單元空壓機收到對方啟動反饋信號后要滯后3 s啟動。另外一個單元的空壓機實際上也是次空壓機，認為對方是主空壓機，等待其啟動后滯后3 s才啟動，最后2臺空壓機相互等待對方啟動，如此循環，導致了2臺空壓機在低于750 kPa時均不啟動的故障。

圖4 CAN1單元時間

圖5 CAN2單元時間

3 空壓機啟動邏輯優化

克諾爾對空壓機的啟動邏輯進行優化整改，從邏輯上杜絕這種事件的再次發生。1.2節闡述的空壓機啟動邏輯只是CAN網絡正常狀態下的邏輯，當出現2個空壓機同時為次或同時為主的情況下如何進行空壓機管理，如何避免2臺空壓機同時啟動對電網的沖擊，這是亟需解決的問題。經過南京地鐵與克諾爾多次交流，最終確定了故障狀態下空壓機管理邏輯。

首先，制動系統檢測到總風壓力低于主、次空壓機的啟動壓力值后啟動空壓機，啟動指令通過驅動繼電器發出來之前 ，空氣制動系統先判斷空壓機的三相供電、干燥塔狀態是否正常。都沒有故障的情況下，延時Δt后便啟動空壓機，無需相互等待。

其中，Δt因空壓機所處的位置及空壓機的主次身份的不同而不同，當CAN1單元的空壓機為主空壓機，那么Δt=2 s；當CAN2單元的空壓機為次空壓機，那么Δt=5 s；當CAN2單元的空壓機為主空壓機，那么Δt=4 s；當CAN1單元的空壓機為次空壓機，那么Δt=7 s。

當CAN網絡時間異常導致2臺空壓機都為主空壓機，且主風管氣壓低至840 kPa時，2臺空壓機接收到啟動命令后，會分別延時2 s和4 s啟動，打風至950 kPa 停止；當CAN網絡時間異常導致2臺空壓機都為次空壓機且主風管氣壓低至750 kPa，2臺空壓機接收到啟動命令后，會分別延時5 s和7 s啟動，打風至950 kPa 停止；兩種極端情況下2臺空壓機的啟動也有2 s的時間差。取消了原先2臺空壓機相互等待的3 s時間差的邏輯，主次啟動互不干擾，延時一定時間后立即啟動，更為重要的是能夠從理論上分時啟動2臺空壓機，啟動時間差至少2 s。

根據克諾爾提供空氣壓縮機的電氣參數，空壓機運行電流為13.4 A,空壓機的啟動沖擊電流(rush current)為234 A，持續1.3 s。因此在極端情況即兩臺壓縮機同為主或同為次情況下，2 s的啟動時間差也能有效避免空壓機同時啟動對輔助中壓電網的沖擊。這樣就妥善地解決了空壓機不啟動的問題。

4 結束語

車輛風源供給系統穩定工作對空氣制動系統至關重要，也關系到運營的安全。如果車輛出現嚴重欠壓，在正線施加了停發制動，會對正線行車產生很長的延誤，這是地鐵運營必須避免的。通過對南京地鐵一號線增購車輛空壓機故障的整改優化，妥善解決了故障隱患，也提高了業主、主機廠以及系統供應商協同配合解決問題能力，為增購車輛的穩定運用打下堅實的基礎。

[1] 杜守忠，吳志明.EP2002制動系統的控制過程研究[J].電力機車與城軌車輛,2013,36(4):35-38.

[2] Fault analysis report of air compressor in Nanjing line1 added project[R].Suzhou.Suzhou KB,2015.

[3] 南京地鐵運營有限責任公司.南京地鐵1號線增購車輛維護手冊[R].南京,2013.