關于HXD2型機車BCU通訊超時引發懲罰制動故障的分析

張建平, 張 濤

(1 太原鐵路局 職工培訓中心， 太原 030009；2 太原鐵路局 機務處， 太原 030000)

作為大秦線擔當2.1萬t重載組合列車牽引任務的主型機車，HXD2型電力機車的制動系統采用法維萊制動機，該制動系統的核心控制部件為制動控制單元(BCU)。在組合列車運行模式下，通過機車裝用的GE公司LOCOTROL動力分布式控制系統(簡稱DP)，實現組合列車運行時主控機車和從控機車的同步控制作用，機車制動系統的BCU通過RS422網絡與LOCOTROL系統串行處理器模塊(SIPM)連接，主要向SIPM傳遞機車列車管、均衡風缸等壓力信號。在DP控車模式下，當BCU與SIPM的通訊發生故障時，LOCOTROL系統依據故障導向安全的原則，SIPM會發出懲罰指令，使主控機車產生列車管減壓到零的懲罰制動作用，同時將該懲罰指令由LOCOTROL系統通訊處理器模塊(CPM)通過GSM-R無線網絡傳遞至位于列車遠端的從控機車，從控機車響應主控機車指令觸發懲罰制動。大秦線作為重載鐵路線，列車懲罰制動的發生對重載列車運輸安全影響較大，稍有不慎就有可能出現列車分離、脫線等難以預料的情形。因此，在組合列車DP控車模式下，如何有效減少因BCU通訊問題產生的懲罰制動已成為機車質量安全管理中的一個重要課題。

1 HXD2機車BCU通訊超時的報錯機制

DP狀態下，如果主控機車SIPM在5.0 s內沒有收到來自BCU的心跳信息，在機車的LDM顯示屏上會顯示BCU通訊超時故障信息，同時SIPM發出懲罰指令，使得主控機車產生懲罰制動作用，同時從控機車響應主控機車同步產生懲罰制動。或者換一種說法，由于BCU與SIPM主要進行機車均衡風缸(ER)、列車管(BP)等壓力值的傳輸，當上述壓力值在傳輸過程中出現5.0 s及以上的丟失時，即DP系統判斷出現BCU通訊超時故障現象，機車同步產生懲罰制動。HXD2機車DP系統控制框圖如下圖1。

2 BCU通訊超時故障的分析

2.1 BCU通訊超時故障的影響

2.1.1研究BCU通訊超時故障原因的重要性

通過對近3年大秦公司湖東電力機務段配屬的和諧機車懲罰制動事件進行梳理，2014年1～12月重載列車發生懲罰制動故障19件，其中HXD2型機車8件，占總數的42.1%；而BCU與SIPM通信超時故障共發生4件。2015年1～12月重載列車發生懲罰制動故障11件，其中HXD2型機車7件，占總數的63.6%；BCU與SIPM通信超時故障共發生3件。2016年1～12月重載列車發生懲罰制動故障15件，其中HXD2型機車8件，占總數的53.3%； BCU 與SIPM通信超時故障共發生5件，見表1。

綜上所述，BCU通訊超時故障已成為影響HXD2機車運用安全的主要故障，且當該故障發生后必須分解組合列車，實施分部運行，極易導致出現堵塞區間，影響大秦線的運輸暢通。

2.1.2BCU通訊超時故障的分類

結合BCU與SIPM的通訊原理進行分析，引起BCU與SIPM通訊問題主要有3個方面的原因：

(1) BCU內部的RS422網絡板卡存在故障，這個故障導致通訊超時使得機車產生懲罰制動作用。HXD2機車BCU自身具有故障診斷系統，當BCU檢測到內部RS422網絡板卡故障時，在BCU的主CPU板卡上會顯示相應的故障代碼“E054”；

圖1 LOCOTROL系統模塊控制原理框圖

年度重載列車懲罰制動/件HXD2型機車故障/件占總數比/%涉及BCU通信超時/件占總數比/%201419842.1421.1201511763.6327.3201615853.3533.3

(2) BCU與SIPM之間通訊電纜受到機車內部高壓電器啟動時的電磁干擾等，使得通訊數據傳輸出現中斷，導致通訊超時而產生懲罰制動；

(3) SIPM內部的RS422網絡板卡存在故障，導致通訊超時使得機車產生懲罰制動作用。

上述這3種故障最終都表現為BCU與SIPM模塊之間的通訊中斷，而使機車自動產生懲罰制動作用。其中第1種和第3種原因分別為BCU和SIPM模塊內部的硬件故障，一旦發生該故障現象會一直存在。但從目前的故障分析及統計情況來看，第2種故障原因發生的幾率最大，因此主要針對第2種故障原因進行分析研究。

2.2 BCU通訊超時的原因

由于HXD2機車的DP系統采用RS422接口，首先對RS422接口進行簡要說明。RS422接口標準全稱是平衡電壓數字接口電路的電氣特性，它定義了接口電路的特性，接口中共設5根線，分別為TX+、TX-、RX+、RX-、GND。由于接收器采用高輸入阻抗和具有更強驅動能力的發送驅動器，允許在相同傳輸線上最多連接10個節點；RS422接口需要設置終端電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。HXD2機車 BCU與SIPM的RS422網絡接口圖見圖2，圖中A表示為A節機車、B表示為B節機車。

圖2 HXD2機車 BCU與SIPM的RS422網絡接口圖

每節機車的BCU的接收電路上均裝有240 Ω的終端電阻，并且每節機車SIPM的接收電路上也裝有240 Ω的終端電阻。

通過對近3年來發生BCU通訊超時問題的機車進行數據匯總分析，選擇將HXD2 0092機車(1年中已2次發生BCU通訊超時故障)作為試驗機車。試驗主要分為兩部分，一是對BCU與SIPM通信電纜阻值進行測量，主要目的是檢測通信通道阻值是否符合技術要求；二是人為在BCU的RS422的板卡上加裝兩個15 kΩ的上拉電阻和下拉電阻作為防干擾裝置，主要目的為測試在干擾確實存在的前提下，能否有效防止故障的出現。

2.2.1第1階段試驗

首先在HXD2 0092機車上及另1臺狀況良好的機車HXD2 0008進行測試，測試內容分別為BCU終端電阻(插頭的1點到6點)、BCU插頭到BCU地的電阻、BCU地與SIPM地之間的電阻、BCU屏蔽電阻、BCU插頭到SIPM地之間的電阻、BCU對地電阻、SIPM對地電阻等。經測量發現HXD2 0092機車B節的BCU終端電阻為27.5 kΩ，而HXD2 0008機車A、B節的BCU終端電阻僅為239 Ω，測量的其余電阻兩車均在0～0.5Ω之間，為理論允許值。

之后再隨機挑選段內的其他15臺HXD2型機車進行測量，發現BCU的終端電阻全部在235～245 Ω之間，初步懷疑HXD2 0092機車的終端電阻偏高是導致BCU通訊超時發生的主要原因。機車BCU阻值測試情況見表2，表2中所列的12臺HXD2機車均發生過BCU通訊超時故障。

表2 HXD2型機車BCU阻值測量表

經過再次對HXD2 0092機車BCU狀態的檢查，發現了以下現象：

(1) B節BCU的RS422板卡外屏蔽電纜存在破皮現象；

(2) 再次測量AB節BCU終端電阻，在B節測量終端電阻仍為27.5 kΩ。

經測量發現A、B節機車重聯電纜屏蔽層存在3處斷點，導致B節終端電阻增大。對上述故障點進行修復后，重新測量B節終端電阻為241 Ω，再次進行DP系統試驗，結果機車性能良好，BCU通訊超時故障也沒有發生。

在機車上，因兩端BCU同時上電，通過BCU之間的重聯線，使BCU的RS422網絡處于一個閉環動態平衡中，當重聯線屏蔽層出現斷點時，使網絡出現了開路，此時進行測量，直觀反映為終端電阻增大數千倍，甚至為無窮大，無形中降低了RS422網絡的抗干擾性能，在電磁干擾較強的地方，極易導致BCU通訊超時現象的發生。

2.2.2第2階段試驗

DP模擬試驗，仍選擇在HXD2 0092機車進行，試驗前保持BCU通訊超時故障始終存在，通過在A節的RS422的板卡上加裝兩個15 kΩ的上拉電阻和下拉電阻的方法，測試在干擾確實存在的前提下(通過頻繁斷合主斷，使機車內高壓電器啟動，模擬電磁干擾)，能否有效防止故障？

試驗前在BCU的P1連接頭之間加裝擴展盒(見圖3)，以便于用示波器采集RS422信號(見圖4)，在A節的RS422的板卡上加裝兩個15 kΩ的上拉電阻和下拉電阻。

用示波器實時監控的過程中(見圖5)，可明顯看到一些噪聲耦合到RS422線上(這些噪聲來源可能為無線電設備)；從示波器圖中可以看出，BCU發送線路在閑置時進入高阻態且差分電壓大約為0 V，而BCU接收電路的差分電壓大約為-2.5 V，加裝上、下拉電阻對于線路空閑時的BCU的差分電壓也沒有較大影響，BCU通訊超時現象也沒有再發生。

綜上試驗所述，一方面通過修復通訊電纜的屏蔽層可有效防止車體內部電磁干擾造成的通訊超時問題，另一方面通過在BCU的發送端加裝上、下拉電阻也可起到抗電磁干擾作用。

圖3 用于采集信號的擴展盒

圖4 RS422信號采集

圖5 噪聲圖像

2.3 采取抗干擾有效的說明

上、下拉電阻通常用在發送器可以同時進入高阻態網絡中，為避免在接收端發生錯誤，在正負線之間維持

200 mV的差分電壓。因BCU是兩端同時上電，故在空閑時BCU會進入高阻抗，而SIPM在同一時刻有且只有一個處于上電狀態，故SIPM不存在高阻抗狀態。因此SIPM發送器從不進入高阻態模式，故BCU的接收電路沒有必要進行電壓偏置。通過加裝上、下拉電阻，在電氣降級模式下(如重聯電纜屏蔽層之間存在斷點)依然可以起到加固通信的作用，所以在BCU的發送端加裝上、下拉電阻是很有必要的。

3 解決BCU通訊超時故障采取的措施

(1) 在BCU的RS422板卡上加裝上、下拉電阻，增強網絡的抗干擾性能。

(2) 對HXD2機車制動柜車上檢修范圍進行修訂，增加檢查BCU控制單元及插頭的安裝牢固無松動，屏蔽層狀態良好，確保各級修程檢查機車BCU通訊網絡電纜屏蔽層狀態良好；同時在DP狀態下高壓試驗中要求進行制動機備用試驗，確保A、B節機車通訊重聯電纜接線良好。

(3) 機車入庫整備作業時，HXD2機車制動機試驗時，按照單機試驗、DP試驗逐步進行，嚴禁簡化試驗程序。

4 結束語

通過此次分析及試驗研究，說明在HXD2型機車制動系統BCU的RS422板卡上加裝上、下拉電阻有利于抑制組合列車DP模式運行時HXD2機車BCU通訊超時的發生，減少組合列車懲罰制動的實施。結合研究成果目前已對現有HXD2機車RS422板卡進行加裝改造，在完成改造的30臺機車通過一年時間的組合列車牽引運行，未發生BCU通訊超時的故障，這就證明在上述改造實施后可以有效減少因外部因素導致的HXD2型機車BCU通訊超時故障，可以保證大秦線的重載運行安全及運輸暢通。

[1] 張曙光. HXD2型電力機車[M].北京:中國鐵道出版社,2009.