13A01型電動列車牽引封鎖原因分析及改造措施

吳川

摘要：闡述了上海地鐵13A01型電動列車由于短時間內頻繁重啟廣播控制器導致牽引封鎖的過程，分析其造成的原因，提出了針對此問題采取的改造措施。

關鍵詞：廣播控制器；高速斷路器；牽引封鎖；反向電路

我國的城市軌道交通事業正在迅速發展，越來越多的大城市把軌道交通納入到城市規劃中，軌道交通車輛是城市軌道交通的主要設備，而牽引系統是軌道交通車輛最重要的部件之一。一旦在運營中發生故障，若是處理不當，將發生大面積延誤的嚴重后果。

2017年7月23日，上海十三號線1308#車在祁連山南路上行行車時，四節動車同時發生牽引嚴重故障，司機處理無效，清客后使用緊急牽引模式至真北路站清客，造成了運營的短暫延誤。

1 故障發生

2017年7月23日 6：22分，1308#在祁連山南路上行時，列車自動廣播發生故障，無法自動報站。司機按照應急預案進行操作，斷開并恢復司機室廣播控制斷路器（ACUCB）來重啟司機室廣播控制器（ACU，以下簡稱“廣播控制器”）。但是重啟后廣播故障并未消失，且列車的HMI（人機界面）上顯示四節動車牽引系統和高速斷路器（HSCB）嚴重故障，此故障存在一秒后便消失。隨后司機再次重啟廣播控制器，廣播故障并未恢復，但是列車依然出現了四節動車牽引系統和HSCB嚴重故障。3分鐘后，司機第三次重啟廣播控制器，牽引系統和高速斷路器故障再次出現，四個牽引被封鎖，列車無法動車。司機處理5分鐘后無效，調度命令清客。切除列車自動保護（ATP）后將列車打到硬線緊急牽引模式，行駛至下一站清客并退出了運營。

2 原因分析

2.1重啟司機室廣播控制器導致牽引故障原因分析

從線路圖和軟件邏輯上分析，在正常情況下，重啟司機室廣播控制器是不可能引起牽引系統發生故障。但在停車庫內對所有列車進行試驗發現，每一次重啟廣播控制器時，確實會出現四節動車牽引系統和高速斷路器嚴重故障的現象，并且會在1秒后消失。所以此故障判定為一個系統性故障，在十三號線的13A01型列車中普遍存在。

在庫內試驗中，使用示波器對廣播控制器設備的MVB（多功能列車總線）板卡發送端的數據進行監控，發現廣播控制器在重啟后上電的瞬間，大約150ms左右，其MVB板卡會向全車的MVB網絡發送的數據脈沖（見圖一），導致MVB總線網絡受到了干擾。

圖一廣播控制器上電瞬間波形圖

通過對MVB網絡的監控，可以看到，在廣播控制器斷電后MVB網絡拓撲圖中只有廣播系統出現了故障（見圖二）。但是上電的瞬間，廣播控制器向MVB總線發送錯誤的數據脈沖，導致列車上的很多設備在MVB網絡上丟失（見圖三）。

圖二廣播控制器斷電后MVB拓撲圖

圖三 廣播控制器上電瞬間MVB拓撲圖

當廣播控制器上電時，由于錯誤數據脈沖的干擾，使得列車控制單元（VCU）無法通過MVB網絡接收到四節動車上牽引逆變控制單元（ICU）發出的工作狀態信號，最終導致列車產生牽引系統和HSCB嚴重故障。

在西門子的設定中， VCU對動車上牽引逆變控制單元的監控等級較高，其MVB信號接收周期為T3（32ms），但是對其他系統的MVB信號接收周期則為T6（512ms）。而在廣播控制器上電的瞬間發出的脈沖持續時間為150ms左右，這個瞬間小于T6的監控周期但是卻大于T3，因此雖然MVB網絡上除了牽引系統外的其他設備也收到脈沖的干擾，VCU卻只檢測到了牽引系統的嚴重故障，并未報出其他系統的故障。

2.2牽引封鎖原因分析

根據庫內試驗，每一次重啟廣播控制器都會導致牽引系統和高速斷路器的嚴重故障，但是此故障在1秒后就會消失，不會影響列車動車。但在5分鐘之內如果重啟超過三次，列車牽引就會被封鎖，無法動車。

對VCU中高速斷路器斷開的反饋信號進行監控，發現每一次重啟廣播控制器導致的HSCB嚴重故障時，ICU都會收到2次高速斷路器斷開的反饋信號（廣播控制器上電瞬間，高速斷路器斷開脈沖反饋信號截圖見圖四）。

圖四 廣播控制器上電瞬間HSCB斷開脈沖反饋信號圖

根據西門子系統軟件的邏輯顯示：如果在5分鐘之內，牽引逆變控制單元受到超過5次高速斷路器斷開的反饋信號，VCU會做出“短時間內牽引故障過于頻繁”的判斷，斷開高速斷路器，并對列車的牽引進行封鎖。

由于每次重啟廣播控制器都會導致牽引逆變控制單元收到2次高速斷路器斷開的反饋信號，故若是在5分鐘內重啟3次廣播控制器，列車牽引便會封鎖，列車無法正常動車。

根據錄像及故障記錄顯示，司機在6：22：43、6：24：38、6：27：14三次重啟了廣播控制器，牽引逆變控制單元在這5分鐘內收到6次廣播控制器斷開的反饋信號，觸發牽引封鎖，最終導致清客。

2.3緊急牽引模式后列車動車原因分析

故障現場，司機將列車打到了硬線緊急牽引后，列車牽引封鎖被解除。根據西門子系統軟件的邏輯顯示：將列車打到硬線緊急牽引以后，牽引封鎖被解除，列車可以進行動車。

3 故障的解決及整改

此次故障的存在，究其根本原因，是司機室廣播控制器的MVB板卡在上電的瞬間，發送異常脈沖到整個列車MVB網絡。所以若是要徹底排除此故障隱患，必須從源頭入手。

首先是通過軟件。修改廣播控制器內核的程序，在廣播控制器上電的瞬間控制其不輸出異常脈沖。試驗后發現此方案不可行。因為在上電的極短時間內，廣播控制器還未完全啟動，軟件對輸出端是不可控的，無法消除異常脈沖。

第二是通過硬件上的整改。在廣播控制器的MVB板卡硬件電路兩個發送使能腳增加兩個由NPN三極管組成的反向電路，使輸出端在上電的瞬間所發出的異常脈沖置反，I/O口在輸出高電平H時，三極管導通，使能輸出端輸出為低電平L；I/O口輸出低電平L時，三極管截止，輸出高電平H（見圖五）。在增加反向電路后，廣播控制器上電的瞬間將不會輸出異常脈沖，但是廣播控制器系統完全啟動后，所有的輸出都會置反，影響正常使用功能。

所以需從軟件和硬件兩方面同時著手進行整改。首先在廣播控制器的MVB板卡硬件電路兩個發送使能腳增加兩個反向電路，使其上電的瞬間將脈沖置反，不向MVB總線發送數據，同時修改廣播控制器的內核程序，使其在I/O口內部反向。

廣播控制器啟動瞬間，控制器對輸出不受控，此時異常脈沖通過反向電路置0；廣播控制器完全啟動后，控制器的內核程序在I/O口內部的輸出反向，在MVB板卡的輸出端經過反向電路再進行置反，最終輸出正常的波形。（如圖五）

整改方案給出后，首先對故障的1308#車上進行了整改。更換新板卡看后監控其MVB的網絡拓撲圖，在重啟廣播控制器的瞬間，MVB的網絡拓撲圖上只有廣播控制器出現了故障，而其他部件并未受到影響，多次進行試驗結果均是如此（見圖六）。此后，又在13A01型的其他列車上做了此項整改，試驗兩個月并未出現異常。

4 結束語

目前上海市軌道交通是城市公益性交通基礎設置，隨著城市的發展，出行客流越來越依賴城市軌道交通。為確保運營設備的正常可靠性，需要維修人員及時處理故障，及時消除故障隱患。本次事件由于司機室廣播控制器的板卡存在缺陷，影響了正線的運營。針對此次故障，十三號線一方面加強對廠商提供的設計及技術工藝的監管力度，從設備源頭排除故障隱患，使其他線路使用同型號板卡的電客列車避免發生此類事件；另一方面，將加強對維修人員的技能培訓，提高維修人員對故障的分析、判斷能力，防患于未然，切實可行地保障正線列車運營的可靠性。

參考文獻：

[1] 張立常，康鵬.城市軌道交通車輛電路分析與電氣故障處理[M].北京：機械工業出版社機械工業，2012 .

[2] 吳援明，唐軍.模擬電路分析與設計基礎[M].北京：科學出版社2006.

[3]何宗華，汪松鑫，何其光.城市軌道交通車輛運行與維修[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[4]康鵬，苗吉祥.城市軌道交通車輛電氣結構與維修[M].北京：機械工業出版社，2012.

[5]陽東，盧桂云.城市軌道交通車輛檢修[M].北京：機械工業出版社，2010.

[6]連蘇寧.城市軌道交通車輛構造[M].北京：機械工業出版社，2011.11.

（作者單位：上海地鐵維護保障有限公司）