軌道車輛司機控制器制動指令轉換研究

王業泰, 鹿峰凱, 王 群

(南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司 技術中心， 南京 211800)

軌道車輛司機控制器又稱主控手柄，簡稱司控器，是司機用來操縱列車運行的主令控制器，通過操作司控器可實現軌道車輛的牽引、制動、換向等功能，在車輛制動過程中，按照制動力的大小通常分為常用制動、快速制動和緊急制動。其中，快速制動和緊急制動的減速度相對較高，一般通過單根硬線或單個網絡協議表示。常用制動力大小對應司機手柄級位，通常采用級位編碼硬線(有檔分級制動，以下簡稱分級)或無級模擬量(無檔無級制動，以下簡稱無級)來表示。分級制動通常采用多根硬線將司機手柄級位信號編碼后傳輸給制動系統；而無級制動通常采用以硬線為介質傳輸的PWM信號和以網絡為介質的模擬量信號輸出給制動系統。

無論分級制動還是無級制動，根據車型設計特點，各有優劣，但當選用無級制動指令的司控器時，將不能匹配分級制動系統，文中研究將無級制動指令應用于分級制動控制的制動系統。

1 無級制動指令

輸出無級制動指令的司控器面板上一般有控制手柄、換向手柄兩種可操作機構(如圖1)。控制手柄有：牽引區、0位、制動區、快速制動位；換向手柄有：向后、0位、向前3個檔位。司控器的控制手柄0位、牽引最大位、制動最大位、快速制動位(有定位)；在這些檔位之間無級調節。

目前國內CRH5型動車組及大部分地鐵項目(如廣州地鐵1號、2號、4號、5號線，上海軌道交通7號、9號、11號、12號、13號線，深圳地鐵1號、5號線，蘇州地鐵1號線，杭州地鐵1號線，武漢地鐵2號線，上海軌道交通6號、8號線等)[1]均采用輸出無級制動指令的司控器和無級制動的制動系統。

圖1 某無級司控器

2 分級制動指令

輸出分級制動指令的司控器面板上一般有控制手柄、換向手柄等可操作機構。控制手柄由牽引和制動分開獨立控制(如圖2所示制動手柄)或牽引、制動為一體控制(如圖3所示控制手柄)，分級制動的司控器均有清晰的制動檔位。

圖2 某分級制動的司控器(牽引和制動分體)

目前國內CRH1型、CRH2型、CRH3型、CRH6型動車組及部分地鐵項目(廣佛線地鐵，北京房山線，西安地鐵1號、2號線，重慶軌道交通6號線，新加坡地鐵，大連202輕軌延伸線等)均采用輸出分級制動指令的司控器和分級制動的制動系統。

圖3 某分級制動的司控器(牽引和制動一體)

3 分級制動控制優勢

分級制動通常采用多根硬線將制動級位指令發送給制動系統，通過車輛電氣控制邏輯，實現列車的故障導向安全。

3.1 制動級位的向下覆蓋

通過司控器的機械原理實現，具有高位優先的冗余特性，在某制動級位輸出異常時，可按低一級制動的級位進行控制(如圖4)，如施加7級常用制動時，若7級繼電器故障，可以輸出6級制動。

無級制動指令一般是通過模擬量傳遞，無法實現此功能。

圖4 分級制動司控器邏輯

3.2 制動力不足檢測

將制動級位繼電器(見圖4)的觸點接入車輛電氣邏輯中，作為制動力不足檢測的觸發條件，當空氣制動力輸出不足時，觸發緊急制動，保障車輛安全，如CRH2型車的制動力不足檢測設計[2]。

無級制動指令由于是模擬量信號，不能驅動相應的電氣回路，無法直接實現此功能。

3.3 精確控車

進行空氣制動力控制時，由于機械閥有其自身的控制靈敏度，當無級指令變化區間太小，達不到機械閥的動作靈敏度時，制動系統將無法輸出相應的空氣制動力。而分級制動控制在進行減速度設計時，已考慮了閥的動作特性，制動級位變化時不會出現制動力不變化的情況。

3.4 救援回送

無備用制動系統的車輛進行救援回送時，根據機車或救援車的BP管空氣壓力轉換成對應的制動級位，通過車輛電氣邏輯回路及網絡系統將制動指令傳送給各車實現救援回送功能[2]。

“咦？”霍鐵和小達忍不住叫了出來。小達仔細端詳著小姑娘，然后哈哈大笑起來。她扭頭扯了扯霍鐵的胳膊：“哥哥，你忘了？幾個月前的那次體操表演賽，我還采訪過她呢！”

無備用制動系統的車輛采用無級制動難以實現此功能。

3.5 備用制動指令

無級制動指令一般通過網絡系統向各車制動控制系統傳遞，嚴重依賴于網絡系統。當網絡通信異常時，制動控制系統將無法識別制動級位，從而存在無法施加制動力的風險。

如果采用分級制動控制可以設置分級備用指令硬線作為制動系統的制動指令冗余輸入，實現在網絡異常時的制動力控制。

4 無級制動轉分級制動

為將無級制動指令應用于分級制動系統，需要將無級制動指令轉為分級制動指令，通過分級指令硬線電路邏輯實現分級制動系統的優勢。

4.1 制動指令傳輸

司控器分兩路傳輸無級制動指令模擬量信息(信號規格相同)，如圖5所示。

圖5 司控器的指令傳輸

A路：司控器的無級制動指令以電壓模擬量傳輸給網絡系統，網絡以通信字節位發送給各車電子制動控制單元(簡稱EBCU)，由EBCU將無級制動指令轉換成對應的制動級位，進行分級制動控制。

B路：司控器的無級制動指令以電壓模擬量傳輸給指令轉換器，指令轉換器根據無級制動指令轉換成對應的制動級位，并勵磁對應的制動級位繼電器，同時將制動級位繼電器的常開觸點接入整車電氣邏輯中，實現分級制動控制的制動力不足檢測及備用制動指令冗余功能(如圖1)。

4.2 無級制動指令分級

①0位：3±0.1 V DC；

②制動最大位：8±0.15 V DC；

③快速制動：8.3±0.15 V DC。

0位和制動最大位之間為線性輸出，0位到制動最大位分別對應0～100%制動力，如圖6所示。

圖6 司控器制動輸出電壓特性

EBCU(或指令轉換器)根據制動指令無級信號按需要進行級位分級，制動級位細分到什么程度，需要根據車輛設計、減速度規格、閥的供給與排氣靈敏度等進行確定，以分為7個制動級位為例，如表1所示：EBCU(或指令轉換器)根據制動級位模擬量信號解析制動級位，實現制動分級控制，同時為避免制動電壓信號在級位分界點造成制動級位的頻繁跳變，可以將同一制動級位的施加和緩解電壓設置一定的遲滯區間。

4.3 故障診斷

基于安全導向，考慮可能存在的異常，EBCU(或指令轉換器)需對接收到的無級指令信號進行異常檢測，當電壓超出設定的最大值或低于設定的最小值時判定為指令異常。

表1 制動指令級位轉換

4.4 指令轉換器的集成功能

在分級制動控制的車型中一般設有救援指令轉換裝置(根據機車或救援列車的BP管空氣壓力，輸出對應的制動級位，實現對本車的救援回送功能)，本指令轉換器可以集成到救援指令轉換裝置中或制動控制裝置中。

通過以上設計可以實現將無級制動指令應用于分級控制的制動系統中，并通過分級制動的電氣邏輯實現分級制動控制的優勢。

5 結 論

無論分級制動還是無級制動，根據車型設計特點，各有優劣，當選用無級制動指令的司控器時，將不能匹配分級制動系統，文中介紹了目前輸出無級制動指令和分級制動指令的司控器主要特點及應用范圍，基于分級制動的控制優勢，設計了指令轉換器，對無級指令進行了分級，實現了無級制動指令應用于分級制動系統。

對無級司控器的分級方式也適用于其他無級指令的信號輸入裝置，如ATO(Automatic Train Operation)裝置的無級指令轉有級指令，牽引信號的無級指令轉有級指令等。