淺談弱電控制系統在勞爾電車上的應用

王玉

摘 要：該文系統介紹了2007年國內引進的法國勞爾公司STE3型導軌電車的弱電控制系統構成，以及CAN網絡系統在各控制主機之間所發揮的作用。該國外引進車輛控制系統的組成復雜程度超過目前國產同類電車，在車輛的整體設計結構及應用制造方面仍有許多值得借鑒之處。

關鍵詞：弱電控制;CAN網絡系統;導軌電車

1 現代有軌電車的發展前景

自改革開放以來，我國城市化水平發展迅猛，據統計我國常住人口城鎮化率已從改革開放初期的不足19%，發展到2018年的58.5%;機動車擁有量已達2.29億輛，并仍處于增長趨勢。土地稀缺、人地關系緊張，城市擁堵，環境保護等問題，已成為制約城市發展的瓶頸，亟待解決;因此發展城市軌道交通的需求日益強烈，并已成為社會共識，而現代有軌電車在建設方面具有每公里造價低、建設周期短、占用空間少的特點。在運營方面作為電力牽引車輛，具有無污染、噪音小、運量大等特點。未來該類現代有軌電車勢必取代公交，成為主流公共交通工具，非常值得推廣。

目前國內各大主機廠陸續推出各自的現代有軌電車產品，鋼輪鋼軌、膠輪導軌、智軌等產品層出不窮。本文以2007年天津引進的法國TRANSLOHR有軌電車為例，介紹一下該類歐洲進口電車弱電控制系統的設計架構及CAN網絡組成結構，由于該車控制部分設計較為精密，到目前仍值得國內車輛相關產業借鑒。

2 勞爾導軌電車弱電控制系統介紹

TRANSLOHR導軌電車裝有的通訊控制系統，能夠實現司機輸入接口、車輛設備監控狀態反饋，故障診斷信息存儲和安全控制等功能;主要由車載計算機系統（OBCS）、網絡主機、主CAN網絡、輔助CAN網絡、輸入輸出機架及安全環路組成，以下具體介紹各部分的組成及功能信息。

2.1 車載計算機系統（OBCS）

勞爾電車的車載控制系統由5臺工控機組成，分別位于車輛兩端駕駛室內（ME模塊）和3個客室模塊（MP）頂部的密封箱體內。負責接收處理司機操作信息，監視車載設備的運行狀態，確保車輛正常操作，執行接收到的命令，在故障狀態下，根據程序設定的優先級別采取適當的干預，并進行信息反饋。

各模塊工控機分別接收本模塊上設備狀態及司機的輸入信號，經過處理后，發出輸出信號控制本模塊上設備的動作。采用冗余的CAN網絡將車上的5個工控機、TCU（牽引控制器）、BMA顯示屏、主控制面板等多種設備連接在一起，組成車載的通信網絡結構，實現車輛的控制、信息共享及數據存儲。通信網絡以模塊化的方式進行連接，從一個互連塊到另一個互連塊，再連到所控設備，采用屏蔽電纜延車頂導管單獨布放，避免與車上750V直流、400V交流電纜產生干擾。而與安全相關的控制命令則采用0-1邏輯實線發送并組成安全環路。當通信總線中斷時車輛將切換到安全狀態，允許執行最基本的安全相關功能，保證車輛基本操作的命令將通過線控邏輯發送，使車輛能夠返回維修基地進行處理。當發生此類故障時，車載計算機系統設備能夠進行自檢，并將所有故障信息存儲在兩個駕駛內的BMA顯示存儲器內，以供事后下載分析故障數據。

2.2 CAN網絡系統的組成及功能

每列電車有兩個網絡主機，分別控制兩條冗余的CAN網絡，分別為CAN-A和CAN-B，司機可以通過輔助控制板上的雙位旋鈕選擇任意一條通信線路，而在切換過程中必須關閉車輛，選擇后重新啟動以完成CAN網絡的切換。兩條主CAN網絡與車上多個重要組成單元連接，負責多個設備之間的信息通訊組成網絡，其中包括：兩套牽引控制系統輸入輸出信號、控制面板輸入指令和信息反饋，BMA顯示屏上多種數據的反饋和記錄、各本地工控機上命令的執行及發送。另外網絡中還包含一條輔助CAN網絡，連接車上制動控制單元（UCD）、胎壓監控系統（IVTM）以及牽引電池控制器等，將該部分設備接入網絡，實現通訊功能。

2.3 安全控制環路

勞爾電車的設計故障等級分為：微小、白色、橙色和紅色故障四類，其中微小和白色故障只顯示給司機記錄在BMA數據內，橙色故障則會將車輛最高行駛速度限制在35KM/H以下，而出現紅色故障時車輛會自動切斷所有供電回路，受電弓降下，無法繼續行駛。紅色故障的自動安全保護是車輛在發生嚴重故障時用來確保司機乘客的人身安全、以及車輛本身安全的重要手段。

車輛紅色故障的自我保護系統是由車上的安全環路自動控制實現的，環路由每個工控機上的TYPE123安全板卡、MP3乘客模塊上的TYPE4安全板卡和若干繼電器組成，采用邏輯實線互相連接組成。TYPE123板卡主要負責管理每個模塊的本地安全功能，包括：乘客告警、行車中車門打開、駕駛員在位檢測、制動缸氣壓管理、接地控制、緊急停車按鈕和零速檢測DV0等，TYPE4板卡主要負責管理車輛整體的車速、剎車功能、受電弓及供電方面的重大故障。這些安全板卡每塊下轄多個安全繼電器，由這些安全繼電器串聯起來組成一個安全環路，使用當中安全環路中任何一個環節出現問題時都會引起安全環路打開，一旦出現這種情況車輛就會自動制動，受電弓降下，750V和400V供電回路切斷，故障未排除或被旁路前車輛無法繼續行駛。

以司機在位檢測為例，此功能是基于安全概念而設置。只要車輛啟動后，該檢測就一直處于激活狀態并干預牽引和剎車控制回路直到車輛停止。單個司機室內的三個警惕按鈕分別位于主控面板兩側以及司機腳下，對其中一個按鈕正確操作就足以證明司機在場，車輛行駛過程中司機需要不斷對其操作以證明司機處于警醒狀態。操作規則為如果兩次操作間隔大于3秒則告警鈴響起，按住按鈕的時間如超過10秒，則告警鈴也將響起，在鈴響2秒后TYPE4安全板卡如仍不能接到司機的操作信號，則安全環路打開，車輛自動剎車功能啟動，750V和400V供電系統切斷，減速狀態下告警鈴和剎車仍將持續作用于車輛，直到車輛完全停止下來。如車輛重新啟動則該計算時間復位為0，該檢測仍然處于持續的監測中。

3 結語

在城市擁擠，環境問題突出的今天，優先發展以無污染的軌道交通為骨干的交通模式，解決大城市通病也成為社會各界共識。20 世紀90年代以來，國外許多城市掀起了有軌電車的復興熱潮。目前國內多個城市多種制式的國產有軌電車也已投入運營，帶動了有軌電車產業在我國迅猛的發展，并正日益受到各方關注。

在目前國內軌道交通產業不斷地深入推進的今天，研究我國較早引進的勞爾導軌電車的內部設計及原理，對于我國現代電車的自主研發及維修維護等工作，仍具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]TransLohr STE3型導軌電車TEDA技術規范20050516.

[2]劉喜峰，許春香.CAN總線技術在軌道交通雜散電流監測中的應用.城市軌道交通研究，2010（8）.

[3]宋曉波，郭永剛.淺議城市軌道交通建設與城市可持續發展.土木建筑學術文庫（第10卷），2008.