DKZ32型列車網絡控制系統故障分析

劉 洋，杜 峰，田云峰，宋天浩

（1.北京市地鐵運營有限公司運營一分公司，北京 102209；2.中國鐵道科學研究院城市軌道交通中心，北京 100081）

列車網絡控制系統（TCMS）為關鍵核心系統，是集列車的控制、監控和診斷為一體的集成控制系統，能為列車各子系統和模塊提供各種實時控制信息，完成對列車的控制[1]。目前，有文獻對列車控制網絡典型MVB通信故障進行分析[2-7]，有的文獻分析了成都地鐵各線網絡控制系統的優缺點，提出了后續改進建議[8-12]，還有的文獻對廣州地鐵列車網絡控制及診斷系統進行了總結和分析[13-19]。本文對北京地鐵某線列車網絡控制系統故障進行了分析，提出有效的解決對策。

1 PROFIBUS簡介和特點

1.1 PROFIBUS簡介

隨著通信技術的蓬勃發展和廣泛應用，工業控制對現場信號采集、傳輸、數據轉換的要求越來越高，現場總線就是把傳統的數字信號和模擬信號，變成全數字信號系統。PROFIBUS是Process Field Bus的簡稱，是現場總線的一種，其是1991年4月發表的德國標準，PROFIBUS具有國際化、開放式的特點，不依賴于設備生產商的現場總線標準，此標準無知識產權保護，任何人都可以將其應用到軟、硬件的設計方案當中[20]。

1.2 PROFIBUS特點

PROFIBUS具有良好的穩定性和普遍性，目前廣泛應用于制造、交通、電力等系統，其良好的適用性可以在任何微處理器上實現，在處理器上安裝異步串行通信接口可以保證設備運行，數據傳輸速率超過500 Kbit/s，應使用專用芯片，其是一種用于自動化監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術，實現設備層到監控層的數字控制和現場通信網絡，為實現自動化控制和智能化監控提供行之有效的解決方案[20]，其具有良好的控制技術。

（1）時間控制技術。其能將RS485物理層上和鏈路層上不同的時間參數那么定量定性出來，這在一般的總線中很難看到，所以用其來實現精確的運動控制系統，如果將該技術擴展，那就可以實現精確的分布式總線控制系統。

（2）獨特的診斷技術。通過用指示燈、信號標記，或者SOE事件順序記錄等方式進行故障診斷，從實際應用中看這種診斷機制設計合理，方便維護。

（3）多主站系統。令牌環式的多主系統比較適合于控制系統，而且因為是多主系統，因此應用范圍廣泛，比如說北京地鐵某線DKZ32列車，日本東洋電機在車輛控制網絡監控系統中就是雙主站應用，兩條鏈路互為冗余備份，提高了列車控制及監控網絡的可靠性。

2 北京地鐵DKZ32型列車PROFIBUS應用和故障現象

2.1 北京地鐵DKZ32型列車PROFIBUS應用概述

北京地鐵某線DKZ32列車信息系統由進行列車牽引/制動控制等重要設備控制的網絡控制系統和進行車輛狀態監控及空調等服務設備控制的監控傳送系統構成，進行各設備的控制及列車的運行、維修作業的支援等。本列車信息系統主要分為網絡控制系統和監控傳送系統2種，各傳送系統分別具有不同的構成。

網絡控制系統為傳送、牽引及制動的控制等車輛的運行有關的信號的傳送系統。采用PROFIBUS傳送方式，傳送速度為1.5 MB/s。另外，網絡控制系統為了達到冗余化由1系及2系構成二重系統。作為冗余系的構成方法，通常1系及2系都進行控制運算，但僅將1系的輸出，1系發生異常時通過將2系的控制演算輸出繼續進行列車的控制。因為如果1系、2系都發生異常（二系統故障）時將不能進行網絡控制，將會把司機提示燈（控制傳送異常）點亮，向VVVF裝置及制動控制裝置等輸出網絡控制異常信號。

監控傳送系統為使用于進行所連接設備的狀態信息傳送及空調等服務設備的控制的傳送系統。傳送系采用PROFIBUS傳送方式，傳送速度為1.5 MB/s。監控傳送系的傳送回路為一重系，因為在母機的監控裝置故障等不工作的情況下傳送系將不能發揮功能，通過在兩個頭車設置監控裝置實現冗余化。通常僅使一側的監控動作，傳送停止時啟動另一側的監控裝置，繼續進行傳送。另外，與其他裝置通過串聯通信傳送進行信息的交換。與SIV裝置、VVVF裝置、制動裝置、門裝置、空調裝置、PIDS、ATO、顯示控制器以RS-485連接。DKZ32型列車PROFIBUS監控系統將司機室MON為主站，客室IO/F模塊為子站進行通信，各客室IO/F模塊接收列車如牽引、制動、客室門等數據通過PROFIBUS總線傳送至MON，保證司機室通過TMS進行監控，如圖1所示。

圖1 PROFIBUS總線原理圖

2.2 北京地鐵DKZ32型列車PROFIBUS故障現象

DKZ32型某列車運營一段時間后，4號車經常出現該PROFIBUS子站死機，死機位置，如圖2所示。經檢查發現此控制板指示燈從正常綠色工作燈轉變為紅色故障燈狀態，如圖3所示。可判斷為該模塊板卡已停止工作。故造成4號車列車監控節點停止工作，TMS無法對4號車進行監控。根據前述PROFIBUS現場總線原理分析可知，該列車故障實際上是PROFIBUS網絡故障的一種節點掉站故障。

圖2 PROFIBUS子站死機位置示意圖

圖3 控制板紅色故障燈示意圖

3 北京地鐵DKZ32型列車PROFIBUS典型故障原因及分析

3.1 節點掉站故障原因分析

①網絡插頭故障。插頭內部故障如內部接線短路，會導致通信模塊死機，針對此可能性，首先檢查插頭內是否有如金屬絲等影響插頭工作的異物，后對相關插頭進行更換，故障依舊存在。②接線有破損。檢查未發現接線有破損、虛接等異常情況。預防性更換有關接線，故障未消失。③中間網絡插頭開關位置不對。通過檢查發現網絡插頭各開關位置正確。④通信模塊損壞。更換IO/F模塊后故障依舊存在。⑤接線錯誤。檢查各接線、線號正確、選型正確。⑥異常干擾。從上述維修結果看，排除外部硬件及人為設置失誤后，干擾問題造成此次故障的可能性最大，為此，進行了重點分析、維修。

3.2 干擾來源分析

①動力系統。VVVF牽引控制系統內部的IGBT等大功率電力電子器件不定時地進行高速開、關的轉換，產生大量的高頻電磁波、污染整個通信網絡，并產生大量高次諧波。②動力設備。大型電機、風機、壓縮機啟動時，瞬間電流達到額定電流的6倍，會產生大電流干擾。③電源干擾。設備未加裝隔離和濾波，電源波形畸變和高次諧波會通過供電系統影響現場總線。④接地系統混亂的干擾。錯誤的接地不能起到抑制電磁干擾的作用，接地點電位分布不均，會產生電位差，兩者都會導致系統紊亂，無法正常工作。

3.3 針對干擾可能性進行處理

①針對動力系統。通過示波器檢測到動力信息傳輸線存在瞬間異常電壓，為此更換整車VVVF控制系統，故障未恢復。②針對動力設備。通過示波器檢測到牽引電機啟動會導致通信回路有異常電壓，進而更換牽引電機。伏流風機等列車上電后持續系統或季節性啟動設備排除在干擾源外。③針對電源干擾。列車有良好的濾波設備，且其他號車使用相同電源故電源干擾可能性較低。④針對接地系統混亂的干擾。通過使用電質量分析設備進行監測發現，4、5號車接地之間最高產生過24 V電壓，正常PROFIBUS通信工作電壓為±5 V，各站點間接地電位差過大，可能會導致通信受到干擾死機掉站，針對此問題進行了重點分析。

3.4 接地干擾問題概況

①接地原則。首先，根據接地標準通信設備接線應遠離動力線，因列車體積有限，此情況無法滿足。其次，動力設備接地應遠離通信等低壓設備接地，或動力設備接地要比低壓設備接地更接近近地端，用于地鐵車輛近地端可視為輪對。保證動力電不會經過通信等低壓設備地線而直接流入大地。②DKZ32型列車接地情況。低壓設備接地箱位于車體中部，車體兩側轉向架區域為高壓設備接地匯流排，車上高、低壓設備接地已盡可能相互隔離。③接地與干擾分析。零阻抗、零電位才是理想地線，在設備內部，地線既有電阻又有電抗，電流通過設備時，地線會有壓降；地線和其他線路有電流通過時會形成環路，并且產生電勢，地阻干擾和環路干擾2種情況都會對設備產生干擾?？紤]車廂與車廂之間電壓差，共模干擾就是線地間的干擾。而地線上的共模干擾比較特殊，一般由電子設備的接地端子上對地雜散電流所產生的壓降，以及接地平面上不同接地點之間的電位差，它也是串聯在信號回路中，對較小的設備而言，可忽略不計，但對配置較遠的兩個電子設備，如IO/F通信模塊兩設備相距60 m，對電子設備的干擾可能性就較高。④針對接地干擾問題處理方法。通過前期的分析、維修、總結最終決定對此列車接地進行調整。棄用4號車自身接地線，使用4.5 mm2備用線將3號車接地線引用至4號車，減小車與車之間電位差，降低接地干擾。

4 北京地鐵DKZ32型列車故障處理總結

在進行接地改造后，列車控制網絡的監控系統穩定性得到明顯改善，目前車輛在運行中未再發現故障。通過對通信報文捕捉波形可以看到，在接地系統改造之前，4號車監控通信波形由于接地干擾，方形波已經嚴重變形失真，很容易造成系統通信中斷從而使4號車失去監控，如圖4所示，而在接地改造之后，列車監控網絡波形得到明顯改善，如圖5所示。

圖4 通信波形受干擾變形失真

圖5 改造后波形恢復情況

5 結束語

①根據列車網絡發生故障，應根據具體情況進行具體分析，并從設計源頭上進行改善，從而有效降低故障率的發生。②做好前期預防工作，上車前并組網測試和例行試驗，對TCMS設備相關潛在問題做到及早發現，并作出針對性優化。③對PROFIBUS網絡設備的接地環境改造，能夠有效減少干擾，提升網絡通信質量，從而消除列車監控節點掉站造成的故障。但其安裝空間、電源、接地受環境影響會有一定的局限性。參考文獻：

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