广州地铁三北线列车信号系统引起的牵引故障分析

谢竹伟

（广州市地下铁道总公司运营事业总部运营三中心，广东 广州 510000）

0 引言

广州地铁三号线北延线列车（广州地铁B2、B4型车）为6节编组、4动2拖形式的B型地铁列车，编组形式为：－A＋B＋C＝C＋B＋A－。其中，A车为带司机室的动车；B车为带受电弓的拖车；C车为动车；“－”表示全自动车钩；“＝”表示半自动车钩；“＋”表示半永久牵引杆；每组A、B、C车为一个单元。列车采用西门子SIBAS32平台搭建的控制诊断系统，车辆控制单元VCU作为整列车的控制核心，带有故障诊断记录功能。

在日常运营时，列车为ATO模式（自动驾驶模式）运行，即中央信号控制系统通过与车载信号系统的通讯，控制列车的牵引、制动、开关门等功能，当VOBC（车载信号控制器）出现死机故障时，曾多次引起整列车牵引系统故障。

该故障涉及信号专业与车辆专业的接口，产生的非正常连锁反应没有直接的故障数据可以确认故障点。本文通过分析列车故障信息的产生原因，并通过列车诊断系统记录的部分数据，推断确定故障具体原因。

1 故障分析及调查

1.1 故障描述

故障触发的前提条件：列车正线运营时出现VOBC死机。

具体现象：在VOBC死机时，车辆显示屏HMI显示整列车牵引系统图标黄色报警”，故障栏出现“安全回路故障”“牵引系统轻微故障”“牵引／制动控制严重故障”等故障信息。

1.2 故障的形成原理分析

从车辆控制单元VCU中存储的TCF（牵引控制功能）故障记录中可以看到，该故障是由于安全回路故障引起的。

1.2.1 安全回路控制原理

安全回路是地铁列车用来保障紧急情况下紧急制动的回路，对紧急制动采用硬线控制，以保障列车即使在网络瘫痪的情况下依旧能够施加紧急制动（简称“紧制”），确保运营的安全。安全回路主要包含了紧急停车回路、紧急制动回路、ATC紧制回路、紧制负载回路、牵引允许回路及快速制动回路，如图1所示。

安全回路由110 V控制电源母线从司机室激活端进行供电，当紧制负载回路失电时，回路上的EP2002制动系统网关阀（Gateway Value，图1中缩写 GV）、智能阀（Smart Value，缩写SV）收到紧制信号低电平，执行紧急制动。由图1可以看出，列车控制系统可以通过控制紧急停车回路及紧急制动回路使紧制负载回路失电，从而达到使列车紧制的目的。

紧急停车回路主要通过拍打设置在司机台左右两侧的紧急停车按钮（俗称“蘑菇头”）来实现断电，是列车紧急情况下的最后一道停车保障，同时可以实现列车紧急制动、高速断路器断开和受电弓降下的功能。

紧急制动回路主要是通过控制紧制继电器＝22-K125的触头分合来实现对紧制负载回路得失电的控制。

ATC紧制回路主要在列车ATO（自动列车运行）模式运行下，由VOBC控制ATC紧制继电器＝91-K107的动作来实现对紧急制动回路的控制。而非ATO运行的情况下，可通过操作ATC切除旋钮，使ATPC继电器＝91-K108得电，解除ATC紧制继电器的控制。

图1 列车安全回路示意图（单个单元）

图1中缩写为SKS的设备为SIBAS KLIP Station智能外围接口终端站，列车控制系统通过SKS采集、监测、控制110 V硬线控制电路的电平信号，实现硬线信号与TCN网络信号的转换及数字量、模拟量输入／输出功能，使车辆控制单元VCU能全面地监测、控制列车的状态，并通过对比2种信号来进行故障的诊断。

1.2.2 安全回路故障诊断

安全回路故障诊断主要通过SKS采集硬线信号进行对比判断，诊断控制回路与执行回路是否保持一致。诊断逻辑如图2所示。

紧急停车回路反馈信号、紧制继电器反馈信号、ATC紧制继电器反馈信号输入“或”门后与紧急负载回路反馈信号的“非”逻辑共同输入“与”门，若在512 ms内持续输出为高电平，则出现安全回路故障，同时VCU施加快速制动。

本文分析的故障信息主要由安全回路故障引起，可从故障逻辑中的信号推导出引起故障的根本原因。

图2 安全回路故障诊断逻辑简图

1.3 故障的调查与分析

采用SIBAS32系统的故障诊断软件eXpert2读取事件信息，事件记录仪信息如图3所示。

图3 事件记录仪故障信息记录

图3中，17：22：41.54故障时，ATP紧制继电器动作后VCU监测到紧制回路反馈没有施加（图4），于是512 ms后根据故障逻辑判定安全回路故障，VCU使用快速制动替代紧制，同时发送“牵引／制动控制严重故障”“牵引系统轻微故障”，ICU图标因此变为黄点。约7 s后紧制回路反馈已施加紧制，故障消失，但图标依旧保留在HMI屏上，直到复位MVB总线，才能将黄点图标消除。

图4 故障环境数据截屏

分析电路图（图1）可以看出，在紧急制动回路中，若要使ATC紧制继电器失电，而紧急制动继电器不失电，只可能存在一种情况，即ATPC继电器＝91-K108得电吸合。

正常情况下，如果要将ATP保护切除，则须将ATP切除旋钮打至合位，通过列车线，使91-K108得电，VOBC则通过连接在列车线上的P3：M插头接收该列车线电平信号，进行ATP切除。结合前面调查的信息分析，若发生故障，VOBC处于死机状态时，P3：M插头逆向对ATPC继电器＝91-K108输出了一段时间的高电平，将会使91-K108得电（图5）。

若上述分析正确，列车将会处于ATP切除旋钮未打至分位，而ATPC继电器＝91-K108线圈吸合的情况。为验证上述分析，可通过eXpert2软件读取故障代码出现时的车辆环境数据的I／O信号记录来进行判断。若ATPC继电器＝91-K108得电，继电器的常闭触头断开，ATO模式继电器将失电，从而使列车退出ATO模式（图4）。

图5 VOBC反向串电图

由故障时的环境数据可以看出，故障时ATP切除旋钮未打至切除位（＄E113＿09信号为低电平），ATO模式已退出（＄E112＿01信号为低电平），由此可以验证ATPC继电器＝91-K108异常得电。

2 后续调查与改进措施

对于此问题，联系通号部门检查发现VOBC的IRU单元内部二极管击穿，核对VOBC内部电路可以发现该二极管击穿后，按压VOBC复位按钮将会出现逆向串电，而此二极管下级电路对外接口就是P3：M插头，逆向串电可引起ATPC继电器＝91-K108得电。由此可验证，根据车辆数据逻辑推理出的故障原因被核实。

对于此信号与车辆接口问题，可对电路进行改进，在P3：M插头下级电路添加一个二极管，防止VOBC内部二极管击穿后逆向串电引起车辆继电器异常得电的情况。

3 结语

广州地铁三号线北延段列车控制诊断及牵引系统由西门子设计制造，拥有完善的故障诊断系统，利用专门的工具维护软件可以对故障时的各个关键信号进行查找和分析，结合电路图、诊断逻辑图对出现故障的原因进行分析判断。熟练地使用列车工具软件并严谨地进行逻辑分析，对地铁车辆的检修具有重要的应用价值，可辅助检修技术人员较快地排除故障，保障列车的运行质量。

本文通过对信号系统引起的牵引故障的分析与查找，提供了利用地铁诊断系统及控制逻辑来查找解决车辆与信号接口问题的一种思路。同时，笔者建议，在新线车辆电路设计时，须充分考虑接口系统的电路，尽量避免因接口电路故障引起的一系列问题。

［1］南车株洲电力机车有限公司.GZML3E项目电气原理图（C版），2010