地铁列车空气制动控制系统功能及应用分析

摘要：深圳地铁二期列车采用了KNORR（克诺尔）公司推出的最新一代产品EP2002空气制动控制系统。文章对深圳一、二期地铁列车空气制动控制ESRA、EP2002系统的特点进行了描述，介绍了EP2002阀的结构原理和内部气路，并结合结构和控制原理对EP2002系统、ESRA系统的应用进行了对比分析。

关键词：深圳地铁；空气制动控制系统；结构原理；内部气路；架控模式 文献标识码：A

中图分类号：U260 文章编号：1009-2374（2016）10-0055-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.027

1 概述

深圳地铁二期列车采用了KNORR（克诺尔）公司推出的最新一代产品EP2002空气制动控制系统。该系统的主要特点是将空气制动控制由车控转变为架控模式，较一期22列车项目传统的ESRA系统在结构及应用上均有所改进。

1.1 EP2002系统的特点

二期列车的制动控制系统采用了分布式结构的架控形式，即一个EP2002阀只控制一个转向架。如果某一EP2002阀出现故障，只需切除相应转向架上空气制动的控制电源，即可使故障对列车运行的影响减至最小。

EP2002系统将制动控制和制动管理电子设备以及常用制动（SB）气动阀、紧急制动（EB）气动阀和车轮防滑保护装置（WSP）气动阀都集成到装在各转向架上的机电包中。气动系统可以通过一个中心点向各个EP2002阀门供风或从各处向阀门供风。整个EP2002制动系统采用模块化设计，结构紧凑，可适用多种配置、安装方式，使用和维修更为便利。

1.2 制动系统的位置及组成

制动系统在整个列车控制中接收到列车控制系统发出的指令，由压缩机提供风源，通过系统内部对指令的识别施加或缓解制动（图1EP2002系统指令递）。制动系统主要由EP2002阀、制动控制模块以及其他辅助部件组成。其核心部件是机电一体化的电磁阀，即EP2002阀。因通信网络的功能不同，分为网关阀（Gateway valve）、智能阀（Smart valve）。

图1 EP2002系统指令传递

2 EP2002阀介绍

以六节车编组的制动系统为例，三节车自成一个相对独立的制动控制单元，单元车EP2002阀之间采用CAN网络通信，考虑到制动控制网络与列车控制网络的数据传递以及通信故障的备份，单元车制动控制单元设置两个网关阀、四个智能阀，每节车按照“智能阀+智能阀”或“智能阀+网关阀”的组合配置（如图2所示），其分别安装在其所控制转向架附近的车体底架上。所有的EP2002阀上均带有多个压力测试口，可以方便地测量储风缸压力、常用制动缸压力、车辆载荷压力以及停放制动缸压力等。

图2 EP2002系统配置

2.1 智能阀（Smart Valve）

智能阀的内部结构图如图3所示。它是一个机电一体化的组合产品，包括电子控制板（RBX）、电源板（PSU）和气动阀单元（PVU）组合件。安装在气动阀单元上的电子控制板能接收电控制信号并直接控制气动伺服阀，对相应转向架上制动器内制动缸的压力做出调整，可对每个转向架进行常用制动和独立的紧急制动控制。

图3 智能阀内部结构图

阀件受软件和硬件的联合控制和监控，可对该转向架的空气制动系统进行故障诊断及显示。通过专用CAN制动总线和其他EP2002阀进行通信，结合各车轴所产生的车轴速度数据与其他阀件传来的速度数据比较，即可实施车轮防滑保护功能。智能阀通过硬线与列车安全回路相连。当安全回路失电时，智能阀将使该转向架产生紧急制动。其输入和输出接口形式如图4所示：

图4 智能阀的输入和输出接口示意图

主要有如下八个方面的功能：（1）常用制动时，对单个输出制动压力进行调整并输出制动缸压力；（2）紧急制动时，对单个输出制动压力进行调整并输出制动缸压力；（3）防滑控制（WSP控制）；（4）对制动风缸压力进行监控；（5）对两个轴制动缸压力进行监控；（6）对停放制动压力进行监控；（7）对负载称重进行测量；（8）与其他EP2002阀进行通讯，并向网关阀报告本车故障监视情况。

2.2 网关阀（Gateway Valve）

网关阀的内部结构如图5所示。它比智能阀多了两块电路板——网络通信板和制动控制板，网关阀除了具有智能阀的所有功能外，同时还可以进行制动管理并为列车监控系统提供通信接口。

图5 网关阀内部结构图

图6 网关阀的输入和输出接口

网关阀向本单元车CAN总线上所有EP2002阀传递制动参数。在分布式控制网络中，其制动指令的发布功能只需要通过一个网关阀便可以对列车上以每辆车为单位的制动系统发送制动力要求，以达到司机或ATO对制动力要求。同时，网关阀还提供EP2002控制系统与列车控制系统的连接。网关阀的输入和输出接口如图6所示。

2.3 EP2002阀内部气路结构

所有的EP2002阀的气动结构和内部气路都是相同的，其气路图如图7所示。阀内的气动部分主要是由压力调整模块、制动缸压力调整模块、连接阀和压力传感器四部分构成。

图7 EP2002阀内部气路图

2.3.1 压力调整模块（A、B、C部分）。压力调整模块包括初级调整阀（A部分）、负载称重模块（C部分）和次级调整阀（B部分）。

初级调整阀（A部分）是一个中继阀，它可以根据负载称重阀（C部分）所提供的控制压力对送风压力进行调整，最后将送风压力调整到相应的紧急制动压力向制动缸压力调整模块（D部分）输出。如果负载称重模块（C部分）发生故障时，初级调整阀还可以通过机械方式提供一个空载（AW0）的紧急制动压力。负载称重阀（C部分）接收来自空气簧的压力信号（ASP1/ASP2），并根据接收到的压力信号为初级调整阀（A部分）提供一个控制压力，该控制压力与空气簧的压力成正比，对初级调整阀的预置压力进行修改，此控制压力在常用制动和紧急制动时都有效。

次级调整阀（B部）是初级调整的上游装置，它的作用只是限制提供给制动缸的最大压力不超过超员载荷（AW3）下紧急制动压力的水平。

2.3.2 制动缸压力调整模块（D部分）。制动缸压力调整模块（D部分）负责将压力调整模块所输出紧急制动压力调节到要求的压力水平，该模块还可以在轮对的防滑功能被激活时，对制动缸压力进行独立控制，即对制动缸施行排气控制。

2.3.3 连通阀（E部分）。连通阀可以使同一转向架两个轴上的制动缸连接到一起或者分开。在常用制动和紧急制动时，两个轴上的制动缸输出气路相通，以转向架为单元施加制动力；在轮对防滑功能被激活时，两个车轴的制动缸被分开，每个车轴的制动缸压力在制动缸压力调整阶段（D部分）进行独立控制，对相应打滑轴上的制动缸进行排气减压控制。

2.3.4 压力传感器（F、G部分）。压力传感器（F和G部分）用于制动缸，负载称重、制动风缸和停放制动等压力点的测量，测得的压力信号供内部调节和外部显示使用。

2.4 ESRA系统控制原理

一期列车制动控制系统采用了集中式车控模式，即一节车的BCU制动系统控制该节车的两个转向架。如某一BCU出现故障，则将丧失整节车的制动力。其控制原理是通过MVB（串接接口总线）从司控器接收制动指令信号，由EBCU调节并传至电气控制单元（BCU；B01.06），BCU上的模拟转换器（B01.06.a）将电压转化为相应的制动缸压力。电信号向控制压力的转化相对于指令信号是闭环控制。控制回路由施加及缓解电磁阀、压力传感器（测量实际压力）及控制两个电磁阀相对于指令信号及实际压力值间差异的调节器组成，根据预控压力传感器信号选择性地控制施加或缓解电磁阀信号，EBCU使指令与制动缸压力间保持有恒定的关系，控制回路导致“电压比压力”间的特征有最佳的滞后及精确的线性度。

一个EP2002阀相当于ESRA空气制动系统中的微机控制单元（EBCU）加上制动控制单元BCU的组合，此外它还具有网络通信、防滑保护等功能。

3 EP2002系统、ESRA系统应用情况对比分析

3.1 应用成本分析

3.1.1 列车配置成本。6节编组列车应用ESRA系统需配备2个EBCU和6个BCU，应用EP2002系统则需配备12个EP2002阀，因此采用EP2002系统较ESRA系统需增加配置成本约30%。

3.1.2 维修成本。EP2002系统阀件为高度集成的整体部件，硬件故障维修权限仍控制在生产厂家。一旦发生发硬件故障，须整体更换后发回原生产地进行拆卸维修，可维修性差，用户灵活度小，维修费用昂贵；而ESRA系统阀件为单个阀件通过模板阀组合连接而成，硬件故障后，用户可进行拆卸维修，可维修性强，用户灵活度大，维修费用相对便宜。EP2002系统硬件故障维修成本较ESRA系统阀件高约50%～100%。

3.2 设备稳定性分析

在实际应用中，系统表现状态良好，其故障率在可接受范围内，均远远低于列车平均故障率。典型故障均集中在软件配置、数据传输及密封圈破损、压力开关阀值偏差等方面。EP2002在结构及功能设计中控制回路设计更加合理，系统控制更加精准，在系统稳定性方面优于ESRA系统，很少发生传感器故障，因此整体故障率也略低于ESRA系统。

4 结语

综上，就系统配置和功能而言，EP2002系统较ESRA系统，其结构紧凑，系统功能更趋稳定，冗余度更高；但就成本和可维修性而言，EP2002系统较ESRA系统，其配置和维修成本高，维修周期长，且可维修性差，用户灵活度小。随着各个城市轨道交通线路增多，形成网络化规模效应时，用户对列车制动控制系统的选用将日渐成熟。

参考文献

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[2] 周志辉.广州地铁三号线电动车组的制动控制[J].电力机车与城轨车辆，2004，（4）.

[3] 陶功安，袁立祥，马喜成.广州地铁3号线地铁车辆

[J].机车电传动，2006，（4）.

作者简介：历宁（1981-），广东深圳人，供职于深圳市地铁集团有限公司运营总部线网管控中心，研究方向：地铁运营管理。

（责任编辑：黄银芳）