光电式司机主控制器的应用和优化

王刚　张现锋

摘 要：光电式司机主控制器（以下简称司控器）成功应用在某型动车组中，相比传统微动开关式司控器具有体积小、电气/机械接口简单、寿命长、可靠性高等特点。我们根据国内应用特点对原进口产品进行了优化，使之降低了故障率，提高了可靠性，并进行再创新设计，成功实现了国产化。

关键词：光电式；司机主控制器；优化设计；国产化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.193

0 引言及现状

司控器是司机操纵列车的主要部件，司机通过操纵司控器来实现车辆的加速、减速、制动等动作，须具有高可靠性、动作迅速准确、操作简单方便等特点。近十几年来，伴随着电子技术在机车车辆领域的应用，司控器逐渐抛弃了复杂的机械结构和分立式电子器件而变得体积越来越小，功能越来越强大，性能越来越可靠。特别是使用光电编码器作为编码发生器的司控器已经广泛应用于机车车辆、船舶、工程车辆、军工、航天等领域。

1 在动车组中的应用

在国产某型动车组上就使用了这种以光电编码器作为编码发生器的司控器。同其它动车组相比，该型司控器具有体积更小、安装更方便、机械/电气接口简单、可靠性高、操作方便、维护周期长、全数字量输出等特点，代表了司机主控制器的发展方向，并在实际应用中得到了用户的好评。是国内同类型动车中较先进的产品。其具体工作过程大略为：司机通过板动司控器手柄发出操作指令，司控器内部的光电编码器将此指令发送给列车控制管理系统（TCMS），列车管理系统通过一系列的编码、译码、计算、再编码、再译码等过程将信息指令发送给相应的系统去执行，如图1所示。由于列车控制管理系统是由运算速度极快的计算机组成，从控制指令发出到列车根据指令动作在极短的时间即可完成，几乎感觉不到控制延迟。

图2中的选择按钮是一个半锁按钮，具有安全选择性。由于制动是安全性操作，故实施制动时不需要按下此按钮，直接后拉操纵杆即可实现制动操作；在实施列车驱动指令时，必须按下此按钮方可前推来实施驱动指令。这种设计即防止了误操作又提高了安全性。1）操作手柄：外层是橡胶套，考虑了人机工程，具有较高的操作舒适性；2）操作指示牌：印有加速位、保持位、减速位、零位、7级制动位、紧急制动位。

从图3可以看出，其主要设计结构为：1）一套凸轮机构来传动；2）双光电编码器，一般情况时同时有效，紧急情况时互为冗余备份；3）紧急安全回路，采用单独设计，机械触发结构。

由于司控器的位置限制，最大操作角度设计在720。根据操作的不同要求在不同的级位设计了不同的操作角跨度。如在3级加速位和紧急位设计了60 的跨度，而在保持位设计了40 的跨度。

综合司控器手柄操作顺序，使用了4位格雷码传输司机操作意图。格雷码与手柄级位的对应关系如图4。

此种编码方式，在每次操作时，仅有一位编码变化。避免了由于输出的变化而产生较大的电流变化冲击，从而降低了对TCMS硬件AD模块的冲击。（TCMS：列车控制管理系统；AD：输入输出模块）。

2 紧急回路故障分析、解决、设计优化

紧急回路是指在列车紧急情况时（例如火灾），将司控器手柄置于紧急位置，列车将触发紧急断开安全环，切除牵引，施加紧急制动。当司控器处于紧急位时，主控手柄将按图4输出编码至列控系统，同时主控手柄的紧急回路触点动作如图3。在实际应用中，此型动车组多次出现紧急触点烧毁事故，当紧急触点烧毁后列车始终处于紧急制动状态，无法缓解，只能救援，严重影响了行车秩序； 而原型車从未发生过此类情况，我们对此进行类调查和分析：

（1）紧急回路分析：每车都有一个紧急继电器，与其它车的紧急继电器并联在一起，与主控手柄紧急触点关联在一起形成紧急回路。长编组列车共有16个紧急继电器。

（2）故障分析及原因判断：1）在16辆编组中，电缆总长度超过1KM，而国外原型车从未有过8辆甚至16辆编组，最多是6辆编组；2）线路中感性特征明显，并且由于线路长导致分布在各车上紧急继电器动作不同步，延迟现象明显；3）电路时间常数应在15以上；4）触点无灭弧装置。

故障原因是：在紧急回路中存在较大感性特征，当常闭点断开时动静触点之间放电拉弧，多次累加后触点到达寿命极限而最终被烧毁。

（3）设计优化：提高电路的灭弧能力或者是改变电路整体的感性特征是解决此问题的关键，主要有如下几种方法：1）在电路中并联RC吸收；2）强化灭弧能力；3）采用无触点开关。

由于RC吸收式电路容易引起开关延时，不能用于此安全回路；而若采用无触点开关将涉及大量物理和电气接口改动，费效比较差，因此首选采用带灭护罩开关来替代原设计开关。最终我们以沙尔特堡S800型开关（带磁吹灭护罩）替换原有型号进行升级改造。试验和运用情况表明效果显著，自改造6年以来，无故障最长单列运营里程超过240万公里，型号无故障总运营里程超过3亿公里。

3 结束语

司控器作为高铁关键配套技术之一，我们深知对列车安全和高效运营的重要意义。经过在国内12年的实际运用，特别是经过国内适应性优化后，证明光电式司控器适应我国高速铁路的实际情况，为此型动车组赢得良好的用户口碑做出了贡献。其优良的运营业绩得到了路内专家的好评，并推荐为我国标准动车组的定型设计。