关于HXD2型机车BCU通讯超时引发惩罚制动故障的分析

张建平, 张 涛

(1 太原铁路局 职工培训中心， 太原 030009；2 太原铁路局 机务处， 太原 030000)

作为大秦线担当2.1万t重载组合列车牵引任务的主型机车，HXD2型电力机车的制动系统采用法维莱制动机，该制动系统的核心控制部件为制动控制单元(BCU)。在组合列车运行模式下，通过机车装用的GE公司LOCOTROL动力分布式控制系统(简称DP)，实现组合列车运行时主控机车和从控机车的同步控制作用，机车制动系统的BCU通过RS422网络与LOCOTROL系统串行处理器模块(SIPM)连接，主要向SIPM传递机车列车管、均衡风缸等压力信号。在DP控车模式下，当BCU与SIPM的通讯发生故障时，LOCOTROL系统依据故障导向安全的原则，SIPM会发出惩罚指令，使主控机车产生列车管减压到零的惩罚制动作用，同时将该惩罚指令由LOCOTROL系统通讯处理器模块(CPM)通过GSM-R无线网络传递至位于列车远端的从控机车，从控机车响应主控机车指令触发惩罚制动。大秦线作为重载铁路线，列车惩罚制动的发生对重载列车运输安全影响较大，稍有不慎就有可能出现列车分离、脱线等难以预料的情形。因此，在组合列车DP控车模式下，如何有效减少因BCU通讯问题产生的惩罚制动已成为机车质量安全管理中的一个重要课题。

1 HXD2机车BCU通讯超时的报错机制

DP状态下，如果主控机车SIPM在5.0 s内没有收到来自BCU的心跳信息，在机车的LDM显示屏上会显示BCU通讯超时故障信息，同时SIPM发出惩罚指令，使得主控机车产生惩罚制动作用，同时从控机车响应主控机车同步产生惩罚制动。或者换一种说法，由于BCU与SIPM主要进行机车均衡风缸(ER)、列车管(BP)等压力值的传输，当上述压力值在传输过程中出现5.0 s及以上的丢失时，即DP系统判断出现BCU通讯超时故障现象，机车同步产生惩罚制动。HXD2机车DP系统控制框图如下图1。

2 BCU通讯超时故障的分析

2.1 BCU通讯超时故障的影响

2.1.1研究BCU通讯超时故障原因的重要性

通过对近3年大秦公司湖东电力机务段配属的和谐机车惩罚制动事件进行梳理，2014年1～12月重载列车发生惩罚制动故障19件，其中HXD2型机车8件，占总数的42.1%；而BCU与SIPM通信超时故障共发生4件。2015年1～12月重载列车发生惩罚制动故障11件，其中HXD2型机车7件，占总数的63.6%；BCU与SIPM通信超时故障共发生3件。2016年1～12月重载列车发生惩罚制动故障15件，其中HXD2型机车8件，占总数的53.3%； BCU 与SIPM通信超时故障共发生5件，见表1。

综上所述，BCU通讯超时故障已成为影响HXD2机车运用安全的主要故障，且当该故障发生后必须分解组合列车，实施分部运行，极易导致出现堵塞区间，影响大秦线的运输畅通。

2.1.2BCU通讯超时故障的分类

结合BCU与SIPM的通讯原理进行分析，引起BCU与SIPM通讯问题主要有3个方面的原因：

(1) BCU内部的RS422网络板卡存在故障，这个故障导致通讯超时使得机车产生惩罚制动作用。HXD2机车BCU自身具有故障诊断系统，当BCU检测到内部RS422网络板卡故障时，在BCU的主CPU板卡上会显示相应的故障代码“E054”；

图1 LOCOTROL系统模块控制原理框图

年度重载列车惩罚制动/件HXD2型机车故障/件占总数比/%涉及BCU通信超时/件占总数比/%201419842.1421.1201511763.6327.3201615853.3533.3

(2) BCU与SIPM之间通讯电缆受到机车内部高压电器启动时的电磁干扰等，使得通讯数据传输出现中断，导致通讯超时而产生惩罚制动；

(3) SIPM内部的RS422网络板卡存在故障，导致通讯超时使得机车产生惩罚制动作用。

上述这3种故障最终都表现为BCU与SIPM模块之间的通讯中断，而使机车自动产生惩罚制动作用。其中第1种和第3种原因分别为BCU和SIPM模块内部的硬件故障，一旦发生该故障现象会一直存在。但从目前的故障分析及统计情况来看，第2种故障原因发生的几率最大，因此主要针对第2种故障原因进行分析研究。

2.2 BCU通讯超时的原因

由于HXD2机车的DP系统采用RS422接口，首先对RS422接口进行简要说明。RS422接口标准全称是平衡电压数字接口电路的电气特性，它定义了接口电路的特性，接口中共设5根线，分别为TX+、TX-、RX+、RX-、GND。由于接收器采用高输入阻抗和具有更强驱动能力的发送驱动器，允许在相同传输线上最多连接10个节点；RS422接口需要设置终端电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。HXD2机车 BCU与SIPM的RS422网络接口图见图2，图中A表示为A节机车、B表示为B节机车。

图2 HXD2机车 BCU与SIPM的RS422网络接口图

每节机车的BCU的接收电路上均装有240 Ω的终端电阻，并且每节机车SIPM的接收电路上也装有240 Ω的终端电阻。

通过对近3年来发生BCU通讯超时问题的机车进行数据汇总分析，选择将HXD2 0092机车(1年中已2次发生BCU通讯超时故障)作为试验机车。试验主要分为两部分，一是对BCU与SIPM通信电缆阻值进行测量，主要目的是检测通信通道阻值是否符合技术要求；二是人为在BCU的RS422的板卡上加装两个15 kΩ的上拉电阻和下拉电阻作为防干扰装置，主要目的为测试在干扰确实存在的前提下，能否有效防止故障的出现。

2.2.1第1阶段试验

首先在HXD2 0092机车上及另1台状况良好的机车HXD2 0008进行测试，测试内容分别为BCU终端电阻(插头的1点到6点)、BCU插头到BCU地的电阻、BCU地与SIPM地之间的电阻、BCU屏蔽电阻、BCU插头到SIPM地之间的电阻、BCU对地电阻、SIPM对地电阻等。经测量发现HXD2 0092机车B节的BCU终端电阻为27.5 kΩ，而HXD2 0008机车A、B节的BCU终端电阻仅为239 Ω，测量的其余电阻两车均在0～0.5Ω之间，为理论允许值。

之后再随机挑选段内的其他15台HXD2型机车进行测量，发现BCU的终端电阻全部在235～245 Ω之间，初步怀疑HXD2 0092机车的终端电阻偏高是导致BCU通讯超时发生的主要原因。机车BCU阻值测试情况见表2，表2中所列的12台HXD2机车均发生过BCU通讯超时故障。

表2 HXD2型机车BCU阻值测量表

经过再次对HXD2 0092机车BCU状态的检查，发现了以下现象：

(1) B节BCU的RS422板卡外屏蔽电缆存在破皮现象；

(2) 再次测量AB节BCU终端电阻，在B节测量终端电阻仍为27.5 kΩ。

经测量发现A、B节机车重联电缆屏蔽层存在3处断点，导致B节终端电阻增大。对上述故障点进行修复后，重新测量B节终端电阻为241 Ω，再次进行DP系统试验，结果机车性能良好，BCU通讯超时故障也没有发生。

在机车上，因两端BCU同时上电，通过BCU之间的重联线，使BCU的RS422网络处于一个闭环动态平衡中，当重联线屏蔽层出现断点时，使网络出现了开路，此时进行测量，直观反映为终端电阻增大数千倍，甚至为无穷大，无形中降低了RS422网络的抗干扰性能，在电磁干扰较强的地方，极易导致BCU通讯超时现象的发生。

2.2.2第2阶段试验

DP模拟试验，仍选择在HXD2 0092机车进行，试验前保持BCU通讯超时故障始终存在，通过在A节的RS422的板卡上加装两个15 kΩ的上拉电阻和下拉电阻的方法，测试在干扰确实存在的前提下(通过频繁断合主断，使机车内高压电器启动，模拟电磁干扰)，能否有效防止故障？

试验前在BCU的P1连接头之间加装扩展盒(见图3)，以便于用示波器采集RS422信号(见图4)，在A节的RS422的板卡上加装两个15 kΩ的上拉电阻和下拉电阻。

用示波器实时监控的过程中(见图5)，可明显看到一些噪声耦合到RS422线上(这些噪声来源可能为无线电设备)；从示波器图中可以看出，BCU发送线路在闲置时进入高阻态且差分电压大约为0 V，而BCU接收电路的差分电压大约为-2.5 V，加装上、下拉电阻对于线路空闲时的BCU的差分电压也没有较大影响，BCU通讯超时现象也没有再发生。

综上试验所述，一方面通过修复通讯电缆的屏蔽层可有效防止车体内部电磁干扰造成的通讯超时问题，另一方面通过在BCU的发送端加装上、下拉电阻也可起到抗电磁干扰作用。

图3 用于采集信号的扩展盒

图4 RS422信号采集

图5 噪声图像

2.3 采取抗干扰有效的说明

上、下拉电阻通常用在发送器可以同时进入高阻态网络中，为避免在接收端发生错误，在正负线之间维持

200 mV的差分电压。因BCU是两端同时上电，故在空闲时BCU会进入高阻抗，而SIPM在同一时刻有且只有一个处于上电状态，故SIPM不存在高阻抗状态。因此SIPM发送器从不进入高阻态模式，故BCU的接收电路没有必要进行电压偏置。通过加装上、下拉电阻，在电气降级模式下(如重联电缆屏蔽层之间存在断点)依然可以起到加固通信的作用，所以在BCU的发送端加装上、下拉电阻是很有必要的。

3 解决BCU通讯超时故障采取的措施

(1) 在BCU的RS422板卡上加装上、下拉电阻，增强网络的抗干扰性能。

(2) 对HXD2机车制动柜车上检修范围进行修订，增加检查BCU控制单元及插头的安装牢固无松动，屏蔽层状态良好，确保各级修程检查机车BCU通讯网络电缆屏蔽层状态良好；同时在DP状态下高压试验中要求进行制动机备用试验，确保A、B节机车通讯重联电缆接线良好。

(3) 机车入库整备作业时，HXD2机车制动机试验时，按照单机试验、DP试验逐步进行，严禁简化试验程序。

4 结束语

通过此次分析及试验研究，说明在HXD2型机车制动系统BCU的RS422板卡上加装上、下拉电阻有利于抑制组合列车DP模式运行时HXD2机车BCU通讯超时的发生，减少组合列车惩罚制动的实施。结合研究成果目前已对现有HXD2机车RS422板卡进行加装改造，在完成改造的30台机车通过一年时间的组合列车牵引运行，未发生BCU通讯超时的故障，这就证明在上述改造实施后可以有效减少因外部因素导致的HXD2型机车BCU通讯超时故障，可以保证大秦线的重载运行安全及运输畅通。

[1] 张曙光. HXD2型电力机车[M].北京:中国铁道出版社,2009.