冗余设计在高速动车组列车故障诊断中的应用

宋雨哲　马英超　么舜禹

摘 要：本文通过对高速动车组通信总线、整体控制方式、核心部件的冗余情况的研究分析，提出了高速动车组故障诊断方法，尤其在如何快速准确确认故障点方面，提供了新的有效手段，拓展了故障处理思维，打破了以往的故障处理常规，得到了动车组运用、维护中故障处理的新思维和新方法。

关键词：冗余设计；高速动车组；故障诊断；新思维新方法

高速动车组运行速度高，控制系统复杂。为了提高车组运用的安全性与可靠性，保证单个元件的损坏不会影响列车的正常运行，采用冗余的方式对高速动车组的设计是必须的，充分利用高速动车组的冗余设计概念可以提高动车组故障诊断效率。

一、列车通信总线的冗余设计

CRH3型动车组控制系统主要采用列车级-WTB（Wire Train Bus）列车总线、车辆级-MVB（Multifunction Vehicles Bus）多功能车辆总线两级总线构成的TCN列车控制网络。以CRH380B型动车组网络拓扑结构为例，

CRH3型动车组通信系统在冗余上WTB和MVB是类似的，各个数据总线通过Line A和Line B同时发送相同的数据，但相关的设备只从其中一条线路接受数据，此线路称作信任线，设备同时监视另一条线路，此线路称为监视线。当满足一定条件时，设备交换信任线和监视线。

二、 列车整体控制方式冗余分析

CRH3型动车组高压系统、牵引系统、制动系统等控制都是由列车的网络控制系统完成的，出于列车安全性的考虑，相关的系统都设有硬件的保护电路。其中每个牵引单元设有一个完整的高压系统，车顶隔离开关用来隔离故障牵引单元，紧急关断环路用于高压系统故障情况下的紧急关断；牵引系统设有系统输入输出旁路模块（SKS）；制动系统设有紧急制动环路、乘客紧急制动环路、停放制动监控环路、制动缓解环路等相关的安全环路；门系统通过车门关闭的硬线信号检测车门的关闭状态，以保证车组的行车安全。

三、 列车核心部件的冗余

为了提高高速动车组的安全性和可靠性，CRH3型动车组的列车网络控制系统的核心部件如中央控制单元、网关、输入输出接口都采用冗余设计，同时在辅助供电电路的设计中，考虑了冗余的负载由不同的供电母线供电，提高了辅助供电系统故障情况下网络设备的可用性。

四、 利用冗余设计进行列车故障诊断

1. 核心部件冗余设计的应用

CRH3型动车组每个牵引单元的两个冗余CCU（中央处理单元），一个处于主控状态（主CCU），另一个处于热备状态（从CCU），如果主CCU发生故障，则原来的从CCU将转换为主CCU，但主从CCU同时对列车的高压系统进行监控保护。

列车CCU状态正常继电器=22-K52，=22-K54分别向本CCU反馈另一个CCU工作正常信号，当CCU故障时，故障CCU状态正常继电器将失电。列车CCU为主CCU状态继电器保证了CCU为主时的控制功能。利用以上冗余控制原理可以很好的处理CCU引发的相关系统的故障。

1.1 ASD紧急制动不缓解故障

操作ASD元件的情况下，通过断开两个ASD输出来切断ASD回路。如果司机室处于无人状态（例如在从动牵引单元中），执行ASD功能的软件无效。此外，如果CCU1（CCU2）是主控的，CCU2（CCU1）通过切断 “CCU2（CCU1）为主控” 的继电器，使其输出无效。

通过以上冗余设计原理分析：ASD的控制功能由列车级的主CCU进行控制，根据冗余CCU的主从状态的切换可以判断列车的冗余控制故障还是ASD状态继电器（=43-K41）的线路故障。

例如：

某CRH380BL车HIM屏幕上报16车ASD环路无法建立。充风不能进行，制动无法缓解。查看CCU1为主CCU，切除CCU1，以CCU2为主CCU，ASD环路正常。将CCU1和CCU2的C103板卡进行更换，故障转移到CCU2，更换故障C103板卡后ASD功能正常。利用冗余原理已快速的处理CRH380B6412L、CRH380B6418L等动车组ASD系统故障。

1.2 差动电流报警误触发

CRH3型动车组由2个高压系统组成，其中受电弓升起的单元为列车的主高压系统。列车的中央控制单元（CCU）对列车的高压系统进行监控保护，主要执行的功能有：受电弓的控制、主断路器的控制、车顶高压线路分离开关的控制、主变压器封锁。高压系统相关电压电流的监控由互感器执行。

通過高压系统冗余原理分析：列车中央控制单元（CCU）对高压系统的线电压、线电流、变压器电流进行监控分析，可以将其中之一的冗余CCU切除处理，以判断列车的冗余控制系统故障还是车组的电气线路故障。

某CRH380B（非高寒）动车组8车占用，升2车受电弓，07：59分，1车报CCU 2：差动电流监控：响应软件保护，代码：633B。2车主断、隔离开关自动锁闭，对1车进行CCU软件复位，1分钟后故障再次报出，后切除1车CCU2。车组正常。后续检查发现CCU2的G055板卡检测到的接地电流值存在较大范围的偏移，导致列车报出差动电流故障。该处理方法通过切除冗余CCU的方案，进行应急处理故障判断。利用CCU的冗余设计在快速处理多起网侧过流等多起列车高压系统故障中得到很好的应用。

2.整体冗余设计的应用

2.1 主断无法闭合

动车组高压系统在整体上采用冗余设计，每个牵引单元设计成一个完整的高压系统，两个牵引单元间通车顶隔离开关相连。正常情况下，当本牵引单元和临牵引单元同时满足列车主断闭合的条件时，可以由司机手动闭合本动车组的主断路器；故障情况下可以通过切除车顶隔离开关隔离故障单元，以达到升弓合主断路器的目的。

通过高压系统冗余分析：可以将列车的车顶隔离开关切除，确定故障车组的所在的牵引单元；再通过切除牵引变流器（TCU）和冗余CCU进一步对列车故障快速准确的判断。

某CRH380B车组，00车主控，动车组于兰州西所存车场供电时，02车主断路器无法闭合，并报代码：6305：通过VCB释放环路断开真空断路器经随车机械师检查确认后换升07车受电弓，07车主断仍然无法闭合，利用动车组冗余设计原理，升7车受电弓，切除2车隔离开关，主断闭合；升2车受电弓时，主断无法闭合。判断为2车受电弓所在牵引单元存在故障。随后分别切除该牵引单元两个TCU，故障依然存在；在分别关闭该牵引单元两个CCU，当关闭1车CCU1时主断闭合正常，最终确认为CCU1的C103板卡故障，更换后车组状态正常。该方法已成功运用在车组的运用及维护中且快速处理多起牵引高压系统故障。

2.2 紧急制动试验：紧急制动回路打开有问题

动车组在进行菜单引导的紧急制动试验时，当司机制动阀C23被置于EB位时，列车级制动管理器（TBM）通过列车的WTB和MVB网络由分段制动管理器（SBM）命令本地制动控制单元检查紧急制动回路（EBL）的打开、相关的阀组件及压力传感器等的动作状态。紧急制动回路（EBL）的状态由制动控制单元（BCU）和中央控制单元（CCU）同时进行状态监控。

通过紧急制动试验原理分析：车组进行菜单引导的紧急制动试验时，EBL打开，BCU对回路的打开及制动系统的相关元件进行状态检查，CCU对EBL进行状态检查同时与来自制动控制单元（BCU）的关于EBL打开的状态信号进行判断比较，通过分析紧急制动的网络控制和硬线电路的冗余设计可知，当只有BCU检测到故障时优先检查制动系统相关元件；当只有CCU检查到EBL环路状态故障时检查列车的通信状态；当BCU和CCU同时检查到故障时，优先检查EBL状态继电器。

五、总结

CRH3型动车组冗余设计对列車安全稳定运营起到至关重要的作用，充分理解动车组冗余设计的概念和意义，对动车组的运用及维护至关重要。车组在运用过程中切除冗余的故障部件，可以保证车组的稳定运行；故障诊断时，利用冗余的概念同样可以做到事半功倍的效果。动车组冗余设计为列车的运用维护、故障诊断提出了新思维和新方法，意义重大。

参考文献：

[1] CRH380BL动车组设计概念-列车通信与控制. 唐车公司.

[2] CRH380BL动车组设计概念-司机警惕装置. 唐车公司.