短编动车组风源系统启停控制研究

王业泰，孙环阳，鲍江宁，章 萍

（南京中车浦镇海泰制动设备有限公司，江苏 南京 211800）

0 引言

风源系统是动车组的核心系统之一，现有动车组（4辆～8辆编组）的风源系统一般配有两套主空压机，由主空压机为全列车制动系统、空气弹簧、风笛、撒砂系统等提供压缩空气，针对两套主空压机的启停控制，一般采用基于硬线电路的同步启停控制或基于网络的主辅控制。根据车型配置特点，不能通过网络实现主辅控制时，有必要研究一种基于硬线电路的主辅控制方法，以满足车辆设计需求。

1 空压机管理原则

为更好地实现主空压机 （以下简称空压机）启停控制，空压机控制需遵循以下原则[1]：①满足制动系统等设备的用风需求；②每套空压机组工作时间尽量保证一致；实现检修周期和使用寿命的一致性；③每套空压机组尽量少的启动次数，保护电机并减少空压机损耗；④空压机组每次启动后运行时间尽可能延长，保持机油的干燥状态，降低空压机润滑油乳化概率；⑤需要满足车辆供电系统的要求。

2 空压机控制方式

基于空压机管理原则，目前空压机的控制方式主要有基于硬线电路的同步启停控制和基于网络的主辅控制。

2.1 同步启停控制

同步启停控制为一种简单的控制方式，主要基于硬线电路控制，主要应用于制动系统为单元编组管理的动车组中，如图1所示。

图1 同步启停控制Fig.1 Synchronous control of start-stop

当任一空压机所在的制动控制单元（以下简称BCU）检测总风压力低于一定压力阈值时（如780kPa），便输出空压机启动信号，该启动信号通过列车贯通线同时输入至所有空压机，所有空压机会同步启动（考虑空压机启动时的冲击电流较高，防止损坏车辆电源，部分车型会设置延时继电器进行错峰启动）。

当BCU检测总风压力高于一定压力阈值时 （如880kPa），会停止输出空压机启动信号，当所有BCU均停止输出空压机启动信号后，空压机启动贯通线失电，所有空压机会同时关闭。

2.2 主辅启停控制

主辅控制主要基于车辆网络（如多功能车辆总线，简称MVB）进行空压机的启停控制。

2.2.1 主辅选取

主辅控制需要设置作为主要启动的空压机 （以下称主空压机）和辅助启动的空压机（以下称辅空压机）。正常情况下，仅启动主空压机，当总风压力低于一定压力值时，再启动辅空压机。为保证每套空压机运行时间相近，在两套空压机中轮流选择一套作为主空压机。

常见的做法有[2]：①单双日控制：根据日期，单日选定两套中的一套空压机作为主空压机，双日则选定另一套空压机作为主空压机；②工作时间统计控制：统计各空压机的工作时间，优先启动工作时间较少的空压机，协调控制保证各空压机工作时间接近；③列车运行方向控制：根据列车运行方向，比如选定靠近列车前进方向的空压机作为主空压机，则另一套空压机为辅空压机。

2.2.2 管理机构

管理机构通常由以下两种：

（1）由BCU进行空压机的管理。控制架构分为3层级，见图2，第1层为TBM，由TBM通过WTB总线向各单元的SBM（单元制动管理器）发送指令，获取空压机的状态消息；第2层为SBM，SBM通过MVB总线向本单元内配置有空压机的LBCU（车辆制动管理器）发送TBM指令，获取空压机状态信息；第3层为配置有空压机的LBCU对本车的空压机进行直接控制。

图2 空压机控制架构Fig.2 Control framework of compressor

（2）由列车控制与管理系统（简称TCMS）进行空压机的管理[4]。配置有空压机的BCU将压力传感器采集到的总风压力信息通过MVB传给TCMS，由TCMS进行空压机启停的统一管理。

2.2.3 正常模式

无论BCU还是TCMS管理空压机的启停，正常工作模式下均通过网络进行信息交互，通常设置3个总风压力阈值进行空压机的启停控制，见表1。

表1 正常工作模式Tab.1 Normal control mode

当总风压力值低于一定压力（如阈值2）时，启动首选空压机。列车正常用风工况下，1台空压机的供风能力可以满足列车用风需求，这样就可以使得该空压机启动后运行时间尽量长。

当总风压力低于一定压力（如阈值1）时，为了增强风源系统的供风能力，两台空压机均启动，为了减小两台空压机同时启动对中压供电系统的冲击，对共用1套中压供电系统的2台空压机进行错峰启动，首选空压机延时T1秒，次选空压机延时T2秒。

当总风压力上升超过一定压力（如阈值3）时，会停止所有空压机。

2.2.4 网络异常

基于网络的空压机主辅控制策略的实施必须借助列车通信网络来实现。在通信失效等故障工况下，这一控制策略随即失效。基于故障导向安全一般通过以下方式启动：

（1）由BCU进行空压机的管理。配置有空压机的LBCU无法通过网络接收到SBM发来的有效控制信息，而且总风压力低于一定压力时（如低于阈值1），LBCU控制本车空压机启动。启动时同时进行错峰启动。当总风压力上升超过一定压力（如阈值3）时，且没有接收到SBM发来主空压机有效停止信号时，自行关闭本车的空压机。

（2）由TCMS进行空压机的管理。设置有强泵开关[4]，列车网络通信异常时，通过闭合强泵开关进行强行启动空压机。

3 短编动车组的空压机控制

短编动力分散型动车组 （如4辆编组的2动2拖），一般设置两台辅助变流器（简称SIV），当一台SIV故障时势必导致整车空压机及空调系统减载。

空压机作为制动系统的风源设备涉及到行车安全，因此SIV不能在单点故障情况下主动切除空压机。

考虑车型设计平台为基于硬线电路的空压机同步启停控制方式时 （见2.1节），需对空压机控制方式进行调整，以满足以下要求：

（1）正常1台空压机工作，即使1台SIV故障也不需要切除其他SIV用电设备。

（2）需要两台空压机启动，同时1台SIV故障时，能提前切除其它用电设备，以满足两台空压机启动的要求。

根据现有空压机的控制方式，本文设计了基于硬线电路的主辅控制方式（以列车为4辆编组为例，并假定空压机位于1号车和4号车）。

4 基于硬线电路的空压机主辅控制

4.1 主辅选取

两头车BCU按照TCMS日期信息和车号信息识别主空压机。识别条件：①控制主空压机的BCU（以下简称M-BCU）；②控制辅空压机的BCU（以下简称S-BCU）。

网络通信异常时：BCU使用内部日期进行M-BCU，S-BCU的判断。

图3 空压机主辅选取Fig.3 Main-auxiliary selection of compressor

4.2 电气回路设计

在图1的基础上增加空压机同步电路切除信号 （以下简称“同步切除”信号），如图4所示，为防止“同步切除”继电器故障等导致的同步电路无法恢复，在“同步切除”常闭触点电路上并联同步电路控制开关 （以下简称“控制开关”）。

4.3 正常模式

各车BCU采集的总风压力值低于一定压力 （如表1的阈值2）时，控制闭合BCU内部的调压器信号（以下简称GOV）如图4所示。M-BCU车的“同步切除”继电器为常失电，此时，M-BCU所在车辆的CMK接触器得电，本车空压机启动。同时，S-BCU车的“同步切除”继电器为常得电，空压机同步启动回路断开，则CMK接触器失电，SBCU车空压机不启动。列车正常用风工况下，1台主空压机的供风能力可以满足列车用风需求，这样就可以使得该空压机启动后运行时间尽量长。

各车BCU采集的总风压力值低于一定压力 （如表1的阈值1）时，即发送“空压机同步预启动”信号给TCMS。S-BCU控制本车“同步切除”继电器延时失电（考虑1台SIV故障时，需提前切除其它用电设备），空压机同步启动回路贯通，则CMK接触器得电，S-BCU车空压机启动，同时，2台空压机进行错峰启动，如表1。

TCMS检测到任意一台BCU发送的 “空压机同步预启动”信号时，根据当前SIV状态进行相应控制（若SIV故障则切除其他用电设备，如空调）。

图4 主辅控制回路Fig.4 Main-auxiliary control loop

当总风压力上升超过一定压力（如阈值3）时，各车BCU均断开GOV，两台空压机停止运行。

4.4 故障模式

基于故障导向安全原则，需同时考虑故障模式：

（1）总风压力传感器异常。BCU检测到本车总风压力传感器异常时，通过网络使用另一车BCU的总风压力信息进行正常控制，若此时检测到另一端BCU生命信号异常，则本车BCU停止GOV控制。

（2）“同步切除”回路故障。BCU实时检测“同步切除”电气回路，当检测到输出不一致时，向TCMS传输“BCU切除空压机输出回路故障”，TCMS接收到故障信号后，司机通过闭合本车“控制开关”，以短接“同步切除”信号触点，待运营到终点进行处理。

4.5 运用情况

以上基于硬线电路设计的空压机主辅控制方式实现了网络主辅控制的功能，并满足本文第3节中车辆的特殊要求，本控制方式已批量运用于国内短编动力分散型动车组中，运用表明风源系统的性能能够满足运用要求。

5 总结

本文结合现有动车组的空压机控制方式，根据整车车型设计特点及要求，基于现有硬线电路实现了空压机的主辅控制，实现了网络主辅控制的功能，并满足车型的特殊要求，本控制方式在国内动车组中得到了成功运用，其控制模式合理，功能完善。