列车牵引制动指令冲突故障分析

曹楠，杜东伟，刘斐然，魏志恒

（1.北京市地铁运营有限公司运营四分公司，北京 100000；2.中国铁道科学研究院城市轨道交通中心，北京 100081）

地铁车辆对牵引传动系统的安全性、可靠性、稳定性要求很高，若该系统发生故障，严重影响列车的正常运营，对牵引类故障处理方法进行归纳总结。目前，文献对牵引典型故障案例进行分析，文献总结分析了列车牵引制动指令冲突故障分析及改进措施，文献对各城市地铁线路的牵引制动故障进行了总结分析。本文在不改变ATO驾驶的情况下，提出列车牵引制动指令故障的处理方法，预防地铁运营风险。

1 牵引、控制系统组成及特点

1.1 牵引及控制系统组成

北京地铁某线DKZ32型列车沿用了北京10#线东洋电机的牵引及控制系统。

东洋电机主要由牵引、控制系统2部分组成，如图1所示。

一是网络控制系统，主要功能是接收司机控制手柄或自动驾驶系统的牵引、制动指令，并将该指令通过profibus总线进行传递。二是VVVF装置（Variable Voltage Variable Frequency），主要功能是在接收到网络控制命令后，对每节列车的4台180kW三相交流电动机进行相应控制，最终达到控制列车前进，减速、停车的目的。

1.2 牵引及控制系统特点

北京地铁某线DKZ32型列车牵引控制系统在ATO自动驾驶及电制动效果2方面，是运用效果最好的城市轨道交通线路之一。

其电制动装置可以将车速下降到5km/h以下，全自动驾驶停车误差小于±1cm，保证了乘客的乘车舒适度及登乘需求，又因为高效的电制动，大大减少了列车制动闸瓦、闸片的消耗，每年可减少近百万元的维护费用。达到如此效果的其中一个原因就是VVVF牵引逆变器装置控制采用了矢量控制方式，替代了以往做为主流的标量控制方式，提高了牵引电机输出扭矩的控制的反应速度和精度。另外，对外部干扰因素的过渡反应性和追从性的性能卓越，可充分发挥这些特性，实现高速、高精度的粘着控制。

2 DKZ32型列车牵引控制系统

2.1 DKZ32型列车牵引控制系统高压部分

列车牵引控制系统高压部分是由第三轨上部供电方式供电，供电电压DC750V，变动范围：DC500V～DC900V，经VVVF中的IGBT逆变后给牵引电机供电。电机型号为TDK6175-C三相鼠笼型感应电动机，主要参数为 180kW、550V、240A、77Hz、2255rpm/h。

主要工作路径，直流750V电压经过：受流器、断路器箱后向VVVF系统供电并通过IGBT逆变后传送至电机使用。列车牵引控制系统高压部分电路图，如图2所示。

2.2 DKZ32型列车牵引控制系统低压部分

列车牵引控制系统低压部分是由DC110V供电，变动范围：DC77V～DC121V。经司控器手柄变化后转变的PWM信号传输至IO/IF单元，再经IO/IF单元将运行指令传输至VVVF箱内，VVVF箱内的控制放大器在接收到指令后控制IGBT，最终控制牵引电机动作。

主要工作路径，（1）司控器手柄变化后，（2）PMW会向，（3）IO/IF单元输出控制指令，IO/IF单元随后会将信号传送至，（4）VVVF控制箱中，最后通过控制IGBT使牵引电机达到想要的工况。列车牵引控制系统低压部分电路图，如图3所示。

2.3 牵引制动指令控制部分介绍

（1）有关牵引和制动指令的传。DKZ32行列车牵引和制动指令的整个传输过程中主要有3个步骤：①列车牵引力和制动力的控制，分为列车自动驾驶（ATO）模式和手动驾驶（ATP）模式；②编码器电流范围4～20mA，电压范围0～10V，转换成PWM指令传输给列车制动系统、牵引系统；③车辆控制单元接收到指令后对PWM信号进行解码，车辆依据PWM实际值进行制动和牵引。

（2）制动和牵引指令的产生。ATP驾驶模式时其指令主要由司控室的手柄和级位手柄发出，惰行位、牵引位、常用制动位、快速制动位等是主要级位，常用的是制动位和牵引位2种级位。司控器传输到编码器的指令，信号可以通过0～10V的电压来传输，或通过4～20mA的信号对其进行传输，电压实际信号容易实现，但其容易受到干扰，对数据造成影响，所以电压传输信号时，对EMC的设计要注意耦合性干扰，要将编码器安装在司机可以控制的地方，或采用屏蔽性双绞线接地，避免其受到干扰。

（3）有关制动指令与牵引指令的变换。司控器将牵引指令传输给编码器，编码器在将指令传给调制器，脉宽的实际输入电流是4～20mA，电流信号转换成PWM信号后，其信号频率只有几百赫兹，幅值是几十伏。

（4）制动指令和牵引指令的接收。制动和牵引指令转换为PMW信号时，也会将电流传递出来，电流传递时会受电缆长度、辅助逆变器、VVVF等设备的影响，造成PWM信号会耦合噪声电压。

（5）PWM信号的传输线。传输线耦合电压后唯一可以改变的是信号的幅度，不能改变信号的宽度，提高信号抗干扰能力的方法是，通过接收端将电路整形，消除电路内的噪声。

3 PBF故障分析

3.1 案例情况描述

某线YZ012列车5#车发生牵引制动指令同时施加故障，导致列车无法动车、清客救援，造成正线晚点，降低运营服务质量。从故障发生时的事件记录仪的数据及VVVF记录的故障记录来看，判断为下列状态时发生了FAIL中PBF故障。

故障时间段记录仪数据，如表1所示。

表1 故障时间段记录仪数据

当某一车辆的VVVF上发生异常时，调查方法是检查低压接线箱－控制放大器之间的“前进/倒车”“牵引/制动”配线上有无错误配线或混合接触。控制装置故障调查方法，如表2所示。

表2 控制装置故障调查方法

3.2 故障查找与分析

（1）故障查找。首先，技术人员按照要求，对相应所有接线进行了仔细排查。在确认接线状态良好，且多车陆续出现问题后，技术人员将接线及插头的可能性排除。主要检查点，如图4所示。

随后，开始比对所有故障车的时间记录后发现，所有车的故障地理位置完全统一。宋家庄出站后720m，此时为R=350m的大弯道。亦庄火车站为下行出站后180m，此时为下行至上行的道岔。宋家庄站故障点和亦庄火车站故障点，如图5所示。

为了验证是否为软硬件设计缺陷问题导致，开始逐一分析各项技术指标、软件逻辑、硬件设计等因素。在调取电机故障时故障参数时，发现故障时R倒退方向存在制动电流Iq[A]。故障时R方向存在制动电流Iq[A]图，如图6所示。

（2）故障点确认。从故障发生时的事件记录仪的数据、VVVF记录的故障记录来看，判断为下列状态时发生的PBF。①在ATO自动驾驶，牵引状态时；②ATO输出的牵引量指令非常小（20%以下比手柄操作时，牵引1级还小），当①和②同时成立的状态下，VVVF输出扭矩电流（Iq）的值变为50A以上（制动方向），将造成列车PBF故障。

3.3 问题分析

（1）轮径问题。地铁列车正常轮径在770～840mm之间，某线DKZ32型列车每节列车的轮径差没有要求，而故障车的轮径均在780～800mm之间，且临近的两节列车的轮径均在830mm以上，各节车轮径差超过30mm。而每节列车在接收到的牵引指令大小一样的情况，电机实际的负载，工况存在差异。

（2）轮轨问题。在核对轨道线路图后发现，发生故障时列车正在通过道岔，或半径较小弯道，轮轨配合条件较为恶劣，对电机会存在部分影响。

综上所述，在轮径差较大且列车通过道岔时，若ATO输出了一个较低的牵引指令时，因车轮空转或其它机械原因造成转子速度大于定子速度，并随之产生制动电流，最终引发了此故障。

3.4 改进措施

（1）软件更改。针对上述情况，对牵引控制软件进行了修改更新，在牵引指令较低，制动电流较小时不再认为是故障情况。

（2）修改说明书。东洋对产品说明书，故障处理建议进行修改，增加内容如下：①前进指令（4号线）和后退指令（5号线）同时得电时；②牵引指令（12号线）和制动指令（5号线)）同时得电时；③TMS牵引指令（M122号线）和TMS制动指令（M123号线）同时得电时；④在牵引状态下，制动方向的扭矩分电流（Iq）大于50A时；⑤电制动状态下，牵引方向的扭矩分电流（Iq）大于50A时。

（3）镟轮要求。列车镟轮时，避免各车之间的轮径差大于30mm，确保各设备在最佳状态下工作。

4 结语

对于牵引、制动指令同时存在的故障，本文在不改变ATO驾驶的情况下，提出了相应的解决措施，结果表明措施有效并根除了类似故障，同时在故障查找时应先明白电机原理，从底层数据和电路图分析入手，深入了解各系统之间的配合关系，这样才能有效清除故障，确保地铁的安全运营，提高运营的服务质量。