地铁列车电气系统操作及故障模拟系统设计

地铁列车电气系统操作及故障模拟系统设计

裴云庆刘豁然曹昕张亮亮

中车集团大连机车车辆有限公司辽宁大连116000

摘要：本项目研究设计地面故障模拟试验台，以地铁项目为原型，搭建地铁控制电路仿真模型，可由技术人员进行实际操作、故障设置、故障排查，并对故障现象进行分析研究工作，系统地研制对地铁调试人员的实际能力的提高有着重要的意义。

关键词：地铁列车；电气系统；故障模拟

地铁列车以高速、节能、安全、舒适、大运量、环保等优点越来越受到人们的关注。地铁车载诊断系统对保证地铁列车安全和高效运行起着至关重要的作用。鉴于此，自主设计研制地面模拟系统是必要的；一方面可以为检测国产车辆电子电气部件的接口提供地面试验系统；另一方面可为从业人员技术培训提供一个可行的试验平台。本文以地铁列车为研究目标，对车载诊断系统结构设计和总体功能进行深入的分析和研究，研制地面故障模拟分析系统试验台。该系统能够实现车载系统的教学、培训功能，强化系统的试验功能、演示功能和故障设置功能，确保培训效果达到最大化。

一、列车电气常见的故障模式

列车电器最常见的就是控制信号为继电器控制信号、按钮信号、开关信号等，这些信号比较常见的故障是接触不良、断路等。据此，本系统设计了常见故障的生成电路。在继电器线圈控制回路中接一个故障模拟模块，该模块包含两个电源输入信号和一个切换控制信号，一个输出信号。实际控制信号和输出控制信号之间是一个常闭触点，在正常状态下，继电器受控于实际控制信号。在故障模拟状态下，输出信号由故障生成模拟模块中产生的信号控制。该电路可以有效地实现以下几种故障状态的模拟：接触不良的模拟继电器接触不良导致继电器有时吸合，有时不吸合。接到故障模拟信号始终接地，切换信号在故障模拟控制电路的控制下产生不规则的切换信号，这时，当实际控制信号有信号输入时，继电器不确定的通断，模拟接触不良情况。触点烧蚀可能导致触点断开或者触点无法断开两种故障将继电器控制信号切换到的故障模拟的控制信号上。这时有两种情况，故障监控模块包含关键点监测单元、故障设置和取消装置、列车网络接口、局域网接口四个主要部分在模拟触点烧断时，故障控制信号始终接地，这时继电器始终不吸合。在模拟触电烧蚀短路时，故障控制信号始终接高电平，这时继电器始终吸合。

二、开关信号的故障模拟

开关按钮同继电器一样也有接触不良的故障，因此开关信号的模拟可以参考继电器信号的模拟方式模拟故障。传感器信号的故障模拟采用故障模拟控制器输出超出传感器信号范围的模拟信号模拟传感器故障。系统架构本文设计的模拟系统要求能够模拟车辆的电气系统基本操作功能，根据列车基本操作功能的要求，列车模拟系统完全按照实际列车的电气系统分别设计了每个部分的系统结构。模拟系统网络结构由于列车模拟系统既要考虑到实际列车电器系统的状况，又需要能够监控电气系统的各部件的故障，并能够设置故障点。因此该系统在保留原有的列车网络的基础上，在结构上增加了一个给予TCP/IP的模拟系统监控局域网，使系统成为双层网络结构。列车系统的结构如图1，局域网作为模拟系统的监控、指挥网络，原有的列车网络功能保留，列车网络通过网关受中央计算机控制，两个网络并行工作，互不影响。各个模拟系统部分连接在一起，简化系统连接。各部分相互独立，每个部分都可以实现独立模拟操作，也可以几个部件综合模拟。中央服务器可以对各个系统实现软件模拟，也可以通过监控局域网实现运行状态设置、故障设置等功能。列车系统各模块电器结构本系统是对列车电气系统的模拟，每个电气柜除了需要实现原有系统的电器部件功能外，还需要能够模拟原列车控制PLC的一些基本功能，另一方面，作为故障模拟系统的核心，本系统还具备故障检测和生成的功能。综合以上考虑，模拟系统的每个电气控制柜分别设计了两个部分：①原车电气系统模拟单元，该部分和原车电气线路相一致，实现与列车功能相同的逻辑控制。②列车控制系统的模拟，在实际列车系统中，控制系统都是由独立的控制器完成的，在模拟系统中，由于成本和使用情况的限制，不能直接采用现成的列车控制系统，因此必须采用自行设计的控制系统。本模拟系统对原车电器线路中的控制系统控制逻辑分析和简化，设计相应的控制ECU代替原有的以PLC为基础的控制器。以牵引控制系统为例，原列车的牵引控制系统大功率电机、逆变器及辅助设备构成，在模拟系统中，显然不适合。因此，本模拟系统牵引系统的模拟采用直流调速电机实现，并通过速度传感器反馈速度信号，信号类型保持与原车一致，速度与原车成一定比例，牵引控制系统的控制模拟单元和制动控制模拟单元相结合，制动模拟单元通过计算，得到电机的减速度，输出给牵引控制的模拟单元，牵引控制电机开始按设定减速度减速，模拟车辆开始制动的过程。故障模拟和监控系统故障生成监控单元的目的是模拟电气系统故障、模拟各类信号、监控试验台的运行状态。每个子系统设计一个故障产生及信号监测模块，该单元设计了局域网的接口，所有信号通过局域网连接在一起，每个子系统设计一个基于32位ARM处理器的嵌入式终端，并另外增加一个中央服务器，实时监控各子系统状态，并规划相应的试验。监控层实现了对模拟的列车电器系统实现实时监测的功能，同时也能够通过该模块内置的故障生成单元设置。

三、结束语

随着公司地铁项目的不断增加，对车辆整体质量要求进一步提高，针对现车发生的故障，如何进行准确的分析，快速判断故障原因，成为调试及售后人员应具备的基本技能，然而现车故障种类繁多，如何将多种故障集中展现，培训提高技术人员的故障分析排查能力，并经过故障原因分析，进行综合预防，降低故障率，成为目前的工作重点。

参考文献：

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[2]铁道部运输局.CRH系列动车组故障处理汇编[M].北京：中国铁道出版社，2014.

[3]王绘.基于OPenGL的三维展览应用[D].成都：西南交通大学硕士学位论文，2016.

[4]宋晓伟.地铁列车运行控制视景仿真系统中三维建模技术的研究与实现[D].北京：北京交通大学硕士学位论文，2015.