CR200J型动力集中动车组网络控制及故障案列分析

CR200J型动力集中动车组网络控制及故障案列分析

王俊达  曾友良   肖俊

中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲  412001

摘要：介绍了一种动车组网络控制系统的构成，阐述了该网络控制系统主要功能和特点。该网络控制系统性能优良，稳定可靠，维护方便，符合设计要求，通过故障案列表明查找原因简单直观，分析解决更便捷，大大提高作业效率。

关键词：动车组；网络控制系统，故障案列分析

0、引言

列车通信网络（TCN）作为面向机车控制系统而设计的总线标准，符合IEC61375-1标准。标准规定列车通信网络（TCN）分为两级：用于列车级的通信及控制的绞线式列车总线（WTB）和用于车辆级通信及控制的多功能车辆总线（MVB）。近些年来，列车通信网络（TCN）技术已被广泛应用于国产新型大功率交流传动电力机车、内燃机车、动车组以及城轨等领域，具有较高的可靠性和稳定性。

以太网作为当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，同时也是列车通信网络发展的方向，具有高速率、大容量以及智能化等特点，目前已在部分城轨及动车项目上得到了应用。

1、网络系统构成

1.1网络控制系统概述

网络作为整车控制系统，通过信号采集模块，采集司机的操作指令、列车各个工况下的状态等信号，经过运算及逻辑处理，给出操作列车各部件的控制指令；通过MVB总线和以太网总线实现与牵引控制系统（TCU）、制动控制系统（BCU）、辅助控制系统（ACU）等第三方设备的数据交互；通过以太网实现维护、诊断功能。

1.2网络控制系统拓扑

网络控制系统采用两级总线式拓扑结构分别为列车级总线WTB和车辆级总线MVB，列车级和车辆级数据转换采用WTB/MVB 网关。列车级总线WTB具有动态编组能力，列车级总线具有冗余功能,主要承担重联时网络互联互通功能，同时还采用以太网环网贯穿全车，并且预留重联接口。而车辆级总线MVB是牵引单元内部通信为车辆级通信，采用MVB-EMD总线，网络内部各设备以及第三方设备均连接至MVB-EMD总线上，单元内部的智能设备均采用以太网连接到交换机上。网络控制系统拓扑结构如图1所示：

图1 动力集中动车组动力车网络拓扑示意

注： WTB-Bus为列车总线，MVB-Bus为车辆总线，Lonworks-Bus为现场总线，

1.3网络控制系统配置

1.3.1中央控制单元（CCU）

CCU是一个标准的硬件部件，它接管动力车的所有控制。车内安装有两个CCU，即CCU1 和 CCU2。正常情况下将随机选用一个CCU单元但当目前控制任务，若当前使用的CCU发生故障，另一个CCU单元将接替故障CCU执行所有功能。中央控制单元位于在机械间的低压电器柜中，CCU支撑司机显示屏上的所有指示。

中央控制单元由网关模块（EGWM）、车辆控制模块（EVCM）和事件记录模块（EDRM）等组成，主要实现对列车网络的管理功能，包括控制、监视、诊断和维护等功能。

EGWM作为TCN网关，同时又是CCU的核心部件，主要实现列车WTB总线管理、MVB总线管理、列车重联、TCN初运行、列车控制、状态监视以及故障诊断等功能。在CCU中有两个EGWM，互为热备冗余，默认一个网关工作，另一个网关进入休眠模式。

EVCM主要实现将列车状态和故障数据的整理，并通过MVB总线和以太网总线转发给HMI、EDRM和WTD功能。

EDRM主要实现列车状态数据和故障信息的实时存储功能，根据实际需要，其中状态数据可根据实际需要分为两种记录方式，一种为快速数据，采样周期较快，牵引、制动等与列车控制和安全强相关的数据可以采用快速数据方式进行记录；一种为慢速数据，采样周期较慢，空调、旅服等与列车控制和安全非强相关的数据可以采用慢速数据方式进行记录。

1.3.2输入输出模块（IOM）

输入输出模块包括DXMe、DIMe、DIMe-L和AXMe模块。IOM主要实现输入信号的采集及控制信号的输出等功能。其可通过硬线采集不具有车辆总线接口的设备或控制器的信号，并将其转换为MVB信号发送给CCU，并将CCU的控制指令通过硬线进行输出。例如高压系统部件控制继电器、牵引系统冷却设备供电开关及控制继电器、安全环路状态继电器等设备状态信号均通过硬线进行采集。

1.3.3人机接口单元（HMI）

人机接口单元是网络控制系统的一个重要组成部分，它是控制系统对外信息交流的窗口。主要实现对机车车辆运行数据、各设备状态的显示、故障信息的提示与存储、设备切除与复位以及部分设备控制参数的设置等功能。

1.3.4以太网交换机（ESU）

以太网交换机主要实现各设备通过以太网接口与列车以太网总线的连接，进行以太网数据的交互和转发，实现各设备的数据在线监控、程序远程装载以及数据远程下载等功能，便于列车的检修和维护工作。

2、网络控制系统主要功能

网络控制系统可以实现通信管理、冗余管理、车辆逻辑控制、状态监视显示、故障诊断以及远程维护等功能，从而保证列车安全可靠的运行。并为司机或机械师提供故障处理指南，为检修维护提供数据支持。

3、故障案列分析

3.1故障案列分析一：时速160公里动力集中动车组车辆级牵引封锁故障案例

3.1.1故障问题描述

2020年3月28日，（FXD1-J0009/0010动力车）担当D710次（上海-北京南）客运牵引任务，FXD1-J0010动力车主控。22:43运行至无锡北-戚墅堰普速场上行线K1302km483m处因动力车通讯故障引起惩罚制动停车，断蓄电池大复位后无效，应急指挥对从控FXD1-J0009动力车做无火处置，滚动试验正常，0：01车组（FXD1-J0010单机牵引）发车。

3.1.2现场处理情况

（1）3月29日13：00车组入库，下载FXD1-J0009/0010动力车网络数据进行初步分析，故障发生时车组绞线式列车总线（WTB总线）A线、B线发生通讯故障，中央控制单元CCU判断列车总线节点故障触发车组惩罚制动，从而产生牵引封锁；

（2）动力车给电后，先后在FXD1-J0010、0009动力车司机室显示屏维护界面对车组WTB总线进行导通测试，均出现车组WTB总线A线未导通现象；

（3）检查FXD1-J0010、0009动力车中央控制单元EGWM的WTB总线连接器无松动、缩针现象；检查FXD1-J0010动力车与拖车16重联电缆A线屏蔽层松动，J0010动力车（WTB-A线）重联插座中的A端插针有偏斜；检查FXD1-J0009动力车与拖车1的连接器、重联电缆均正常，无松动、缩针现象；

（4）检查拖车6、7、8连接器、重联电缆插头均正常，无松动、缩针现象；

（5）3月30日，对整列车组WTB总线各线路连接器状态，检查发现拖车10、11之间的重联电缆（WTB-B线）插头-A1针脚缩针且表面粗糙，其他拖车重联电缆及连接器均正常分。

3.1.3故障原因分析

（1）故障履历分析

下载故障履历对数据进行分析查看：【19:14:12】-【00:15:04】从动车组出库开始，FXD1-J0010车一直闪报“列车总线A路故障”，该故障一直持续闪报至00:19:23，将从控车FXD1-J0009断电；【23:17:42】-【23:53:12】期间FXD1-J0010车报出过4次“列车总线B路故障”；【22:43:28】-【23:26:46】期间FXD1-J0010车报出过3次“列车总线节点故障”，CCU检测到该故障会施加惩罚制动，从而产生牵引封锁。

（2）事件记录分析

【18:59:26】FXD1-J0010动力车库内升弓、合主断→【19:14:12】FXD1-J0010动力车出现“列车总线A路故障”→【19:17:08】FXD1-J0010动力车第一次启车，最高速度为18km/h→【19:25:16】FXD1-J0010动力车第二次启车→【22:42:36】动车组运行速度为158km/h，EGWM1为CCU主，WTB错帧数49→【22:43:28】WTB总线错帧数激增为27064，报出“列车总线节点故障”，施加惩罚制动停车→【22:49:34】司机断电大复位整个动车组→【22:51:55】司机重新上电动车组，故障无法消除，司机申请救援，应急指挥采用硬线连接方式持续运行→【00:01:29】司机激活紧急牵引模式动车→【00:11:27】动车组紧急牵引至戚墅堰普速场6道停车→【00:19:23】乘务员将FXD1-J0009车无火处理→【00:46:01】动车组再次发车，期间WTB错帧数一直在增加，此时为198577个；

（3）WTB网络拓扑说明

CR200J-6003动车组的WTB网络拓扑如下图所示。

图2 WTB拓扑简图

故障时刻，CR200J-6003动车组频繁出现列车总线A路故障，列车总线B路故障，WTB总线错帧数激增，CCU通过WTB线缆检测不到重联动力车，判断列车总线节点故障，触发惩罚制动，从而牵引封锁。

线缆测试仪测试

①从J0010动力车启动测试，测试全列线缆，分析测试结果发现J0010动力车与拖车16车连接处， A线连接器有开路现象。

②从J0009动力车启动测试，测试全列线缆，分析测试结果与从J0010动力车启动测试结果一致，发现J0010动力车与拖车16连接处， A线连接器有开路现象。

根据线缆测试仪测试结果，进行全列重联连接器检查：

（1）打开FXD1-J0010动力车与拖车（16车）之间的重联插座，发现J0010动力车（WTB-A线）重联插座中的A端插针有偏斜，见图3。

（2）与J0010动力车（WTB-A线）重联插座匹配的插头A线屏蔽层松动脱落，且插孔朝外侧偏斜，见图4。

（3）检查发现11车厢插头（WTB-B线）-A1针脚缩针且表面粗糙，见图5。可能影响接触件插入深度而影响连接可靠性。

图3 0010动力车（WTB-A线）重联插座插针偏斜图4 与0010动力车（WTB-A线）重联插座匹配的插头A线屏蔽层松动脱落

图5   拖车11重联电缆插头（WTB-B线）-A1针脚

3.1.4案列一分析总结

综上，从现场检查和数据下载后的分析来看，初步认为

（1）由于J0010动力车与拖车16之间的主司机侧（WTB-A线）重联连接器A1插针偏斜插歪，导致动力车持续报“列车总线A路故障”；

（2）由于拖车11插头（WTB-B线）-A1针脚缩针且表面粗糙，导致WTB-B线连接不可靠，致使动力车间断报出“列车总线B路故障”；

由于WTB-A线、B线连接同时断开，导致FXD1-J0010动力车报“列车总线节点故障”，触发惩罚制动，产生牵引封锁。

3.2故障案列分析二：FXD1-J司机显示屏报列供1通信MVB故障、MVB A线故障的案例

3.2.1故障问题描述

2020年8月7日，6013（0077/0084）担任8月8日D727次（深圳-北京）客运任务。公司驻现场售后服务人员与用户一起对6013编组进行相关整备工作，发现0084动力车司机显示屏报：“列供1通信MVB故障、MVB A线故障”，同时列车供电柜显示屏显示TCMS通信故障。

3.2.2故障处置过程

现场组织列供柜厂家深圳通业在段售后服务工程师分别对0084号动力车列供柜机箱内的网络控制板卡及整个机箱进行更换、故障未能消除。TCMS网络系统厂家售后人员对TCU通讯板卡、CCU网关模块、司机显示屏网络插头、MVB网络终端插头等进行逐一排查，均未发现异常。参照MVB总线原理图，对0084动力车MVB总线进行分段排查，发现从主变柜TCU X15B插头至总风流量监测MVB J8插头之间有一个点位不通，进一步排查发现制动柜电气接口箱内部MVB-A与MVB-B 之间点位1不通，详细情况如下图6所示：  

   图6：主变柜TCU X15B插头至总风流量监测MVB J8插头之间有一个点不通

   （1）现场把连接在制动系统电气接口箱上的2个MVB插头（一公一母）拆下，公母插头直接连接在一起（甩开MVB与BCU之间的通讯），此时司机显示屏上“MVB A线故障”消失，报：“BCU通信故障”，此时，给列供供电钥匙后司机显示屏上“列供1通信MVB故障”消失。

（2）现场通知制动系统厂家北京纵横在段服务人员对制动柜电气接口箱进行更换后，司机显示屏上“MVB A线故障”消失、给上列供钥匙后“列供1通信MVB故障”消失。升弓合主断后0084动力车列供系统恢复正常工作状态输出DC600V电压。

3.2.3案列二分析总结

原因分析：（1）制动柜上电气接口箱MVB-A插座点位1与MVB-B插座点位1之间内部不导通，导致0084车出现“MVB A线故障”。

（2）根据动力车MVB网络设计原理，动力车存在A、B两组MVB，当有一组出现故障时，其所接设备自动转换至正常组。但是，此次0084动力车上深圳通业公司所生产的列车供电柜，在MVB总线网络在A线一路故障的情况下，其内部网络控制系统未能自动转换，未实现冗余功能，从而导致了列供系统MVB通讯中断，列供系统无法正常启动。

（3）督促通业公司厂家对列供柜内部控制逻辑进行升级，确保能够实现A、两组MVB互相切换，确保冗余功能有效。

4、结语

动车组网络控制系统将TCN网络和以太网融合在一起，TCN网络作为成熟的列车通信网络，主要负责列车控制指令的传输、关键设备状态的监视和故障诊断，网络控制系统始终贯彻模块化、高冗余性的特点。

参考文献

[1]IEC61375-1：1999，铁道电气设备列车总线第一部分：列车通信网络[S].

[2]粟爱军.中低速磁悬浮列车控制及网络系统[].机车电传动，2012，2012

[3]时速160公里动力集中动车组动力车使用说明1.0版-2017