DKZ32型列车网络控制系统故障分析

2022-08-30田云峰宋天浩

科技创新与应用 2022年23期

刘洋，杜峰，田云峰，宋天浩

（1.北京市地铁运营有限公司运营一分公司，北京 102209；2.中国铁道科学研究院城市轨道交通中心，北京 100081）

列车网络控制系统（TCMS）为关键核心系统，是集列车的控制、监控和诊断为一体的集成控制系统，能为列车各子系统和模块提供各种实时控制信息，完成对列车的控制[1]。目前，有文献对列车控制网络典型MVB通信故障进行分析[2-7]，有的文献分析了成都地铁各线网络控制系统的优缺点，提出了后续改进建议[8-12]，还有的文献对广州地铁列车网络控制及诊断系统进行了总结和分析[13-19]。本文对北京地铁某线列车网络控制系统故障进行了分析，提出有效的解决对策。

1 PROFIBUS简介和特点

1.1 PROFIBUS简介

随着通信技术的蓬勃发展和广泛应用，工业控制对现场信号采集、传输、数据转换的要求越来越高，现场总线就是把传统的数字信号和模拟信号，变成全数字信号系统。PROFIBUS是Process Field Bus的简称，是现场总线的一种，其是1991年4月发表的德国标准，PROFIBUS具有国际化、开放式的特点，不依赖于设备生产商的现场总线标准，此标准无知识产权保护，任何人都可以将其应用到软、硬件的设计方案当中[20]。

1.2 PROFIBUS特点

PROFIBUS具有良好的稳定性和普遍性，目前广泛应用于制造、交通、电力等系统，其良好的适用性可以在任何微处理器上实现，在处理器上安装异步串行通信接口可以保证设备运行，数据传输速率超过500 Kbit/s，应使用专用芯片，其是一种用于自动化监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，实现设备层到监控层的数字控制和现场通信网络，为实现自动化控制和智能化监控提供行之有效的解决方案[20]，其具有良好的控制技术。

（1）时间控制技术。其能将RS485物理层上和链路层上不同的时间参数那么定量定性出来，这在一般的总线中很难看到，所以用其来实现精确的运动控制系统，如果将该技术扩展，那就可以实现精确的分布式总线控制系统。

（2）独特的诊断技术。通过用指示灯、信号标记，或者SOE事件顺序记录等方式进行故障诊断，从实际应用中看这种诊断机制设计合理，方便维护。

（3）多主站系统。令牌环式的多主系统比较适合于控制系统，而且因为是多主系统，因此应用范围广泛，比如说北京地铁某线DKZ32列车，日本东洋电机在车辆控制网络监控系统中就是双主站应用，两条链路互为冗余备份，提高了列车控制及监控网络的可靠性。

2 北京地铁DKZ32型列车PROFIBUS应用和故障现象

2.1 北京地铁DKZ32型列车PROFIBUS应用概述

北京地铁某线DKZ32列车信息系统由进行列车牵引/制动控制等重要设备控制的网络控制系统和进行车辆状态监控及空调等服务设备控制的监控传送系统构成，进行各设备的控制及列车的运行、维修作业的支援等。本列车信息系统主要分为网络控制系统和监控传送系统2种，各传送系统分别具有不同的构成。

网络控制系统为传送、牵引及制动的控制等车辆的运行有关的信号的传送系统。采用PROFIBUS传送方式，传送速度为1.5 MB/s。另外，网络控制系统为了达到冗余化由1系及2系构成二重系统。作为冗余系的构成方法，通常1系及2系都进行控制运算，但仅将1系的输出，1系发生异常时通过将2系的控制演算输出继续进行列车的控制。因为如果1系、2系都发生异常（二系统故障）时将不能进行网络控制，将会把司机提示灯（控制传送异常）点亮，向VVVF装置及制动控制装置等输出网络控制异常信号。

监控传送系统为使用于进行所连接设备的状态信息传送及空调等服务设备的控制的传送系统。传送系采用PROFIBUS传送方式，传送速度为1.5 MB/s。监控传送系的传送回路为一重系，因为在母机的监控装置故障等不工作的情况下传送系将不能发挥功能，通过在两个头车设置监控装置实现冗余化。通常仅使一侧的监控动作，传送停止时启动另一侧的监控装置，继续进行传送。另外，与其他装置通过串联通信传送进行信息的交换。与SIV装置、VVVF装置、制动装置、门装置、空调装置、PIDS、ATO、显示控制器以RS-485连接。DKZ32型列车PROFIBUS监控系统将司机室MON为主站，客室IO/F模块为子站进行通信，各客室IO/F模块接收列车如牵引、制动、客室门等数据通过PROFIBUS总线传送至MON，保证司机室通过TMS进行监控，如图1所示。

图1 PROFIBUS总线原理图

2.2 北京地铁DKZ32型列车PROFIBUS故障现象

DKZ32型某列车运营一段时间后，4号车经常出现该PROFIBUS子站死机，死机位置，如图2所示。经检查发现此控制板指示灯从正常绿色工作灯转变为红色故障灯状态，如图3所示。可判断为该模块板卡已停止工作。故造成4号车列车监控节点停止工作，TMS无法对4号车进行监控。根据前述PROFIBUS现场总线原理分析可知，该列车故障实际上是PROFIBUS网络故障的一种节点掉站故障。

图2 PROFIBUS子站死机位置示意图

图3 控制板红色故障灯示意图

3 北京地铁DKZ32型列车PROFIBUS典型故障原因及分析

3.1 节点掉站故障原因分析

①网络插头故障。插头内部故障如内部接线短路，会导致通信模块死机，针对此可能性，首先检查插头内是否有如金属丝等影响插头工作的异物，后对相关插头进行更换，故障依旧存在。②接线有破损。检查未发现接线有破损、虚接等异常情况。预防性更换有关接线，故障未消失。③中间网络插头开关位置不对。通过检查发现网络插头各开关位置正确。④通信模块损坏。更换IO/F模块后故障依旧存在。⑤接线错误。检查各接线、线号正确、选型正确。⑥异常干扰。从上述维修结果看，排除外部硬件及人为设置失误后，干扰问题造成此次故障的可能性最大，为此，进行了重点分析、维修。

3.2 干扰来源分析

①动力系统。VVVF牵引控制系统内部的IGBT等大功率电力电子器件不定时地进行高速开、关的转换，产生大量的高频电磁波、污染整个通信网络，并产生大量高次谐波。②动力设备。大型电机、风机、压缩机启动时，瞬间电流达到额定电流的6倍，会产生大电流干扰。③电源干扰。设备未加装隔离和滤波，电源波形畸变和高次谐波会通过供电系统影响现场总线。④接地系统混乱的干扰。错误的接地不能起到抑制电磁干扰的作用，接地点电位分布不均，会产生电位差，两者都会导致系统紊乱，无法正常工作。

3.3 针对干扰可能性进行处理

①针对动力系统。通过示波器检测到动力信息传输线存在瞬间异常电压，为此更换整车VVVF控制系统，故障未恢复。②针对动力设备。通过示波器检测到牵引电机启动会导致通信回路有异常电压，进而更换牵引电机。伏流风机等列车上电后持续系统或季节性启动设备排除在干扰源外。③针对电源干扰。列车有良好的滤波设备，且其他号车使用相同电源故电源干扰可能性较低。④针对接地系统混乱的干扰。通过使用电质量分析设备进行监测发现，4、5号车接地之间最高产生过24 V电压，正常PROFIBUS通信工作电压为±5 V，各站点间接地电位差过大，可能会导致通信受到干扰死机掉站，针对此问题进行了重点分析。

3.4 接地干扰问题概况

①接地原则。首先，根据接地标准通信设备接线应远离动力线，因列车体积有限，此情况无法满足。其次，动力设备接地应远离通信等低压设备接地，或动力设备接地要比低压设备接地更接近近地端，用于地铁车辆近地端可视为轮对。保证动力电不会经过通信等低压设备地线而直接流入大地。②DKZ32型列车接地情况。低压设备接地箱位于车体中部，车体两侧转向架区域为高压设备接地汇流排，车上高、低压设备接地已尽可能相互隔离。③接地与干扰分析。零阻抗、零电位才是理想地线，在设备内部，地线既有电阻又有电抗，电流通过设备时，地线会有压降；地线和其他线路有电流通过时会形成环路，并且产生电势，地阻干扰和环路干扰2种情况都会对设备产生干扰。考虑车厢与车厢之间电压差，共模干扰就是线地间的干扰。而地线上的共模干扰比较特殊，一般由电子设备的接地端子上对地杂散电流所产生的压降，以及接地平面上不同接地点之间的电位差，它也是串联在信号回路中，对较小的设备而言，可忽略不计，但对配置较远的两个电子设备，如IO/F通信模块两设备相距60 m，对电子设备的干扰可能性就较高。④针对接地干扰问题处理方法。通过前期的分析、维修、总结最终决定对此列车接地进行调整。弃用4号车自身接地线，使用4.5 mm2备用线将3号车接地线引用至4号车，减小车与车之间电位差，降低接地干扰。

4 北京地铁DKZ32型列车故障处理总结

在进行接地改造后，列车控制网络的监控系统稳定性得到明显改善，目前车辆在运行中未再发现故障。通过对通信报文捕捉波形可以看到，在接地系统改造之前，4号车监控通信波形由于接地干扰，方形波已经严重变形失真，很容易造成系统通信中断从而使4号车失去监控，如图4所示，而在接地改造之后，列车监控网络波形得到明显改善，如图5所示。

图4 通信波形受干扰变形失真

图5 改造后波形恢复情况

5 结束语

①根据列车网络发生故障，应根据具体情况进行具体分析，并从设计源头上进行改善，从而有效降低故障率的发生。②做好前期预防工作，上车前并组网测试和例行试验，对TCMS设备相关潜在问题做到及早发现，并作出针对性优化。③对PROFIBUS网络设备的接地环境改造，能够有效减少干扰，提升网络通信质量，从而消除列车监控节点掉站造成的故障。但其安装空间、电源、接地受环境影响会有一定的局限性。参考文献：

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