高速动车组冗余设计在列车故障诊断中的应用

商石磊[1],贺静

摘要：本文通过对高速动车组通信总线、整体控制方式、核心部件的冗余情况的研究分析，提出了高速动车组故障诊断方法，尤其在如何快速准确确认故障点方面，提供了新的有效手段，拓展了故障处理思维，打破了以往的故障处理常规，得到了动车组运用、维护中故障处理的新思维和新方法。

关键词：冗余设计；高速动车组；故障诊断；新思维新方法

高速动车组运行速度高，控制系统复杂。为了提高车组运用的安全性与可靠性，保证单个元件的损坏不会影响列车的正常运行，采用冗余的方式对高速动车组的设计是必须的，充分利用高速动车组的冗余设计概念可以提高动车组故障诊断效率。

1列车通信总线的冗余设计

CRH3型动车组为4动4拖8辆编组，两个牵引单元，其控制系统主要采用列车级-WTB（Wire Train Bus）列车总线、车辆级-MVB（Multifunction Vehicles Bus）多功能车辆总线两级总线构成的TCN列车控制网络。CRH3型动车组网络拓扑结构如图1所示：

图1 CRH3网络拓扑结构

CRH3型动车组通信系统在冗余上WTB和MVB是类似的，各个数据总线通过Line A和Line B同时发送相同的数据，但相关的设备只从其中一条线路接受数据，此线路称作信任线，设备同时监视另一条线路，此线路称为监视线。当满足一定条件时，设备交换信任线和监视线。

2 列车整体控制方式冗余分析

CRH3型动车组高压系统、牵引系统、制动系统等控制都是由列车的网络控制系统完成的，出于列车安全性的考虑，相关的系统都设有硬件的保护电路。其中每个牵引单元设有一个完整的高压系统，车顶隔离开关用来隔离故障牵引单元，紧急关断环路用于高压系统故障情况下的紧急关断；牵引系统设有系统输入输出旁路模块（SKS）；制动系统设有紧急制动环路、乘客紧急制动环路、停放制动监控环路、制动缓解环路等相关的安全环路；门系统通过车门关闭的硬线信号检测车门的关闭状态，以保证车组的行车安全。

3 列车核心部件的冗余

为了提高高速动车组的安全性和可靠性，CRH3型动车组的列车网络控制系统的核心部件如中央控制单元、网关、输入输出接口都采用冗余设计，同时在辅助供电电路的设计中，考虑了冗余的负载由不同的供电母线供电，提高了辅助供电系统故障情况下网络设备的可用性。CRH3型动车组网络控制系统的核心部件冗余情况如表1所示：

核心部件	工作状态
中央控制单元（CCU）	完全冗余，正常工作一主一从，主CCU用于控制，从CCU用于监控；主从CCU都有对高压系统硬件的保护功能
人机接口（HMI）	两个显示屏均有显示的功能，其中右屏为左屏，故障时可以人工切换
网关	完全冗余，和中央控制单元（CCU）在一个机箱内，与CCU进行同时转换，
输入输出接口（SKS）	两个SKS同时工作，重要的输入输出单元互为冗余

表1 核心部件冗余

4 利用冗余设计进行列车故障诊断

4.1 核心部件冗余设计的应用

CRH3型动车组每个牵引单元的两个冗余CCU（中央处理单元），一个处于主控状态（主CCU），另一个处于热备状态（从CCU），如果主CCU发生故障，则原来的从CCU将转换为主CCU，但主从CCU同时对列车的高压系统进行监控保护。CCU的冗余控制如图2所示：

图2 CCU冗余控制

列车CCU状态正常继电器=22-K52，=22-K54分别向本CCU反馈另一个CCU工作正常信号，当CCU故障时，故障CCU状态正常继电器将失电。列车CCU为主CCU状态继电器保证了CCU为主时的控制功能。利用以上冗余控制原理可以很好的处理CCU引发的相关系统的故障。

（1）ASD紧急制动不缓解故障

操作ASD元件的情况下，通过断开两个ASD输出来切断ASD回路。如果司机室处于无人状态（例如在从动牵引单元中），执行ASD功能的软件无效。此外，如果CCU1（CCU2）是主控的，CCU2（CCU1）通过切断 “CCU2（CCU1）为主控” 的继电器，使其输出无效。原理如图3所示：

图3 ASD原理图

通过以上冗余设计原理分析：ASD的控制功能由列车级的主CCU进行控制，根据冗余CCU的主从状态的切换可以判断列车的冗余控制故障还是ASD状态继电器（=43-K41）的线路故障。

（2）差动电流报警误触发

CRH3型动车组由2个高压系统组成，其中受电弓升起的单元为列车的主高压系统。列车的中央控制单元（CCU）对列车的高压系统进行监控保护，主要执行的功能有：受电弓的控制、主断路器的控制、车顶高压线路分离开关的控制、主变压器封锁。高压系统相关电压电流的监控由互感器执行，原理如图4所示：

图4 高压系统监控原理

通过高压系统冗余原理分析：列车中央控制单元（CCU）对高压系统的线电压、线电流、变压器电流进行监控分析，可以将其中之一的冗余CCU切除处理，以判断列车的冗余控制系统故障还是车组的电气线路故障。

4.2 整体冗余设计的应用

（1）主断无法闭合

动车组高压系统在整体上采用冗余设计，每个牵引单元设计成一个完整的高压系统，两个牵引单元间通车顶隔离开关相连。正常情况下，当本牵引单元和临牵引单元同时满足列车主断闭合的条件时，可以由司机手动闭合本动车组的主断路器；故障情况下可以通过切除车顶隔离开关隔离故障单元，以达到升弓合主断路器的目的，主断的工作原理如5所示：

图5 主断控制原理图

注：

=21-K17 enable VCB：本单元VCB使能继电器；

=21-K18 enable VCB：本单元VCB使能继电器；

=21-K35 enable VCB activation：本单元VCB使能激活继电器；

=21-K17 enable VCB from partner TU：临单元VCB使能继电器；

=21-K18 enable VCB from partner TU：临单元VCB使能继电器；

=21-K35 enable VCB activation from partner TU：临单元VCB使能激活继电器；

通过高压系统冗余分析：可以将列车的车顶隔离开关切除，确定故障车组的所在的牵引单元；再通过切除牵引变流器（TCU）和冗余CCU进一步对列车故障快速准确的判断。

（2）紧急制动试验：紧急制动回路打开有问题

动车组在进行菜单引导的紧急制动试验时，当司机制动阀C23被置于EB位时，列车级制动管理器(TBM)通过列车的WTB和MVB网络由分段制动管理器（SBM）命令本地制动控制单元（L-BCUs）检查紧急制动回路（EBL）的打开、相关的阀组件及压力传感器等的动作状态。紧急制动回路（EBL）的状态由制动控制单元（BCU）和中央控制单元(CCU)同时进行状态监控。紧急制动原理如图6所示：

图6 紧急制动原理

通过紧急制动试验原理分析：车组进行菜单引导的紧急制动试验时，EBL打开，BCU对回路的打开及制动系统的相关元件进行状态检查，CCU对EBL进行状态检查同时与来自制动控制单元（BCU）的关于EBL打开的状态信号进行判断比较，通过分析紧急制动的网络控制和硬线电路的冗余设计可知，当只有BCU检测到故障时优先检查制动系统相关元件；当只有CCU检查到EBL环路状态故障时检查列车的通信状态；当BCU和CCU同时检查到故障时，优先检查EBL状态继电器。

5 总结

CRH3型动车组冗余设计对列车安全稳定运营起到至关重要的作用，充分理解动车组冗余设计的概念和意义，对动车组的运用及维护至关重要。车组在运用过程中切除冗余的故障部件，可以保证车组的稳定运行；故障诊断时，利用冗余的概念同样可以做到事半功倍的效果。动车组冗余设计为列车的运用维护、故障诊断提出了新思维和新方法，意义重大。

参考文献

[1] CRH380BL动车组设计概念-列车通信与控制. 唐车公司

[2] CRH380BL动车组设计概念-司机警惕装置. 唐车公司

[3] CRH380BL动车组设计概念-牵引系统. 唐车公司

[4] CRH380BL动车组设计概念-高压系统. 唐车公司

作者简介：商石磊，男，工学学士学位，工程师，从事动车组售后服务工作。

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