交流傳動機車制動控制器故障檢測與安全導向

項目名稱：

CAB-B標準制動機在新型八軸貨運電力機車的應用研究（X1985R）

魏傳均 毛金虎 劉杰

中車株洲電力機車有限公司

摘 要：

制動控制器的可靠性對于軌道交通車輛行車安全具有重要意義。鑒于此，提出了一種制動控制器故障檢測與安全導向方法，其能有效提高制動控制器可靠性，解決因制動控制器故障導致的列車無法安全停車問題，提高制動系統的可靠性。

0 引言

制動系統是保證軌道交通車輛行車安全的關鍵裝備，制動控制器作為發出制動控制指令的司機操縱設備，其可靠性直接關系到制動系統及機車的安全性。若制動控制器無法發出制動指令，則機車無法正常調速或安全停車；若制動控制器不能正確發出緩解指令，則機車無法正常開行，就會影響鐵路線路的正常運行秩序。因此，提高制動控制器的可靠性具有重要意義。

1 制動控制器結構及電氣原理

1.1制動控制器結構

制動控制器采用組合型結構，集成了自動制動控制單元（以下簡稱“大閘”）和單獨制動控制單元（以下簡稱“小閘”），主要部件包括編碼器、接近開關、微動開關、智能節點、排風閥等[1]，其機械結構如圖1所示。

大閘手柄靠近操作者最近位的是運轉位，往前推依次為初制動位、全制動位、抑制位、重聯位、緊急位，初制動到全制動之間為常用制動區，每個位置相對于水平面的夾角如表1所示。

小閘手柄靠近操作者最近位的是運轉位，往前最遠位為全制動位，運轉位與全制動位之間為常用制動區，每個位置相對于水平面的夾角如表2所示，小閘同時設置帶自復位的側壓單緩位。

1.2制動控制器電氣原理

制動控制器電氣原理框圖如圖2所示。

2 編碼器閘位識別原理

操作制動控制器手柄時，帶動編碼器轉動，手柄在不同的位置時，編碼器輸出對應的編碼值，智能節點通過采集編碼器輸出值，判斷大、小閘手柄所處的位置，輸出相應的閘位，大閘編碼器角度值與閘位對應關系如圖3所示，結合手柄實際操作角度和故障檢測需要，將運轉位下限角度與緊急位上限角度范圍設置為5°。

3 故障檢測與安全導向

制動控制器故障檢測主要針對其機械結構及電氣部件故障進行檢測，主要包括編碼器故障、開關信號故障、智能節點故障，故障導向的原則為優先保障其安全性，保證車輛安全調速和停車。

3.1編碼器故障

編碼器故障具體包括閘位校準故障、編碼器超范圍故障、編碼器與微動開關不一致故障。

3.1.1 閘位校準故障

若校準時操作不規范或校準時編碼器值采集錯誤，則執行校準指令后，會上報校準故障，其判斷條件為大閘運轉位與緊急位校準值角度差值超過68°±4°，小閘運轉位與全制動位校準值角度差值超過56°±4°，檢測到故障后，大閘報自閥故障，小閘報單閥故障，提示操作人員重新校準。同時，閘位校準故障檢測可在出廠時有效檢測手柄機械角度是否符合標準要求。

3.1.2 編碼器超范圍故障

編碼器超范圍故障分為編碼器零點或滿量程輸出，以及編碼器輸出值超過手柄運用角度范圍[2]，具體如下：

（1）編碼器零點或滿量程輸出：編碼器電源線或數據線故障時，編碼器輸出值將為最小值0x0000或最大值0x3fff。若智能節點采集到的編碼器值為0x0000或0x3fff，則判斷為編碼器值輸出錯誤，此時無法根據編碼器值識別正確的閘位。

（2）編碼器輸出值超范圍：正常情況下，大閘運轉位到緊急位的角度范圍為60°～128°，小閘運轉位到全制動位的角度范圍為74°～130°，當編碼器輸出值不在此范圍內時，判斷為編碼器超范圍故障，故障原因可能是大、小閘手柄出現機械松動，或編碼器值偏移，此時閘位識別不準。

發生上述兩種故障時，大閘發送自閥故障和自閥傳感器故障，小閘發送單閥故障和單閥傳感器故障。大閘故障時，制動系統懲罰制動停車，同時閘位導向為重聯位；小閘故障時，制動區失效，通過運轉位和全制動硬線信號實現小閘緩解或制動。

3.1.3 編碼器與微動開關不一致故障

制動控制器主要根據編碼器識別閘位，當編碼器出現偏移時，將無法正確識別閘位，可能造成制動指令失效甚至自然緩解，因此，將編碼器結合微動開關硬線信號輸出最終的閘位，以此提高制動控制器可靠性[3]。

大閘閘位輸出的原則：（1）編碼器與硬線信號取大輸出，制動減壓量大的信號優先級最高；（2）只有當大閘編碼器與微動開關同時處于運轉位時，閘位才輸出運轉位，防止大閘異常緩解。

小閘閘位輸出的原則：（1）小閘運轉位和全制動位的閘位取硬線信號；（2）模擬量根據編碼器值計算，全制動位硬線信號有效時，模擬量被強置為300。

大閘和小閘的閘位輸出邏輯真值表分別如表3和表4所示。

3.2開關信號故障

開關信號故障包括微動開關無法正常斷開、多個微動開關同時有效、單緩接近開關故障。

3.2.1微動開關無法正常斷開

操縱手柄在各區域移動過程中，若編碼器離開該位置時，該微動開關硬線信號仍然有效，則表示編碼器與微動開關不一致。出現此現象時，根據3.1.3節的原則，閘位按照表3和表4輸出。檢測到此故障時，制動控制器上報微動開關故障和自閥故障或單閥故障。

3.2.2 多個微動開關同時有效

由圖2可知，大閘在運轉位、全制動位、緊急位設置有微動開關，小閘在運轉位和全制動位設置有微動開關。當大閘的三個微動開關有兩個或三個同時有效時，則判斷為大閘微動開關故障；當小閘的兩個微動開關同時得電時，則判斷為小閘微動開關故障。

大閘微動開關故障時，制動控制器上報自閥微動開關故障和自閥故障；小閘微動開關故障時，制動控制器上報單閥微動開關故障和單閥故障。

3.2.3 單緩接近開關故障

當接近開關錯誤地輸出高電平時，將導致機車閘缸壓力被緩解，存在安全隱患，因此制動控制器設計了接近開關故障檢測功能，當檢測到單緩位接近開關輸出高電平信號時間超過3 min時，不再采信該信號，將輸出的單緩位復位；當開關高電平信號消失后，再次變為高電平時，再次輸出單緩位。

3.3智能節點故障

智能節點板卡故障主要包括數據存儲器故障和軟件運行異常。

3.3.1 數據存儲器故障

智能節點板卡數據存儲器用于存儲大閘運轉位、緊急位編碼器校準值，小閘運轉位、全制動位編碼器校準值，在進行閘位校準時，將此4個數值存入存儲器，在下一次上電時從存儲器讀取，若存儲器故障，將導致上電后閘位校準值獲取錯誤，無法確定閘位角度基準值，無法正確識別閘位。數據存儲器故障檢測原理如圖4所示，當讀取的大閘運轉位與緊急位校準值角度差值超過68°±4°，小閘運轉位與全制動位校準值角度差值超過56°±4°時，判斷為數據存儲器故障，上報自閥故障或單閥故障。

為了降低存儲器故障造成閘位識別錯誤的概率，在閘位校準時，將校準值存儲在N（N為大于3的奇數）個獨立的地址空間，上電讀取時，從N個地址讀取存儲值，最后取N個數據的中間值，以降低數據存取錯誤的概率，提高制動控制器可靠性。

3.3.2 智能節點軟件運行異常

智能節點具有看門狗功能，當軟件運行異常導致生命信號不再變化時，將觸發看門狗復位功能，智能節點將在1.6 s內重啟，系統恢復正常運行。

4 結語

本文提供了一種制動控制器故障檢測與安全導向方法，能檢測制動控制器編碼器故障、開關信號故障、智能節點故障等，并做出相應的故障導向，提高了制動系統的安全性。該型制動控制器已批量使用，運行良好，滿足新一代自主化制動控制系統的應用需求。

審核編輯：湯梓紅