中铁第四勘察设计院集团有限公司 430063
摘要：随着电力电子技术的高速发展，微处理器、开关元件愈发成熟。以电气控制柜逻辑控制单元为代表的无触点电子控制回路具有成本低、故障率低、能直接驱动负载等诸多优点，且电气控制柜在机车领域已有一定程度的应用，虽然目前在城市轨道车辆领域应用较少，但使用电气控制柜来取代传统的以继电器为核心的有触点控制回路成为了下一代城铁车辆控制领域的发展趋势。
关键词：城市轨道车辆；电气控制柜；模块化设计
各城市继续扩大在建、规划线路的时候，持续加大投资额，提升了建设速度。随着投资规模的扩大，对地铁车辆的需求数量越来越多、质量要求也越来越高，而降低车辆的故障率、晚点率及清客率成为衡量城铁车辆质量的主要指标。因此对城市轨道车辆电气控制柜的模块化设计进行优化非常有必要。
1.电气控制柜的模块化设计对城市轨道车辆的重要性
城铁车辆电气控制柜作为车辆低压控制回路的中枢，一般采用框架式结构，负责本车低压控制下的直流配电、列车牵引制动等逻辑控制、牵引系统控制中心及车辆电气节点，承担车辆车门开关、自动驾驶转换、升降弓、重联等功能的控制。现有车辆在控制过程及信息传递中，各项功能多是由柜内大量的时间继电器、中间继电器来具体完成。每列车继电器数量达几百个之多，因继电器故障引发的事故也越来越多，因而，针对其存在的问题，研发新一代产品，以降低电气控制故障率。综合电气控制柜采用功能单元模块模式设计，将电源转换、信息显示、漏电保护模块、空调控制模块、逆变器控制模块、信号传输模块等单元模块集成在综合电气控制柜内。控制柜采用框架结构，各电气单元模块通过柜体框架安装板灵活安装。电气控制柜与柜外其相关电气模块采用连接器进行连接。
2.电气控制柜模块化的方案设计
2.1电气控制柜工作条件和技术参数
目前结合我国整车及电气柜柜体的结构特点，以及需要取代的继电器情况，电气控制柜需满足以下工作条件：
电气控制柜使用的环境参数
符合GB/T25119-2010标准中的环境条件部分；
环境温度范围：-20°C〜+50°C；
最高海拔高度：2000m；
存储温度范围：-40°C〜+85°C；
防护等级：IP30；
散热方式：自然冷却。
电气控制柜的机械结构参数
尺寸（L*W*H）：不得超出电气柜框架尺寸，安全尺寸应控制在小于480*250*300mm的框架内；
安装方式：机架式螺栓紧固安装；
重量：考虑电气柜铝合金框架的承载能力，最大重量不超过20kg。
电气控制柜的电气参数
系统电源：DC110V标准中的电源部分，功耗＜100W；IO通道数量：电气控制柜设备提供的输入点位及输出点位数应大于模块化所需的实际数量，且留有一定的预留接口；输入电压范围：低电平DC0〜30V，高电平DC77〜137.5V（参考GB/T25119-2010标准）；输出电压范围：低电平DC0〜10V，高电平DC77〜137.5V（参考GB/T25119-2010标准）；输入/输出响应：输入响应3ms，输出响应5ms，从输入到输出的响应W30ms。电气控制柜系统内网络总线及与整车的网络拓扑结构。针对车下线槽配线模块的结构，再结合车辆总体结构、相关联的各机械和电气接口关系，设计专用的工装设备。
2.2电气控制柜系统功能
设计电气控制柜时，结合GB/T25119-2010《轨道交通机车车辆车载电子设备》标准，系统具备如下功能：
（1）逻辑功能。电气控制柜逻辑控制单元通过硬件、软件相结合的方式，具备可编程逻辑运算、延时等功能，能够完全替代原控制电路中的时间继电器、中间继电器等有触点控制器件所构成的时序电路。
（2）通信功能。根据地铁车辆整车网络通信，支持MVB及以太网。
（3）热备冗余功能。系统采用单板热备冗余设计，产品在任意单点故障后可实现单板的无缝切换，设计单板切换响应时间应小于16mso
（4）自诊断功能。电气控制柜系统具有自诊断功能，可以实时检测自身的主控模块、输入/输岀通道、电源模块、通信模块的工作状态，同时在面板指示灯及TCMS上进行显示。
（5）过流保护功能。当负载岀现短路或过载时，系统电路能够立即起保护并自动断开该支路与外部负载的连接。当检测电路故障消失后，进行自恢复处理。
（6）实时处理功能。电气控制柜装置从输入到输出的响应延迟时间W30ms。
（7）事件记录功能。电气控制柜系统能记录所有输入/输出通道的状态变化，辅助TCMS事件记录仪进行数据记录。其日志数据需达到12万条，循环覆盖时长需达24小时，记录间隔时间最短为2ms。障碍数据应达2000条，所有记录数据均可通过维护端口进行下载分析。
2.3电气控制柜模块化电气原理设计
城铁车辆电气控制系统中的各个继电器不是独立存在并孤立地实现功能的，每个继电器带有多个触点，因而继电器在整个车辆的逻辑控制中相互交叉、影响。在确定了继电器的取代范围后，需整理岀各个继电器在电路控制中的逻辑关系，并对应设计相应的电气控制柜替代电气原理图，为后续软件设计打下基础。以牵引施加控制电路为例，对电气控制柜模块化的电气原理图进行设计。本控制电路中涉及替换模块化的继电器有8个，分别为MCR1主控继电器、BNRR制动不缓解继电器、PBAR1停放制动施加继电器、SPOR3零速继电器3、MRP2R总风压力低2继电器、FWDR前向继电器、REVR后向继电器、NEUR方向手柄零位继电器。再以司机室激活电路为例，涉及替换的继电器有6个，分别为MCR1主控继电器1、MCR4主控继电器4、MCR5主控继电器5、MCRR1从控继电器1、MCRR2从控继电器2、MMUR最小移动编组继电器。经过统计，司机室激活电路包含2个输入节点，5个输岀节点。
2.4电源的冗余设计
电源冗余设计具有下述特点：整机配置一对冗余电源板（A/B），分别给机箱内A组或B组功能板供电，每个电源板输入电压介于DC77V-DC137.5V之间，输出为稳定DC5V；一对电源板的A、B组外部电源输入相互完全独立，并设置独立的空气开关；电源板具有输入输出过欠压保护、短路保护、过温保护、过载保护等功能。
2.5功能板卡的冗余设计
各个功能板卡冗余设计具有下述特点：机箱上除接线板和通讯板外的所有功能板件均为两套冗余配置，相邻两块板卡（A/B）互为热备，以I/O板卡为例，冗余板卡的软硬件配置完全一致。正常工作时，两块板卡均为上电运行状态，但只有主用板卡承担实际输出功能；两块冗余板卡通过背板通信接口，进行业务数据同步，以实现同步互检。功能板通过自检及互检，准确识别并定位故障后，进行主备用切换。所有切换均为单板切换行为，不会引起整机整体切换动作。
3.结语
本文中设计实现城市轨道交通中地铁车辆电气控制柜模块化的总体方案，包含电气控制柜的工作条件技术参数、系统实现功能、对电气原理图的修改与设计以及系统冗余设计，以达到使电气控制柜满足现有车辆环境，实现逻辑、通信、自诊断等功能，并实现电源、功能板卡、内网CAN的冗余。为后续硬件组成及选型、软件设计打下基础。
参考文献：
[1]2017年中国内地城轨交通线路概况[R].中国城市轨道交通协会，2018.1.
[2]中国城市轨道交通协会权威发布2016年度数据[R].轨道世界，2017.3.
[3]中国城市轨道交通运营线路总里程突破5000公里[R].轨道交通网，2011.
[4]中国中车大连机车车辆有限公司.广州13号线车辆使用说明书[ZJ.2017.
个人简介：袁佳（1994.5—），女，湖北武汉人，助理工程师，大学本科，从事城市轨道交通工程设计工作。