13A01型电动列车牵引封锁原因分析及改造措施
摘要：阐述了上海地铁13A01型电动列车由于短时间内频繁重启广播控制器导致牵引封锁的过程，分析其造成的原因，提出了针对此问题采取的改造措施。
关键词：广播控制器；高速断路器；牵引封锁；反向电路
我国的城市轨道交通事业正在迅速发展，越来越多的大城市把轨道交通纳入到城市规划中，轨道交通车辆是城市轨道交通的主要设备，而牵引系统是轨道交通车辆最重要的部件之一。一旦在运营中发生故障，若是处理不当，将发生大面积延误的严重后果。
2017年7月23日，上海十三号线1308#车在祁连山南路上行行车时，四节动车同时发生牵引严重故障，司机处理无效，清客后使用紧急牵引模式至真北路站清客，造成了运营的短暂延误。
1 故障发生
2017年7月23日 6：22分，1308#在祁连山南路上行时，列车自动广播发生故障，无法自动报站。司机按照应急预案进行操作，断开并恢复司机室广播控制断路器（ACUCB）来重启司机室广播控制器（ACU，以下简称“广播控制器”）。但是重启后广播故障并未消失，且列车的HMI（人机界面）上显示四节动车牵引系统和高速断路器（HSCB）严重故障，此故障存在一秒后便消失。随后司机再次重启广播控制器，广播故障并未恢复，但是列车依然出现了四节动车牵引系统和HSCB严重故障。3分钟后，司机第三次重启广播控制器，牵引系统和高速断路器故障再次出现，四个牵引被封锁，列车无法动车。司机处理5分钟后无效，调度命令清客。切除列车自动保护（ATP）后将列车打到硬线紧急牵引模式，行驶至下一站清客并退出了运营。
2 原因分析
2.1重启司机室广播控制器导致牵引故障原因分析
从线路图和软件逻辑上分析，在正常情况下，重启司机室广播控制器是不可能引起牵引系统发生故障。但在停车库内对所有列车进行试验发现，每一次重启广播控制器时，确实会出现四节动车牵引系统和高速断路器严重故障的现象，并且会在1秒后消失。所以此故障判定为一个系统性故障，在十三号线的13A01型列车中普遍存在。
在库内试验中，使用示波器对广播控制器设备的MVB（多功能列车总线）板卡发送端的数据进行监控，发现广播控制器在重启后上电的瞬间，大约150ms左右，其MVB板卡会向全车的MVB网络发送的数据脉冲（见图一），导致MVB总线网络受到了干扰。
图一广播控制器上电瞬间波形图
通过对MVB网络的监控，可以看到，在广播控制器断电后MVB网络拓扑图中只有广播系统出现了故障（见图二）。但是上电的瞬间，广播控制器向MVB总线发送错误的数据脉冲，导致列车上的很多设备在MVB网络上丢失（见图三）。
图二广播控制器断电后MVB拓撲图
图三 广播控制器上电瞬间MVB拓扑图
当广播控制器上电时，由于错误数据脉冲的干扰，使得列车控制单元（VCU）无法通过MVB网络接收到四节动车上牵引逆变控制单元（ICU）发出的工作状态信号，最终导致列车产生牵引系统和HSCB严重故障。
在西门子的设定中， VCU对动车上牵引逆变控制单元的监控等级较高，其MVB信号接收周期为T3（32ms），但是对其他系统的MVB信号接收周期则为T6（512ms）。而在广播控制器上电的瞬间发出的脉冲持续时间为150ms左右，这个瞬间小于T6的监控周期但是却大于T3，因此虽然MVB网络上除了牵引系统外的其他设备也收到脉冲的干扰，VCU却只检测到了牵引系统的严重故障，并未报出其他系统的故障。
2.2牵引封锁原因分析
根据库内试验，每一次重启广播控制器都会导致牵引系统和高速断路器的严重故障，但是此故障在1秒后就会消失，不会影响列车动车。但在5分钟之内如果重启超过三次，列车牵引就会被封锁，无法动车。
对VCU中高速断路器断开的反馈信号进行监控，发现每一次重启广播控制器导致的HSCB严重故障时，ICU都会收到2次高速断路器断开的反馈信号（广播控制器上电瞬间，高速断路器断开脉冲反馈信号截图见图四）。
图四 广播控制器上电瞬间HSCB断开脉冲反馈信号图
根据西门子系统软件的逻辑显示：如果在5分钟之内，牵引逆变控制单元受到超过5次高速断路器断开的反馈信号，VCU会做出“短时间内牵引故障过于频繁”的判断，断开高速断路器，并对列车的牵引进行封锁。
由于每次重启广播控制器都会导致牵引逆变控制单元收到2次高速断路器断开的反馈信号，故若是在5分钟内重启3次广播控制器，列车牵引便会封锁，列车无法正常动车。
根据录像及故障记录显示，司机在6：22：43、6：24：38、6：27：14三次重启了广播控制器，牵引逆变控制单元在这5分钟内收到6次广播控制器断开的反馈信号，触发牵引封锁，最终导致清客。
2.3紧急牵引模式后列车动车原因分析
故障现场，司机将列车打到了硬线紧急牵引后，列车牵引封锁被解除。根据西门子系统软件的逻辑显示：将列车打到硬线紧急牵引以后，牵引封锁被解除，列车可以进行动车。
3 故障的解决及整改
此次故障的存在，究其根本原因，是司机室广播控制器的MVB板卡在上电的瞬间，发送异常脉冲到整个列车MVB网络。所以若是要彻底排除此故障隐患，必须从源头入手。
首先是通过软件。修改广播控制器内核的程序，在广播控制器上电的瞬间控制其不输出异常脉冲。试验后发现此方案不可行。因为在上电的极短时间内，广播控制器还未完全启动，软件对输出端是不可控的，无法消除异常脉冲。
第二是通过硬件上的整改。在广播控制器的MVB板卡硬件电路两个发送使能脚增加两个由NPN三极管组成的反向电路，使输出端在上电的瞬间所发出的异常脉冲置反，I/O口在输出高电平H时，三极管导通，使能输出端输出为低电平L；I/O口输出低电平L时，三极管截止，输出高电平H（见图五）。在增加反向电路后，广播控制器上电的瞬间将不会输出异常脉冲，但是广播控制器系统完全启动后，所有的输出都会置反，影响正常使用功能。