EP2002制动控制系统的缺点
第十八章 EP2002制动系统
第一节 概述
一、系统特点
EP2002制动系统是德国克诺尔制动机公司最近推出的一个用于城市轨道交通车辆的空气制动系统。它的设计采用了架控新概念：一般制动系统都采用车控的形式，即一个制动控制单元控制一节车（两个转向架）；而EP2002制动控制系统采用架控形式，即一个EP2002阀只控制一个转向架。如果一个EP2002阀出现故障，只需切除一个转向架上的空气制动控制，使故障对列车运行的影响减至最小。
EP2002制动系统的核心部件是EP2002阀，它是机电一体化的模块部件，可以进行空气制动系统的控制、监控以及与列车控制系统之间的通信。
整个EP2002制动系统，包括它的空气压缩机、空气干燥塔、大小储风缸、控制单元和检测点，均采用模块化设计。因此，它的结构紧凑，质量轻，适用于各种不同的安装方式，使用、维护方便。目前，广州地铁3号线、上海6节编组改8节编组列车已采用了EP2002制动系统并取得了良好的使用效果。
二、系统组成
EP2002制动系统在整个列车控制中的位置如图18-1所示。它主要由EP2002阀、制动控制模块以及其他辅助部件组成。其中核心部件是三个机电一体化的电磁阀，即网关阀（Gateway valve）、智能阀（Smart valve）和远程输入/输出阀（RIO valve）。
图18-1 EP2002制动系统框图
与EP2002制动系统联系最紧密的有供气单元和基础制动装置。供气单元主要由空气压缩机、空气干燥塔、储风缸及供气压力控制装置等部件组成，它的主要功能是向列车提供压缩空气（风源）。压缩空气不仅是空气制动系统的风源，而且是列车上其他气动设备，例如空气弹簧、升弓风缸和刮水器等使用的风源。供气单元的所有部件被集成在一个安装架上，既节省了安装空间，又缩短了气路管，减少泄漏，方便检修。一般空气压缩机配置VV120型，空气干燥塔配置双塔型。基础制动装置是空气制动系统的执行机构，大多选用德国克诺尔制动机公司的单元制动机，其中一半为带停放制动机构的单元制动机。
在每个驾驶室内设有一个双针压力表，用于显示主风缸的压力和第一根车轴上的单元制动机的制动缸压力。双针压力表带有内部照明，并有常规测试/校正接口。
第二节 EP2002阀
一个EP2002阀就相当于一般空气制动系统中的微机控制单元（MBCU或BCE）加上制动控制单元BCU的组合，此外，它还具有网络通信的功能。根据架控的需要，装备了EP2002制动控制系统的列车，每节车均装有两个EP2002阀，并且分别安装在其控制的转向架附近的车体底架上。所有的EP2002阀上都带有多个压力测试口，可以方便地测量储风缸压力、制动机风缸压力、车辆载荷压力以及停放制动缸压力等。
一、智能阀
智能阀（Smart Valve）的内部结构如图18-2所示。它是一个机电一体化的组合产品，包括电子控制板、电源（功率放大）板和气动阀组合件。安装在气动阀上的电子控制板能接收电控制信号并直接控制气动阀，还可对其所控制的转向架进行制动和防滑的控制。它可以对该转向架的空气制动系统进行故障诊断及故障显示，还可以通过CAN总线与其他EP2002阀进行通信。智能阀通过硬线与列车安全回路（紧急制动回路）相连，当安全回路失电时，智能阀将使该转向架产生紧急制动。
图18-2 智能阀结构图
智能阀的输入输出接口如图18-3所示。
图18-3 智能阀的输入输出接口
从输入输出关系可以看出，智能阀的主要功能有以下几方面：
1）常用制动时根据转向架的负载对输出制动压力进行调整并输出制动机压力。
2）紧急制动时根据转向架的负载对输出制动压力进行调整并输出制动机压力。
3）对每个轮对的滑行进行保护（WSP控制）。
4）制动应用显示。
5）储风缸失压时向继电器输出断开信号。
6）通过CAN总线向网关阀报告本车故障监示情况。
二、RIO阀
RIO阀的内部结构如图18-4所示。它比智能阀多了两块电子控制板，即制动控制单元板和模拟输入输出板。除了具有智能阀的所有功能外，RIO阀还可以通过制动控制单元板和硬线与其控制的转向架上的牵引控制单元通信，使电制动和空气制动协调工作。RIO阀的输入输出接口如图18-5所示。
图18-4 RIO图结构图
图18-5 RIO阀的输入输出接口
RIO阀具有与网关阀相同的输入输出，虽然它不进行制动控制运算也没有安装网络接口板。RIO阀读入可编程输入信号，并使其通过EP2002双通道CAN总线与总网关阀适配。其可编程输出信号的状态由总网关阀控制。
三、网关阀
网关阀的内部结构如图18-6所示。它比RIO阀又多了一块电子控制板——网络通信板。除了具有RIO阀和智能阀的所有功能外，网关阀还具有与列车控制系统进行通信的功能。网关阀的输入输出接口如图18-7所示。
图18-6 网关阀结构图
图18-7 网关阀的输入输出接口
网关阀向所有智能阀发出指令和向本车CAN总线上所有EP2002阀传递常用制动参数。网关阀也是EP2002制动控制系统与列车控制系统间的接口。它与MVB，LON，FIP和RS485通信网络或传统的列车线和模拟信号系统都能配合。任何EP2002制动控制系统，其制动指令的发布功能只需要通过一个网关阀便可以对所有列车上的制动系统发送常用制动作用力要求，以达到司机或ATO给出的制动作用力需求。
四、EP2002阀的气动结构
所有的EP2002阀的气动结构和内部气路是相同的，其气路图如图18-8所示。
图18-8 EP2002阀的气动结构和气路图
1.压力调整模块
这里的次级调整阀与负载称重模块按照输入的空气簧压力（ASP1/ASP2）信号对初级调整阀预置压力进行修正，这在常用制动和紧急制动时都有效。初级调整阀将输出压力调整到与负载相对应的制动缸压力，向单元制动机输出。如果负载称重模块发生故障，初级调整阀也会提供一个无负载的紧急制动压力。其实负载称重模块在常用制动时并不起作用，它的作用只是限制提供给制动缸的最大压力不超过超员载荷下紧急制动压力的水平。
2.紧急冲动限制(https://www.daowen.com)
紧急冲动限制可以使用也可以不使用。如果不使用紧急冲动限制，将气路中的紧急冲动限制电磁阀换成一块孔板。
3.单元制动机压力调整模块
单元制动机压力调整模块将初级调整阀的输出压力分成两路，向单元制动机输出。该模块也在轮对防滑功能被激活时，对单元制动机施行排气控制。
4.连通阀
连通阀可以使同一转向架的两个单元制动机制动缸连接到一起或分开。在常用制动和紧急制动时，制动缸输出气路相通，以转向架为单位施加制动力；在轮对防滑功能被激活时，两根车轴的制动缸被分开，分别进行排气减压控制。
5.压力传感器
压力传感器用于单元制动机制动缸压力、负载称重、总风缸压力和停放制动等压力点的测量，测得的压力信号供内部调节和外部显示使用。
第三节 EP2002制动系统网络结构
一、半列车CAN总线网络结构
半列车CAN总线网络结构是将半列车所有的EP2002阀用CAN总线相连，并由B车和C车上的两个网关阀通过MVB总线或其他总线与列车控制系统进行通信，如图18-9所示。其中一个网关阀被定义为主网关阀，另一个网关阀被定义为从网关阀。当主网关阀出现故障时，从网关阀会自动接替主网关阀的工作，保证系统的冗余性。如果MVB总线出现故障，网关阀则按默认状态工作。此外，CAN总线由两对双绞线组成，具有较好的冗余性。
图18-9 半列车CAN总线网络结构图
在B车和C车上各设一个RIO阀的目的是，RIO阀可通过硬连线与其控制的转向架上的牵引控制单元进行通信，使电制动和空气制动协调工作。这种方法也不是唯一的，RIO阀与本转向架牵引控制单元的通信工作也可以用网关阀与MVB总线或其他总线之间的通信来代替，这样B车和C车上的RIO阀就可以用智能阀来代替。
二、单节车CAN总线网络结构
单节车CAN总线网络结构是将每节车上的两个EP2002阀用CAN总线相连，并由每节车上的网关阀通过MVB总线或其他总线与列车控制系统进行通信，如图18-10所示。如果MVB总线出现故障，网关阀则按默认状态工作。
图18-10 单节车CAN总线网络结构图
从可靠性角度分析，半列车CAN总线网络结构中的从网关阀作为主网关阀的备份，具有较好的冗余性，如果CAN总线在A车和B车之间断开，将导致A车的空气制动失效。而如果单节车CAN总线网络结构中某节车的网关阀出现故障，则该节车的空气制动失效；如果某节车上的CAN总线断开，则一个转向架上的空气制动失效。由此可见，半列车CAN总线网络结构的可靠性略高于单节车CAN总线网络结构。
从经济角度分析，半列车CAN总线网络结构比单节车CAN总线网络结构少一个网关阀，多一个RIO阀或智能阀。单从EP2002阀的总价来看，单节车CAN总线网络结构比半列车CAN总线网络结构要高，但是考虑到半列车CAN总线网络结构所使用的总线更长，因此两者的成本基本相同。
三、EP2002制动系统的制动管理及工作逻辑
EP2002制动控制系统如果采用单节车CAN总线网络结构，一般由列车的主车辆控制单元（VCU）来管理制动。除了紧急制动，主VCU会控制列车电制动与空气制动之间的制动力分配。制动力指令由列车总线发给VCU和网关阀，主VCU连续循环计算列车所需制动力的大小，还要加减车辆的负载来最终确定总制动力。主VCU根据网压、电-气制动分配特性将总制动力分配给电制动控制单元和空气制动控制单元。同时，主VCU和网关阀之间还要通过列车总线和CAN总线进行一系列实际制动施加值的数据交换，使列车具有负载补偿功能和万一制动系统发生故障后的制动力合理分配，如图18-11所示。
如果EP2002制动控制系统选用半列车CAN总线网络结构，也由列车的主VCU来管理制动。可以选择两个半列车CAN总线网络中的任何一个主网关阀作为整列车的主网关阀，而另一个半列车CAN总线网络中的主网关阀作为备份。
图18-11 广州地铁3号线列车制动控制系统工作逻辑图
第四节 EP2002制动系统的控制过程和作用原理
一、常用制动
在常用制动模式下，电制动和空气制动一般都处于激活状态，以便电制动和空气制动之间的及时转换，优先采用电制动。常用制动具有冲击极限限制和防滑的功能。
每个EP2002阀测量本转向架的负载，并通过本车制动控制板传输数据到CAN总线。CAN总线内的主网关阀通过MVB总线或其他总线与列车控制系统进行通信，根据列车控制数据和转向架负载为本车的每个转向架产生单独的、与负载信号相关的空气制动指令，再通过CAN总线将指令发给各个EP2002阀。上述过程考虑到了每个转向架的黏着限制情况，每个局部制动控制板通过气动阀和气动阀单元内的传感器反馈信号提供闭环空气制动控制。
二、快速制动
当司机手柄处于快速制动档时，快速制动被触发。快速制动与紧急制动的制动力相同，但是快速制动是可逆的。快速制动也是优先使用电制动，当电制动故障或不足时，由空气制动来补充。快速制动有防滑保护和冲动限制，其工作原理与常用制动时相同。
三、紧急制动
紧急制动是通过列车安全回路来控制的。紧急按钮被按下、列车超速、警惕按钮松开、车钩断钩和ATP系统的报警触发信号等都会触发列车紧急制动信号。紧急制动信号一经触发，列车安全回路中断，触发信号传输给列车控制单元和牵引控制单元。牵引控制单元中断牵引系统工作。紧急制动全部由空气制动承担，而且制动命令是不可自动恢复的，紧急制动有防滑保护，但不受冲动极限限制。
四、停放制动
停放制动采用带弹簧制动器的单元制动机，利用释放弹簧储存的弹性势能来推动弹簧制动缸活塞，带动两级杠杆使闸瓦制动的。停放制动的缓解则需要向弹簧制动缸充气，通过活塞移动使弹簧压缩，从而使制动缓解。这种单元制动机还具有手动缓解停车制动的功能。EP2002阀将实时监控停放制动缸的空气压力。
五、保压制动
1.激活保压制动的条件
当地铁列车施加制动后，速度传感器检测到列车速度约为0.5km/h时（该速度值可加以调整），由EP2002阀激活保压制动，以防止列车溜车。保压制动可使WA3载荷的列车停放在最大坡度线上而不产生溜滑。
2.缓解保压制动的条件
缓解保压制动的条件有以下几项：
1）司机将主控制器手柄放在牵引位上，每个牵引系统将牵引力的实际值发送给列车主VCU。
2）主VCU计算列车牵引力实际值的总和。
3）牵引力实际值的总和足以起动列车（不会引起列车后溜）。
4）主VCU向EP2002阀发出“缓解保压制动”信号。
空气制动的状态信号将反馈给VCU，VCU通过该信号确认制动是否缓解，如果空气制动在某一时间内没有缓解，则主VCU向各牵引系统发出中断牵引的指令，并再次施加保压制动。
六、防滑保护功能
轮对防滑保护系统采用轴控防滑方式，包括防滑阀、测速齿轮、速度传感器和防滑电子控制单元，防滑电子控制单元和防滑阀都集成在EP2002阀内。
系统通过控制制动力来检测和校正车轮滑行。安装于每根轴上的速度传感器用来监控轴速，这个信息共享于CAN区域内的EP2002阀。
如果EP2002阀检测到滑行，它将通过控制制动缸压力来校正该轴上的车轮滑行，当列车制动并且检测到滑行存在时，车轮防滑保护控制能独立控制每根轴的制动力。以下两种检测车轮滑行的方法可用于确定低黏着情况的存在：
1）单根轴过大的减速度。
2）每根轴和旋转速度最高的轴的速度偏差。
当由上述任意一条件检测到车轮滑行，则对应该转向架的EP2002阀将快速连通该轴制动缸与大气之间的通路，通过减小制动缸的压力来消除滑行现象；同时，控制系统将定期执行地面速度检测，以便更新计算真实的列车速度。轮对防滑保护系统能根据轨道条件精确地控制滑行深度，这将改进后面车轮的黏着条件，在低黏着情况下使用最大制动力，同时确保没有车轮擦伤。当车轮防滑保护装置计算确定的黏着条件回到正常状态，系统将返回到最初的状态，地面速度检测将结束。
此外，EP2002制动控制系统还具有空气制动和停放制动状态检测功能、制动风缸压力过低检测功能、自测功能和故障记录功能等。
第五节 EP2002制动系统的优缺点
一、EP2002制动控制系统的优点
EP2002制动控制系统的优点主要表现在以下几个方面：
1）减小了故障情况下对列车的影响。如果一个EP2002阀出现故障，则只有一个转向架的制动失效，列车只需要对此转向架损失的制动力进行补偿；而一般制动控制系统中的制动电子控制单元BECU出现故障，列车需要对本节车损失的制动力进行补偿。因此，使用架控方式的EP2002制动控制系统尤其适合于短编组的地铁列车。
2）缩短了制动响应时间。根据克诺尔制动机公司的试验数据，EP2002制动控制系统的响应时间比常规制动控制系统的响应时间缩短约0.2s。
3）提高了制动精确度。常规制动控制系统的精确度约为±0.2×105Pa；而EP2002制动控制系统提供给制动缸制动力的精确度可以达到±0.15×105Pa。
4）减少了空气消耗量。由于EP2002阀靠近转向架安装，从EP2002阀到制动缸的管路长度减小，所以在制动时的空气消耗量将减小，同时空气泄漏量也将减小。
5）节省了安装空间。减轻重量、减少布管和布线数量。
6）提高了可靠性和可用性，降低了故障率。根据克诺尔制动机公司的计算，EP2002制动控制系统的故障率比常规制动控制系统的故障率降低了50%左右。
7）减少了维护工作量。EP2002制动控制系统部件集成化程度较高，需要维护的部件较少，大修期从常规制动控制系统规定的6年提高到9年。
8）缩短了安装和调试时间。
9）降低了总体成本。EP2002制动控制系统的产品价格基本与一般制动控制系统价格相同；但是由于缩短了安装和调试时间以及降低了后期维护费用等原因，EP2002制动控制系统的总体成本将低于一般制动控制系统。
10）提高了控制精确度。EP2002制动控制系统可以根据每个转向架的载荷压力调整施加在本转向架上的制动力，比一般制动控制单元以每节车载荷压力进行制动力控制更加精确和优化。
二、EP2002制动控制系统的缺点
EP2002制动控制系统的缺点主要表现在以下几方面：
1）关键部件维护难度增大。由于EP2002阀的技术含量和集成化程度很高，万一EP2002阀出现故障，基本上都需要将整个阀送回制造厂家进行维修，维修周期长；而如果一般制动控制系统出现故障，只需有经验的工作人员直接查找并更换故障部件，如压力传感器、防滑阀和插件板等，就可缩短维护周期，减少对车辆使用产生的影响。
2）互换性差。在EP2002制动控制系统中，如果一个EP2002阀出现故障，只能够用相同类型的阀进行更换；而一般制动控制系统中的制动电子控制单元BECU甚至BECU中单独的插件板在所有车上都可以互换。
3）无直观的故障码。一般制动控制系统中的制动电子控制单元BECU安装在车上电器柜内，可以提供四位数字的故障码显示，有利于工作人员查找故障；而EP2002制动控制系统没有直观的数字故障码显示功能，工作人员只能通过专用软件才能查找故障。