用于轨道交通车辆的电气屏柜及状态监控方法与流程

本发明涉及轨道交通车辆技术领域，具体地说，涉及一种用于轨道交通车辆的电气屏柜及状态监控方法。

背景技术：

铁路客运车辆即轨道交通车辆的电气(控制)屏柜产品是车辆关键系统之一，是各铁路装备企业争夺焦点之一，电气屏柜主要用于实现车辆电气系统逻辑控制、配电控制和线路保护功能。目前车辆电气系统逻辑控制(包括激活、vcb、牵引、制动、车门、空调、安全环路等列车关键控制指令的逻辑执行及指令传递)主要由硬线电路实现。

目前，轨道交通车辆的电气屏柜主要通过控制继电器盘实现车辆电气系统逻辑控制。控制继电器盘采用大量继电器，占用空间大，插件种类多，变更车辆电气控制逻辑的唯一方式是通过报废插件，可定制性差、维保成本高。现车实施技改需施工人员现场拆装设备改造，施工时间长，且存在改造风险。

因此，本发明提供了一种用于轨道交通车辆的电气屏柜及状态监控方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种用于轨道交通车辆的电气屏柜，所述电气屏柜包含：

逻辑控制单元，其用于接收车辆控制指令，并依据所述车辆控制指令生成控制信号；

接触器，其用于接收所述控制信号，并依据所述控制信号控制所述轨道交通车辆上的受控设备；

传感单元，其用于监控所述接触器上主触点的实时状态，以得到反应所述受控设备工作状态的第一状态信息；

逻辑监测单元，其接收所述传感单元反馈的所述第一状态信息，用于监控所述接触器上线圈及辅助触点的实时状态得到第二状态信息，并将所述第一状态信息以及所述第二状态信息反馈至所述逻辑控制单元；

显示单元，其与所述逻辑控制单元通信，用于接收并显示所述第一状态信息以及所述第二状态信息。

根据本发明的一个实施例，所述逻辑控制单元采用双系冗余热备及诊断架构，其包含：io主控板i、io主控板ii、交换板、io类板、电源板i以及电源板ii。

根据本发明的一个实施例，所述io类板包含数字量输入板、数字量输出板以及模拟量输入输出板。

根据本发明的一个实施例，所述接触器包含直流接触器以及交流接触器，其中，所述直流接触器以及所述交流接触器分别对应控制所述受控设备中包含的第一受控设备以及第二受控设备。

根据本发明的一个实施例，所述电气屏柜还包含无线节点，其用于实现所述传感单元与所述逻辑监测单元之间的数据传输功能。

根据本发明的一个实施例，所述电气屏柜还包含云设备，其与所述逻辑控制单元通信并具备远程通信功能，能够通过远程网络与移动端通信，实现用户在移动端上查看所述轨道交通车辆的实时工作状态。

根据本发明的一个实施例，所述电气屏柜还包含组合开关，其用于发出所述车辆控制信号。

根据本发明的一个实施例，所述电气屏柜还包含供电单元，用于为所述逻辑控制单元、所述逻辑检测单元、所述组合开关、所述显示单元供电。

根据本发明的一个实施例，所述电气屏柜还包含断路器，所述断路器连接在所述逻辑控制单元与所述供电单元之间、所述逻辑监测单元与所述供电单元之间、所述显示单元与所述供电单元之间，用于对所述逻辑控制单元、所述逻辑检测单元、所述显示单元进行过流保护。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于轨道交通车辆的电气屏柜的状态监控方法，所述方法包含以下步骤：

通过逻辑控制单元接收车辆控制指令，并依据所述车辆控制指令生成控制信号；

通过接触器接收所述控制信号，并依据所述控制信号控制所述轨道交通车辆上的受控设备；

通过传感单元监控所述接触器上主触点的实时状态，以得到反应所述受控设备工作状态的第一状态信息；

通过逻辑监测单元接收所述传感单元反馈的所述第一状态信息，监控所述接触器上线圈及辅助触点的实时状态得到第二状态信息，并将所述第一状态信息以及所述第二状态信息反馈至所述逻辑控制单元；

通过显示单元接收并显示所述第一状态信息以及所述第二状态信息。

本发明提供的用于轨道交通车辆的电气屏柜及状态监控方法提供了一种无触点微机化的电气屏柜，采用无触点微机化逻辑控制方式替代传统机械触点控制，节约了电气屏柜的空间；并且，提出了一种故障自诊断自动闭环控制方式，能够精确的定位故障位置，缩减了故障排查的流程，提升了故障检修的效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于轨道交通车辆的电气屏柜；

图2显示了根据本发明的另一个实施例的用于轨道交通车辆的电气屏柜；

图3显示了控制继电器盘(左)与逻辑控制单元(右)的对比图；

图4显示了根据本发明的一个实施例的逻辑控制单元功能原理图；

图5显示了根据本发明的一个实施例的逻辑控制单元实物图；

图6显示了根据本发明的一个实施例的开关盘组件实物图；

图7显示了根据本发明的一个实施例的显示屏显示受电弓升起界面图；

图8显示了根据本发明的一个实施例的显示屏显示vcb闭合界面图；

图9显示了根据本发明的一个实施例的负载过流故障界面图；

图10显示了根据本发明的一个实施例的lmu系统架构图；

图11显示了根据本发明的一个实施例的lmu插件版与外置版实物图；

图12显示了根据本发明的一个实施例的ac智能传感器实物图；

图13显示了根据本发明的一个实施例的交流接触器工作特性图；

图14显示了根据本发明的一个实施例的显示屏显示交流接触器工作特性界面图；

图15显示了根据本发明的一个实施例的无线节点实物图；

图16显示了根据本发明的一个实施例的移动端app登录界面图；

图17显示了根据本发明的一个实施例的移动端app受电弓控制工作界面图；以及

图18显示了根据本发明的一个实施例的用于轨道交通车辆的电气屏柜的状态监控方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

铁路客运车辆电气控制屏柜产品是车辆关键系统之一，是各铁路装备企业争夺焦点之一，四方所、小糸今创等均是动车组相关产品核心供应商，铁科院也在积极寻求突破，不难看出，其产品无论是战略意义还是经济价值均是值得开发的。

本发明主要为提升铁路客运车辆(动车组、城轨车辆)电气控制屏柜产品的微机化、信息化，提升产品技术水平，提高产品可用性，解决产品检修维护等问题。

铁路客运车辆电气控制屏柜产品现状及趋势如下：

日系动车组因受技术局限和系统可靠性综合要求，其车载电气控制产品技术设计相对比较保守，主要采用传统的电气硬线逻辑控制技术实现整车和对应车厢的电气控制逻辑，因此，相关屏柜对外接口复杂、维护难道大、信息化水平低。

欧系动车组的车载电气控制产品的主要是以tcn网络的ccu单元为控制核心，实现整车和对应车厢的电气控制逻辑，因此，相关屏柜对外接口简洁，诊断维护方便，信息化水平较高。

小糸今创具备丰富的crh2型动车组的车载电气控制产品装车经验，相关产品已在350公里四方标动装车，具有丰富的工程应用经验。其借助日本小糸和外部资源的技术力量，正在大力推动信息化技术的应用，但自主开发能力相对偏弱。

四方所为crh3型动车组车载电气控制产品的主要供应商，相关产品已在350公里四方及长客标动装车，正在推广车辆phm技术，并针对新车型提出客车电气信息化技术。

国内地铁车辆电气控制屏柜中，深圳通业、成都韵达研制的微机化逻辑控制单元已在部分地铁车辆装车应用，以替代传统继电器组成的逻辑控制，在为客车电气信息化布局。

现有的电气屏柜功能定制性差、集成度低；故障定位难、维保成本高；智能程度低。针对于此，图1显示了根据本发明的一个实施例的用于轨道交通车辆的电气屏柜。如图1所示，电气屏柜包含逻辑控制单元101、接触器102、传感单元103、逻辑检测单元104以及显示单元105。

其中，逻辑控制单元101用于接收车辆控制指令，并依据车辆控制指令生成控制信号。具体来说，逻辑控制单元采用双系冗余热备及诊断架构，其包含：io主控板i、io主控板ii、交换板、io类板、电源板i以及电源板ii。进一步地，io类板包含数字量输入板、数字量输出板以及模拟量输入输出板。

接触器102用于接收控制信号，并依据控制信号控制轨道交通车辆上的受控设备(包括但不限于受电弓以及真空断路器)。具体来说，接触器102包含直流接触器以及交流接触器，其中，直流接触器以及交流接触器分别对应控制受控设备中包含的第一受控设备(手电弓)以及第二受控设备(真空断路器)。

如图1，传感单元103用于监控接触器上主触点的实时状态，以得到反应受控设备工作状态的第一状态信息。

如图1，逻辑监测单元104接收传感单元反馈的第一状态信息，用于监控接触器上线圈及辅助触点的实时状态得到第二状态信息，并将第一状态信息以及第二状态信息反馈至逻辑控制单元101。

进一步地，电气屏柜中还可以包含无线节点，用于实现传感单元与逻辑监测单元之间的数据传输功能。

如图1，显示单元105与逻辑控制单元通信，用于接收并显示第一状态信息以及第二状态信息。

进一步地，电气屏柜中还可以包含云设备，与逻辑控制单元101通信并具备远程通信功能，能够通过远程网络与移动端通信，实现用户在移动端上查看轨道交通车辆的实时工作状态。

进一步地，电气屏柜还包含组合开关，用于发出车辆控制信号。

进一步地，电气屏柜还包含供电单元，用于为逻辑控制单元、逻辑检测单元、组合开关、显示单元供电。

进一步地，电气屏柜还包含断路器，断路器连接在逻辑控制单元与供电单元之间、逻辑监测单元与供电单元之间、显示单元与供电单元之间，用于对逻辑控制单元、逻辑检测单元、显示单元进行过流保护。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的用于轨道交通车辆的电气屏柜。图2以中国标准动车组3/6车直流柜为例，搭建了一套微机化电气屏柜，通过对比的方式展现微机化电气屏柜的智能控制、智能监测、智能运维功能。图2中显示了2个电气屏柜，分别是电气屏柜1以及电气屏柜2。

本发明提供的电气屏柜能够应用于不同的轨道交通车辆状况。电气屏柜2是针对现有的轨道交通车辆，在不改动现有结构、现车布置/布线的情况下，可以通过增加显示单元(hmi)、云设备、传感单元(ac智能传感器)以及无线节点2实现功能升级；电气屏柜1是在电气屏柜2基础上的升级，通过采用无触点微机化的逻辑控制方式，替代了电气屏柜2中的继电器等器件。电气屏柜1实现车辆电气屏柜模块化、标准化设计、故障自诊断和自动安全导向、简化车辆电路、提升系统智能化水平、减少空间，减少后期维修周期、维护成本，符合下一代“智能化”列车应用需求。

电气屏柜1(模拟3车直流柜)通过逻辑控制单元(lcu，logiccontrolunit)实现车辆控制逻辑；电气屏柜2(模拟6车直流柜)通过现有技术电气屏柜的控制继电器盘实现车辆控制逻辑。

如图2，dc110v为供电单元，为电气屏柜中的各个子设备供电；断路器连接在dc110v与各个子设备之间，为子设备提供过流保护。组合开关中包含n个开关，能够模拟发出车辆控制信号。

lcu作为逻辑控制单元，实现轨道交通车辆的电气系统逻辑控制，替代现有技术中电气屏柜的继电器组件、控制继电器盘、网络io机箱。lcu的供电方式为：dc110v(70％～125％)，通讯方式：车辆以太网、mvb(多功能车辆总线)。在一个实施例中，lcu用于实现通过车辆控制信号控制风机负载。

hmi(显示屏)作为显示单元，在电气屏柜1与电气屏柜2各配置一台，用于实时显示车辆电气逻辑控制状态、故障状态、各子设备数据、展示其他相关功能信息。供电方式：dc110v，通讯方式：rs485或以太网。

lmu(logicmonitorunit)作为逻辑监测单元，用于监测电气屏柜内关键电气件(如接触器、外置继电器等)实时工作状态，实现车辆关键控制回路实时监测、故障快速诊断和关键器件寿命预测。供电方式：dc110v(70％～125％)，通讯方式：车辆以太网。在实施例中，lmu预留故障信息反馈给lcu。在一个实施例中，lmu用于监测交/直流接触器的线圈与辅助触点实时工作状态。如图11为电气屏柜1中的lmu(右侧图)与电气屏柜2中的lmu(左侧图)。

ac智能传感器作为传感单元，用于监测ac380v交流负载实时工作状态，并将数据反馈给lmu等设备主机。供电方式：dc24v，由lmu供电。通讯方式：rs485。在一个实施例中，ac智能传感器(如图12)采集风机负载的实时工作状态。

无线节点通过无线方式将传感器(ac智能传感器)数据传送至设备管理主机(lmu)，主要用于车上柜、车下柜与车内屏柜数据传送。供电方式：dc24v，由lmu供电。内部通讯方式：rs485。在一个实施例中，无线节点用于将ac智能传感器所采集数据传送给lmu，并通过lmu将数据传送给lcu并在显示屏(hmi)中显示，为模拟车内设备与车顶/车下设备通讯，6车无线节点2增加金属屏蔽罩。

云设备通过4g技术，可通过手机app查看车辆实时运行状态。供电方式：dc110v，通讯方式：以太网。在一个实施例中，可实现通过手机查看车辆受电弓、vcb的实时运行状态。

具体来说，lcu充当微机化电气屏柜“大脑”角色。lcu采用微机控制技术和无触点微机化逻辑控制技术，替代原电气屏柜-继电器，通过采集车辆信号进行软件逻辑运算，直接控制和驱动车辆相关控制回路、微机单元(其他系统主机等)、低压器件(接触器、电磁阀等)，完成车辆牵引、制动、升降弓、vcb、车门等控制功能。

目前动车组电气屏柜主要通过控制继电器盘实现车辆电气系统逻辑控制。控制继电器盘采用大量继电器，占用空间大(大于两个6u机箱)，插件种类多，变更车辆电气控制逻辑的唯一方式是通过报废插件，可定制性差、维保成本高。且现车实施技改需施工人员现场拆装设备改造，施工时间长，且存在改造风险。lcu采用标准6u机箱结构、产品种类大大降低，占用空间小，并可通过更改应用软件实现电气控制逻辑变更，可定制性强，具备完善的自诊断和远程诊断功能，维保成本低。当实施现车技改时，仅需设计人员更新应用软件，无需变动现场任何设备，技改时间短，灵活便捷，如图3。

进一步地，lcu采用1oo2d(双系冗余热备 诊断)安全计算机架构，符合iec61508标准sil2级安全认证要求，保障数据处理及控制的安全性、可靠性。图4为lcu功能原理图。

如图4，lcu由io主控板i、io主控板ii、交换板、io类板、电源板i以及电源板ii组成。

io主控板i-ii：作为lcu机箱背板的总线主板，负责背板总线管理及机箱内所有软硬件资源的调度和通信。其对外提供两个对外以太网接口，对内提供一个背板以太网接口。两系控制板(io主控板i-ii)的数据交互可以通过前面板以太网口，也可以通过背板以太网接口。

交换板：非管理型二层交换，通过背板以太网与两系控制板进行通信，并可通过前面以太网接口与网络系统(车辆网络系统)共同完成车辆运行控制，并将子设备、部件的故障信息反馈给网络系统。

io类板：背板总线从板，通过背板总线与io主控板进行数据交互。包括110v数字量输入板(di)、110v数字量输出板(do)、模拟量输入输出板(aio)，负责数字量、模拟量输入信号的采集及数字量、模拟量输出信号的控制。

电源板(电源板i以及电源板ii)：作为系统供电，把外部输入的dc110v变换为机箱所需要的供电电压。两块电源板完全相同并独立工作，并分别供给两系电源供电，互不影响。正常时，两系电源均正常输出。

现有技术车辆电气屏柜器件多、布线复杂，占用大量空间，且结构设计复杂。本发明提供的微机化电气屏柜所采用的lcu，可节省多达40％以上的中间继电器，优化整车布线与设计布局。由于采用无触点微机化逻辑控制技术替代传统机械触点，微机化电气屏柜-lcu采用标准机箱替代控制继电器盘，空间节省50％。

在一个实施例中，lcu(如图5)能够实现以下功能：

1.车辆电气控制逻辑：实现车辆受控设备(第一受控设备：受电弓pan；第二受控设备：vcb)等电气控制逻辑，并在显示屏中显示。

2.数据终端：搜集lmu、ac智能传感器等数据并通过显示屏显示，也可传送至车辆tcms(traincontrolandmanagementsystem，列车控制及诊断系统)。

具体操作如下：

实现受电弓升/降逻辑控制：当其他升弓条件均满足时，旋转受电弓旋钮开关至红点并复位(如图6)，lcu发出指令升受电弓，控制直流接触器，需要说明的是，在本实施例中，通过直流接触器来模拟受电弓电磁阀，此时显示屏显示升弓电磁阀励磁(如图7)。

实现vcb合/断逻辑控制：当其他vcb(真空断路器)闭合条件均满足时，旋转vcb旋钮开关至红点并复位(如图6)，lcu发出指令闭合vcb，控制交流接触器励磁，需要说明的是，在本实施例中，通过交流接触器模拟vcb真空断路器励磁，风机启动(如图8)。

当负载发生短路等故障状态(图2中电气屏柜1断路器短接至交流接触器两端)时，lcu立即封锁输出并向显示屏/tcms发出信号，报通道过流故障。在实施例中，利用一个空开接到负载两端。当空开闭合时，短路负载，lcu即会报故障，并在显示屏上弹屏显示，如图9。

具体来说，lmu为微机化屏柜智能监测的“核心”。lmu主要实现对车辆关键电气回路进行高速、高精度的电压和电流测量和数据记录等功能，并可分析关键电器件的寿命特性。lmu可作为车辆网络系统的有效补充，并可通过以太网对接列车phm(故障预测与健康管理)，实现系统级大数据分析和专家诊断功能。

lmu(如图10)的主要功能有：

1)监测能力：共75路(50路电压通道 25路电压/电流集成通道)，采样范围dc0～200v。

2)故障录波：最大采样率8k(可调)；存储容量8gb(可调，emmc)；支持断电延时关机。

3)故障报警：采集各通道的模拟量参数，超出阈值(可调)则记录并输出报警。

4)实时显示：显示回路工作状态、数据波形、故障状态，支持在线数据下载。

5)器件分析：监测负载特性(l/r)，统计动作次数，结合器件寿命特性和试验数据，构建器件失效模型。

6)tcms通信：通过以太网(trdp)对接tcms系统，实现对时、诊断数据上传，已与网络系统完成功能测试和一致性测试。

7)组建局域网：有线组网、无线组网(备用)。

如图10，lmu包含采集及处理电路、cpu核心板、无线模块、隔离电源、背板连接器以及对外连接器。其中，背板连接器与继电器机箱背板连接，采集及处理电路对继电器进行采样。对外连接器通过车辆级总线与分布式监测单元连接，对外连接器通过列车级总线与tcms连接，对外连接器还与列车声光报警连接。

在一个实施例中，本发明能够实现故障的精确定位，例如：lmu负责采集交/直流接触器线圈与辅助触点的电压、电流、动作次数等实时工作状态，ac智能传感器采集交流接触器所带风机负载工作状态。如图13为交流接触器线圈与辅助触点的工作状态，从图13上看，lmu的可真实还原接触器ms级抖动，并可与ac智能传感器组合判断接触器的真实工作状态，并精确定位故障状态，如下表1。

表1

如图13-14，为接触器线圈、主触点、辅助触点工作状态。对于不同电气屏柜(如车下柜、车顶柜等)，可通过装n个ac智能传感器及1个无线节点方式，远程传送器件工作状态，精确定位故障，节省成本。如图15。

本发明能够实现故障检修易排查、易整改、效率高。还能够针对现车技改，灵活便捷(软件一键升级)、一致性高，避免技改次生故障风险。做到了信息化、智能化相关功能，具有故障自诊断等自动闭环控制和过程数据记录及故障预判断功能。

具体来说，在一个实施例中，本发明能够实现智能交互与维保功能，例如：可通过云设备实现手机app-查看车辆运行状态，实现车辆数据远程显示、设备故障实时诊断和定位、提升运维效率，降低运维成本，实现列车智能运维。如图16，为app登录界面，如图17，为微机化电气屏柜模拟受电弓实时工作状态界面。

本发明提供的微机化电气屏柜可通过显示屏、上位机更加直观显示系统各子部件的运行、故障状态信息，并通过与车辆tcms进行信息交互，实现车辆逻辑控制、车-地大数据传送，为车辆智能运维、phm系统提供数据支撑。

另外，还可以采用微机化控制技术直接控制继电器/接触器等逻辑执行器件。

图18显示了根据本发明的一个实施例的用于轨道交通车辆的电气屏柜的状态监控方法流程图。

在步骤s1801中，通过逻辑控制单元接收车辆控制指令，并依据车辆控制指令生成控制信号。

在步骤s1802中，通过接触器接收控制信号，并依据控制信号控制轨道交通车辆上的受控设备。

在步骤s1803中，通过传感单元监控接触器上主触点的实时状态，以得到反应受控设备工作状态的第一状态信息。

在步骤s1804中，通过逻辑监测单元接收传感单元反馈的第一状态信息，监控接触器上线圈及辅助触点的实时状态得到第二状态信息，并将第一状态信息以及第二状态信息反馈至逻辑控制单元。

在步骤s1805中，通过显示单元接收并显示第一状态信息以及第二状态信息。

综上，本发明提供的用于轨道交通车辆的电气屏柜及状态监控方法提供了一种无触点微机化的电气屏柜，采用无触点微机化逻辑控制方式替代传统机械触点控制，节约了电气屏柜的空间；并且，提出了一种故障自诊断自动闭环控制方式，能够精确的定位故障位置，缩减了故障排查的流程，提升了故障检修的效率。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。