有源应答器发送默认报文的原因分析
张肖
（中铁建电气化局集团第三公司有限公司，保定071000）
摘要：在中国高速铁路列车控制系统（CTCS）的调试和运行过程中存在有源应答器发送默认报文的故障现象。
结合应答器地面设备的组成和原理，结合现场经验对该现象进行原因分析。
根据分析方法和经验，可快速排除有源应答器发送默认报文的故障，从而保证列控系统调试进度或运行效率。
关键词：中国列车控制系统；应答器；有源应答器；轨旁电子单元；报文
1、概述
在中国高速铁路和客运专线系统中，列车控制系统（CTCS）是保证列车运行安全和效率的重要系统，应答器是列车控制系统地面设备中的重要组成部分，关系到列车运行安全的控制信息，包括列车进路、临时限速等实时变化的重要信息。
这些信息来自列控中心，并通过有源应答器传送给车载设备。
当车载设备从有源应答器接收到报文属于默认报文时，可能会引发列车异常制动，从而影响到列车正常。
2、应答器地面设备组成和原理
应答器地面设备主要包括应答器、轨旁电子单元（LEU）、电缆检测盒（ECI）、防雷单元和传输电缆组成、具体如图1所示。
列车中（TCC）根据车站联锁排列的进路、临时限速服务器或CTC/TDCS下达的临时限速命令，生成实时变化的报文发送给LEU；LEU周期接收来自于列控中心的报文，并将其连续不断地向有源应答器发送；有源应答器通过电缆与LEU连接，通过无线接口向车载发送来自于LEU的报文；ECI是电缆检测盒，用于检测应答器传输电缆是否存在开路或短路现象。
在实际应用时，LEU（包括ECI）存在双机热备冗余的方式，通过切换单元确保正常的LEU 将报文发送给有源应答器，具体如图1的虚线部分。
从图1中可以看出，可能会影响有源应答器发送报文的因素如下。
1）通信接口P或Q（列控中心与CTC或连锁的通信）。
2）通信接口S（列控中心与LEU的通信）。
3）LEU。
4）ECI。
5）切换单元。
6）防雷单元。
7）传输通道（电缆、尾缆、终端盒）。
以上任何一个环节设备或通信故障，都可能导致有源应答器发送默认报文的现象。
3、故障分析的方法
3.1报文计数器的概念
应答器以报文的形式发送信息，我国列控系统中，每条应答器报文都是一个50位的帧头、若干信息包以及8位结束包构成，共计830位。
其中在报文帧头中包含一个8位的变量M_MCOUNT，定义为报文计数器，有源应答器的M_MCOUNT为255，有源应答器默认报文的M_MCOUNT为252，LEU默认报文的M_MCOUNT为253.
通过对应答器发出的报文进行解析并得到M_MCONUT，即可判断信息传输通道是否存在问题。
报文解析的方法有两种：一种是车载设备通过有源应答器时读取报文，这种方法一般用于发现故障；另外一种是利用报文读取设备，现场读取有源应答器或LEU的报文。
在对通道分析时一般采用读取设备，从LEU输出到有源应答器通道的任何一点均可以用读取设备报文。
3.2判断故障点的基本原则
现场查找故障时，可以用报文读取设备连续读取有源应答器的报文，根据其发出报文的特
征（报文计数器）对故障点进行初步判断，具体如表1所示。
4、典型分析详述
4.1 LEU
列车中心通过通信接口板与LEU通信，采用RS-422串口总线。
通信板接收列控中心主机的应答器用户数据，实时编码成应答器报文后向LEU发送，LEU将该报文连续不断地发送给有源应答器，同时LEU将传输通道和有源应答器的状态（过车信息）反馈给列控中心。
列控中心没500ms向LEU发送实时报文，没15s接收LEU反馈的信息。
当列控中心与LEU通信中断时，有源应答器发送的是LEU默认报文；当LEU或传输通道故障时，有源应答器发送自身的默认报文。
1）从指示灯判断LEU的状态
LEU包含电源板、数据处理板、通信接口板、输出板和母版，其中电源板、数据处理板而和通信接口板均有指示灯，根据工作时指示灯的状态可基本判断LEU的状态，具体如表2所示。
2）从LEU记录的数据分析通道状态
每台LEU可以为4个有源应答器发送报文，LEU在运行过程中，会在内存中记录各种事件，比如每一条输出的报文编号和对应应答器的过车信息，这些信息用于对LEU工作历史状态的分析和追溯，图2表示某LEU前3个通道的历史数据。
以输出通道1为例，001表示1通道，05956表示当前发送的报文代号，32872表示实时发送的报文代号，在01:43:19的“X”表示有车通过该通道的有源应答器。
另外“X”也可能代表通道存在开路或短路情况的发生。
从图2中可以看出，该LEU第1通道和第2通道的状态正常，而第3通道从13:26:12到13:26:45的时间内连续出现X，在40s内出现多次列车通过是不可能的，这说明该LEU的第三个通道可能存在短路或开路故障。
4.2防雷单元
根据工程设计和系统应用的要求，LEU的每个输出通道必须配置防雷单元，用于防护LEU 设备，防雷单元电气简图如图3所示。
防雷模块的标称电压为24V，当引入室内的干线电缆钢带和铝护套接地不良、电缆屏蔽在分线盘处接地不良或防雷单元接地不良时，外界干扰信号无法有效快速泄入防雷地，就叠加在防雷单元输入端上。
当叠加信号的电压大于防雷单元的标称电压时，防雷单元立刻动作，瞬态二极管D导通，此时该通道被瞬时短路，有源应答器发送自身的默认报文。
由于干扰信号的不确定性，所以该故障也会偶然发生，没有规律。
4.3应答器
应答器通道传输的信号为低压电信号（最大Vpp为41V），且为平衡线传输方式。
应答器的C接口输入电路具有抗浪涌冲击功能，采用了2个串联的TVS管，对达到一定电平的浪涌干扰予以短路释放，以保护后续电子电路不被浪涌干扰破坏。
如果在该通道上施加较长时间的高电压（如测试电缆绝缘所用的500V电压），而没有将应答器与电缆脱离，这种高电压信号对应答器C接口将会造成不可修复的破坏，例如短路、开路或阻抗变化，这几种故障都会被ECI检测出来，从而导致有源应答器发送自身的默认报文。
以图4为例，对一种应答器C接口电路的故障模型进行分析，在输入端口用2支TVS管防护，当输入电压、电流和时间超过器限制时，TVS管的故障模型有两种状态，开路状态和短路状态。
如果2个TVS管均呈短路状态时，传输通道被故障的应答器短路，该应答器将不能接收来自LEU的数据，当车载天线经过时，应答器发送默认报文。
如果其中一个TVS管呈开路状态时，不会影响应答器的数据传输功能，但是，该应答器将不再具有抗冲击的能力。
如果通道上出现浪涌干扰时，应答器C接口内部电路可能会被损坏。
4.4ECI
ECI即电缆检测盒，用于检测信号传输通道的状态，包括电缆开路、电路短路、防雷单元故障、应答器C接口故障、传输通道的阻抗变化，1个ECI可同时检测4个信息传输通道的状态，并将故障状态反馈给LEU，同时记录在内存中。
当ECI检测到一个通道故障时，会周期地向该传输通道发出短路信号，该短路信号被LEU 捕获到并反馈给列控中心。
由于需要定期检测通道是否恢复正常，所以短路信号中间要加入恢复的时间，具体如图5所示。
当传输通道故障发生1s后，ECI进入动作状态，短路传输通道9s，恢复传输通道2s，短路8s，恢复2s，如此往复循环，直到通道恢复正常。
所以当ECI动作时，通道被完全短路，有源应答器发送自身存储的默认报文，只有在通道恢复2s的期间，有源应答器才有可能正常发送报文。
现场应用过程，曾经出现过以下案例：由于外部高压大电流的冲击，使应答器C接口下降，所以ECI判断该通道为短路，而实际上未发生完全的短路。
在这种情况下，ECI频繁动作，机车通过该应答器时，就会时而接收到正常报文，时而接收到默认报文，更换应答器后该故障排除。
5、结语
通过以上分析，说明了应答器发送默认报文的几个主要原因，结合应答器地面设备的组成和原理，结合故障案例和现场经验，提出了几种具体的故障分析排除方法，从而保证列控系统调试进度或运行效率，具有一定实际操作指导性。
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