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西門子自動化技術(shù)打造堪與世界比肩的城軌用車品牌———記長春客車的自主創(chuàng)新之路
西門子(中國)有限公司工業(yè)自動化與驅(qū)動技術(shù)集團自動化系統(tǒng)部

     長春客車這個堪與世界比肩的國有品牌,已經(jīng)與城市軌道交通緊密的聯(lián)系在了一起。隨著我國城市軌道交通建設進入全新的蓬勃發(fā)展階段,國內(nèi)已有8家地鐵車輛、3家輕軌車輛整車生產(chǎn)企業(yè),并有多家國際廠商覬覦已久,形成了軌道車輛裝備制造業(yè)的多極化發(fā)展態(tài)勢。面對如此激烈的市場競爭環(huán)境,長春客車只有主動采用先進的控制技術(shù),擬定出標準化的車輛結(jié)構(gòu),從核心技術(shù)上拉開與國內(nèi)同行的距離,才是脫穎于這一紅海的唯一出路。

  正如人們所說的“如影隨形”,無論你乘坐哪種交通工具出行,地鐵或者輕軌都從你的腳下或者身邊駛過。現(xiàn)在,僅僅馳騁在北京地鐵2號線、5號線、10號線、13號線和機場快線的千余輛軌道車輛中,就有914輛是由長春客車股份公司制造的,占北京全部奧運用地鐵和城市軌道車輛總數(shù)的90%。

  長春客車這個眾所周知的國有品牌,已經(jīng)與城市軌道交通、城市的發(fā)展和經(jīng)濟建設緊密的聯(lián)系在了一起。經(jīng)過50年的不懈努力,全國11個城市在建地鐵項目中,長客奪標9個,已經(jīng)為北京、天津、上海、重慶、武漢、深圳、廣州等城市累計研制各類城軌車1,700余輛,占全國城軌車在用總量的80%左右。

  然而對于長春客車而言,在市場競爭新形勢下的擔憂和壓力一直都不曾消失。城軌用車是城市軌道交通系統(tǒng)裝備的核心,是確保城市軌道交通安全、準時、高效運行的關鍵,其投資大、技術(shù)復雜,在一定程度上標志著城市軌道交通技術(shù)發(fā)展的水平。根據(jù)統(tǒng)計表明,車輛購置費占地鐵設備總投資的45%~50%左右,占總投資的15%~20%左右。面對異常激烈的市場競爭環(huán)境,以及城軌交通車輛市場正在面臨的訂貨量上升,而利潤卻在下降的尷尬矛盾,長客只有主動的向全球領導企業(yè)看齊,采用先進的控制技術(shù),擬定出標準化的車輛結(jié)構(gòu),從核心技術(shù)上拉開與國內(nèi)同行的距離,才是脫穎于這一紅海的唯一出路。

加速城市軌道車輛國產(chǎn)化率

  根據(jù)建設部最新統(tǒng)計,我國目前已有北京、上海、廣州等10個城市陸續(xù)修建地鐵及輕軌線路并已投入運營,建成投入運營及試運營的線路共有22條,運營及試運營里程共602.3km。目前,在北京、上海、廣州等12個城市中,有36條城市軌道交通線路正在建設。在未來10多年里,15個城市建設軌道交通線路總長約1,700km。按照目前我國城市軌道交通線路的實際情況,每公里平均保有車數(shù)約為7.7輛,預測未來的10年~15年,我國將需各類車輛約為1.3萬多輛,若再考慮現(xiàn)有車輛的更新和技術(shù)改造,則將需要有更多的車輛。總投資將達到6,200億元。

  由于城市軌道交通車輛是一種集多學科技術(shù)的復雜機電產(chǎn)品,其總體設計是根據(jù)線路條件、用戶需求來確定城市軌道交通車輛合理的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)和機電裝備的配置以及各系統(tǒng)、設備之間的接口關系。我國的城市軌道車輛一直采用自主創(chuàng)新的研發(fā)方式,結(jié)合利用技術(shù)引進和跟隨戰(zhàn)術(shù),部分技術(shù)已經(jīng)接近世界先進水平。然而市場是樂觀的也是嚴酷的,作為出產(chǎn)了中國第一輛具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地鐵用車的長春客車,必須肩負起加速我國城市軌道交通車輛國產(chǎn)化率的重擔。

  由于大部分生產(chǎn)電氣傳動控制系統(tǒng)的國外大型公司也生產(chǎn)整車,它們在車輛電氣、制動控制原理研究上也具有很高的水平,這樣就導致了一些國內(nèi)城市軌道交通車輛整車生產(chǎn)企業(yè)對國外電氣傳動控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)廠商技術(shù)上的依賴。郝先生認為,電氣傳動控制系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等是實現(xiàn)車輛國產(chǎn)化的關鍵,目前都取得了國產(chǎn)化的重大進展。這些先進技術(shù)的合理集成能夠極大提升國產(chǎn)車輛的檔次,使城市軌道交通車輛總體技術(shù)接近世界先進水平。

  長客對于地鐵節(jié)能降耗的努力也充分顯示出了其領先的發(fā)展意識和戰(zhàn)略眼光,郝先生介紹:“地鐵的耗電量是很大的,節(jié)約電能首先要從提高電機的利用率和能量回收入手。比如有些車輛上配備的電能回饋系統(tǒng),將車輛剎車時產(chǎn)生的大量能量轉(zhuǎn)化為電能回收。雖然目前沒有取得廣泛應用,不過作為一種發(fā)展趨勢,終將隨著技術(shù)的發(fā)展,在軌道交通車輛中普及。”

  從第一臺凸輪變阻的碳鋼車到今天的變頻調(diào)速鋁合金、不銹鋼客車,從大運量的地鐵車到高價輕軌客車,從鋼輪雙軌客車到橡膠輪單軌客車,從直線電機牽引的城軌車到磁懸浮客車。數(shù)十年來,長客自主創(chuàng)新研制的城軌客車品種日新月異。因為長客人知道必須大步邁進,必須每年跨越國外制造商歷經(jīng)數(shù)年才走完的歷程,才能實現(xiàn)突破,在世界上嶄露頭角。“必須承認,相比龐巴迪、阿爾斯通和西門子而言,我們的車輛在性能和技術(shù)方面存在差距,仍需努力。”長客在研發(fā)方面投入了大量精力,長春研奧電氣有限公司副經(jīng)理郝明亮先生談到:“例如北京地鐵各條線路的機車型號均不相同,公司1,000多名研發(fā)人員加班工作,從優(yōu)化結(jié)構(gòu)開始,到車輛的外觀和內(nèi)飾設計,一遍遍的進行調(diào)整。所以可以完全根據(jù)地鐵線路的需求設計出定制的車輛,比歐洲廠商更具靈活性。”長客的產(chǎn)品目前已涵蓋了城軌用車的全部種類。這種全方位的品牌效應,讓世人逐漸把中國和城軌用車研發(fā)大國聯(lián)系起來。

空調(diào)系統(tǒng)營造舒適乘車環(huán)境

  城市化水平的提高,軌道交通的大規(guī)模改造,給北京進入快速公交時代提供了基礎保障,越來越多的家庭選擇地鐵和城軌作為代步工具,人們的出行方式發(fā)生了較大變化。2002~2006年,北京市建成軌道交通運營里程60公里,相當于從建國到2001年末建成軌道交通總里程的1.1倍。地鐵逐漸變成人流最為密集的公共場所,其單向每小時可運送4萬至6萬人次。自從奧運申辦成功以后,科學發(fā)展、以人為本的理念滲透到了社會的方方面面,人們愈發(fā)重視生活的舒適度。在地鐵運行時,列車與大量客流、及設備所產(chǎn)生的熱量,使得地鐵內(nèi)溫度逐年升高,所以通過空調(diào)系統(tǒng)增加地鐵的舒適性顯得愈發(fā)重要。

  從第一列加裝空調(diào)的國產(chǎn)城市輕軌和地鐵用車開始,長春客車在空調(diào)通風和采暖系統(tǒng)的控制上一直保持著簡單、實用的設計思路,最大程度上為乘客提供一個簡潔、舒適的乘車環(huán)境?;诘罔F車輛多年的成熟運用經(jīng)驗和設計理念,長客在空調(diào)通風和采暖系統(tǒng)控制方式的設計上一改傳統(tǒng)的“通過操作操縱臺上硬線開關控制的方式”,打造一個可以徹底滿足北京奧運地鐵溫控使命的空調(diào)系統(tǒng)。長春客車與西門子團隊一起精誠合作,充分利用了列車控制網(wǎng)絡優(yōu)勢,憑借先進的列車網(wǎng)絡操作平臺,簡化了司機操縱臺的部件、列車布線設計和司機的操作程序,促進了系統(tǒng)進一步集成化;兼顧了網(wǎng)絡故障情況下仍可以通過簡單的操作,使系統(tǒng)按照某一功能方式正常運行,確保了列車的舒適性。為了預防極端狀況,該系統(tǒng)還保留了在特殊情況下可啟動緊急通風的功能。


  城軌客車空調(diào)系統(tǒng)主要由空調(diào)機組、送風系統(tǒng)、回風系統(tǒng)、廢排系統(tǒng)等部分組成。每輛車的空調(diào)控制柜內(nèi)均設置有集控、本控選擇開關。列車正常運行時,選擇集控模式,此時整列車所有車輛的空調(diào)通風和采暖系統(tǒng)工作狀態(tài)接受激活司機室指令控制;列車在檢修時選擇本控模式,車輛將接受本車空調(diào)控制柜內(nèi)功能選擇開關的控制。

  空調(diào)機組配用獨立的電氣控制柜,高可靠、易編程、功能強,并且?guī)в徐`活通訊功能的PLC控制器,分別控制各個車廂的空調(diào)系統(tǒng)。“每個西門子S7-200 PLC控制一節(jié)車廂的空調(diào)系統(tǒng),整車使用6套PLC,各個車廂的空調(diào)系統(tǒng)都通過網(wǎng)絡連接到機車的控制室,集中顯示到控制屏幕,清晰的監(jiān)視每個空調(diào)的運行情況,可以有效的進行故障診斷。”談到西門子產(chǎn)品的應用,郝先生認為S7-200完全滿足長客的需求,“使用西門子PLC可以明顯的感覺到編程方面的便利性。它擁有豐富的指令集,以及友好的編程環(huán)境,還有很多大家常常熟視無睹的優(yōu)點,比如可重復使用的代碼,獨立于處理器的編程環(huán)境,更快的掌握速度等等,可以有效的節(jié)約額外的工程實施和人員培訓產(chǎn)生的費用。”

  在PLC的選型方面,長春客車意識到不但要考慮到控制器的功能性,還需要考核廠家的售后服務和技術(shù)支持水平,因為對于系統(tǒng)的正確使用、維修和升級,往往比選用PLC控制器的種類更為重要。由于空調(diào)系統(tǒng)的運營環(huán)境比較惡劣,溫度高、濕度大,因此空調(diào)系統(tǒng)的相關技術(shù)指標要求是比較嚴格的:客車的空調(diào)系統(tǒng)要有很強的適應環(huán)境能力以及非常高的運行可靠性能。PLC還需要承受同時啟動多臺空調(diào)壓縮機時,可能產(chǎn)生的過載沖擊。任何微小的紕漏,都將降低客車的乘客搭載效率。

  憑借遍及全國,并且制度完善的服務體系,西門子能夠有效的幫助用戶提高運營指標,消除不必要的維修損失。作為經(jīng)驗豐富的客戶服務與支持人員,西門子客戶服務部工程師崔堅和李娟回想起置身北京地鐵5號線和10號線,進行現(xiàn)場支持的場景:“奧運期間,長客反映有部分車輛的空調(diào)系統(tǒng)不能啟動,我們立即做出了迅速響應。由于維修必須在客車停運時進行,晚上11點之后我們到達了地鐵車庫,對出現(xiàn)問題的車輛進行了詳細的檢查。最終發(fā)現(xiàn)是時鐘源引發(fā)的問題,出廠車輛PLC的控制程序在長春編制,當時時鐘源并沒有十分確定,與現(xiàn)場使用的時鐘源不同,所以導致了問題的產(chǎn)生。”找到問題往往只是簡單的第一步,修改程序的過程最為復雜。首先需要讀懂已有的程序指令、讀懂別人編寫的程序。由于每個工程師的編程習慣不同,這個過程一般來說就需要數(shù)天時間。經(jīng)過徹夜不眠的持續(xù)工作,第二天早晨6點,問題得到了圓滿的解決。兩位工程師還將控制程序進行了優(yōu)化,精益求精,力??照{(diào)系統(tǒng)在今后的運行中萬無一失。為用戶提供高品質(zhì)的服務,追求用戶的100%滿意是西門子客戶服務團隊不變的驅(qū)動力。在中國,西門子擁有的這支技術(shù)過硬、經(jīng)驗豐富的工程師隊伍,24小時隨時待命為用戶提供支持,同時,可以為出口其他國家的產(chǎn)品做當?shù)氐姆罩С郑谕袠I(yè)廠家中無能匹敵。

  西門子團隊快速響應,任勞任怨,樂于吃苦的精神也給長客留下了深刻的印象。郝先生結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的特點和自身體會,總結(jié)說:“西門子的PLC目前運行非常穩(wěn)定,沒再遇到問題。西門子這樣的大廠家,研發(fā)實力很強,也擁有巨大資金的研發(fā)投入,這在我們選型時是非常看重的。西門子PLC還可以較為容易地實現(xiàn)一些量身定制的功能,而這些功能對于我們公司來說異常重要。產(chǎn)品所具備的工業(yè)級標準,以及易于使用的編程方式,能夠讓我們更快的調(diào)試好我們的空調(diào)系統(tǒng)。我們有理由相信,西門子PLC在使用的容易程度、可靠性以及技術(shù)支持服務方面,都將繼續(xù)保持其領先地位。”

首列無人駕駛直線電機車輛

  在長春客車為北京奧運研發(fā)的定制車輛中,值得一提的是堪稱“國門”項目的機場輕軌用車,該車首次實現(xiàn)了國內(nèi)城軌車輛自動無人駕駛運營。作為奧運配套工程的北京市軌道交通首都國際機場線,是一條主要服務于航空旅客,具有城市候機樓功能的客運專線。

  列車為4輛編組,全部為動車,定員710人,最高運行速度110 km/h。為把奧運用車做成最科技、最環(huán)保的項目,長客在開發(fā)時,采用了世界最先進的直線電機技術(shù),其能耗比相同運量的旋轉(zhuǎn)電機牽引車輛低30%;全網(wǎng)絡控制,無司機室設計,停車精度可達到250 mm 以內(nèi)(一般在300~500 mm);獨特的液壓制動系統(tǒng),具有安全等級高、體積小、重量輕、反應靈敏等特點;尤其采用國際最先進的徑向轉(zhuǎn)向架有效提高了車輛的運行性能,極大降低了行駛噪音。

  “北京地鐵最先進的機場快線,采用直線電機技術(shù),使得機車整體高度降低,行駛風阻相應減少,由于省去了軸承,噪音大幅下降。車身降低以后,占用的整體空間縮小,減少了隧道的土石方,節(jié)省了建設資金。況且車體總線使用冗余設計,雖然無人駕駛但是運行絕對安全可靠。”郝先生講述。

  現(xiàn)今長春依托于長春客車,將建成長春軌道交通裝備制造產(chǎn)業(yè)園,規(guī)劃面積6.5平方公里,其中已建成1.5平方公里。努力把長春軌道交通裝備制造產(chǎn)業(yè)園建設成為長客最完備的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與配套服務平臺,全國規(guī)模最大、競爭力最強、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、具有國際一流水平的鐵路客車和城市軌道車輛研發(fā)、生產(chǎn)和出口基地。長客還將繼續(xù)強化與西門子公司合作,提高車輛的舒適性和安全性。

  憑借價格和技術(shù)的綜合優(yōu)勢,長客在國際市場中的競爭優(yōu)勢已經(jīng)初見端倪。1995年長客成功取得了217輛伊朗德黑蘭地鐵項目的車輛訂單,保持著我國最大的機電產(chǎn)品出口項目紀錄。合理的價格、完善的技術(shù)、良好的服務,德黑蘭地鐵讓長客在中東打響了“中國牌”。至今長客已出口世界各地車輛1,400部,創(chuàng)匯12億美元。除了這種整車購買以外,很多國家也在考慮購買長客的鋁合金和不銹鋼車體。2007年澳大利亞PPP626輛不銹鋼雙層客車項目車輛分包合同正式簽定。長春客車作為分包商為澳大利亞研制雙層不銹鋼客車。簽約車輛626輛,合同總金額3.1082億美元,這一里程碑式的項目標志著中國的機車車輛將首次進入發(fā)達國家。