樂建銳， 李恒瑞， 王 莉

(深圳通業(yè)科技股份有限公司， 廣東深圳 518110)

繼電器在軌道交通中發(fā)揮重要作用。繼電器在列車中的數(shù)量龐大，單列車最多可達(dá)300個(gè)以上。繼電器在軌道交通中主要作用是邏輯控制和信號傳遞，比如：列車激活、司機(jī)室占有、牽引控制等控制回路。由繼電器引發(fā)的故障導(dǎo)致列車晚點(diǎn)、清客以及救援事件屢見不鮮。因此，繼電器的可靠性直接關(guān)系到整車的運(yùn)行[1-3]。

LCU是專門為軌道交通環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯控制裝置。相對于傳統(tǒng)繼電器，LCU采用無觸點(diǎn)式可編程控制技術(shù)，從根本上解決繼電器卡滯、抖動、接觸不良、延遲響應(yīng)等缺陷。此外，熱備冗余技術(shù)的應(yīng)用，有效提升LCU在地鐵列車控制電路的整體可靠性。深圳地鐵9號線作為LCU示范性應(yīng)用的首條線路。目前LCU在深圳9號線尚處于研究和驗(yàn)證階段。這對于LCU在后期的推廣應(yīng)用具有重要參考意義。

1 LCU簡介

(1)方案介紹

LCU(Logic Control Unit, 邏輯控制單元)采用熱備冗余模塊設(shè)計(jì)，主要有電源模塊、IO模塊、主控制器和網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)成。LCU在整車中，負(fù)責(zé)采集司機(jī)控制器、按鍵開關(guān)、隔離開關(guān)、接觸器輔助觸點(diǎn)等110 V的信號，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后，輸出驅(qū)動車輛各類負(fù)載，完成指定的時(shí)序控制功能。

LCU裝置在軟件上結(jié)合德國科維公司PLC內(nèi)核，并且依托該公司eCLR平臺作為應(yīng)用軟件開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)列車控制邏輯的二次開發(fā)及圖形化編程。此外，LCU系統(tǒng)具備故障自診斷、故障定位以及切換、日志記錄以及離線數(shù)據(jù)分析等功能[4]。LCU具備功能特點(diǎn)如表格1所示。

表1 LCU功能特點(diǎn)

(2)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

LCU基本單元由主控板、輸入輸出板、MVB板、以太網(wǎng)板及電源板、接口板組成。LCU的A、B組為兩套硬件完全一致的主控板、輸入輸出板、電源板，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信采用冗余設(shè)計(jì)。圖1為LCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖。LCU裝置中，電源模塊提供5 V工作電源以及獨(dú)立的通信隔離電源，輸入、輸出板實(shí)現(xiàn)輸入采集以及輸出控制。每臺LCU各個(gè)功能插件板的面板帶有LED燈，指示當(dāng)前工作狀態(tài)、通道狀態(tài)和故障狀態(tài)。

圖1 LCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

(3)機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹

目前LCU具備兩種規(guī)格的設(shè)備：規(guī)格1采用標(biāo)準(zhǔn)6U機(jī)箱尺寸值進(jìn)行設(shè)計(jì)。整機(jī)尺寸如圖1所示：(435.86×215×265.2) mm(長×寬×高)。規(guī)格2采用標(biāo)準(zhǔn)3U機(jī)箱尺寸值進(jìn)行設(shè)計(jì)。整機(jī)尺寸：(354.57×215×132.60) mm(長×寬×高)。

圖2 6U和3U機(jī)箱結(jié)構(gòu)圖

2 深圳地鐵9號線LCU應(yīng)用方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

深圳地鐵9號線列車是6節(jié)編組列車，整個(gè)LCU系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制，每節(jié)車廂均部署LCU。其中A1、A2車司機(jī)室采用規(guī)格為6U機(jī)箱和3U機(jī)箱，B1、B2、C1、C2均采用規(guī)格為3U機(jī)箱。各個(gè)LCU機(jī)箱之間相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)各自邏輯控制，LCU通過MVB通信向整車控制網(wǎng)絡(luò)上報(bào)控制數(shù)據(jù)和故障狀態(tài)信息；上位機(jī)通過以太網(wǎng)連接車上任意LCU節(jié)點(diǎn)監(jiān)視工作狀態(tài)。整車網(wǎng)絡(luò)通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 取代繼電器范圍

深圳地鐵9號線總體上LCU取代繼電器的原則：可取代絕大部分通用繼電器。除了列車上的永久性上電負(fù)載、電流過大負(fù)載以及其它電源制式、其他設(shè)備柜體內(nèi)的繼電器。

圖3 整車通訊拓?fù)鋱D

在深圳地鐵9號線上，LCU取代繼電器類型包括：中間繼電器、時(shí)間繼電器；從功能電路上，取代繼電器范圍：警惕、零速、方向控制、牽引制動指令、開關(guān)門、門保持、停放制動施加緩解、受電弓、ATO模式等。LCU共取代180個(gè)繼電器，替換比例為61.2%。取代繼電器范圍如表格2所示。

表2 取代繼電器方案表

在深圳地鐵9號線上，部分電路中安全性要求高的繼電器，目前設(shè)計(jì)是LCU和繼電器雙備份工作。后續(xù)，在進(jìn)一步驗(yàn)證后再分析替換。

2.3 LCU技術(shù)特點(diǎn)

2.3.1利于維護(hù)

(1)方便調(diào)試

LCU支持在線調(diào)試。在深圳地鐵9號線調(diào)試過程中，采用以下兩種方法：①通過科維軟件進(jìn)行在線調(diào)試仿真，科維軟件提供友好的可編程邏輯控制界面，方便調(diào)試人員對邏輯進(jìn)行更改。②調(diào)試人員通過IO面板讀取當(dāng)前點(diǎn)位信息數(shù)據(jù)，方便查線。

(2)網(wǎng)絡(luò)信息化

LCU系統(tǒng)通過MVB和以太網(wǎng)將各個(gè)LCU當(dāng)前狀態(tài)上報(bào)至TCMS網(wǎng)絡(luò)，然后上傳司機(jī)室HMI。此外，LCU具備故障自診斷功能，能夠準(zhǔn)確識別并定位自身故障。故障信息可以上報(bào)至司機(jī)室，方便維修人員進(jìn)行檢索。

同時(shí)LCU具備故障及日志數(shù)據(jù)存儲功能，可以實(shí)時(shí)記錄故障數(shù)據(jù)，輸入輸出狀態(tài)變化數(shù)據(jù)及關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)可以通過通訊端口進(jìn)行下載維護(hù)。維修人員可以通過LCU專用的PTU維護(hù)軟件下載日志數(shù)據(jù)，分析定位列車故障原因以及發(fā)生時(shí)間等(見圖4)。

圖4 PTU維護(hù)軟件

(3)可操作性

LCU設(shè)備安裝在電氣柜內(nèi)，柜體的維修操作面僅位于前面。機(jī)箱內(nèi)部背板外的所有功能板卡都從前面板進(jìn)行拆除，所有接線都是前出線方式，便于維修。

(4)防錯(cuò)性

機(jī)箱背板具備板卡防插錯(cuò)功能，防止插反或插錯(cuò)槽位。外部電源、通信、IO信號接口，都具備唯一標(biāo)識，避免維修中因?yàn)椴邋e(cuò)而出現(xiàn)事故。各個(gè)模塊具有防插錯(cuò)功能，大大提高LCU系統(tǒng)的防錯(cuò)性。

圖5 深圳地鐵7號線(繼電器)和深圳 地鐵9號線(LCU)裝機(jī)對比圖

(5)模塊化設(shè)計(jì)

相對于傳統(tǒng)繼電器LCU走線更為簡單，模塊化的設(shè)計(jì)使得整車走線及布局得以優(yōu)化，大大節(jié)省電氣柜空間。

2.3.2可用性高

LCU系統(tǒng)采用熱備冗余方案設(shè)計(jì)。正常運(yùn)行過程中，兩組板卡同時(shí)為上電工作狀態(tài)。對于冗余的兩組主控板和輸入輸出具備主用和備用兩種狀態(tài)。在實(shí)際的運(yùn)行過程中，只有主用態(tài)的板卡承擔(dān)實(shí)際的控制功能。冗余板卡功能板通過自檢以及互檢，準(zhǔn)確識別并定位故障后，進(jìn)行主備切換。所有的切換均具備單板切換功能，主備切換時(shí)間小于16 ms，單板切換對LCU負(fù)載如繼電器、接觸器、DI等無影響，切換過程中整車系統(tǒng)運(yùn)行正常。

針對LCU的可用性，2016年4月底到5月初，深圳地鐵公司基于深圳地鐵9號線新車，展開LCU冗余系統(tǒng)故障態(tài)無縫切換的功能驗(yàn)證試驗(yàn)，見表3。

表3 LCU冗余系統(tǒng)無縫切換功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

LCU機(jī)箱內(nèi)部板卡采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)功能設(shè)計(jì)成獨(dú)立的板卡，所有板卡結(jié)構(gòu)尺寸滿足3U標(biāo)準(zhǔn)。整車同種類型的功能板卡可以互換，無需額外進(jìn)行配置。針對此項(xiàng)功能，LCU冗余系統(tǒng)板件互換驗(yàn)證試驗(yàn)，見4表。

表4 LCU冗余系統(tǒng)板件互換驗(yàn)證試驗(yàn)

2.3.3高可靠性

(1)LCU機(jī)箱背部采用8層PCB布線設(shè)計(jì)，整機(jī)無飛線，全部使用鐵路專用連接器進(jìn)行連接，具有高可靠、長壽命、EMC性能好等優(yōu)勢；

(2)IO板、電源板、主控板支持雙板冗余，關(guān)鍵電路按高安全性設(shè)計(jì)，具備硬件自檢和互檢能力，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)硬件故障，支持熱備自動切換；

(3)高性能的熱備冗余切換機(jī)制，確保LCU在單點(diǎn)故障情況下，能夠保持正常邏輯控制，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。

(4)LCU采用無觸點(diǎn)控制技術(shù)、擺脫通道開關(guān)的動作次數(shù)限制，大大增加系統(tǒng)的可靠性。

2.3.4高安全性

(1) 安全防護(hù)功能

LCU系統(tǒng)具備滿足軌道行業(yè)要求的保護(hù)功能，包含：輸出過流保護(hù)、短路保護(hù)、電源過欠壓保護(hù)，電源過流、短路保護(hù)。

①輸入采集模塊具備抗干擾及電氣隔離能力，可濾除不正常的干擾數(shù)據(jù)。

②輸出通道具備短路保護(hù)及大電流保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載短路或者電流過大時(shí)，輸出保護(hù)，斷開輸出。同時(shí)，輸出驅(qū)動電路進(jìn)行電氣隔離設(shè)計(jì)。

③電源模塊具備過欠壓保護(hù)功能。

(2) 安全策略

LCU系統(tǒng)在失效模式時(shí)，表現(xiàn)出高可靠性。LCU針對自身在單組電源板掉電以及單個(gè)輸入通道失效，CAN總線失效，兩組主控板卡均失效的情況下均有應(yīng)對的安全策略，確保列車安全行駛。安全方案見表5。

表5 LCU系統(tǒng)的安全策略

3 結(jié)束語

LCU作為地鐵車輛控制中的重要單元。目前LCU在深圳地鐵9號線安全無故障運(yùn)行近104h，運(yùn)行里程達(dá)18萬km。相對于傳統(tǒng)繼電器，LCU大大提高列車運(yùn)行的可靠性和可用性，同時(shí)便于維護(hù)，方便快速定位故障。下一步的應(yīng)用研究更加深入的方向是：LCU在整車無人駕駛中的關(guān)鍵技術(shù)。在未來，LCU將會得到越來越多的應(yīng)用。