列車電氣控制系統(tǒng)升級方案設(shè)計(jì)與研究

王野

摘? 要：車輛的電氣控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)繼電器控制電路，存在繼電器數(shù)量多、可編輯能力差、故障點(diǎn)多、占用空間等缺點(diǎn)，文章通過采用新型可編程邏輯控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器控制電路，可解決繼電器卡位、抖動(dòng)、接觸不良等缺點(diǎn)，提高控制電路單點(diǎn)可靠性及穩(wěn)定性。在未來無人駕駛相關(guān)的線路中，可編程邏輯控制單元技術(shù)方案可發(fā)揮更安全地控制，同時(shí)為故障處理、智能運(yùn)維、列車狀態(tài)修提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：邏輯控制單元;LCU;電氣控制;繼電器

中圖分類號：U270.38+1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0139-02

Abstract： The electrical control system of the vehicle is a traditional relay control circuit， which has some shortcomings， such as a large number of relays， poor editing ability， many fault points， occupying space and so on. In this paper， a new programmable logic control technology is adopted instead of the traditional relay control circuit. It can solve the shortcomings of relay clamping， jitter and poor contact， and improve the single-point reliability and stability of the control circuit. In the future self-driving related lines， the technical scheme of programmable logic control unit can play a more secure control and provide data support for fault handling， intelligent operation， and body maintenance of the train.

Keywords： logic control unit; LCU; electrical control; relay

1 概述

大連地鐵1、2號線所采用地鐵列車為B2型車，車輛的電氣控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)繼電器控制電路，存在繼電器數(shù)量多、可編輯能力差、故障點(diǎn)多、占用空間等缺點(diǎn)。本次電氣控制系統(tǒng)升級方案是采用新型可編程邏輯控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器控制電路，以解決上述缺點(diǎn)?？删幊踢壿嬁刂萍夹g(shù)的核心部件為LCU（可編程邏輯控制單元），通過可編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛控制邏輯，減少中間驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，采用無機(jī)械觸點(diǎn)的雙冗余控制方案，從根本上解決繼電器卡位、抖動(dòng)、接觸不良等缺點(diǎn)，提高控制電路單點(diǎn)可靠性及穩(wěn)定性。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

LCU是基于PLC編程控制原理，結(jié)合熱備雙冗余、2乘2取2等冗余結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了列車信號的安全采集、邏輯運(yùn)算（包含中間控制關(guān)系和延時(shí)控制）和安全驅(qū)動(dòng)，集合信號反饋采集和故障自診斷技術(shù)，較好地完成了車輛邏輯的閉環(huán)控制。

2.2 功能介紹

2.2.1 LCU功能

（1）控制信號采集：基于直流工作電源的電壓采集，0～30V為邏輯0，77～137.5V為邏輯1，完全適用于DC77～137.5V的工作電壓范圍。

（2）控制邏輯編程：通過編程語言，安全且靈活地實(shí)現(xiàn)車輛邏輯，編程語言符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）控制信號驅(qū)動(dòng)：基于診斷的2取2安全輸出，確保輸出信號滿足列車控制的安全導(dǎo)向需求。

（4）故障診斷及工作組切換：正常情況下，LCU各冗余模塊間工作于熱備狀態(tài)，輸出驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)同時(shí)輸出，當(dāng)某一模塊發(fā)生故障時(shí)，單點(diǎn)故障不會影響系統(tǒng)輸出，不會影響列車運(yùn)行。

2.2.2 性能參數(shù)

環(huán)境溫度范圍：-35℃～+50℃;

最高海拔高度：2000m;

存儲溫度范圍：-40℃～+70℃;

防護(hù)等級：IP20及以上;

散熱方式：自然冷卻;

控制電源：77～137.5VDC;

整機(jī)功耗：6U-LCU≤100W/3U-LCU≤50W;

輸入電壓范圍：低電平DC 0～30V，高電平DC 77～137.5V;

輸出電壓范圍：低電平DC 0～2V，高電平DC 77～137.5V;

輸入輸出響應(yīng)：輸入響應(yīng)小于5ms，輸出響應(yīng)小于5ms，輸入到輸出的最長響應(yīng)30ms;

輸出驅(qū)動(dòng)電流：每路輸出通道有過載保護(hù)能力，能承受的最大電流不小于10A持續(xù)時(shí)間100ms，額定工作電流2A。

2.3 安裝配置

以大連地鐵1、2號線四動(dòng)兩拖（=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=）編組方式的地鐵列車為例，LCU采用分布式控制，采用6U和3U兩種機(jī)箱結(jié)構(gòu)，6U主機(jī)安裝在Tc車電氣柜中，3U主機(jī)安裝在其他各車客室電氣柜中。每套LCU系統(tǒng)通過冗余的CAN總線接口進(jìn)行通信，并向司機(jī)臺上的LCU顯示器實(shí)時(shí)上傳工作狀態(tài)信息、故障診斷信息和其他必要的數(shù)據(jù)。采用LCU取代傳統(tǒng)中間電路元件給出驅(qū)動(dòng)信號，實(shí)現(xiàn)車輛相關(guān)設(shè)備、子系統(tǒng)的控制目的，具備定時(shí)控制、延時(shí)控制、狀態(tài)診斷、信息交互和故障保護(hù)等功能。

2.4 替代范圍

LCU替代既有車輛上的電氣控制電路，范圍如下：（1）ATC信號控制中涉及繼電器的輸入觸點(diǎn);（2）自動(dòng)駕駛模式繼電器;（3）所有車門控制功能繼電器;（4）門釋放及門聯(lián)鎖回路繼電器;（5）列車無高壓45分鐘延時(shí)蓄電池?cái)嚯娎^電器;（6）大部分COR繼電器（保留緊急制動(dòng)串聯(lián)回路及應(yīng)急牽引電路）;（7）警惕繼電器;（8）緊急制動(dòng)回路繼電器;（9）受電弓控制繼電器;（10）停放制動(dòng)控制繼電器;（11）常用制動(dòng)控制繼電器;（12）制動(dòng)緩解繼電器;（13）零速回路繼電器;（14）列車牽引回路繼電器;（15）TCMS采集中涉及繼電器的輸入觸點(diǎn);（16）其他可替換繼電器。

2.5 冗余設(shè)計(jì)

為了確保替代電路的可靠性，避免無法動(dòng)車等事件發(fā)生，LCU采取了以下冗余設(shè)計(jì)：（1）電源冗余。每套LCU配置一對冗余電源板（A/B）分別給機(jī)箱內(nèi)A組或B組板卡供電。（2）驅(qū)動(dòng)冗余。當(dāng)某一組LCU控制系統(tǒng)模塊發(fā)生供電故障、生命信號丟失、輸入故障、輸出故障時(shí)，另一組相同模塊能自動(dòng)切換，且切換時(shí)不影響列車運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)“熱切換”功能。LCU控制系統(tǒng)冗余模塊的切換采用合理的主備邏輯切換機(jī)制和狀態(tài)仲裁機(jī)制，避免兩組進(jìn)行無序的主/備競爭。（3）通信冗余。LCU機(jī)箱內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線冗余設(shè)計(jì)。所有的功能板件均有兩個(gè)獨(dú)立的CAN通信模塊，分別通過背板總線連接至兩條相互獨(dú)立的CAN總線上。正常工作時(shí)，兩路CAN總線同時(shí)參與通信。當(dāng)任意單CAN異常時(shí)，維持另一路CAN總線運(yùn)行，依舊能保證數(shù)據(jù)的正確傳遞。（4）備用模式。LCU增加了備用模式，若LCU出現(xiàn)主板卡和備用板卡同時(shí)故障的極端情況，通過對列車車門回路、緊急制動(dòng)回路、牽引回路設(shè)置LCU旁路，確保在極端情況下不因LCU故障導(dǎo)致列車無法開門或無法動(dòng)車故障，仍具備最基本的牽引制定及開關(guān)門功能，保證列車能夠運(yùn)行至終點(diǎn)站退出服務(wù)。

2.6 安全等級

滿足SIL2級標(biāo)準(zhǔn)的熱備雙冗余LCU已經(jīng)在地鐵上大量運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了無觸點(diǎn)的可編程邏輯控制替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制電路，更高安全標(biāo)準(zhǔn)的3取2冗余結(jié)構(gòu)的LCU已經(jīng)裝車使用，2乘2取2冗余結(jié)構(gòu)的LCU還處于研發(fā)階段，采用與地鐵信號系統(tǒng)相同安全等級的安全架構(gòu)更適應(yīng)SIL4級標(biāo)準(zhǔn)的無人駕駛線路。

3 可行性分析

3.1 采用LCU的優(yōu)點(diǎn)

（1）采用可靠性和模塊化設(shè)計(jì)，無機(jī)械觸點(diǎn)，使用壽命長，減少了日常維護(hù)工作量，有效降低了列車全生命周期運(yùn)營成本。（2）通道級熱備冗余，進(jìn)一步提高了設(shè)備的可靠性和安全性，設(shè)備單點(diǎn)故障不會影響列車運(yùn)行，安全完整性等級高于SIL2。（3）具有故障自診斷和智能推送功能，運(yùn)行數(shù)據(jù)的全程記錄，輔助實(shí)現(xiàn)車輛故障的精確定位。（4）可視化邏輯編程，采用符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的可視化編程軟件CodeSys。

3.2 改造升級方案對比

3.2.1 降低列車故障率

車輛上繼電器引發(fā)的列車故障為0.0989次/萬列公里，LCU故障引起的列車故障率為0.0256次/萬列公里，運(yùn)營至今，未出現(xiàn)任何因LCU故障導(dǎo)致的清客、救援故障，因此采用LCU技術(shù)將會大大降低列車故障率。

3.2.2 便于維護(hù)

繼電器全部失效的年限為25年，可靠度為0.9時(shí)的壽命約為5年，可靠度為0.95時(shí)的壽命約為3年，而LCU除架修及以上修程需要對機(jī)箱進(jìn)行除塵外，基本無需日常維護(hù)，維護(hù)更加便利。

3.2.3 故障查找方便

LCU具有輸入輸出點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄功能，配備監(jiān)測軟件，可根據(jù)需要對列車各信號進(jìn)行監(jiān)測，故障查找方便、直觀。

3.2.4 具有可編程功能

LCU可就現(xiàn)有的控制功能通過程序編輯進(jìn)行優(yōu)化，具備二次開發(fā)的能力。

3.3 改造升級施工周期

若對既有車輛改造升級為LCU技術(shù)方案，按1列車計(jì)算，施工周期如表1：

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LCU技術(shù)方案也在不斷完善和升級，并在新建線路地鐵列車上推廣和使用，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)必會被更加簡單、優(yōu)越的LCU技術(shù)方案所代替。在未來無人駕駛相關(guān)的線路中，LCU技術(shù)方案可發(fā)揮更安全的控制，同時(shí)為故障處理、智能運(yùn)維、列車狀態(tài)修提供數(shù)據(jù)支撐。

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