基于LCU實(shí)現(xiàn)列車占有硬線電路全功能替換的方法研究

劉曉鵬

摘 ?要：城市軌道交通車輛的硬線和繼電器電路存在布線復(fù)雜、故障率高、后期更改復(fù)雜等缺點(diǎn)。利用LCU替換硬線和繼電器電路可有效解決上述問(wèn)題，LCU在軌道交通領(lǐng)域的使用已經(jīng)成為新的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市地鐵項(xiàng)目通過(guò)使用LCU來(lái)簡(jiǎn)化硬線電路。本文介紹了LCU在江蘇某地城軌車輛的使用范圍，并通過(guò)改進(jìn)LCU控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了列車占有硬線電路的全功能替代，保證了司機(jī)室占有電路的唯一性及司機(jī)室占有供電電路自鎖。

關(guān)鍵詞：LCU應(yīng)用 ?司機(jī)室占有 ?控制邏輯 ?硬線電路

中圖分類號(hào)：U231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（b）-0038-03

Research on the Method of Realizing Full Function Replacement of Train Occupied Hard Wire Circuit Based on LCU

LIU Xiaopeng

（CRRC Zhuzhou Locomotive Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan Province， 412005 ?China）

Abstracts： The wires and relay circuits of urban rail transit vehicles have disadvantages such as complicated wiring， high failure rate and complicated later changes. Using LCU to replace wire and relay circuits can effectively solve above problems. The use of LCU in the field of rail transit has become a new trend. Many urban subway projects in China use LCU to simplify wire circuits. This article introduces the scope of LCU in urban rail vehicles in a certain area of Jiangsu. By improving the control logic of LCU， the full-function replacement of the train-occupied wire circuit has been realized， and the uniqueness of the circuit occupied by the driver's cab and the power supply circuit occupied by the driver's cab can be guaranteed lock.

Key Words： LCU application; Train occupancy; Control logic; Wire circuit

隨著社會(huì)的發(fā)展以及車輛智能化提升，乘客對(duì)于城市軌道交通車輛的要求已經(jīng)不僅僅局限于代步，對(duì)車輛的安全性、舒適度以及幸福感都提出了更高的需求。為滿足乘客的需求，車輛功能逐漸增多，控制電路對(duì)車輛的穩(wěn)定、安全運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用，電路越來(lái)越復(fù)雜，車輛故障也會(huì)隨之增多。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通車輛電路主要采用傳統(tǒng)的硬線和機(jī)械繼電器。對(duì)環(huán)境及壽命有較高要求，可靠性較低。為進(jìn)一步提升車輛的運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性，采用智能電子無(wú)觸點(diǎn)的設(shè)備來(lái)替換傳統(tǒng)的繼電器及機(jī)械觸點(diǎn)提高控制電路的可靠性并簡(jiǎn)化硬線控制電路尤為重要。

1 ?城軌車輛控制電路現(xiàn)狀

LCU（logic control unit 邏輯控制單元）是在軌道交通環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯控制裝置。近年來(lái)，LCU在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用已成為新趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)新增的地鐵項(xiàng)目中多數(shù)采用LCU對(duì)傳統(tǒng)繼電器進(jìn)行替換，部分項(xiàng)目甚至進(jìn)行了繼電器的全部替代。此外，LCU的安全認(rèn)證等級(jí)越來(lái)越高，使用范圍也逐漸從GOA2等級(jí)的列車延伸至GOA4等級(jí)的全自動(dòng)駕駛車輛。與傳統(tǒng)繼電器相比，LCU具有無(wú)觸點(diǎn)、熱備冗余、可進(jìn)行MVB及以太網(wǎng)通信等特點(diǎn)[1]。

在此之前，城市軌道交通領(lǐng)域主要采用繼電器進(jìn)行電路邏輯設(shè)計(jì)，每輛列車都會(huì)大量使用繼電器，數(shù)量甚至可達(dá)300個(gè)以上[2-3]。由于繼電器故障引發(fā)的列車故障多次出現(xiàn)。LCU技術(shù)為城市軌道交通領(lǐng)域帶來(lái)新的選擇[4-6]。經(jīng)過(guò)深圳、廣州等地區(qū)多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，LCU的穩(wěn)定性和可靠性逐漸被各地區(qū)地鐵公司接受，江蘇某地區(qū)地鐵車輛同樣采用LCU對(duì)部分繼電器進(jìn)行替換。

2 ?LCU在江蘇某地區(qū)城軌車輛應(yīng)用

2.1 LCU硬件介紹

通常來(lái)說(shuō)LCU硬件分為電源板、網(wǎng)板、主控板和接口板4種[7]。LCU硬件拓?fù)淙鐖D1所示。電源板將列車提供的DC110V隔離轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)CU設(shè)備的DC5V工作電源。本項(xiàng)目中每臺(tái)LCU具有兩塊電源板，分別為A組、B組控制系統(tǒng)供電。每塊電源板的供電完全獨(dú)立，分別在遠(yuǎn)端配置空氣斷路器。電源板具有過(guò)壓、過(guò)流、濾波、浪涌高壓防護(hù)功能。三組電源板采用熱備方式為通信板（包括MVB通信板、CAN通信板和以太網(wǎng)通信板）供電，任何一組電源板故障不會(huì)影響通信板的正常工作。網(wǎng)板根據(jù)實(shí)際需求可選擇MVB、CAN及ETH網(wǎng)板;主控板主要承擔(dān)數(shù)據(jù)的匯總、處理、分發(fā)和日志記錄功能。接口板主要功能為數(shù)字量和模擬量輸入輸出信號(hào)的采集、輸出、過(guò)載保護(hù)與電氣隔離功能，并提供部分干接點(diǎn)，以滿足不同電路設(shè)計(jì)需求。LCU的硬件可以通過(guò)機(jī)箱集成以上板卡，根據(jù)實(shí)際使用需求進(jìn)行組合，且板卡的數(shù)量也可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行不同程度的集成。因此，LCU的適用范圍很廣 。

2.2 LCU與整車通信

江蘇某地某城軌項(xiàng)目的LCU設(shè)備內(nèi)部通過(guò)雙CAN總線貫通，通過(guò)頭車的LCU接入TCMS，傳輸故障和狀態(tài)信息。

所有的LCU預(yù)留以太網(wǎng)接口，可接入以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。LCU具備自診斷功能，位于中間車的LCU通過(guò)級(jí)聯(lián)CAN總線將故障信息實(shí)時(shí)發(fā)送至司機(jī)室LCU，司機(jī)室LCU將整列車LCU的故障信息通過(guò)MVB通信板發(fā)送至TCMS網(wǎng)絡(luò)。

2.3 江蘇某地區(qū)某城軌車輛實(shí)際繼電器替代范圍

江蘇某地區(qū)某城軌車輛LCU使用范圍包含指示燈類及功能類，具體如下。

指示燈類：頭燈和標(biāo)志燈控制、解鉤、窗加熱、所有高速斷路器分合、門關(guān)好、停放制動(dòng)緩解和施加的指示燈。

功能類控制：司機(jī)室占有、空氣制動(dòng)緩解與施加、窗加熱延時(shí)關(guān)閉、強(qiáng)制人工廣播切換、客室照明輸入電源冗余、緊急照明、兩臺(tái)充電機(jī)故障信號(hào)輸出、列車連掛好指令輸出、牽引允許指令輸出、列車占有、半自動(dòng)末端指令輸出。

2.4 LCU實(shí)現(xiàn)列車占有自鎖電路及控制邏輯

在城軌車輛電路設(shè)計(jì)中，列車占有代表有一端的司機(jī)室成為控制端，此時(shí)涉及安全的指令只能由控制端司機(jī)室發(fā)出。因此，為了車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行，列車占有應(yīng)該是唯一的，在一端司機(jī)室已經(jīng)占有的前提下，如果非占有端司機(jī)室繼續(xù)嘗試占有，必須進(jìn)行報(bào)警且報(bào)警要有聲光提醒。

司機(jī)室占有往往由硬線電路和繼電器進(jìn)行邏輯控制和實(shí)現(xiàn)，具體電路原理圖如圖3所示。

硬線電路通過(guò)列車占有繼電器實(shí)現(xiàn)占有端的唯一性，即當(dāng)一端司機(jī)室占有后，列車占有繼電器得電，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)另一端司機(jī)室即使通過(guò)司控器鑰匙進(jìn)行占有操作也無(wú)法實(shí)現(xiàn)占有。此外，占有繼電器得電回路也實(shí)現(xiàn)了供電自鎖。

江蘇某地區(qū)某城軌車輛中占有繼電器通過(guò)LCU進(jìn)行了替代并完全實(shí)現(xiàn)了硬線控制回路的占有功能，替代后電路原理圖如圖4所示。

替換后僅保留部分司機(jī)室占有繼電器用于車輛特定模式或者工況下（緊急牽引等）的應(yīng)用，其他繼電器全部由LCU替代，實(shí)際本項(xiàng)目使用中，僅司機(jī)室占有繼電器便節(jié)省了10個(gè)。

通過(guò)電氣原理圖可知，當(dāng)操作司控器鑰匙合時(shí)，司機(jī)室占有信號(hào)輸出與否主要由LCU通過(guò)軟件邏輯進(jìn)行控制。既有項(xiàng)目城軌車輛中常用的LCU邏輯為“列車占有=0||司機(jī)室占有=1時(shí)輸出1”。此時(shí)，若司機(jī)室占有繼電器觸點(diǎn)卡分，操作另一端司機(jī)室占有時(shí)便會(huì)出現(xiàn)兩端同時(shí)占有的現(xiàn)像。為避免此問(wèn)題，本項(xiàng)目對(duì)LCU邏輯進(jìn)行了創(chuàng)新，更改為“他端司機(jī)室占有=0||本端司機(jī)室占有=1時(shí)輸出1”。如此，通過(guò)LCU監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息，以及內(nèi)部軟件邏輯判斷便可實(shí)現(xiàn)司機(jī)室占有的唯一性，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了供電回路的自鎖，硬線功能實(shí)現(xiàn)了完整的替換。

2.5 列車占有旁路

雖然目前LCU的安全等級(jí)已經(jīng)達(dá)到SIL2，但是仍存在故障的可能。因此，為保證車輛的安全運(yùn)營(yíng)，在LCU出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，駕駛司機(jī)可以通過(guò)操作LCU旁路來(lái)切除LCU，此時(shí)LCU將休眠，占有信號(hào)不再輸出。通過(guò)LCU旁路繼電器觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)本斷司機(jī)室的占有，達(dá)到列車占有的目的。

3 ?結(jié)語(yǔ)

LCU目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外城軌車輛中普遍應(yīng)用，本文所提及的無(wú)錫某地區(qū)某城軌項(xiàng)目通過(guò)LCU邏輯控制實(shí)現(xiàn)了司機(jī)室占有電路的唯一性和供電電路的自鎖。LCU的使用為簡(jiǎn)化電路帶來(lái)了更多的可能，相信未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的硬線電路被安全等級(jí)更高的LCU通過(guò)設(shè)定更優(yōu)的邏輯而簡(jiǎn)化。無(wú)人駕駛列車由于控制線路的增多，大大增加列車線路的復(fù)雜性，而LCU的使用恰恰可以簡(jiǎn)化電路，因此，相信LCU在無(wú)人駕駛項(xiàng)目的使用也將成為未來(lái)幾年的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳鵬宇.韶山3型4000系電力機(jī)車邏輯控制單元的設(shè)計(jì)與加裝改造[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

[2] 彭駒，袁浩智，白春光.城軌列車雙冗余LCU系統(tǒng)集成技術(shù)研究及應(yīng)用[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2019（42）：21-24.

[3] 李小慶，吳金賢，李松，等.地鐵車輛邏輯控制單元優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通，2020（2）：112-115.

[4] 樂(lè)建銳，李恒瑞，王莉.LCU在深圳地鐵9號(hào)線車輛中的應(yīng)用[J].鐵道機(jī)車車輛，2018（38）：112-116.

[5] 候文軍.深圳地鐵列車下一代LCU技術(shù)創(chuàng)新方案[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2019（42）：58-67.

[6] 王云灝.基于LCU的城鐵車輛電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2018.

[7] 何曄，袁浩智，彭冬良，等.熱備雙冗余邏輯控制單元冗余、安全導(dǎo)向及可靠性分析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2020（11）：9-13.