地鐵列車LCU系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

呂強

摘 要：文章闡述了地鐵車輛邏輯控制單元（LCU）的發(fā)展以及應(yīng)用，討論了地鐵列車控制系統(tǒng)中的繼電器的應(yīng)用問題以及LCU系統(tǒng)在地鐵車上應(yīng)用的必要性。針對LCU系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，將LCU系統(tǒng)在深圳地鐵9號線上的應(yīng)用案例、LCU系統(tǒng)的系統(tǒng)功能、LCU系統(tǒng)的二次開關(guān)平臺以及LCU系統(tǒng)的冗余功能一一作了介紹。LCU系統(tǒng)在地鐵列車上的應(yīng)用對地鐵列車電氣設(shè)計具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：邏輯控制單元 LCU 深圳地鐵9號線 系統(tǒng)功能 冗余功能

中圖分類號：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0001-02

邏輯控制單元（Logic Control Unit）是電力機車上重要的控制部分，它使用現(xiàn)代化的電子元件來取代原來電力機車上的有觸點繼電器，提高了車輛的安全性和可靠性。

1 地鐵列車LCU系統(tǒng)應(yīng)用的必要性

地鐵車輛上存在大量的機械觸點、中間繼電器、時間繼電器，這些器件通過電纜線線連接起來，構(gòu)成了列車運行的邏輯控制系統(tǒng)，用于傳遞控制信號。龐大而復(fù)雜的電氣系統(tǒng)的工作直接影響到了列車運行安全，但這個系統(tǒng)存在以下問題。

（1）控制電路本身存在單點及多點失效隱患。由于控制電路中的控制邏輯沒有采取冗余設(shè)計，因此一旦某條控制回路中的關(guān)鍵繼電器發(fā)生故障，就將使得整條控制電路失效，而且將會影響到其他回路。

（2）控制電路中“與”“或”邏輯很多，而“與”邏輯是采用多個繼電器級連的方式來實現(xiàn)的，只要其中任何一個繼電器出現(xiàn)失效，整個電路就會失效。

（3）有些觸點繼電器長期使用后觸頭接觸面因電弧燒蝕造成凹凸不平及毛刺，這將導(dǎo)致動、靜觸頭接觸不良甚至不導(dǎo)通。

（4）繼電器線圈的頻繁動作會帶來相應(yīng)的電磁污染。

（5）傳統(tǒng)的繼電器控制電路接線復(fù)雜，布線等工作容易出錯。

（6）控制系統(tǒng)的通用性與靈活性差。

地鐵列車的運行環(huán)境通常比較惡劣，如高溫、高濕、粉塵度高、震動強度大，部分地區(qū)還有酸雨、鹽霧等。這些不利條件會直接影響到電氣器件的壽命，特別是存在機械動作次數(shù)的繼電器，一般在使用2～3年后就逐步開始失效。而失效后的繼電器就帶來了列車的故障率升高以及列車安全性降低；繼電器更換的成本也比較高，其中包括繼電器的成本及更換時的施工成本。

地鐵無觸點邏輯控制單元的功能是使用網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高可靠性、長壽命的無觸點電子控制裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器有觸點硬接線控制系統(tǒng)，更好地保障地鐵列車的安全運行、免維護、高效檢修的目標(biāo)。

2 LCU系統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)狀

（1）設(shè)備的集成化、小型化、智能化是電子控制行業(yè)的趨勢。將數(shù)量眾多的繼電器更換為更集成化、小型化、智能化的設(shè)備是大勢所趨。

（2）繼電器是依靠線圈和機械觸頭來實現(xiàn)可控開關(guān)的，目前大功率的開關(guān)器件（例如MOS管）已經(jīng)非常成熟，完全可以取代繼電器的功能。

（3）在鐵路方面，我國生產(chǎn)的新型電力機車上都設(shè)計安裝了LCU，而老型電力機車經(jīng)過大修后，也都經(jīng)過改造，加裝了該裝置。

（4）LCU系統(tǒng)在地鐵列車上的應(yīng)用目前還比較少。

3 深圳9號線LCU系統(tǒng)應(yīng)用

深圳地鐵9號線工程列車共計29列，174輛。列車采用4動2拖編組，A型鋁合金車體結(jié)構(gòu)，目前車輛已完成行駛試驗，將于2016年9月底開通運營。

LCU系統(tǒng)采用分布式控制，各車輛之間的信息通過TCMS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進行交互，與TCMS通信的功能由各節(jié)車LCU的MVB通信板實現(xiàn)。各節(jié)車內(nèi)部的LCU系統(tǒng)由若干LCU基本單元組成，每節(jié)車內(nèi)部的LCU裝置根據(jù)實際需要，可以通過擴展總線，對基本功能進行擴充，并可根據(jù)實際的IO點數(shù)來確定LCU裝置的數(shù)量。

深圳9號線地鐵列車為6輛編組列車，每節(jié)車各分配一套LCU裝置，其中帶司機室的車配備兩套LCU裝置。用無觸點控制方式取代列車上原有的110 V控制電路中的時間繼電器、中間繼電器及一些電器的輔助觸點控制。

4 深圳9號線LCU功能介紹

邏輯控制裝置通過硬件與軟件結(jié)合的方式，具備完全可編程定時與延時功能，可直接控制并驅(qū)動接觸器、電空閥等元件，完成升降弓、列車牽引制動、司機室激活、警惕、方向、車門和自動駕駛等各種時序控制功能。通過網(wǎng)絡(luò)擴展板實現(xiàn)與TCMS的通信功能，目前支持MVB網(wǎng)絡(luò)。車輛內(nèi)部通過CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多個LCU級聯(lián)，方便IO擴展，滿足靈活的通道配置需求。LCU具備自診斷功能，能夠檢測自身的輸入、輸出、電源及通信的工作狀態(tài)，同時在面板LED指示燈及TCMS上指示自身狀態(tài)。當(dāng)自檢測出故障時，則利用熱備冗余技術(shù)自動進行主備無縫切換，隔離故障源保障系統(tǒng)的正常運行；若負(fù)載出現(xiàn)短路或過流時，LCU能夠自動斷開該路輸出，并顯示故障；當(dāng)短路或過流消失后，能夠自動恢復(fù)。LCU可以檢測列車級故障，可按需求進行邏輯旁路隔離，并且可以進行故障記錄。LCU系統(tǒng)檢測到輸入、輸出通道數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，能夠?qū)崟r記錄并且存儲變化數(shù)據(jù)。

5 LCU應(yīng)用邏輯的二次開發(fā)平臺

應(yīng)用邏輯的二次開發(fā)平臺的建立和使用要分兩部分實施。平臺的運行需要一個實際的目標(biāo)機作為宿主，平臺的應(yīng)用軟件開發(fā)需要與目標(biāo)機相配套的開發(fā)工具。開發(fā)完全符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件，可以支持標(biāo)準(zhǔn)定義的所有的編程語言（功能塊圖FBD、梯形圖LD、結(jié)構(gòu)化文本ST、指令表IL、順序流程圖SFC）。

上位機可通過維護端口下載LCU中記錄的日志及故障數(shù)據(jù)，并可針對歷史記錄數(shù)據(jù)進行組合查詢及分析；分類輔以圖表進行顯示，輔助維護人員進行故障定位與分析；還能使故障隱患得以提早暴露，以采取有效措施進行預(yù)防，避免出現(xiàn)重大的損失；還可通過上位機進行相關(guān)配置參數(shù)的設(shè)定與修改。

6 深圳9號線LCU系統(tǒng)冗余功能

LCU采用插件式板卡設(shè)計，設(shè)計了完全相同并獨立的兩組硬件系統(tǒng)相互冗余，也就是說LCU只要有一組是正常的，系統(tǒng)均能保證正常工作和進行列車邏輯控制。

每組分別由電源板、主控制板、輸入/輸出控制板組成。系統(tǒng)的兩組均上電工作后，其中一組（A組或B組）默認(rèn)為工作組，另外一組為備用組；當(dāng)工作組發(fā)生故障時，備用組會自動投入工作；且在備用組投入工作后，發(fā)生故障的工作組進行自我隔離。

在LCU的兩個工作組電源均正常的情況下，各插件板CPU投入工作，此時可以提供大于“2取2”的冗余能力，即：兩個工作組的輸入、輸出電路可以再次冗余。

7 結(jié)語

綜上所述，LCU系統(tǒng)在深圳9號線地鐵車輛上的運用是LCU系統(tǒng)在國內(nèi)地鐵列車上的首次大范圍運用，且通過了列車調(diào)試和試驗，取得了良好的應(yīng)用效果。LCU系統(tǒng)在地鐵列車上運用意義重大，對國內(nèi)地鐵列車車輛設(shè)計有重大的促進作用。

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