城軌車(chē)輛LCU調(diào)試故障問(wèn)題及解決方案分析

文/陳遠(yuǎn)生

1 前言

當(dāng)前城軌車(chē)輛行業(yè)中，由于有觸點(diǎn)電路諸多弊端的暴露，廣泛應(yīng)用無(wú)觸點(diǎn)邏輯控制技術(shù)已成為主流趨勢(shì)，利用無(wú)觸點(diǎn)邏輯控制單元（LCU）取代傳統(tǒng)的中間、時(shí)間繼電器等觸點(diǎn)元件電路完成車(chē)輛各種控制功能，實(shí)現(xiàn)邏輯控制智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化，利用軟件實(shí)現(xiàn)邏輯定制、故障診斷、運(yùn)行記錄、熱備冗余，通過(guò)容錯(cuò)技術(shù)切實(shí)提高電路和器件可靠性，降低列車(chē)運(yùn)行故障和風(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)營(yíng)保障能力。

傳統(tǒng)的繼電器有觸點(diǎn)硬接線控制電路，控制回路中采用繼電器級(jí)連式實(shí)現(xiàn)“與”“或”等邏輯，其原理和結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，在車(chē)輛調(diào)試過(guò)程中對(duì)故障的分析判斷與排查方法也相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著無(wú)觸點(diǎn)邏輯控制電路的變化，車(chē)輛調(diào)試過(guò)程中，故障類(lèi)型、故障分析判斷及處理方法相應(yīng)發(fā)生變化[1]。

2 LCU 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

LCU 是專(zhuān)門(mén)為在軌道交通環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯控制裝置。LCU 裝置采用熱冗余模塊化設(shè)計(jì)，主要由IO 控制器、主控制器和網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)成。它采集司機(jī)控制器、按鍵開(kāi)關(guān)組、隔離開(kāi)關(guān)、接觸器輔助觸點(diǎn)等DC110 V 的信號(hào)，經(jīng)邏輯計(jì)算后，輸出驅(qū)動(dòng)車(chē)輛各類(lèi)負(fù)載，完成指定的時(shí)序控制功能。

目前，城軌車(chē)輛LCU 一般由PWR 電源板、MVB網(wǎng)卡板、ETH 網(wǎng)卡板、MCU 主控板、DIO 輸入輸出板、GIO 輸入輸出干接點(diǎn)板以及接線板7 種板卡組成，通過(guò)內(nèi)部CAN 網(wǎng)絡(luò)組合形成一體模塊，其冗余設(shè)計(jì)保證LCU 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正常交互，如圖1 所示。其中，部分車(chē)的LCU 承擔(dān)MVB 通信功能，將整車(chē)LCU 工作狀態(tài)上報(bào)至TCMS 網(wǎng)絡(luò)。

圖1 機(jī)箱內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 LCU 常見(jiàn)故障問(wèn)題及處理方法

在車(chē)輛LCU 調(diào)試過(guò)程中遇到故障時(shí)，應(yīng)觀察現(xiàn)場(chǎng)故障現(xiàn)象、LCU 設(shè)備情況，查閱HMI 主界面中TCMS上傳的事件、故障履歷等因素，結(jié)合電氣設(shè)備工作原理、電路設(shè)計(jì)原理及LCU 軟件邏輯條件綜合分析判斷，精確定位到具體故障點(diǎn)，采取相應(yīng)的故障處理辦法。在城軌車(chē)輛LCU 調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的故障類(lèi)型總共可分別LCU 內(nèi)部因素、外部因素兩大類(lèi)型，以下分別對(duì)這兩大類(lèi)型進(jìn)行闡述解析[2]。

3.1 LCU 內(nèi)部因素故障

3.1.1 LCU 硬件設(shè)備故障

LCU 硬件設(shè)備導(dǎo)致的故障主要表現(xiàn)為板塊損壞、機(jī)箱損壞，具體見(jiàn)表1。當(dāng)發(fā)現(xiàn)板塊電源板塊PWR 燈不亮，而測(cè)量電源插頭有電時(shí)，可判斷電源板塊損壞；當(dāng)發(fā)現(xiàn)各板塊ACT 燈不亮或者FLT 指示燈常亮或閃爍，可判斷板塊損壞；當(dāng)HMI 故障信息提示CAN 網(wǎng)關(guān)板內(nèi)網(wǎng)CAN1/2 故障、主控板A/B 背板can1/2 故障，可判斷為板卡損壞；當(dāng)出現(xiàn)以上兩種現(xiàn)象或者單個(gè)現(xiàn)象在板卡替換后故障仍存在，可判斷為機(jī)箱損壞。

表1 LCU 硬件設(shè)備故障處理對(duì)策

3.1.2 LCU 內(nèi)部軟件故障

LCU 內(nèi)部軟件邏輯程序?qū)е碌墓收现饕憩F(xiàn)為軟件程序錯(cuò)誤引起的功能異?；蚬δ軣o(wú)法實(shí)現(xiàn)。具體如下所述：

LCU 內(nèi)部程序中參與邏輯運(yùn)算的輸入點(diǎn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致在滿足該條件下輸出點(diǎn)無(wú)電源輸出；LCU 內(nèi)部程序未寫(xiě)輸出點(diǎn)或輸出點(diǎn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致滿足相應(yīng)條件下該輸出通道無(wú)電源；LCU 程序未做相應(yīng)邏輯，導(dǎo)致功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)；LCU 邏輯錯(cuò)誤，導(dǎo)致功能異常無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

例如：在車(chē)輛調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)操作停放制動(dòng)旁路時(shí)，所有制動(dòng)緩解燈會(huì)亮，屬于功能異常。分析車(chē)輛所有制動(dòng)緩解電氣原理圖見(jiàn)圖2，所有制動(dòng)緩解燈由LCU 的A15=48-A101∶X3-B4 輸出點(diǎn)控制，根據(jù)LCU點(diǎn)位功能描述，分析該點(diǎn)位的邏輯條件清單及LCU 邏輯程序梯形圖，發(fā)現(xiàn)該邏輯存在錯(cuò)誤為采用所有停放制動(dòng)緩解和其旁路的信號(hào)作為邏輯運(yùn)算條件導(dǎo)致[3]。

圖2 所有制動(dòng)緩解電路圖

對(duì)于LCU 內(nèi)部軟件邏輯故障，我們需要根據(jù)相關(guān)電氣原理圖、各系統(tǒng)功能，結(jié)合LCU 功能描述的邏輯條件或程序，進(jìn)一步分析軟件程序中的故障點(diǎn)，從而尋找相應(yīng)的處理方案。

3.2 LCU 外部因素導(dǎo)致的故障

3.2.1 外部接線故障

外部接線導(dǎo)致的故障主要表現(xiàn)為接線錯(cuò)誤、阻值錯(cuò)誤、插頭未緊固。當(dāng)HMI 故障信息提示CAN 網(wǎng)關(guān)板CAN1/2 故障，可判斷CAN 網(wǎng)絡(luò)線接線錯(cuò)誤或CAN 網(wǎng)絡(luò)阻值錯(cuò)誤，需檢查接線及can 插頭阻值情況；當(dāng)LCU 輸入燈不亮而測(cè)量輸入插頭有電源或輸出點(diǎn)位燈亮?xí)r，下一級(jí)無(wú)電源輸出，可判斷為插頭未緊固到位。

3.2.2 電路設(shè)計(jì)故障

LCU 的輸出通道主要由有源輸出通道的DIO 板和無(wú)源輸出通道的GIO 板構(gòu)成，LCU 無(wú)源輸出通道只提供開(kāi)關(guān)量控制類(lèi)似于繼電器的觸點(diǎn)，而有源輸出通道不但為相應(yīng)回路提供開(kāi)關(guān)控制，還直接輸出電源。在滿足條件下的情況下，LCU 有源輸出通道即輸出電源，如果電路設(shè)計(jì)中存在輸入與LCU 的輸出形成回路情況，在滿足LCU輸出條件下，回路將自鎖導(dǎo)致故障。

如下圖3 所示，在操作大旁路并給出牽引指令后，大旁路常開(kāi)觸點(diǎn)閉合后，由LCU 控制輸出的停放制動(dòng)緩解信號(hào)的輸入與輸出形成自鎖回路，輸出端持續(xù)輸出110V 信號(hào)，導(dǎo)致將牽引手柄回零后列車(chē)一直有牽引指令。

圖3 停放制動(dòng)緩解信號(hào)的輸入與輸出形成自鎖原理圖

針對(duì)以上故障分析在形成自鎖的牽引指令回路，大旁路繼電器觸點(diǎn)前級(jí)加正向二極管，使電路無(wú)法反向?qū)?，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)自鎖。相比傳統(tǒng)繼電器，LCU屬于有源設(shè)備，LCU 輸出在滿足邏輯條件的情況下，即會(huì)有輸出。因此，在電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)著重考慮這一方面無(wú)源觸點(diǎn)和回路電路的處理，避免導(dǎo)致產(chǎn)生安全隱患。

4 對(duì)LCU 后續(xù)的應(yīng)用建議

4.1 插針檢測(cè)故障診斷邏輯

隨著LCU 在城軌車(chē)輛中廣泛應(yīng)用，LCU 設(shè)備中插頭與插針的連接質(zhì)量和可靠性顯得尤為重要。插針故障將導(dǎo)致列車(chē)邏輯錯(cuò)誤、功能異常，對(duì)行車(chē)安全造成嚴(yán)重影響。在城軌車(chē)輛中，LCU 邏輯程序采用了大量電源輸入采集點(diǎn)參與邏輯運(yùn)算，增加各個(gè)插頭的電源采集點(diǎn)故障診斷邏輯，即可實(shí)時(shí)檢測(cè)插針的連接質(zhì)量，同時(shí)還能檢測(cè)對(duì)應(yīng)電源空開(kāi)的情況。

4.2 電源插頭防差錯(cuò)設(shè)計(jì)

在車(chē)輛調(diào)試過(guò)程中，由于LCU 電源插頭設(shè)計(jì)問(wèn)題，已發(fā)生多起電源插頭裝反導(dǎo)致整個(gè)LCU 機(jī)箱中的DIO 板卡全部燒壞的現(xiàn)象，存在較大的安全隱患。增加電源插頭防插錯(cuò)設(shè)計(jì)，可有效避免人為誤操作造成的安全事故，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

4.3 IO 板卡的保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)

由于IO 板卡的冗余設(shè)計(jì)，背板通道并聯(lián)，每塊IO板輸出通道在正常情況下是互相聯(lián)通的回路，建議廠家在每塊IO 板輸出通道設(shè)計(jì)增加隔離二極管，使得在輸出回路短路或通道模塊有短路的情況下不會(huì)影響另一個(gè)通道的正常輸出；同時(shí)，在外部負(fù)載短路的情況，LCU 的輸出通道均可以進(jìn)行有效的自我防護(hù)，不至于發(fā)生次生危害。

4.4 功能失效情況下的外部電路保護(hù)設(shè)計(jì)

在LCU 功能失效的情況下，由于其取代了傳統(tǒng)的觸點(diǎn)元件電路完成車(chē)輛各種控制功能，存在車(chē)輛無(wú)法正常運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)，所以在使用LCU 技術(shù)的同時(shí)，我們需要考慮設(shè)計(jì)相應(yīng)的外部回路，以對(duì)其功能失效的部分功能進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)LCU 出現(xiàn)冗余板卡失效，導(dǎo)致控制系統(tǒng)部分功能失效時(shí)，建議利用旁路開(kāi)關(guān)對(duì)其失效功能進(jìn)行旁路；當(dāng)LCU 出現(xiàn)嚴(yán)重故障，導(dǎo)致LCU 整機(jī)功能失效時(shí)，建議通過(guò)啟用大旁路功能來(lái)切斷LCU控制，從而確保城軌列車(chē)的緊急牽引、緊急制動(dòng)、開(kāi)門(mén)等功能正常；緊急回路的蘑菇按鈕應(yīng)設(shè)計(jì)置于LCU輸出端之后，以確保無(wú)論LCU 處于任何工況下，列車(chē)緊急制動(dòng)功能有效。

5 結(jié)語(yǔ)

LCU 邏輯控制單元取代了傳統(tǒng)繼電器構(gòu)成的有接點(diǎn)邏輯控制電路是城軌車(chē)輛發(fā)展的主流趨勢(shì)，LCU將是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件之一，它不僅實(shí)現(xiàn)車(chē)輛邏輯控制，還通過(guò)TCMS 實(shí)現(xiàn)LCU 與HMI 的通信、自診斷功能。了解LCU 控制邏輯單元的故障原因和處理方法，在故障產(chǎn)生時(shí)，便于在運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)并及時(shí)解決問(wèn)題，保障車(chē)輛的安全運(yùn)行。