地鐵車(chē)輛分體式LCU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

武秀蓮，霍建華

(長(zhǎng)春長(zhǎng)客阿爾斯通軌道車(chē)輛有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062)

在地鐵系統(tǒng)設(shè)備中，采用的傳統(tǒng)觸點(diǎn)繼電器存在維護(hù)難度大、故障率高等問(wèn)題。具備壽命長(zhǎng)、高冗余等優(yōu)勢(shì)的LCU系統(tǒng)在越來(lái)越多的新開(kāi)通地鐵線路中得以廣泛應(yīng)用[1]。

地鐵列車(chē)無(wú)觸點(diǎn)邏輯控制單元LCU采用光耦和場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)合設(shè)計(jì)，并通過(guò)硬件與軟件結(jié)合完成各種邏輯和延時(shí)控制功能，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的無(wú)觸點(diǎn)控制。LCU極大地提高了邏輯控制系統(tǒng)的使用壽命和可靠性，平均無(wú)故障時(shí)間不少于2萬(wàn)h[2]，并且具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化、免維護(hù)、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了檢修流程，節(jié)約了車(chē)輛設(shè)計(jì)成本[3]。

但是，既有的LCU應(yīng)用項(xiàng)目中，LCU系統(tǒng)作為一個(gè)整體設(shè)備，主機(jī)中支持的輸入輸出數(shù)量是固定的，但不同的車(chē)輛對(duì)輸出輸入信號(hào)的需求數(shù)量存在較大差異，此時(shí)主機(jī)只能按照滿足最多數(shù)量來(lái)進(jìn)行設(shè)備配置。這就必然造成部分輸入輸出模塊閑置的情況出現(xiàn)，同時(shí)占據(jù)了額外的設(shè)備空間。隨著車(chē)輛智能化程度的提升，車(chē)載設(shè)備的數(shù)量也在不斷增加，地鐵車(chē)輛上設(shè)備空間的合理運(yùn)用也成為一個(gè)不容忽視的考慮因素。為解決該問(wèn)題，本文將LCU系統(tǒng)的輸入輸出模塊與其他部分分離，提出了一種分體式LCU系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

LCU系統(tǒng)分體式設(shè)計(jì)分為L(zhǎng)CU主機(jī)和LCU輸入輸出模塊兩部分，在接口設(shè)計(jì)上，LCU主機(jī)帶6組輸入輸出模塊接口，可最多連接6個(gè)LCU輸入輸出模塊，中間通過(guò)軟電纜進(jìn)行連接。LCU主機(jī)與LCU輸入輸出模塊之間采用CAN通信方式連接，LCU輸入輸出模塊所用的DC 110 V/DC 5 V電源由LCU主機(jī)提供，無(wú)需單獨(dú)的供電電源模塊。圖1為分體式LCU系統(tǒng)總體方案。

圖2 LCU主機(jī)功能框圖

圖1 分體式LCU系統(tǒng)總體方案示意圖

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 LCU系統(tǒng)功能

LCU系統(tǒng)功能采用LCU硬件加上位機(jī)可編程邏輯控制器的方式實(shí)現(xiàn)，LCU系統(tǒng)分體式硬件包括LCU主機(jī)和LCU輸入輸出模塊。在硬件設(shè)計(jì)上，充分考慮到控車(chē)的安全因素，關(guān)鍵電路板卡如電源板、主控板和輸入輸出板卡均采用二乘二取二的冗余方案設(shè)計(jì)。電源設(shè)計(jì)上采用2路獨(dú)立電源為系統(tǒng)供電，DC 110 V輸入分別由列車(chē)上2路空開(kāi)端輸入，電源板分A/B組冗余供電，A組電源板給分布式的A組板卡供電，B組電源板給分布式的B組板卡供電。主控板分主控板A和主控板B，每組均可單獨(dú)工作，在每組內(nèi)部又對(duì)邏輯運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果一致時(shí)則輸出，不一致時(shí)重新進(jìn)行運(yùn)算比對(duì)。輸入輸出板卡分A/B 2組輸入和輸出，輸入同時(shí)接入輸入板卡A和輸入板卡B，兩板卡在對(duì)輸入處理完成后，在輸出端再進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果一致則輸出，結(jié)果不一致則重新對(duì)輸入進(jìn)行分析處理，保證輸出的可靠性。

LCU上位機(jī)可編程邏輯控制器采用自主研發(fā)的上位機(jī)軟件，使用簡(jiǎn)單的托拉拽操作方式對(duì)傳統(tǒng)繼電器、接觸器的線圈、觸點(diǎn)轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)CU可識(shí)別的程序。

2.2 LCU主機(jī)

LCU主機(jī)包含LCU主控系統(tǒng)、MVB通信模塊、電源管理模塊、存儲(chǔ)模塊及6組輸入輸出模塊接口。圖2為L(zhǎng)CU主機(jī)功能框圖。

LCU主控系統(tǒng)芯片采用低功耗的FPGA+ARM芯片設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)集成了FPGA的硬件可編程性和ARM的軟件可編程性?xún)?yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分析和硬件的加速，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上可多擴(kuò)展。主控系統(tǒng)搭載Linux系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)的存儲(chǔ)管理、進(jìn)程管理和邏輯功能處理，可通過(guò)內(nèi)部CAN總線與輸入輸出模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入輸出模塊的管理，包括地址管理與輸入輸出模塊的輸出管理[4]。

電源管理模塊采用地鐵自帶DC 110 V電源供電，電源管理模塊負(fù)責(zé)將DC 110 V輸入電源經(jīng)降壓、濾波、浪涌抑制、過(guò)欠壓保護(hù)、輸出過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)后輸出穩(wěn)定的DC 5 V電源給主控系統(tǒng)供電，并通過(guò)開(kāi)關(guān)量控制接口給輸入輸出模塊供電。在主機(jī)上有DC 110 V與DC 5 V電源狀態(tài)指示燈，方便后期對(duì)主機(jī)的維護(hù)。

MVB通信模塊負(fù)責(zé)將LCU主機(jī)接入地鐵列車(chē)控制和管理系統(tǒng)(TCMS)網(wǎng)絡(luò)，可接入地鐵PHM系統(tǒng)，作為地鐵大數(shù)據(jù)的一部分。LCU主機(jī)自帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘，在接入TCMS系統(tǒng)后，可與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間實(shí)時(shí)同步，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。LCU主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，繼電器邏輯功能通過(guò)上位機(jī)的圖形化編程軟件轉(zhuǎn)為主控芯片可識(shí)別的C程序，并通過(guò)以太網(wǎng)通信遠(yuǎn)端下載到主控系統(tǒng)中[5]。

存儲(chǔ)模塊具有1 GB的內(nèi)部存儲(chǔ)，采用快速高性能的芯片存儲(chǔ)方案，用來(lái)存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)信息、故障信息、日志記錄。

LCU主機(jī)與LCU輸入輸出模塊之間的通信采用CAN總線方式，LCU主機(jī)為各輸入輸出模塊分配地址，LCU輸入輸出模塊內(nèi)部也對(duì)各輸入量進(jìn)行了地址管理，在LCU主機(jī)內(nèi)可確定任意一組原繼電器的輸入并控制輸出任意一組原繼電器的輸出，通過(guò)地址管理實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)全部輸入輸出模塊的輸入輸出的控制。

2.3 LCU輸入輸出模塊

LCU輸入輸出模塊實(shí)現(xiàn)原繼電器DC 110 V的輸入，并完成原繼電器DC 110 V的輸出，在設(shè)計(jì)上通過(guò)采用光電隔離，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)在電磁兼容方面具有高抗干擾性，同時(shí)不會(huì)對(duì)外部電路元器件等造成干擾。硬件上LCU輸入輸出模塊的輸入主要包括DC 110 V輸入電路、電源比較器、并轉(zhuǎn)串模塊、光電隔離器；LCU輸入輸出模塊的輸出主要包括光電隔離器、MOS驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)、MOS開(kāi)關(guān)；LCU輸入輸出模塊的主控器(MCU)采用16位單片機(jī)，可同時(shí)完成溫度檢測(cè)、電源管理、時(shí)鐘同步、地址管理及與LCU主機(jī)之間的CAN通信。圖3為L(zhǎng)CU輸入輸出模塊功能框圖。

圖3 LCU輸入輸出模塊功能框圖

輸入電路主要功能是將輸入DC 110 V進(jìn)行分壓、濾波、過(guò)流保護(hù)。此外，輸入電路還設(shè)有輸入狀態(tài)指示燈，在有輸入時(shí)亮，故障時(shí)閃爍，方便后期維護(hù)。電源比較器的主要功能是根據(jù)設(shè)定參考電壓把分壓后的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字量，作為并轉(zhuǎn)串模塊的輸入。并轉(zhuǎn)串模塊的功能是把多路輸入轉(zhuǎn)為一路輸出，減少多路輸入輸出口對(duì)MCU輸入輸出口數(shù)量的依賴(lài)。光電隔離器進(jìn)行輸入輸出間的互相隔離，可以大大提高信噪比。輸出電路負(fù)責(zé)把MCU處理完的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行輸出，經(jīng)過(guò)光電隔離后，作為MOS驅(qū)動(dòng)的輸入，然后作為MOS開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)來(lái)控制DC 110 V的輸出。

3 優(yōu)勢(shì)分析

(1) 占用空間小。地鐵上的電氣柜空間有限，傳統(tǒng)LCU主機(jī)往往采用3U或者6U機(jī)箱設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的地鐵會(huì)留有安裝空間，但是對(duì)于已運(yùn)行的地鐵，由于電氣柜內(nèi)的安裝空間有限，若采用3U或者6U機(jī)箱的傳統(tǒng)LCU替換繼電器，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

(2) 安裝方便。采用分體式安裝，通過(guò)軟電纜連接，LCU主機(jī)與輸入輸出模塊可分開(kāi)安裝。

(3) 兼容性好。替換繼電器或者替換原有LCU時(shí)，不用新增連接線和更改原有電路，只需在原繼電器輸入接入LCU輸入，在原繼電器輸出接LCU輸出即可完成替換。

(4) 避免資源浪費(fèi)。傳統(tǒng)LCU采用3U機(jī)箱設(shè)計(jì)，往往單節(jié)車(chē)廂替換繼電器數(shù)量有限，容易造成部分3U機(jī)箱內(nèi)輸入輸出板卡的資源浪費(fèi)。

(5) 維護(hù)方便。采用分體式設(shè)計(jì)，后期維護(hù)時(shí)可方便先確定問(wèn)題點(diǎn)，再進(jìn)行更換和維修，LCU主機(jī)和LCU輸入輸出模塊方便更換，避免了整體更換的麻煩。

4 結(jié)論

本文闡述了現(xiàn)有LCU系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有LCU系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足，對(duì)LCU系統(tǒng)在主機(jī)與輸入輸出模塊的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，提出了一種分體式LCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：

(1) 主控系統(tǒng)與輸入輸出模塊相分離。主機(jī)設(shè)計(jì)分為L(zhǎng)CU主機(jī)和LCU輸入輸出模塊兩部分。

(2) 按需配置，動(dòng)態(tài)編組。在接口設(shè)計(jì)上，LCU主機(jī)可根據(jù)需要連接輸入輸出模塊，可最多連接6個(gè)LCU輸入輸出模塊，中間通過(guò)軟電纜進(jìn)行連接。

(3) 與現(xiàn)有LCU系統(tǒng)兼容，可無(wú)縫替代現(xiàn)有LCU系統(tǒng)，具有普適性與經(jīng)濟(jì)性。

分體式LCU系統(tǒng)是在現(xiàn)有LCU系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，對(duì)主控模塊和輸入輸出模塊進(jìn)行分離，并支持動(dòng)態(tài)編組，優(yōu)化后的系統(tǒng)設(shè)備可以應(yīng)對(duì)不同車(chē)輛的接入需求，節(jié)省隨車(chē)設(shè)備空間，綜合提高LCU系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可為L(zhǎng)CU系統(tǒng)在列車(chē)上的普及和應(yīng)用提供參考價(jià)值。