三取二邏輯控制單元技術(shù)應(yīng)用研究

0 引言

當(dāng)前，在城市軌道交通領(lǐng)域，地鐵車輛普遍采用中間繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)硬線控制電路。然而，有觸點(diǎn)繼電器在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中存在幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)：

1）硬線控制回路通過(guò)不同繼電器觸點(diǎn)以“與”“或\"邏輯形成級(jí)聯(lián)，其中任何一個(gè)繼電器觸點(diǎn)出現(xiàn)卡位、不吸合、接觸不良等問(wèn)題，都將造成整個(gè)控制回路失效。

2）地鐵車輛運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，繼電器在高溫、潮濕、振動(dòng)環(huán)境下長(zhǎng)期工作時(shí)，容易加快繼電器觸點(diǎn)老化速度，縮減繼電器工作壽命，尤其是動(dòng)作頻次極高的繼電器。

3）繼電器在長(zhǎng)期運(yùn)用后，觸頭接觸面因?yàn)閯?dòng)作電弧出現(xiàn)燒蝕和毛刺，這都影響觸頭的可靠接觸，可能造成接觸不良甚至不導(dǎo)通。

4）繼電器無(wú)自診斷功能，且無(wú)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，繼電器觸點(diǎn)的瞬時(shí)動(dòng)作故障往往具有極大的偶然性，等列車回庫(kù)后故障已消失，這對(duì)故障查找及定位造成了很大困難。

5繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作次數(shù)有限，需定期更新繼電器，導(dǎo)致周期內(nèi)每列車投入的備件成本高達(dá)幾十萬(wàn)。

基于上述缺點(diǎn)，廣州地鐵三號(hào)線采用了一種創(chuàng)新的邏輯控制單元（LCU）來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器控制電路。這種技術(shù)升級(jí)實(shí)現(xiàn)了車輛的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，對(duì)于提高列車控制系統(tǒng)可靠性、保障運(yùn)營(yíng)能力、降低維護(hù)難度、減少檢修工作量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義2]。

1 LCU系統(tǒng)功能

LCU系統(tǒng)通過(guò)融合硬件與軟件技術(shù)，具備全面可編程的邏輯控制能力。它能夠完全替代傳統(tǒng)列車控制電路中的時(shí)間繼電器、中間繼電器等由觸點(diǎn)控制器件所構(gòu)成的時(shí)序電路，實(shí)現(xiàn)更為高效和精確的控制。

不同車廂的LCU主機(jī)之間通過(guò)雙余CAN總線進(jìn)行通信，確保了LCU主機(jī)之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互和高可靠性。此外，每臺(tái)LCU還支持可擴(kuò)展的以太網(wǎng)通信功能，使得LCU的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)能夠在PTU（便攜式測(cè)試單元）上進(jìn)行顯示，便于監(jiān)控和分析。

LCU系統(tǒng)具備強(qiáng)大的自診斷功能，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)自身的輸入、輸出、電源、通信模塊以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)[3]。一旦檢測(cè)到異常，系統(tǒng)會(huì)立即在面板指示燈、終端顯示器上進(jìn)行顯示，以便及時(shí)采取相應(yīng)的措施。當(dāng)LCU系統(tǒng)下級(jí)負(fù)載出現(xiàn)短路或過(guò)載時(shí)，LCU的輸出通道能夠立即響應(yīng)并自動(dòng)斷開(kāi)該路輸出，從而有效保護(hù)設(shè)備免受損壞。當(dāng)短路或過(guò)載問(wèn)題消失后，輸出通道能夠自動(dòng)恢復(fù)，確保系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

LCU系統(tǒng)能夠記錄自身所有的狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)作為車輛TCMS（列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)）事件記錄儀數(shù)據(jù)的關(guān)鍵補(bǔ)充，具有長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月的記錄時(shí)長(zhǎng)。所有記錄數(shù)據(jù)都可通過(guò)以太網(wǎng)或U盤進(jìn)行下載分析，為故障排查和性能優(yōu)化提供有力支持。

2 LCU系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

LCU系統(tǒng)通過(guò)一系列技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了電源余、驅(qū)動(dòng)余和通信余，從而顯著提升了車輛的可靠性和安全性。

每臺(tái)LCU配置了三張電源板，每張電源板的DC110V輸入相互獨(dú)立，并在前端設(shè)置獨(dú)立的微動(dòng)開(kāi)關(guān)。每張電源板的DC110V輸出供給兩張主控板、DIO板，即每個(gè)功能板由2個(gè)電源板穴余供電。同時(shí)，每張電源板的DC5V輸出也供給功能板，即功能板由3個(gè)電源板冗余供電。DC110V電源范圍是 ，如果出現(xiàn)介于 和 額定電壓）之間的電壓波動(dòng)，持續(xù)時(shí)間不超過(guò) ，則不會(huì)引起功能偏差。如果出現(xiàn)介于 和 之間的電壓波動(dòng)，持續(xù)時(shí)間不超過(guò)1s，則不會(huì)引起設(shè)備損壞。這種設(shè)計(jì)可以有效消除單個(gè)電源板故障隱患，確保車輛控制功能的正常運(yùn)行。

輸入/輸出功能的穴余板卡軟硬件配置完全一致。正常工作時(shí)，三張板卡均正常運(yùn)行，并承擔(dān)輸入/輸出功能。對(duì)于同一個(gè)輸入信號(hào)，三張板卡均配備輸入電路進(jìn)行采集。當(dāng)單個(gè)板卡輸入電路故障時(shí)，LCU系統(tǒng)通過(guò)三取二表決旁路掉故障支路信號(hào)，確保輸入信號(hào)的準(zhǔn)確性，如圖1所示。同樣地，對(duì)于同一個(gè)負(fù)載端，三張板卡均配備輸出電路。當(dāng)單個(gè)板卡輸出電路故障時(shí)，LCU系統(tǒng)通過(guò)三取二表決旁路掉故障支路信號(hào)，保證輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。其中主控板可以提供5條隔離直流無(wú)源驅(qū)動(dòng)控制的通道，輸出通道采用MOS管級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)板卡間繞接，實(shí)現(xiàn)兩層次控制結(jié)構(gòu)，確保了輸出信號(hào)的導(dǎo)向安全性。DIO板則可提供12條隔離DC110V輸入信號(hào)采集的通道，提供6條隔離DC110V輸出信號(hào)控制的通道，輸出通道同樣采用MOS管級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)和板卡間繞接方式，實(shí)現(xiàn)兩層次控制結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)確保了輸入、輸出信號(hào)的安全可靠，從而保證了在單個(gè)功能板故障時(shí)不影響車輛功能。

整車LCU主機(jī)通過(guò)雙余CAN總線進(jìn)行通信。每臺(tái)LCU均有兩個(gè)獨(dú)立的CAN通信模塊，分別接至兩條獨(dú)立的列車CAN總線上[4]。正常工作時(shí)，兩路CAN總線同時(shí)參與通信。當(dāng)一路CAN總線異常時(shí)，維持另一路CAN總線運(yùn)行，依舊能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。此外，CAN通信板采用雙CPU結(jié)構(gòu)。正常狀態(tài)時(shí)，一個(gè)CPU工作，另外一個(gè)CPU熱備冗余。當(dāng)工作CPU異常時(shí)，系統(tǒng)無(wú)縫切換至備用CPU工作，確保主機(jī)間數(shù)據(jù)的正確傳輸。最后，LCU主機(jī)內(nèi)部采用CAN總線穴余設(shè)計(jì)。所有的板卡均有兩個(gè)獨(dú)立的CAN通信模塊，通過(guò)背板總線連接至兩條獨(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。單路CAN總線異常時(shí)，維持另一路CAN總線運(yùn)行，確保主機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)的正確傳輸。

3 LCU系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

相比傳統(tǒng)的繼電器控制，LCU系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用了可編程的軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯控制，極大地提高了穩(wěn)定性以及可擴(kuò)展性，可以通過(guò)修改軟件對(duì)車輛功能進(jìn)行優(yōu)化及提升。而軟件主要涉及幾個(gè)核心組件：主控板、CAN通信板、輸入/輸出功能板。

主控板的軟件體系由下而上主要分為微控制器抽象層、板級(jí)硬件抽象層、服務(wù)層、共享內(nèi)存層以及邏輯應(yīng)用層共五個(gè)層次。微控制器抽象層主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)串口控制器和CAN控制器寄存器的初始化，以及輸入/輸出口控制寄存器的初始化，確保輸入采集和輸出功能的正常運(yùn)行。板級(jí)硬件抽象層則主要實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片內(nèi)外CAN控制器的管理，屏蔽具體物理部署情況，實(shí)現(xiàn)板級(jí)擴(kuò)展芯片的操作。服務(wù)層主要負(fù)責(zé)基于CAN總線的通信協(xié)議，包括發(fā)送和接收解析，實(shí)現(xiàn)穴余CAN控制器的故障識(shí)別和信任仲裁，以及冗余CPU板之間主控權(quán)的實(shí)時(shí)計(jì)算和數(shù)據(jù)運(yùn)算，并將結(jié)果映射到共享內(nèi)存模塊。共享內(nèi)存模塊包含級(jí)聯(lián)機(jī)箱和本機(jī)箱內(nèi)獲取到的信任信息，用于邏輯梯形圖運(yùn)算，并將結(jié)果傳遞給服務(wù)層模塊。邏輯應(yīng)用層則是與車輛系統(tǒng)最緊密相關(guān)的部分，它提供邏輯編寫接口，方便用戶進(jìn)行邏輯編程和功能測(cè)試。

CAN通信板軟件體系僅有三層，分別為控制器驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)通信層和應(yīng)用管理層。控制器驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)對(duì)AD采樣、CAN控制寄存器、IO口控制寄存器進(jìn)行初始化。數(shù)據(jù)通信層負(fù)責(zé)接收內(nèi)部CAN上的板卡狀態(tài)信息和輸入/輸出信息，并通過(guò)外部CAN傳遞給其他機(jī)箱使用；還負(fù)責(zé)將本CPU的實(shí)時(shí)狀態(tài)傳遞出去，并通過(guò)通信模塊獲取其他板卡的狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行診斷。應(yīng)用管理層主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建綜合管理任務(wù)、CAN通信任務(wù)、CPU切換任務(wù)和數(shù)據(jù)診斷任務(wù)等高級(jí)管理功能。

輸入/輸出功能板軟件體系劃分和CAN通信板相同，為控制器驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)通信層和應(yīng)用管理層三個(gè)層次。控制器驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)完成串口、CAN以及Port的初始化，提供相應(yīng)的收發(fā)接口和輸入采集、輸出控制接口。數(shù)據(jù)通信層則負(fù)責(zé)接收解析組內(nèi)CAN及裝置內(nèi)CAN總線上的CAN報(bào)文，并發(fā)送組內(nèi)CAN及裝置內(nèi)CAN報(bào)文。應(yīng)用管理層主要負(fù)責(zé)輸入/輸出自檢和CAN故障診斷。在每個(gè)自檢周期內(nèi)，通過(guò)對(duì)輸入/輸出通道進(jìn)行自檢來(lái)判斷是否正常，若存在通道異常，則采取降級(jí)工作模式或封鎖通道。此外，該層還負(fù)責(zé)接收與發(fā)送故障診斷，如果單位時(shí)間內(nèi)一路CAN能夠收到CAN報(bào)文而同組的另外一路CAN不能收到相同的報(bào)文則認(rèn)為該路CAN存在故障，如果在單位時(shí)間內(nèi)某一路CAN沒(méi)有成功發(fā)送過(guò)報(bào)文則認(rèn)為該路CAN故障。

4 LCU系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

廣州地鐵三號(hào)線B型列車為6節(jié)編組，4動(dòng)2拖布置。每節(jié)車廂安裝一臺(tái)LCU主機(jī)，其中A車安裝6U機(jī)箱，B車和C車安裝3U機(jī)箱。6節(jié)車廂的LCU主機(jī)通過(guò)獨(dú)立于車輛TCMS的CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)數(shù)據(jù)交互，同時(shí)將LCU運(yùn)行狀態(tài)信息匯集發(fā)送至顯示屏，實(shí)現(xiàn)故障信息推送功能，便于司機(jī)及時(shí)對(duì)故障采取應(yīng)對(duì)措施。LCU系統(tǒng)安裝示意圖如圖2所示。

廣州地鐵三號(hào)線自2021年9月起，率先開(kāi)展車輛改造，批量采用技術(shù)升級(jí)的三取二LCU系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的硬線控制電路。這一變革性的技術(shù)升級(jí)改造，通過(guò)對(duì)原車所有控制回路進(jìn)行全面深入的分析評(píng)估，成功替代了原車中的128個(gè)繼電器，替代率高達(dá)60% ，這一顯著成果充分展示了LCU系統(tǒng)的高效性和可靠性。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)三年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，改造后的車輛均未發(fā)生任何控制故障，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定可靠，進(jìn)一步驗(yàn)證了LCU系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的卓越表現(xiàn)。這一項(xiàng)技術(shù)升級(jí)改造，不僅為廣州地鐵三號(hào)線的安全運(yùn)營(yíng)提供了有力保障，也為未來(lái)城市軌道交通的發(fā)展提供了經(jīng)驗(yàn)參考。表1為廣州地鐵三號(hào)線車輛LCU改造替代電路范圍。

5 結(jié)束語(yǔ)

三取二LCU系統(tǒng)達(dá)到了最高的SIL4安全等級(jí)，相比傳統(tǒng)繼電器具有更為顯著的優(yōu)勢(shì)，它構(gòu)建了一個(gè)高穴余度、高安全性、高可靠性且長(zhǎng)壽命的車輛控制系統(tǒng)，有效提升了車輛運(yùn)行穩(wěn)定性，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，同時(shí)推動(dòng)了車輛智能化水平的全面提升，也為乘客提供了更加安全、可靠的出行體驗(yàn)。

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