呂強(qiáng)

摘 要：文章闡述了地鐵車(chē)輛邏輯控制單元（LCU）的發(fā)展以及應(yīng)用，討論了地鐵列車(chē)控制系統(tǒng)中的繼電器的應(yīng)用問(wèn)題以及LCU系統(tǒng)在地鐵車(chē)上應(yīng)用的必要性。針對(duì)LCU系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，將LCU系統(tǒng)在深圳地鐵9號(hào)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(kāi)關(guān)平臺(tái)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(chē)上的應(yīng)用對(duì)地鐵列車(chē)電氣設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）10（a）-0001-02

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

1 地鐵列車(chē)LCU系統(tǒng)應(yīng)用的必要性

地鐵車(chē)輛上存在大量的機(jī)械觸點(diǎn)、中間繼電器、時(shí)間繼電器，這些器件通過(guò)電纜線線連接起來(lái)，構(gòu)成了列車(chē)運(yùn)行的邏輯控制系統(tǒng)，用于傳遞控制信號(hào)。龐大而復(fù)雜的電氣系統(tǒng)的工作直接影響到了列車(chē)運(yùn)行安全，但這個(gè)系統(tǒng)存在以下問(wèn)題。

（1）控制電路本身存在單點(diǎn)及多點(diǎn)失效隱患。由于控制電路中的控制邏輯沒(méi)有采取冗余設(shè)計(jì)，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(huì)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(gè)繼電器級(jí)連的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只要其中任何一個(gè)繼電器出現(xiàn)失效，整個(gè)電路就會(huì)失效。

（3）有些觸點(diǎn)繼電器長(zhǎng)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(dòng)、靜觸頭接觸不良甚至不導(dǎo)通。

（4）繼電器線圈的頻繁動(dòng)作會(huì)帶來(lái)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(cuò)。

（6）控制系統(tǒng)的通用性與靈活性差。

地鐵列車(chē)的運(yùn)行環(huán)境通常比較惡劣，如高溫、高濕、粉塵度高、震動(dòng)強(qiáng)度大，部分地區(qū)還有酸雨、鹽霧等。這些不利條件會(huì)直接影響到電氣器件的壽命，特別是存在機(jī)械動(dòng)作次數(shù)的繼電器，一般在使用2～3年后就逐步開(kāi)始失效。而失效后的繼電器就帶來(lái)了列車(chē)的故障率升高以及列車(chē)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(shí)的施工成本。

地鐵無(wú)觸點(diǎn)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(zhǎng)壽命的無(wú)觸點(diǎn)電子控制裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器有觸點(diǎn)硬接線控制系統(tǒng)，更好地保障地鐵列車(chē)的安全運(yùn)行、免維護(hù)、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(shì)。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(shì)所趨。

（2）繼電器是依靠線圈和機(jī)械觸頭來(lái)實(shí)現(xiàn)可控開(kāi)關(guān)的，目前大功率的開(kāi)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(guó)生產(chǎn)的新型電力機(jī)車(chē)上都設(shè)計(jì)安裝了LCU，而老型電力機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)大修后，也都經(jīng)過(guò)改造，加裝了該裝置。

（4）LCU系統(tǒng)在地鐵列車(chē)上的應(yīng)用目前還比較少。

3 深圳9號(hào)線LCU系統(tǒng)應(yīng)用

深圳地鐵9號(hào)線工程列車(chē)共計(jì)29列，174輛。列車(chē)采用4動(dòng)2拖編組，A型鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)，目前車(chē)輛已完成行駛試驗(yàn)，將于2016年9月底開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。

LCU系統(tǒng)采用分布式控制，各車(chē)輛之間的信息通過(guò)TCMS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，與TCMS通信的功能由各節(jié)車(chē)LCU的MVB通信板實(shí)現(xiàn)。各節(jié)車(chē)內(nèi)部的LCU系統(tǒng)由若干LCU基本單元組成，每節(jié)車(chē)內(nèi)部的LCU裝置根據(jù)實(shí)際需要，可以通過(guò)擴(kuò)展總線，對(duì)基本功能進(jìn)行擴(kuò)充，并可根據(jù)實(shí)際的IO點(diǎn)數(shù)來(lái)確定LCU裝置的數(shù)量。

深圳9號(hào)線地鐵列車(chē)為6輛編組列車(chē)，每節(jié)車(chē)各分配一套LCU裝置，其中帶司機(jī)室的車(chē)配備兩套LCU裝置。用無(wú)觸點(diǎn)控制方式取代列車(chē)上原有的110 V控制電路中的時(shí)間繼電器、中間繼電器及一些電器的輔助觸點(diǎn)控制。

4 深圳9號(hào)線LCU功能介紹

邏輯控制裝置通過(guò)硬件與軟件結(jié)合的方式，具備完全可編程定時(shí)與延時(shí)功能，可直接控制并驅(qū)動(dòng)接觸器、電空閥等元件，完成升降弓、列車(chē)牽引制動(dòng)、司機(jī)室激活、警惕、方向、車(chē)門(mén)和自動(dòng)駕駛等各種時(shí)序控制功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)與TCMS的通信功能，目前支持MVB網(wǎng)絡(luò)。車(chē)輛內(nèi)部通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多個(gè)LCU級(jí)聯(lián)，方便IO擴(kuò)展，滿足靈活的通道配置需求。LCU具備自診斷功能，能夠檢測(cè)自身的輸入、輸出、電源及通信的工作狀態(tài)，同時(shí)在面板LED指示燈及TCMS上指示自身狀態(tài)。當(dāng)自檢測(cè)出故障時(shí)，則利用熱備冗余技術(shù)自動(dòng)進(jìn)行主備無(wú)縫切換，隔離故障源保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行；若負(fù)載出現(xiàn)短路或過(guò)流時(shí)，LCU能夠自動(dòng)斷開(kāi)該路輸出，并顯示故障；當(dāng)短路或過(guò)流消失后，能夠自動(dòng)恢復(fù)。LCU可以檢測(cè)列車(chē)級(jí)故障，可按需求進(jìn)行邏輯旁路隔離，并且可以進(jìn)行故障記錄。LCU系統(tǒng)檢測(cè)到輸入、輸出通道數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)記錄并且存儲(chǔ)變化數(shù)據(jù)。

5 LCU應(yīng)用邏輯的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)

應(yīng)用邏輯的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的建立和使用要分兩部分實(shí)施。平臺(tái)的運(yùn)行需要一個(gè)實(shí)際的目標(biāo)機(jī)作為宿主，平臺(tái)的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)需要與目標(biāo)機(jī)相配套的開(kāi)發(fā)工具。開(kāi)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(yǔ)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(jī)可通過(guò)維護(hù)端口下載LCU中記錄的日志及故障數(shù)據(jù)，并可針對(duì)歷史記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行組合查詢(xún)及分析；分類(lèi)輔以圖表進(jìn)行顯示，輔助維護(hù)人員進(jìn)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(jìn)行預(yù)防，避免出現(xiàn)重大的損失；還可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)配置參數(shù)的設(shè)定與修改。

6 深圳9號(hào)線LCU系統(tǒng)冗余功能

LCU采用插件式板卡設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了完全相同并獨(dú)立的兩組硬件系統(tǒng)相互冗余，也就是說(shuō)LCU只要有一組是正常的，系統(tǒng)均能保證正常工作和進(jìn)行列車(chē)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(shí)，備用組會(huì)自動(dòng)投入工作；且在備用組投入工作后，發(fā)生故障的工作組進(jìn)行自我隔離。

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

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，LCU系統(tǒng)在深圳9號(hào)線地鐵車(chē)輛上的運(yùn)用是LCU系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)地鐵列車(chē)上的首次大范圍運(yùn)用，且通過(guò)了列車(chē)調(diào)試和試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果。LCU系統(tǒng)在地鐵列車(chē)上運(yùn)用意義重大，對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵列車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)有重大的促進(jìn)作用。

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