摘要：針對(duì)廣州地鐵某項(xiàng)目基于LCU控制的車輛在應(yīng)用中出現(xiàn)DIO板卡續(xù)流二極管短路導(dǎo)致通道冗余失效的故障，從DIO板卡原理方面進(jìn)行分析，提出了臨時(shí)處理措施及根本處理措施。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;邏輯控制單元;DIO板卡;冗余;失效

中圖分類號(hào)：U270.38+1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）03-0056-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.016

0? ? 引言

目前城軌車輛大部分邏輯控制功能都是采用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而繼電器本身受其機(jī)械觸點(diǎn)動(dòng)作次數(shù)及性能的限制，部分動(dòng)作頻繁的器件容易發(fā)生故障，進(jìn)而影響車輛的正常運(yùn)營(yíng)。隨著硬件新技術(shù)的發(fā)展，采用無(wú)觸點(diǎn)可編程邏輯控制單元（LCU）來(lái)取代繼電器，可從根本上消除繼電器機(jī)械觸點(diǎn)動(dòng)作次數(shù)受限的缺陷。

廣州地鐵某項(xiàng)目基于熱備雙冗余LCU控制的車輛，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)LCU板卡單點(diǎn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)冗余功能失效的異常情況。本文結(jié)合車輛電路及LCU的DIO板卡原理分析了故障原因，并提出解決方案。

1? ? 故障情況

廣州地鐵某配置熱備雙冗余列車正線運(yùn)營(yíng)時(shí)，出現(xiàn)LCU紅點(diǎn)，ATO無(wú)法動(dòng)車，LCU自動(dòng)由B組切換到A組后，列車ATO仍無(wú)法啟動(dòng)。

列車回庫(kù)后讀取并分析LCU記錄數(shù)據(jù)，如圖1所示，數(shù)據(jù)記錄該車IO5組A板、B板均報(bào)OUT47點(diǎn)位有輸出無(wú)反饋故障。

其中0x03 0xFC 0xBF轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制如圖2所示，第一列為輸出指令，第二列為接收到的反饋信號(hào)。即OUT47點(diǎn)位應(yīng)輸出110 V電壓，而板卡的反饋電路檢測(cè)到的電壓為0，實(shí)際輸出電壓為0。

如圖3所示，根據(jù)列車控制電路，ATO啟動(dòng)電路中的LCU主控輸出觸點(diǎn)OUT47關(guān)斷，一直無(wú)法有效輸出高電平信號(hào)，導(dǎo)致ATO啟動(dòng)列車線低電平，因此ATO無(wú)法啟動(dòng)。

2? ? 故障原因分析

2.1? ? 熱備雙冗余LCU DIO板卡原理

DIO板卡原理如圖4所示，DIO板卡每路輸入的DC110 V信號(hào)經(jīng)濾波、分壓、光耦隔離后進(jìn)入CPU，當(dāng)觸發(fā)輸入通道自檢信號(hào)后，會(huì)進(jìn)入輸入檢測(cè)電路進(jìn)行通道自檢。CPU輸出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)磁隔離、輸出驅(qū)動(dòng)、過(guò)流保護(hù)等電路后輸出到外部，并且每路輸出信號(hào)均有輸出反饋檢測(cè)，當(dāng)反饋信號(hào)符合輸出診斷規(guī)則后進(jìn)行輸出。

輸入、輸出采用A路、B路熱備雙冗余機(jī)制，如圖5所示。每路輸出采用雙開關(guān)控制，具備輸入、輸出獨(dú)立診斷功能，同時(shí)A/B板卡進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)同步，使A/B板卡能夠無(wú)縫切換，保證整機(jī)的輸入信號(hào)采集和輸出信號(hào)控制不受單點(diǎn)故障影響[1]。

2.2? ? 故障檢查

LCU的OUT47輸出點(diǎn)位位于LCU的第五組DIO板卡，檢查發(fā)現(xiàn)該組板卡的A板與B板同時(shí)故障指示燈閃爍。測(cè)量發(fā)現(xiàn)A板正常，B板二極管D3短路：正向電壓為0 V，正常值應(yīng)為0.55 V;反向電壓為0 V，正常值應(yīng)為無(wú)窮大。

OUT47的邏輯圖如圖6所示，當(dāng)司機(jī)室主控鑰匙擰到“ON”位時(shí)，OUT47點(diǎn)位輸出高電平。鑒于OUT47輸出的續(xù)流二極管短路，對(duì)OUT47輸出端列車的后級(jí)負(fù)載進(jìn)行測(cè)量，檢查是否有沖擊電壓導(dǎo)致二極管故障。

選取故障車與一列良好車進(jìn)行對(duì)比。將示波器的采樣間隔調(diào)整為200 μs，設(shè)置觸發(fā)電壓為130 V時(shí)，多次開/關(guān)主控鑰匙，示波器均無(wú)波形顯示，即開/關(guān)主控鑰匙后OUT47的瞬間沖擊電壓不超過(guò)130 V。經(jīng)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，故障車OUT47輸出的電壓均平穩(wěn)，為118～125 V，與良好車一致。

通過(guò)對(duì)OUT47輸出端列車的后級(jí)負(fù)載進(jìn)行測(cè)量，可排除列車后級(jí)負(fù)載存在沖擊電壓導(dǎo)致二極管故障的可能。

2.3? ? 原因分析

雙冗余LCU的DIO板的A板、B板內(nèi)部輸出電路并聯(lián)后通過(guò)同一個(gè)點(diǎn)位輸出到列車外部回路，如圖7所示。本次故障中IO5組B板的OUT47點(diǎn)位續(xù)流二極管短路導(dǎo)致輸出對(duì)地短路，A板內(nèi)部輸出電路與B板輸出并聯(lián)后，A板的OUT47點(diǎn)位輸出同時(shí)對(duì)地短路。

3? ? 解決方案

針對(duì)A板、B板任一板塊的續(xù)流二極管輸出短路則兩塊板同時(shí)故障，無(wú)法實(shí)現(xiàn)冗余功能的問(wèn)題，有以下處理措施。

3.1? ? 臨時(shí)處理措施

針對(duì)DIO板卡續(xù)流二極管失效故障，現(xiàn)場(chǎng)開展普查，對(duì)續(xù)流二極管參數(shù)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，將性能參數(shù)已經(jīng)降低的二極管排查出來(lái)，降低二極管短路失效概率。

檢測(cè)方法為采用萬(wàn)用表測(cè)試二極管壓降參數(shù)，測(cè)量正向壓降參數(shù)偏差超過(guò)基準(zhǔn)值0.05 V的二極管判定為參數(shù)偏移不良，參數(shù)范圍為0.5～0.6 V;測(cè)量反向壓降參數(shù)萬(wàn)用表讀數(shù)應(yīng)為“OL”（無(wú)窮大）。考慮到二極管器件參數(shù)的離散性，且不同萬(wàn)用表測(cè)量存在偏差，基準(zhǔn)值取同一萬(wàn)用表測(cè)試功能正常的單板上的10個(gè)續(xù)流二極管參數(shù)的平均值。

3.2? ? 根本處理措施

原DIO板輸出續(xù)流二極管設(shè)計(jì)如圖7所示，單板續(xù)流二極管短路失效，會(huì)導(dǎo)致DIO板A/B輸出通道均短路保護(hù)，進(jìn)而無(wú)輸出。因此，對(duì)DIO板進(jìn)行升級(jí)改造，輸出續(xù)流回路電路如圖8所示。

優(yōu)化設(shè)計(jì)如下：

（1）DIO板輸出續(xù)流二極管D3挪放在輸出二極管D2前級(jí)。

當(dāng)DIO A板D3單點(diǎn)短路失效時(shí)，D2二極管起到隔離作用，保證輸出冗余支路之間不會(huì)相互影響，不會(huì)造成DIO B板輸出通道短路保護(hù)。因此，DIO A板輸出通道短路保護(hù)后切換到DIO B板工作，不會(huì)導(dǎo)致DIO A板和DIO B板冗余通道無(wú)輸出。

（2）在續(xù)流二極管下方串聯(lián)100 kΩ限流電阻R1。

通過(guò)100 kΩ限流電阻保證二極管出現(xiàn)對(duì)DC110 V_GND短路后，不會(huì)導(dǎo)致MOS管直接對(duì)DC110 V_GND短路。

（3）DIO板電源輸入串入二極管D4。

LCU設(shè)備裝配過(guò)程中可能出現(xiàn)輸入電源DC110 V正負(fù)極接反的情況，導(dǎo)致其通過(guò)續(xù)流二極管D3、MOS管Q1形成短路，對(duì)續(xù)流二極管和MOS管元器件、PCB板等造成損傷。故在輸入電源正極串入防反二極管D4，避免輸入DC110 V電源接反通過(guò)續(xù)流二極管形成短路。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

采用無(wú)觸點(diǎn)可編程邏輯控制單元（LCU）來(lái)取代繼電器的控制電路正逐漸成為行業(yè)的主流。本文結(jié)合典型的實(shí)際案例，分析了因設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致熱備雙冗余LCU中A板、B板任一板塊的續(xù)流二極管輸出短路，造成兩塊板同時(shí)故障的問(wèn)題，在采取了相關(guān)措施后，實(shí)現(xiàn)了LCU冗余功能，可為該新型技術(shù)在地鐵列車中的應(yīng)用提供一定借鑒。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 中車株洲電力機(jī)車有限公司.廣州地鐵二十一號(hào)線無(wú)觸點(diǎn)可編程邏輯控制單元LCU技術(shù)設(shè)計(jì)方案[Z]，2018.

收稿日期：2021-10-29

作者簡(jiǎn)介：鄭少彬（1989—），男，廣東汕頭人，城市軌道交通機(jī)車車輛工程師，研究方向：城市軌道交通機(jī)車車輛。