地鐵車輛全冗余控制電路設計與研究

梁波　周利　張盼　錢江林

摘 要：本文介紹了地鐵車輛幾個關鍵控制電路的全冗余設計方案，即采用繼電器控制電路與可編程邏輯控制單元（LCU）控制電路相互冗余控制的設計方案。針對傳統的控制電路設計方案，即繼電器控制電路或者LCU控制電路，本文介紹的全冗余控制電路設計方案可有效解決控制電路單點故障、繼電器故障或LCU故障造成的車輛降級運行甚至清客、救援等問題，提高了車輛的運營效率。該方案已成功運用到上海軌道交通一號線及上海軌道交通二號線等項目。

關鍵詞：地鐵車輛;控制電路;全冗余;LCU

1 概述

地鐵車輛控制電路如司機室占有控制電路、受電弓控制電路、牽引控制電路、緊急制動控制電路等關鍵電路，關系到地鐵車輛的正常運營，一旦出現故障，將直接導致車輛降級甚至清客、救援等嚴重事件。因此，關鍵控制電路的可靠性尤為重要。傳統地鐵車輛，上述關鍵控制電路采用繼電器控制，近幾年，隨著可編程邏輯控制單元LCU的發展，上述控制電路采用LCU控制，一定程度上提高了控制電路的可靠性。但當LCU故障時，車輛仍需降級運行，清客并退出運營，嚴重時同樣將導致救援。本文介紹的全冗余控制電路設計方案，采用繼電器和LCU冗余的控制設計，繼電器控制和LCU控制可由司機控制進行切換。當繼電器控制電路故障時，可切換至LCU控制模式，由LCU控制車輛運行。用樣當LCU故障時，也可切換至繼電器控制模式，由繼電器電路控制車輛運行。

2 全冗余控制電路設計

2.1 控制模式切換控制電路

列車設計控制模式切換控制電路，電路圖如圖1所示。用于控制列車在繼電器控制模式和LCU控制模式間切換。當切換至LCU模式時，LCU切換繼電器將斷開部分控制回路中的繼電器控制邏輯信號，LCU將由冷備切換至熱備模式，列車由LCU進行控制。當切換至硬線模式時，LCU進入冷備模式，所有輸入輸出端口不再工作，列車由繼電器硬線電路進行控制。關鍵電路的具體設計方案詳見第2.2-2.5部分內容。用戶可根據需要自主選擇在哪種模式下運行，兩種控制模式完全冗余。

2.2 司機室占有控制電路

司機室占有控制電路設計圖如圖2所示。在繼電器控制模式下，LCU處于冷備模式，所有輸入輸出端口均不工作。當司機轉動司機控制器鑰匙至“ON”位后，控制電經由列車占有繼電器的常閉觸點，將本端司機室占有繼電器全部吸合，并經過司機室占有繼電器的常開觸點進行自保持。此時，由受控端司機室才能發出的操作指令、受控端才能接通的電源等控制電路中的司機室占有常開觸點閉合，控制電路接通。同時整列車的列車占有繼電器將得電吸合，將非操作端的司機室占有控制回路中的列車占有繼電器常閉觸點斷開，保證在另一端操作司機控制器鑰匙時無效，整列車只有一個司機室處于占有狀態。

當繼電器故障導致司機室無法占有時，若LCU正常，則可操作模式切換控制開關將控制模式轉換至“LCU”控制模式。此時，切換繼電器將得電吸合，司機室占有繼電器回路將被切斷，LCU將切換至熱備模式。此時，司機控制器的鑰匙信號將由LCU采集，司機室占有的邏輯由LCU進行控制。當司機操作司機控制器鑰匙時，LCU將判斷另外一端司機室的司機控制器鑰匙的狀態，如另一端司機控制器鑰匙處于“OFF”位，則本端LCU將輸出高電平將司機室占有電路接通，本端LCU將接收到司機室占有信號。此時，由受控端司機室才能發出的操作指令、受控端才能接通的電源等控制電路將由LCU提供司機室占有高電平信號，控制電路接通。另一端司機室占有回路中的LCU將斷開司機室占有回路。

2.3 受電弓控制電路

受電弓控制電路如圖3所示。繼電器控制模式下，在司機室占有、降弓按鈕未按下的情況下，按下升弓按鈕時，升弓保持繼電器將得電吸合，升弓電磁閥將得電，受電弓將升起。且升弓保持回路將由升弓保持繼電器進行自保持，無需一直按壓升弓按鈕。司機按下降弓按鈕或者按下緊急停車按鈕時，降弓繼電器將得電吸合，升弓保持回路將失電斷開，升弓電磁閥失電，受電弓將降下。

當升弓控制電路中有繼電器故障時，若LCU正常，可操作模式切換控制開關將控制模式轉換至“LCU”控制模式。此時，切換繼電器將得電吸合，升弓保持及升弓電磁閥供電繼電器回路將被切斷，LCU將切換至熱備模式，列車的升降弓由LCU進行控制。在司機室占有端、受電弓控制供電的斷路器閉合的情況下，LCU將輸出司機室占有高電平信號，在緊急停車按鈕未按下、降弓按鈕未按下的情況下，按下升弓按鈕時，LCU將采集到升弓指令。受電弓所在車的LCU將判斷本車受電弓控制斷路器閉合、無落弓信號、有升弓指令、升弓允許繼電器吸合時，將輸出升弓保持信號，使升弓電磁閥得電，受電弓將升起。當操作降弓按鈕時，LCU將采集到降弓指令。受電弓所在車的LCU將停止輸出升弓保持信號，升弓電磁閥失電，受電弓將降下。

2.4 牽引控制電路

牽引控制電路如圖4所示。繼電器控制模式下，當在司機室占有端，將司機控制器方向手柄推至向前位，按下警惕按鈕、主控手柄推至牽引位、所有停放制動已緩解、列車所有門鎖閉、無緊急制動施加的情況下，列車將發出牽引命令。

當牽引控制電路中有繼電器故障時，若LCU正常，可操作模式切換控制開關將控制模式轉換至“LCU”控制模式。此時，切換繼電器將得電吸合，牽引控制繼電器回路將被切斷，LCU將切換至熱備模式，列車的牽引命令由LCU進行控制，LCU替代了司機室占有、ATO模式、零速、所有停放制動緩解、列車左門鎖閉、列車右門鎖閉的硬線邏輯。

2.5 緊急制動控制電路

緊急制動控制電路如圖5所示。緊急制動控制電路由司機室占有繼電器、司機控制器、VCU緊急制動繼電器、總風壓力可用繼電器、緊急制動繼電器、警惕繼電器、切換繼電器、LCU等組成。繼電器控制模式下，當司機室占有信號丟失，或司機控制器方向手柄回至“0”位，或VCU施加緊急制動，或緊急牽引工況下超速，或總風壓力不可用，或警惕按鈕未被按下的時間超過3s時，列車將發出緊急制動指令。

當緊急制動控制電路中有繼電器故障時，若LCU正常，可操作模式切換控制開關將控制模式轉換至“LCU”控制模式。此時，切換繼電器將得電吸合，緊急制動控制繼電器回路將被切斷，LCU將切換至熱備模式，列車的緊急制動命令由LCU進行控制，LCU替代了司機室占有、VCU緊急制動、零速、總風壓力可用、警惕等的硬線邏輯。

3 結語

繼電器控制電路或LCU控制電路，當繼電器出現故障或者LCU出現故障時，需操作相應旁路或者將LCU旁路切除，此時列車需降級運行。若出現故障的繼電器沒有設置旁路旋鈕，或者LCU故障較嚴重，列車需清客下線甚至救援，將大大影響車輛的運營效率。本文詳細介紹了地鐵車輛關鍵控制電路的全冗余設計方案。該全冗余控制電路設計方案可有效解決控制電路單點故障、繼電器故障或LCU故障造成的車輛降級運行甚至清客、救援等問題，提高了車輛的運營效率。

參考文獻：

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