列車電氣控制系統升級方案設計與研究

王野

摘? 要：車輛的電氣控制系統為傳統繼電器控制電路，存在繼電器數量多、可編輯能力差、故障點多、占用空間等缺點，文章通過采用新型可編程邏輯控制技術代替傳統繼電器控制電路，可解決繼電器卡位、抖動、接觸不良等缺點，提高控制電路單點可靠性及穩定性。在未來無人駕駛相關的線路中，可編程邏輯控制單元技術方案可發揮更安全地控制，同時為故障處理、智能運維、列車狀態修提供數據支撐。

關鍵詞：邏輯控制單元;LCU;電氣控制;繼電器

中圖分類號：U270.38+1? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0139-02

Abstract： The electrical control system of the vehicle is a traditional relay control circuit， which has some shortcomings， such as a large number of relays， poor editing ability， many fault points， occupying space and so on. In this paper， a new programmable logic control technology is adopted instead of the traditional relay control circuit. It can solve the shortcomings of relay clamping， jitter and poor contact， and improve the single-point reliability and stability of the control circuit. In the future self-driving related lines， the technical scheme of programmable logic control unit can play a more secure control and provide data support for fault handling， intelligent operation， and body maintenance of the train.

Keywords： logic control unit; LCU; electrical control; relay

1 概述

大連地鐵1、2號線所采用地鐵列車為B2型車，車輛的電氣控制系統為傳統繼電器控制電路，存在繼電器數量多、可編輯能力差、故障點多、占用空間等缺點。本次電氣控制系統升級方案是采用新型可編程邏輯控制技術代替傳統繼電器控制電路，以解決上述缺點。可編程邏輯控制技術的核心部件為LCU（可編程邏輯控制單元），通過可編程技術實現車輛控制邏輯，減少中間驅動環節，采用無機械觸點的雙冗余控制方案，從根本上解決繼電器卡位、抖動、接觸不良等缺點，提高控制電路單點可靠性及穩定性。

2 方案設計

2.1 工作原理

LCU是基于PLC編程控制原理，結合熱備雙冗余、2乘2取2等冗余結構，實現了列車信號的安全采集、邏輯運算（包含中間控制關系和延時控制）和安全驅動，集合信號反饋采集和故障自診斷技術，較好地完成了車輛邏輯的閉環控制。

2.2 功能介紹

2.2.1 LCU功能

（1）控制信號采集：基于直流工作電源的電壓采集，0～30V為邏輯0，77～137.5V為邏輯1，完全適用于DC77～137.5V的工作電壓范圍。

（2）控制邏輯編程：通過編程語言，安全且靈活地實現車輛邏輯，編程語言符合IEC61131-3標準要求。

（3）控制信號驅動：基于診斷的2取2安全輸出，確保輸出信號滿足列車控制的安全導向需求。

（4）故障診斷及工作組切換：正常情況下，LCU各冗余模塊間工作于熱備狀態，輸出驅動環節同時輸出，當某一模塊發生故障時，單點故障不會影響系統輸出，不會影響列車運行。

2.2.2 性能參數

環境溫度范圍：-35℃～+50℃;

最高海拔高度：2000m;

存儲溫度范圍：-40℃～+70℃;

防護等級：IP20及以上;

散熱方式：自然冷卻;

控制電源：77～137.5VDC;

整機功耗：6U-LCU≤100W/3U-LCU≤50W;

輸入電壓范圍：低電平DC 0～30V，高電平DC 77～137.5V;

輸出電壓范圍：低電平DC 0～2V，高電平DC 77～137.5V;

輸入輸出響應：輸入響應小于5ms，輸出響應小于5ms，輸入到輸出的最長響應30ms;

輸出驅動電流：每路輸出通道有過載保護能力，能承受的最大電流不小于10A持續時間100ms，額定工作電流2A。

2.3 安裝配置

以大連地鐵1、2號線四動兩拖（=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=）編組方式的地鐵列車為例，LCU采用分布式控制，采用6U和3U兩種機箱結構，6U主機安裝在Tc車電氣柜中，3U主機安裝在其他各車客室電氣柜中。每套LCU系統通過冗余的CAN總線接口進行通信，并向司機臺上的LCU顯示器實時上傳工作狀態信息、故障診斷信息和其他必要的數據。采用LCU取代傳統中間電路元件給出驅動信號，實現車輛相關設備、子系統的控制目的，具備定時控制、延時控制、狀態診斷、信息交互和故障保護等功能。

2.4 替代范圍

LCU替代既有車輛上的電氣控制電路，范圍如下：（1）ATC信號控制中涉及繼電器的輸入觸點;（2）自動駕駛模式繼電器;（3）所有車門控制功能繼電器;（4）門釋放及門聯鎖回路繼電器;（5）列車無高壓45分鐘延時蓄電池斷電繼電器;（6）大部分COR繼電器（保留緊急制動串聯回路及應急牽引電路）;（7）警惕繼電器;（8）緊急制動回路繼電器;（9）受電弓控制繼電器;（10）停放制動控制繼電器;（11）常用制動控制繼電器;（12）制動緩解繼電器;（13）零速回路繼電器;（14）列車牽引回路繼電器;（15）TCMS采集中涉及繼電器的輸入觸點;（16）其他可替換繼電器。

2.5 冗余設計

為了確保替代電路的可靠性，避免無法動車等事件發生，LCU采取了以下冗余設計：（1）電源冗余。每套LCU配置一對冗余電源板（A/B）分別給機箱內A組或B組板卡供電。（2）驅動冗余。當某一組LCU控制系統模塊發生供電故障、生命信號丟失、輸入故障、輸出故障時，另一組相同模塊能自動切換，且切換時不影響列車運行，實現“熱切換”功能。LCU控制系統冗余模塊的切換采用合理的主備邏輯切換機制和狀態仲裁機制，避免兩組進行無序的主/備競爭。（3）通信冗余。LCU機箱內部網絡采用CAN總線冗余設計。所有的功能板件均有兩個獨立的CAN通信模塊，分別通過背板總線連接至兩條相互獨立的CAN總線上。正常工作時，兩路CAN總線同時參與通信。當任意單CAN異常時，維持另一路CAN總線運行，依舊能保證數據的正確傳遞。（4）備用模式。LCU增加了備用模式，若LCU出現主板卡和備用板卡同時故障的極端情況，通過對列車車門回路、緊急制動回路、牽引回路設置LCU旁路，確保在極端情況下不因LCU故障導致列車無法開門或無法動車故障，仍具備最基本的牽引制定及開關門功能，保證列車能夠運行至終點站退出服務。

2.6 安全等級

滿足SIL2級標準的熱備雙冗余LCU已經在地鐵上大量運用，實現了無觸點的可編程邏輯控制替代傳統的繼電器邏輯控制電路，更高安全標準的3取2冗余結構的LCU已經裝車使用，2乘2取2冗余結構的LCU還處于研發階段，采用與地鐵信號系統相同安全等級的安全架構更適應SIL4級標準的無人駕駛線路。

3 可行性分析

3.1 采用LCU的優點

（1）采用可靠性和模塊化設計，無機械觸點，使用壽命長，減少了日常維護工作量，有效降低了列車全生命周期運營成本。（2）通道級熱備冗余，進一步提高了設備的可靠性和安全性，設備單點故障不會影響列車運行，安全完整性等級高于SIL2。（3）具有故障自診斷和智能推送功能，運行數據的全程記錄，輔助實現車輛故障的精確定位。（4）可視化邏輯編程，采用符合IEC61131-3標準的可視化編程軟件CodeSys。

3.2 改造升級方案對比

3.2.1 降低列車故障率

車輛上繼電器引發的列車故障為0.0989次/萬列公里，LCU故障引起的列車故障率為0.0256次/萬列公里，運營至今，未出現任何因LCU故障導致的清客、救援故障，因此采用LCU技術將會大大降低列車故障率。

3.2.2 便于維護

繼電器全部失效的年限為25年，可靠度為0.9時的壽命約為5年，可靠度為0.95時的壽命約為3年，而LCU除架修及以上修程需要對機箱進行除塵外，基本無需日常維護，維護更加便利。

3.2.3 故障查找方便

LCU具有輸入輸出點數據記錄功能，配備監測軟件，可根據需要對列車各信號進行監測，故障查找方便、直觀。

3.2.4 具有可編程功能

LCU可就現有的控制功能通過程序編輯進行優化，具備二次開發的能力。

3.3 改造升級施工周期

若對既有車輛改造升級為LCU技術方案，按1列車計算，施工周期如表1：

4 結束語

隨著科學技術的發展，LCU技術方案也在不斷完善和升級，并在新建線路地鐵列車上推廣和使用，傳統的控制系統必會被更加簡單、優越的LCU技術方案所代替。在未來無人駕駛相關的線路中，LCU技術方案可發揮更安全的控制，同時為故障處理、智能運維、列車狀態修提供數據支撐。

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