地鐵車輛分體式LCU系統的設計與研究

武秀蓮，霍建華

(長春長客阿爾斯通軌道車輛有限公司，吉林 長春 130062)

在地鐵系統設備中，采用的傳統觸點繼電器存在維護難度大、故障率高等問題。具備壽命長、高冗余等優勢的LCU系統在越來越多的新開通地鐵線路中得以廣泛應用[1]。

地鐵列車無觸點邏輯控制單元LCU采用光耦和場效應管結合設計，并通過硬件與軟件結合完成各種邏輯和延時控制功能，實現開關的無觸點控制。LCU極大地提高了邏輯控制系統的使用壽命和可靠性，平均無故障時間不少于2萬h[2]，并且具有網絡化、智能化、免維護、節能環保等特點，簡化了檢修流程，節約了車輛設計成本[3]。

但是，既有的LCU應用項目中，LCU系統作為一個整體設備，主機中支持的輸入輸出數量是固定的，但不同的車輛對輸出輸入信號的需求數量存在較大差異，此時主機只能按照滿足最多數量來進行設備配置。這就必然造成部分輸入輸出模塊閑置的情況出現，同時占據了額外的設備空間。隨著車輛智能化程度的提升，車載設備的數量也在不斷增加，地鐵車輛上設備空間的合理運用也成為一個不容忽視的考慮因素。為解決該問題，本文將LCU系統的輸入輸出模塊與其他部分分離，提出了一種分體式LCU系統。

1 系統方案

LCU系統分體式設計分為LCU主機和LCU輸入輸出模塊兩部分，在接口設計上，LCU主機帶6組輸入輸出模塊接口，可最多連接6個LCU輸入輸出模塊，中間通過軟電纜進行連接。LCU主機與LCU輸入輸出模塊之間采用CAN通信方式連接，LCU輸入輸出模塊所用的DC 110 V/DC 5 V電源由LCU主機提供，無需單獨的供電電源模塊。圖1為分體式LCU系統總體方案。

圖2 LCU主機功能框圖

圖1 分體式LCU系統總體方案示意圖

2 設計與實現

2.1 LCU系統功能

LCU系統功能采用LCU硬件加上位機可編程邏輯控制器的方式實現，LCU系統分體式硬件包括LCU主機和LCU輸入輸出模塊。在硬件設計上，充分考慮到控車的安全因素，關鍵電路板卡如電源板、主控板和輸入輸出板卡均采用二乘二取二的冗余方案設計。電源設計上采用2路獨立電源為系統供電，DC 110 V輸入分別由列車上2路空開端輸入，電源板分A/B組冗余供電，A組電源板給分布式的A組板卡供電，B組電源板給分布式的B組板卡供電。主控板分主控板A和主控板B，每組均可單獨工作，在每組內部又對邏輯運算結果進行比對，結果一致時則輸出，不一致時重新進行運算比對。輸入輸出板卡分A/B 2組輸入和輸出，輸入同時接入輸入板卡A和輸入板卡B，兩板卡在對輸入處理完成后，在輸出端再進行比對，結果一致則輸出，結果不一致則重新對輸入進行分析處理，保證輸出的可靠性。

LCU上位機可編程邏輯控制器采用自主研發的上位機軟件，使用簡單的托拉拽操作方式對傳統繼電器、接觸器的線圈、觸點轉化為LCU可識別的程序。

2.2 LCU主機

LCU主機包含LCU主控系統、MVB通信模塊、電源管理模塊、存儲模塊及6組輸入輸出模塊接口。圖2為LCU主機功能框圖。

LCU主控系統芯片采用低功耗的FPGA+ARM芯片設計，這種設計集成了FPGA的硬件可編程性和ARM的軟件可編程性優點，實現了數據的分析和硬件的加速，在系統設計和軟件設計上可多擴展。主控系統搭載Linux系統，實現主機的存儲管理、進程管理和邏輯功能處理，可通過內部CAN總線與輸入輸出模塊進行數據交互，實現對輸入輸出模塊的管理，包括地址管理與輸入輸出模塊的輸出管理[4]。

電源管理模塊采用地鐵自帶DC 110 V電源供電，電源管理模塊負責將DC 110 V輸入電源經降壓、濾波、浪涌抑制、過欠壓保護、輸出過載保護、短路保護后輸出穩定的DC 5 V電源給主控系統供電，并通過開關量控制接口給輸入輸出模塊供電。在主機上有DC 110 V與DC 5 V電源狀態指示燈，方便后期對主機的維護。

MVB通信模塊負責將LCU主機接入地鐵列車控制和管理系統(TCMS)網絡，可接入地鐵PHM系統，作為地鐵大數據的一部分。LCU主機自帶實時時鐘，在接入TCMS系統后，可與網絡時間實時同步，保證了數據的實時性。LCU主機通過以太網實現與上位機的通信，繼電器邏輯功能通過上位機的圖形化編程軟件轉為主控芯片可識別的C程序，并通過以太網通信遠端下載到主控系統中[5]。

存儲模塊具有1 GB的內部存儲，采用快速高性能的芯片存儲方案，用來存儲開關量的狀態信息、故障信息、日志記錄。

LCU主機與LCU輸入輸出模塊之間的通信采用CAN總線方式，LCU主機為各輸入輸出模塊分配地址，LCU輸入輸出模塊內部也對各輸入量進行了地址管理，在LCU主機內可確定任意一組原繼電器的輸入并控制輸出任意一組原繼電器的輸出，通過地址管理實現主機對全部輸入輸出模塊的輸入輸出的控制。

2.3 LCU輸入輸出模塊

LCU輸入輸出模塊實現原繼電器DC 110 V的輸入，并完成原繼電器DC 110 V的輸出，在設計上通過采用光電隔離，實現模擬信號與數字信號轉換，使系統在電磁兼容方面具有高抗干擾性，同時不會對外部電路元器件等造成干擾。硬件上LCU輸入輸出模塊的輸入主要包括DC 110 V輸入電路、電源比較器、并轉串模塊、光電隔離器；LCU輸入輸出模塊的輸出主要包括光電隔離器、MOS驅動開關、MOS開關；LCU輸入輸出模塊的主控器(MCU)采用16位單片機，可同時完成溫度檢測、電源管理、時鐘同步、地址管理及與LCU主機之間的CAN通信。圖3為LCU輸入輸出模塊功能框圖。

圖3 LCU輸入輸出模塊功能框圖

輸入電路主要功能是將輸入DC 110 V進行分壓、濾波、過流保護。此外，輸入電路還設有輸入狀態指示燈，在有輸入時亮，故障時閃爍，方便后期維護。電源比較器的主要功能是根據設定參考電壓把分壓后的輸入信號轉為數字量，作為并轉串模塊的輸入。并轉串模塊的功能是把多路輸入轉為一路輸出，減少多路輸入輸出口對MCU輸入輸出口數量的依賴。光電隔離器進行輸入輸出間的互相隔離，可以大大提高信噪比。輸出電路負責把MCU處理完的驅動信號進行輸出，經過光電隔離后，作為MOS驅動的輸入，然后作為MOS開關的驅動來控制DC 110 V的輸出。

3 優勢分析

(1) 占用空間小。地鐵上的電氣柜空間有限，傳統LCU主機往往采用3U或者6U機箱設計。新設計、生產的地鐵會留有安裝空間，但是對于已運行的地鐵，由于電氣柜內的安裝空間有限，若采用3U或者6U機箱的傳統LCU替換繼電器，則無法實現。

(2) 安裝方便。采用分體式安裝，通過軟電纜連接，LCU主機與輸入輸出模塊可分開安裝。

(3) 兼容性好。替換繼電器或者替換原有LCU時，不用新增連接線和更改原有電路，只需在原繼電器輸入接入LCU輸入，在原繼電器輸出接LCU輸出即可完成替換。

(4) 避免資源浪費。傳統LCU采用3U機箱設計，往往單節車廂替換繼電器數量有限，容易造成部分3U機箱內輸入輸出板卡的資源浪費。

(5) 維護方便。采用分體式設計，后期維護時可方便先確定問題點，再進行更換和維修，LCU主機和LCU輸入輸出模塊方便更換，避免了整體更換的麻煩。

4 結論

本文闡述了現有LCU系統的應用現狀，分析了現有LCU系統的優勢與不足，對LCU系統在主機與輸入輸出模塊的設計上進行了改進優化，提出了一種分體式LCU系統設計方案：

(1) 主控系統與輸入輸出模塊相分離。主機設計分為LCU主機和LCU輸入輸出模塊兩部分。

(2) 按需配置，動態編組。在接口設計上，LCU主機可根據需要連接輸入輸出模塊，可最多連接6個LCU輸入輸出模塊，中間通過軟電纜進行連接。

(3) 與現有LCU系統兼容，可無縫替代現有LCU系統，具有普適性與經濟性。

分體式LCU系統是在現有LCU系統優勢的基礎上，對主控模塊和輸入輸出模塊進行分離，并支持動態編組，優化后的系統設備可以應對不同車輛的接入需求，節省隨車設備空間，綜合提高LCU系統的實際應用價值，可為LCU系統在列車上的普及和應用提供參考價值。