基于LCU的城軌車輛客室車門控制及故障檢測系統(tǒng)設計

基金項目：云南省教育廳科學研究基金教師類項目；項目名稱：基于列車LCU邏輯控制單元的車門教學系統(tǒng)開發(fā)研究；項目編號：2023J1919。

作者簡介：于海寧（1988— ），男，助教，碩士；研究方向：城軌車輛機械構造，城軌車輛電氣控制。

摘要：在城市軌道交通車輛運營中，車輛各系統(tǒng)的可靠性關系到乘客的人身安全。其中，客室車門系統(tǒng)的故障率在城軌車輛各系統(tǒng)中居高不下。為了解決客室車門系統(tǒng)的高故障率以及故障定位困難等問題，文章基于KNT城軌車輛客室車門實訓裝置進行了二次開發(fā)，對客室車門系統(tǒng)的前端控制進行了無觸點化處理，采用網(wǎng)絡通信方式對故障進行可視化處理，有效降低了客室車門系統(tǒng)的故障頻率，能夠直觀地對電氣故障進行定位，彌補了城軌車輛故障排查與處理研究的不足，提供了一種無觸點化的電氣控制解決方案。

關鍵詞：客室車門系統(tǒng)；無觸點化控制；故障顯示與診斷

中圖分類號：U270.38；TP273" 文獻標志碼：A

0" 引言

在城軌車輛的電氣控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)有觸點的控制元件（例如：接觸器、繼電器等）經(jīng)常會因長時間的高頻使用而造成實體觸點的老化、磨損，進一步誘發(fā)元件產生隱蔽的故障點，最終使控制電路失效。隨著無觸點控制技術的不斷發(fā)展，越來越多的城軌車輛逐步采用無觸點化的控制方法替代傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制回路。其中，作為典型代表產品的邏輯控制單元（Logical Control Unit，LCU）在鐵道機車上的應用已十分普及，而在城軌車輛上的應用近幾年才逐步發(fā)展起來。

1" 研究現(xiàn)狀

李昌強［1］通過對現(xiàn)有地鐵車輛實體觸點控制電器的故障進行梳理，并與無觸點邏輯控制單元LCU通過對比進行可靠性分析，驗證了推廣使用無觸點邏輯控制技術的可行性［1］；周愛萍等［2］基于故障樹分析法對城軌車輛客室車門的典型故障進行了分析，根據(jù)底層事件反推故障原因并提出了針對客室車門檢修方法的改進建議；毛永文等［3］通過對車門系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的分布規(guī)律進行建模分析，提出了一種關于車門故障可靠性的特征量函數(shù)以優(yōu)化車門的維護周期。

2" 存在的問題

目前，國內雖然有許多技術人員對城軌車輛客室車門系統(tǒng)的控制及故障檢測方法進行了研究，但大多是在既有硬件基礎上進行數(shù)學建模分析，通過仿真驗證取得預測結果，反推優(yōu)化車門電控元件的檢修及更換周期。這樣雖然能夠在一定程度上節(jié)省維護成本，但仍未能從根本上解決由實體觸點電控系統(tǒng)帶來的高故障率問題。此外，由于實體觸點控制元件的故障點一般比較隱蔽，在排查時難以進行快速定位，如何提升排故效率也是目前亟待解決的問題之一。

3" 車門

本文結合既有的KNT城軌車輛客室車門實訓系統(tǒng)，提出以PLC作為替代的LCU核心、以觸控屏作為系統(tǒng)前端輸入及顯示輸出的整體改進方案，對電氣控制回路進行了升級改造，構建了基于LCU的城軌車輛客室車門控制及故障檢測系統(tǒng)，如圖1所示。其以觸摸屏驅動PLC內部軟邏輯程序替代有觸點的繼電器控制回路，接替實體硬線控制回路對電子門控單元（Electronic Door Control Unit，EDCU）進行輸出控制，通過通信模塊將車門機械動作狀態(tài)及EDCU反饋的故障信息傳輸至觸控屏進行實時顯示，從而對車門實現(xiàn)無觸點化的實時控制與監(jiān)視。

該系統(tǒng)在KNT車門實訓系統(tǒng)基礎上增加了LCU模塊（采用三菱FX3U-48MR）、HMI（三菱觸摸屏GS2107）模塊，提供了多套輸出控制邏輯以進行比照研究。

（1）系統(tǒng)以HMI軟觸控方式替代實體觸點的主令電器，并通過PLC內部軟邏輯編程替代原有實體觸點的低壓控制元件，通過觸控屏、PLC、EDCU三者的通信模塊轉換連接，以“純軟件”方式對EDCU進行指令輸出，控制車門完成指定動作后，同步在觸控屏上對車門的動作狀態(tài)、故障信息進行反饋顯示。

（2）系統(tǒng)以HMI軟觸控方式替代實體觸點的主令電器，通過PLC軟元件驅動輸出繼電器Y帶動具" 有實體觸點中間繼電器，導通EDCU上所對應的輸入指令回路，以“半軟件”的方式替代原有控制電路，對車門進行控制與反饋。

（3）系統(tǒng)保留實訓系統(tǒng)原有的低壓主令開關（按鈕、旋鈕），測試人員通過手動控制方式驅動PLC的輸入觸點回路動作，通過軟件邏輯實現(xiàn)輸出觸點動作，驅動EDCU的指令接收，對車門進行控制與反饋。

在“半軟件”控制方式下，以列車車門開門控制線為例：在觸控屏上通過按壓操作軟元件使“開門”“列車零速線”“車門使能線”處于得電狀態(tài)，“關門”“重開閉”處于失電狀態(tài)→PLC中“列車零速線”輸入繼電器X000、“列車門使能線”輸入繼電器X001、“車門開啟列車線”輸入繼電器X002得電；“車門關閉列車線”輸入繼電器X003、“車門重開閉列車線”輸入繼電器X004失電→PLC內部邏輯控制給出輸出指令→“車門開啟列車線”輸出繼電器Y000得電，“車門關閉列車線”輸出繼電器Y001、“車門重開閉列車線”輸出繼電器Y002失電→EDCU接收相應指令→車門開啟動作并達到最大位→觸碰檢測回路傳感器→EDCU接收信號并反饋→HMI屏上顯示對應的車門當前動作狀態(tài)及故障代碼。搭建編寫終端系統(tǒng)列車控制電路PLC梯形圖部分程序如圖3所示。

項目基于GS2107開發(fā)了“車門列車線”“車門控制界面”“EDCU代碼”“車門故障名稱”4個界面。顯示觸摸屏程序設計如圖4所示。

4" 客室車門控制及故障檢測系統(tǒng)驗證

本項目搭建客室車門控制及故障檢測系統(tǒng)主要包括3個部分：城軌車輛KNT客室車門實訓平臺、地鐵車輛LCU控制模塊和地鐵車輛HMI人機交互界面。3套裝置能夠通過DC24V、DC110V及網(wǎng)絡控制線進行互聯(lián)控制，及時、準確地進行同步驅動，并完成邏輯驗證。

4.1" 開門測試

根據(jù)本文電控邏輯框架，測試人員在“半軟件”控制情況下將HMI屏幕切換至車門控制界面，通過旋轉觸控將“零速列車線”“車門使能線”旋鈕置位于閉合位，測試人員按壓“開門”指令按鈕，“開門列車線”指示燈亮起，電子門控器I10信號燈亮起，直流電機得電動作，車門開啟，直至“車門狀態(tài)”顯示燈亮起呈綠色，車門開至最大位，觸摸屏“車門狀態(tài)”指示燈呈現(xiàn)得電綠色高亮度狀態(tài)，故障界面無故障代碼信息顯示。

4.2" 關門測試

將HMI屏幕切換至車門控制界面，在車門全開位狀態(tài)下，測試人員按壓“關門”指令按鈕，“關門列車線”指示燈亮起，電子門控器I11信號燈亮起，直流電機得電動作，車門關閉，直至“車門狀態(tài)”顯示燈熄滅呈紅色，車門關至閉合位，觸摸屏“車門狀態(tài)”指示燈呈現(xiàn)失電低亮度狀態(tài)，故障界面無故障代碼信息顯示。

4.3" 零速列車線掉電測試

當車門通過上述操作開啟至全開位或者車門正在開啟動作過程中，測試人員通過觸摸屏將“列車零速線”重新旋至分斷位，車門將迅速反應作出關閉動作，直至車門完全關好，觸摸屏“車門狀態(tài)”指示燈呈現(xiàn)失電低亮度狀態(tài)，故障界面顯示“零速失效”E1故障。

4.4" 門使能列車線掉電測試

當車門通過上述操作開啟至全開位、鎖閉位或者車門正在開啟動作過程中，測試人員通過觸摸屏將“車門使能線”重新旋至分斷位，車門將無反應動作或完成當前階段動作后停止反應動作，當重新輸出“開門”指令時，車門無法開啟。觸摸屏故障界面顯示“門使能失效”E4故障。

4.5" 車門障礙物檢測故障

當車門關閉過程中出現(xiàn)異物阻攔，車門將嘗試“重開閉”動作3次，如依舊無法關閉車門則將車門打開至全開位，HMI屏切換至車門故障名稱及車門故障" 代碼界面，可對應顯示“異物阻攔”E5故障。

4.6" 車門關閉不到位故障檢測

當車門關閉后，如車門上的關到位、鎖到位行程開關未受到機械觸碰而動作，則EDCU會觸發(fā)“門未關到位”“門未鎖到位”故障代碼，HMI屏切換至車門故障名稱及車門故障代碼界面，可對應顯示“關到位開關異常”E2、“鎖到位開關異常”E3故障。

5" 結語

本文基于昆明鐵道職業(yè)技術學院KNT城軌車輛客室車門實訓平臺開發(fā)了基于LCU的城軌車輛客室車門控制及故障檢測系統(tǒng)，通過觸控屏界面設計、PLC邏輯編程及網(wǎng)絡通信連接實現(xiàn)了對城軌車輛客室車門系統(tǒng)EDCU上I0～I15、O0～O6等22條邏輯控制硬線的無觸點化替代，同時保留了原有硬線觸點控制邏輯并完成了比照試驗，提供了多種針對實體觸點電控回路的無觸點化改進方案。

參考文獻

［1］李昌強.地鐵車輛LCU邏輯控制技術的應用研究［J］.技術與市場，2017（6）：105-106.

［2］周愛萍，薛淑勝，衛(wèi)妍，等.基于故障樹的城軌車輛塞拉門系統(tǒng)故障與檢修［J］.中國新技術新產品，2021（15）：56-59.

［3］毛永文，王國成，霍芳霄，等.城軌車輛車門系統(tǒng)可靠性分析［J］.工程建設與設計，2019（2）：78-83.

（編輯" 王永超）

Design of LCU-based passenger compartment door control and fault detection system for urban rail vehicles

Yu" Haining， Zhu" Honggang

（Faculty of Locomotiveamp; Rolling Stock， Kunming Railway Vocational and Technical College， Kunming 650208， China）

Abstract：" In the operation of urban rail transit vehicles， the reliability of each system of the vehicle is related to the personal safety of passengers， among which the failure rate of the passenger compartment door system is the highest among all systems of urban rail transit vehicles.In order to solve the problems of high failure rate and difficulty in fault location of the passenger compartment door system， this article conducts secondary development based on the KNT urban rail transit vehicle passenger compartment door training device， and performs non-contact processing on the front-end control of the passenger compartment door system， and adopts network communication to visualize the fault， effectively reducing the failure frequency of the passenger compartment door system， and can intuitively locate the electrical fault， which makes up for the deficiency of fault investigation and handling research of urban rail transit vehicles， and provides a non-contact electrical control solution.

Key words： passenger compartment door system; non-contact control; fault display and diagnosis