三取二邏輯控制單元技術應用研究

0 引言

當前，在城市軌道交通領域，地鐵車輛普遍采用中間繼電器來實現硬線控制電路。然而，有觸點繼電器在實際運用過程中存在幾個明顯的缺點：

1）硬線控制回路通過不同繼電器觸點以“與”“或\"邏輯形成級聯，其中任何一個繼電器觸點出現卡位、不吸合、接觸不良等問題，都將造成整個控制回路失效。

2）地鐵車輛運行環境較為復雜，繼電器在高溫、潮濕、振動環境下長期工作時，容易加快繼電器觸點老化速度，縮減繼電器工作壽命，尤其是動作頻次極高的繼電器。

3）繼電器在長期運用后，觸頭接觸面因為動作電弧出現燒蝕和毛刺，這都影響觸頭的可靠接觸，可能造成接觸不良甚至不導通。

4）繼電器無自診斷功能，且無在線監測設備，繼電器觸點的瞬時動作故障往往具有極大的偶然性，等列車回庫后故障已消失，這對故障查找及定位造成了很大困難。

5繼電器觸點動作次數有限，需定期更新繼電器，導致周期內每列車投入的備件成本高達幾十萬。

基于上述缺點，廣州地鐵三號線采用了一種創新的邏輯控制單元（LCU）來代替傳統繼電器控制電路。這種技術升級實現了車輛的智能化和網絡化，對于提高列車控制系統可靠性、保障運營能力、降低維護難度、減少檢修工作量具有十分重要的現實意義2]。

1 LCU系統功能

LCU系統通過融合硬件與軟件技術，具備全面可編程的邏輯控制能力。它能夠完全替代傳統列車控制電路中的時間繼電器、中間繼電器等由觸點控制器件所構成的時序電路，實現更為高效和精確的控制。

不同車廂的LCU主機之間通過雙余CAN總線進行通信，確保了LCU主機之間數據的實時交互和高可靠性。此外，每臺LCU還支持可擴展的以太網通信功能，使得LCU的實時數據和記錄數據能夠在PTU（便攜式測試單元）上進行顯示，便于監控和分析。

LCU系統具備強大的自診斷功能，能夠實時檢測自身的輸入、輸出、電源、通信模塊以及關鍵節點的工作狀態[3]。一旦檢測到異常，系統會立即在面板指示燈、終端顯示器上進行顯示，以便及時采取相應的措施。當LCU系統下級負載出現短路或過載時，LCU的輸出通道能夠立即響應并自動斷開該路輸出，從而有效保護設備免受損壞。當短路或過載問題消失后，輸出通道能夠自動恢復，確保系統的連續運行。

LCU系統能夠記錄自身所有的狀態數據和故障數據，這些數據作為車輛TCMS（列車控制與監控系統）事件記錄儀數據的關鍵補充，具有長達1個月的記錄時長。所有記錄數據都可通過以太網或U盤進行下載分析，為故障排查和性能優化提供有力支持。

2 LCU系統硬件設計

LCU系統通過一系列技術創新和升級，實現了電源余、驅動余和通信余，從而顯著提升了車輛的可靠性和安全性。

每臺LCU配置了三張電源板，每張電源板的DC110V輸入相互獨立，并在前端設置獨立的微動開關。每張電源板的DC110V輸出供給兩張主控板、DIO板，即每個功能板由2個電源板穴余供電。同時，每張電源板的DC5V輸出也供給功能板，即功能板由3個電源板冗余供電。DC110V電源范圍是 ，如果出現介于 和 額定電壓）之間的電壓波動，持續時間不超過 ，則不會引起功能偏差。如果出現介于 和 之間的電壓波動，持續時間不超過1s，則不會引起設備損壞。這種設計可以有效消除單個電源板故障隱患，確保車輛控制功能的正常運行。

輸入/輸出功能的穴余板卡軟硬件配置完全一致。正常工作時，三張板卡均正常運行，并承擔輸入/輸出功能。對于同一個輸入信號，三張板卡均配備輸入電路進行采集。當單個板卡輸入電路故障時，LCU系統通過三取二表決旁路掉故障支路信號，確保輸入信號的準確性，如圖1所示。同樣地，對于同一個負載端，三張板卡均配備輸出電路。當單個板卡輸出電路故障時，LCU系統通過三取二表決旁路掉故障支路信號，保證輸出信號的準確性。其中主控板可以提供5條隔離直流無源驅動控制的通道，輸出通道采用MOS管級聯控制結構，通過板卡間繞接，實現兩層次控制結構，確保了輸出信號的導向安全性。DIO板則可提供12條隔離DC110V輸入信號采集的通道，提供6條隔離DC110V輸出信號控制的通道，輸出通道同樣采用MOS管級聯控制結構和板卡間繞接方式，實現兩層次控制結構。這種設計確保了輸入、輸出信號的安全可靠，從而保證了在單個功能板故障時不影響車輛功能。

整車LCU主機通過雙余CAN總線進行通信。每臺LCU均有兩個獨立的CAN通信模塊，分別接至兩條獨立的列車CAN總線上[4]。正常工作時，兩路CAN總線同時參與通信。當一路CAN總線異常時，維持另一路CAN總線運行，依舊能保證數據的正確傳輸。此外，CAN通信板采用雙CPU結構。正常狀態時，一個CPU工作，另外一個CPU熱備冗余。當工作CPU異常時，系統無縫切換至備用CPU工作，確保主機間數據的正確傳輸。最后，LCU主機內部采用CAN總線穴余設計。所有的板卡均有兩個獨立的CAN通信模塊，通過背板總線連接至兩條獨立的CAN總線上。正常工作時，兩路CAN總線同時參與通信。單路CAN總線異常時，維持另一路CAN總線運行，確保主機內數據的正確傳輸。

3 LCU系統軟件設計

相比傳統的繼電器控制，LCU系統創新性地采用了可編程的軟件方式來實現邏輯控制，極大地提高了穩定性以及可擴展性，可以通過修改軟件對車輛功能進行優化及提升。而軟件主要涉及幾個核心組件：主控板、CAN通信板、輸入/輸出功能板。

主控板的軟件體系由下而上主要分為微控制器抽象層、板級硬件抽象層、服務層、共享內存層以及邏輯應用層共五個層次。微控制器抽象層主要負責實現對串口控制器和CAN控制器寄存器的初始化，以及輸入/輸出口控制寄存器的初始化，確保輸入采集和輸出功能的正常運行。板級硬件抽象層則主要實現對芯片內外CAN控制器的管理，屏蔽具體物理部署情況，實現板級擴展芯片的操作。服務層主要負責基于CAN總線的通信協議，包括發送和接收解析，實現穴余CAN控制器的故障識別和信任仲裁，以及冗余CPU板之間主控權的實時計算和數據運算，并將結果映射到共享內存模塊。共享內存模塊包含級聯機箱和本機箱內獲取到的信任信息，用于邏輯梯形圖運算，并將結果傳遞給服務層模塊。邏輯應用層則是與車輛系統最緊密相關的部分，它提供邏輯編寫接口，方便用戶進行邏輯編程和功能測試。

CAN通信板軟件體系僅有三層，分別為控制器驅動層、數據通信層和應用管理層。控制器驅動層負責對AD采樣、CAN控制寄存器、IO口控制寄存器進行初始化。數據通信層負責接收內部CAN上的板卡狀態信息和輸入/輸出信息，并通過外部CAN傳遞給其他機箱使用；還負責將本CPU的實時狀態傳遞出去，并通過通信模塊獲取其他板卡的狀態信息，實時進行診斷。應用管理層主要負責創建綜合管理任務、CAN通信任務、CPU切換任務和數據診斷任務等高級管理功能。

輸入/輸出功能板軟件體系劃分和CAN通信板相同，為控制器驅動層、數據通信層和應用管理層三個層次。控制器驅動層負責完成串口、CAN以及Port的初始化，提供相應的收發接口和輸入采集、輸出控制接口。數據通信層則負責接收解析組內CAN及裝置內CAN總線上的CAN報文，并發送組內CAN及裝置內CAN報文。應用管理層主要負責輸入/輸出自檢和CAN故障診斷。在每個自檢周期內，通過對輸入/輸出通道進行自檢來判斷是否正常，若存在通道異常，則采取降級工作模式或封鎖通道。此外，該層還負責接收與發送故障診斷，如果單位時間內一路CAN能夠收到CAN報文而同組的另外一路CAN不能收到相同的報文則認為該路CAN存在故障，如果在單位時間內某一路CAN沒有成功發送過報文則認為該路CAN故障。

4 LCU系統技術應用

廣州地鐵三號線B型列車為6節編組，4動2拖布置。每節車廂安裝一臺LCU主機，其中A車安裝6U機箱，B車和C車安裝3U機箱。6節車廂的LCU主機通過獨立于車輛TCMS的CAN網絡實現自組網數據交互，同時將LCU運行狀態信息匯集發送至顯示屏，實現故障信息推送功能，便于司機及時對故障采取應對措施。LCU系統安裝示意圖如圖2所示。

廣州地鐵三號線自2021年9月起，率先開展車輛改造，批量采用技術升級的三取二LCU系統，以取代傳統的硬線控制電路。這一變革性的技術升級改造，通過對原車所有控制回路進行全面深入的分析評估，成功替代了原車中的128個繼電器，替代率高達60% ，這一顯著成果充分展示了LCU系統的高效性和可靠性。經過長達三年的運營實踐，改造后的車輛均未發生任何控制故障，運行狀態穩定可靠，進一步驗證了LCU系統在實際應用中的卓越表現。這一項技術升級改造，不僅為廣州地鐵三號線的安全運營提供了有力保障，也為未來城市軌道交通的發展提供了經驗參考。表1為廣州地鐵三號線車輛LCU改造替代電路范圍。

5 結束語

三取二LCU系統達到了最高的SIL4安全等級，相比傳統繼電器具有更為顯著的優勢，它構建了一個高穴余度、高安全性、高可靠性且長壽命的車輛控制系統，有效提升了車輛運行穩定性，降低了運營維護成本，同時推動了車輛智能化水平的全面提升，也為乘客提供了更加安全、可靠的出行體驗。

[參考文獻]

[1]鄭云富.基于熱備余控制的地鐵車輛邏輯控制單元應用研究[J].現代城市軌道交通，2019（2）：5-9.

[2]鐘銓.廣佛地鐵增購列車二乘二取二LCU技術應用與分析[J].鐵道機車車輛，2019，39（增刊1）：32-34.

[3]樂建銳，李恒瑞，王莉.LCU在深圳地鐵9號線車輛中的應用[J].鐵道機車車輛，2018，38（5）：112-116

[4]何嘩，袁浩智，彭冬良，等.熱備雙余邏輯控制單元余、安全導向及可靠性分析[J].技術與市場，2020，27（11）：9-13.