LCU在深圳地鐵9號線車輛中的應用

樂建銳， 李恒瑞， 王 莉

(深圳通業科技股份有限公司， 廣東深圳 518110)

繼電器在軌道交通中發揮重要作用。繼電器在列車中的數量龐大，單列車最多可達300個以上。繼電器在軌道交通中主要作用是邏輯控制和信號傳遞，比如：列車激活、司機室占有、牽引控制等控制回路。由繼電器引發的故障導致列車晚點、清客以及救援事件屢見不鮮。因此，繼電器的可靠性直接關系到整車的運行[1-3]。

LCU是專門為軌道交通環境下應用設計的數字邏輯控制裝置。相對于傳統繼電器，LCU采用無觸點式可編程控制技術，從根本上解決繼電器卡滯、抖動、接觸不良、延遲響應等缺陷。此外，熱備冗余技術的應用，有效提升LCU在地鐵列車控制電路的整體可靠性。深圳地鐵9號線作為LCU示范性應用的首條線路。目前LCU在深圳9號線尚處于研究和驗證階段。這對于LCU在后期的推廣應用具有重要參考意義。

1 LCU簡介

(1)方案介紹

LCU(Logic Control Unit, 邏輯控制單元)采用熱備冗余模塊設計，主要有電源模塊、IO模塊、主控制器和網絡控制器構成。LCU在整車中，負責采集司機控制器、按鍵開關、隔離開關、接觸器輔助觸點等110 V的信號，經過邏輯運算后，輸出驅動車輛各類負載，完成指定的時序控制功能。

LCU裝置在軟件上結合德國科維公司PLC內核，并且依托該公司eCLR平臺作為應用軟件開發平臺，實現列車控制邏輯的二次開發及圖形化編程。此外，LCU系統具備故障自診斷、故障定位以及切換、日志記錄以及離線數據分析等功能[4]。LCU具備功能特點如表格1所示。

表1 LCU功能特點

(2)系統架構設計

LCU基本單元由主控板、輸入輸出板、MVB板、以太網板及電源板、接口板組成。LCU的A、B組為兩套硬件完全一致的主控板、輸入輸出板、電源板，內部網絡通信采用冗余設計。圖1為LCU系統設計示意圖。LCU裝置中，電源模塊提供5 V工作電源以及獨立的通信隔離電源，輸入、輸出板實現輸入采集以及輸出控制。每臺LCU各個功能插件板的面板帶有LED燈，指示當前工作狀態、通道狀態和故障狀態。

圖1 LCU系統設計示意圖

(3)機械結構介紹

目前LCU具備兩種規格的設備：規格1采用標準6U機箱尺寸值進行設計。整機尺寸如圖1所示：(435.86×215×265.2) mm(長×寬×高)。規格2采用標準3U機箱尺寸值進行設計。整機尺寸：(354.57×215×132.60) mm(長×寬×高)。

圖2 6U和3U機箱結構圖

2 深圳地鐵9號線LCU應用方案

2.1 系統結構

深圳地鐵9號線列車是6節編組列車，整個LCU系統采用分布式網絡控制，每節車廂均部署LCU。其中A1、A2車司機室采用規格為6U機箱和3U機箱，B1、B2、C1、C2均采用規格為3U機箱。各個LCU機箱之間相互獨立，實現各自邏輯控制，LCU通過MVB通信向整車控制網絡上報控制數據和故障狀態信息；上位機通過以太網連接車上任意LCU節點監視工作狀態。整車網絡通訊拓撲結構如圖3所示。

2.2 取代繼電器范圍

深圳地鐵9號線總體上LCU取代繼電器的原則：可取代絕大部分通用繼電器。除了列車上的永久性上電負載、電流過大負載以及其它電源制式、其他設備柜體內的繼電器。

圖3 整車通訊拓撲圖

在深圳地鐵9號線上，LCU取代繼電器類型包括：中間繼電器、時間繼電器；從功能電路上，取代繼電器范圍：警惕、零速、方向控制、牽引制動指令、開關門、門保持、停放制動施加緩解、受電弓、ATO模式等。LCU共取代180個繼電器，替換比例為61.2%。取代繼電器范圍如表格2所示。

表2 取代繼電器方案表

在深圳地鐵9號線上，部分電路中安全性要求高的繼電器，目前設計是LCU和繼電器雙備份工作。后續，在進一步驗證后再分析替換。

2.3 LCU技術特點

2.3.1利于維護

(1)方便調試

LCU支持在線調試。在深圳地鐵9號線調試過程中，采用以下兩種方法：①通過科維軟件進行在線調試仿真，科維軟件提供友好的可編程邏輯控制界面，方便調試人員對邏輯進行更改。②調試人員通過IO面板讀取當前點位信息數據，方便查線。

(2)網絡信息化

LCU系統通過MVB和以太網將各個LCU當前狀態上報至TCMS網絡，然后上傳司機室HMI。此外，LCU具備故障自診斷功能，能夠準確識別并定位自身故障。故障信息可以上報至司機室，方便維修人員進行檢索。

同時LCU具備故障及日志數據存儲功能，可以實時記錄故障數據，輸入輸出狀態變化數據及關鍵狀態數據。所有的數據可以通過通訊端口進行下載維護。維修人員可以通過LCU專用的PTU維護軟件下載日志數據，分析定位列車故障原因以及發生時間等(見圖4)。

圖4 PTU維護軟件

(3)可操作性

LCU設備安裝在電氣柜內，柜體的維修操作面僅位于前面。機箱內部背板外的所有功能板卡都從前面板進行拆除，所有接線都是前出線方式，便于維修。

(4)防錯性

機箱背板具備板卡防插錯功能，防止插反或插錯槽位。外部電源、通信、IO信號接口，都具備唯一標識，避免維修中因為插錯而出現事故。各個模塊具有防插錯功能，大大提高LCU系統的防錯性。

圖5 深圳地鐵7號線(繼電器)和深圳 地鐵9號線(LCU)裝機對比圖

(5)模塊化設計

相對于傳統繼電器LCU走線更為簡單，模塊化的設計使得整車走線及布局得以優化，大大節省電氣柜空間。

2.3.2可用性高

LCU系統采用熱備冗余方案設計。正常運行過程中，兩組板卡同時為上電工作狀態。對于冗余的兩組主控板和輸入輸出具備主用和備用兩種狀態。在實際的運行過程中，只有主用態的板卡承擔實際的控制功能。冗余板卡功能板通過自檢以及互檢，準確識別并定位故障后，進行主備切換。所有的切換均具備單板切換功能，主備切換時間小于16 ms，單板切換對LCU負載如繼電器、接觸器、DI等無影響，切換過程中整車系統運行正常。

針對LCU的可用性，2016年4月底到5月初，深圳地鐵公司基于深圳地鐵9號線新車，展開LCU冗余系統故障態無縫切換的功能驗證試驗，見表3。

表3 LCU冗余系統無縫切換功能驗證實驗

LCU機箱內部板卡采用模塊化設計，根據功能設計成獨立的板卡，所有板卡結構尺寸滿足3U標準。整車同種類型的功能板卡可以互換，無需額外進行配置。針對此項功能，LCU冗余系統板件互換驗證試驗，見4表。

表4 LCU冗余系統板件互換驗證試驗

2.3.3高可靠性

(1)LCU機箱背部采用8層PCB布線設計，整機無飛線，全部使用鐵路專用連接器進行連接，具有高可靠、長壽命、EMC性能好等優勢；

(2)IO板、電源板、主控板支持雙板冗余，關鍵電路按高安全性設計，具備硬件自檢和互檢能力，實時監控系統硬件故障，支持熱備自動切換；

(3)高性能的熱備冗余切換機制，確保LCU在單點故障情況下，能夠保持正常邏輯控制，維持系統正常運行。

(4)LCU采用無觸點控制技術、擺脫通道開關的動作次數限制，大大增加系統的可靠性。

2.3.4高安全性

(1) 安全防護功能

LCU系統具備滿足軌道行業要求的保護功能，包含：輸出過流保護、短路保護、電源過欠壓保護，電源過流、短路保護。

①輸入采集模塊具備抗干擾及電氣隔離能力，可濾除不正常的干擾數據。

②輸出通道具備短路保護及大電流保護功能，當負載短路或者電流過大時，輸出保護，斷開輸出。同時，輸出驅動電路進行電氣隔離設計。

③電源模塊具備過欠壓保護功能。

(2) 安全策略

LCU系統在失效模式時，表現出高可靠性。LCU針對自身在單組電源板掉電以及單個輸入通道失效，CAN總線失效，兩組主控板卡均失效的情況下均有應對的安全策略，確保列車安全行駛。安全方案見表5。

表5 LCU系統的安全策略

3 結束語

LCU作為地鐵車輛控制中的重要單元。目前LCU在深圳地鐵9號線安全無故障運行近104h，運行里程達18萬km。相對于傳統繼電器，LCU大大提高列車運行的可靠性和可用性，同時便于維護，方便快速定位故障。下一步的應用研究更加深入的方向是：LCU在整車無人駕駛中的關鍵技術。在未來，LCU將會得到越來越多的應用。