地鐵車輛全冗余控制電路設(shè)計(jì)與研究

梁波　周利　張盼　錢江林

摘 要：本文介紹了地鐵車輛幾個(gè)關(guān)鍵控制電路的全冗余設(shè)計(jì)方案，即采用繼電器控制電路與可編程邏輯控制單元（LCU）控制電路相互冗余控制的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)傳統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)方案，即繼電器控制電路或者LCU控制電路，本文介紹的全冗余控制電路設(shè)計(jì)方案可有效解決控制電路單點(diǎn)故障、繼電器故障或LCU故障造成的車輛降級(jí)運(yùn)行甚至清客、救援等問(wèn)題，提高了車輛的運(yùn)營(yíng)效率。該方案已成功運(yùn)用到上海軌道交通一號(hào)線及上海軌道交通二號(hào)線等項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;控制電路;全冗余;LCU

1 概述

地鐵車輛控制電路如司機(jī)室占有控制電路、受電弓控制電路、牽引控制電路、緊急制動(dòng)控制電路等關(guān)鍵電路，關(guān)系到地鐵車輛的正常運(yùn)營(yíng)，一旦出現(xiàn)故障，將直接導(dǎo)致車輛降級(jí)甚至清客、救援等嚴(yán)重事件。因此，關(guān)鍵控制電路的可靠性尤為重要。傳統(tǒng)地鐵車輛，上述關(guān)鍵控制電路采用繼電器控制，近幾年，隨著可編程邏輯控制單元LCU的發(fā)展，上述控制電路采用LCU控制，一定程度上提高了控制電路的可靠性。但當(dāng)LCU故障時(shí)，車輛仍需降級(jí)運(yùn)行，清客并退出運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重時(shí)同樣將導(dǎo)致救援。本文介紹的全冗余控制電路設(shè)計(jì)方案，采用繼電器和LCU冗余的控制設(shè)計(jì)，繼電器控制和LCU控制可由司機(jī)控制進(jìn)行切換。當(dāng)繼電器控制電路故障時(shí)，可切換至LCU控制模式，由LCU控制車輛運(yùn)行。用樣當(dāng)LCU故障時(shí)，也可切換至繼電器控制模式，由繼電器電路控制車輛運(yùn)行。

2 全冗余控制電路設(shè)計(jì)

2.1 控制模式切換控制電路

列車設(shè)計(jì)控制模式切換控制電路，電路圖如圖1所示。用于控制列車在繼電器控制模式和LCU控制模式間切換。當(dāng)切換至LCU模式時(shí)，LCU切換繼電器將斷開(kāi)部分控制回路中的繼電器控制邏輯信號(hào)，LCU將由冷備切換至熱備模式，列車由LCU進(jìn)行控制。當(dāng)切換至硬線模式時(shí)，LCU進(jìn)入冷備模式，所有輸入輸出端口不再工作，列車由繼電器硬線電路進(jìn)行控制。關(guān)鍵電路的具體設(shè)計(jì)方案詳見(jiàn)第2.2-2.5部分內(nèi)容。用戶可根據(jù)需要自主選擇在哪種模式下運(yùn)行，兩種控制模式完全冗余。

2.2 司機(jī)室占有控制電路

司機(jī)室占有控制電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。在繼電器控制模式下，LCU處于冷備模式，所有輸入輸出端口均不工作。當(dāng)司機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)司機(jī)控制器鑰匙至“ON”位后，控制電經(jīng)由列車占有繼電器的常閉觸點(diǎn)，將本端司機(jī)室占有繼電器全部吸合，并經(jīng)過(guò)司機(jī)室占有繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)進(jìn)行自保持。此時(shí)，由受控端司機(jī)室才能發(fā)出的操作指令、受控端才能接通的電源等控制電路中的司機(jī)室占有常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，控制電路接通。同時(shí)整列車的列車占有繼電器將得電吸合，將非操作端的司機(jī)室占有控制回路中的列車占有繼電器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，保證在另一端操作司機(jī)控制器鑰匙時(shí)無(wú)效，整列車只有一個(gè)司機(jī)室處于占有狀態(tài)。

當(dāng)繼電器故障導(dǎo)致司機(jī)室無(wú)法占有時(shí)，若LCU正常，則可操作模式切換控制開(kāi)關(guān)將控制模式轉(zhuǎn)換至“LCU”控制模式。此時(shí)，切換繼電器將得電吸合，司機(jī)室占有繼電器回路將被切斷，LCU將切換至熱備模式。此時(shí)，司機(jī)控制器的鑰匙信號(hào)將由LCU采集，司機(jī)室占有的邏輯由LCU進(jìn)行控制。當(dāng)司機(jī)操作司機(jī)控制器鑰匙時(shí)，LCU將判斷另外一端司機(jī)室的司機(jī)控制器鑰匙的狀態(tài)，如另一端司機(jī)控制器鑰匙處于“OFF”位，則本端LCU將輸出高電平將司機(jī)室占有電路接通，本端LCU將接收到司機(jī)室占有信號(hào)。此時(shí)，由受控端司機(jī)室才能發(fā)出的操作指令、受控端才能接通的電源等控制電路將由LCU提供司機(jī)室占有高電平信號(hào)，控制電路接通。另一端司機(jī)室占有回路中的LCU將斷開(kāi)司機(jī)室占有回路。

2.3 受電弓控制電路

受電弓控制電路如圖3所示。繼電器控制模式下，在司機(jī)室占有、降弓按鈕未按下的情況下，按下升弓按鈕時(shí)，升弓保持繼電器將得電吸合，升弓電磁閥將得電，受電弓將升起。且升弓保持回路將由升弓保持繼電器進(jìn)行自保持，無(wú)需一直按壓升弓按鈕。司機(jī)按下降弓按鈕或者按下緊急停車按鈕時(shí)，降弓繼電器將得電吸合，升弓保持回路將失電斷開(kāi)，升弓電磁閥失電，受電弓將降下。

當(dāng)升弓控制電路中有繼電器故障時(shí)，若LCU正常，可操作模式切換控制開(kāi)關(guān)將控制模式轉(zhuǎn)換至“LCU”控制模式。此時(shí)，切換繼電器將得電吸合，升弓保持及升弓電磁閥供電繼電器回路將被切斷，LCU將切換至熱備模式，列車的升降弓由LCU進(jìn)行控制。在司機(jī)室占有端、受電弓控制供電的斷路器閉合的情況下，LCU將輸出司機(jī)室占有高電平信號(hào)，在緊急停車按鈕未按下、降弓按鈕未按下的情況下，按下升弓按鈕時(shí)，LCU將采集到升弓指令。受電弓所在車的LCU將判斷本車受電弓控制斷路器閉合、無(wú)落弓信號(hào)、有升弓指令、升弓允許繼電器吸合時(shí)，將輸出升弓保持信號(hào)，使升弓電磁閥得電，受電弓將升起。當(dāng)操作降弓按鈕時(shí)，LCU將采集到降弓指令。受電弓所在車的LCU將停止輸出升弓保持信號(hào)，升弓電磁閥失電，受電弓將降下。

2.4 牽引控制電路

牽引控制電路如圖4所示。繼電器控制模式下，當(dāng)在司機(jī)室占有端，將司機(jī)控制器方向手柄推至向前位，按下警惕按鈕、主控手柄推至牽引位、所有停放制動(dòng)已緩解、列車所有門鎖閉、無(wú)緊急制動(dòng)施加的情況下，列車將發(fā)出牽引命令。

當(dāng)牽引控制電路中有繼電器故障時(shí)，若LCU正常，可操作模式切換控制開(kāi)關(guān)將控制模式轉(zhuǎn)換至“LCU”控制模式。此時(shí)，切換繼電器將得電吸合，牽引控制繼電器回路將被切斷，LCU將切換至熱備模式，列車的牽引命令由LCU進(jìn)行控制，LCU替代了司機(jī)室占有、ATO模式、零速、所有停放制動(dòng)緩解、列車左門鎖閉、列車右門鎖閉的硬線邏輯。

2.5 緊急制動(dòng)控制電路

緊急制動(dòng)控制電路如圖5所示。緊急制動(dòng)控制電路由司機(jī)室占有繼電器、司機(jī)控制器、VCU緊急制動(dòng)繼電器、總風(fēng)壓力可用繼電器、緊急制動(dòng)繼電器、警惕繼電器、切換繼電器、LCU等組成。繼電器控制模式下，當(dāng)司機(jī)室占有信號(hào)丟失，或司機(jī)控制器方向手柄回至“0”位，或VCU施加緊急制動(dòng)，或緊急牽引工況下超速，或總風(fēng)壓力不可用，或警惕按鈕未被按下的時(shí)間超過(guò)3s時(shí)，列車將發(fā)出緊急制動(dòng)指令。

當(dāng)緊急制動(dòng)控制電路中有繼電器故障時(shí)，若LCU正常，可操作模式切換控制開(kāi)關(guān)將控制模式轉(zhuǎn)換至“LCU”控制模式。此時(shí)，切換繼電器將得電吸合，緊急制動(dòng)控制繼電器回路將被切斷，LCU將切換至熱備模式，列車的緊急制動(dòng)命令由LCU進(jìn)行控制，LCU替代了司機(jī)室占有、VCU緊急制動(dòng)、零速、總風(fēng)壓力可用、警惕等的硬線邏輯。

3 結(jié)語(yǔ)

繼電器控制電路或LCU控制電路，當(dāng)繼電器出現(xiàn)故障或者LCU出現(xiàn)故障時(shí)，需操作相應(yīng)旁路或者將LCU旁路切除，此時(shí)列車需降級(jí)運(yùn)行。若出現(xiàn)故障的繼電器沒(méi)有設(shè)置旁路旋鈕，或者LCU故障較嚴(yán)重，列車需清客下線甚至救援，將大大影響車輛的運(yùn)營(yíng)效率。本文詳細(xì)介紹了地鐵車輛關(guān)鍵控制電路的全冗余設(shè)計(jì)方案。該全冗余控制電路設(shè)計(jì)方案可有效解決控制電路單點(diǎn)故障、繼電器故障或LCU故障造成的車輛降級(jí)運(yùn)行甚至清客、救援等問(wèn)題，提高了車輛的運(yùn)營(yíng)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]樂(lè)建銳，李恒瑞，王莉.LCU在深圳地鐵9號(hào)線中的應(yīng)用[J].鐵道機(jī)車車輛，2018（10）.

[2]聶暢.LCU在地鐵列車上的應(yīng)用方案及優(yōu)化建議[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2017（3）.

[3]呂強(qiáng).地鐵列車LCU系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016（12）.