城軌車輛LCU調試故障問題及解決方案分析

文/陳遠生

1 前言

當前城軌車輛行業中，由于有觸點電路諸多弊端的暴露，廣泛應用無觸點邏輯控制技術已成為主流趨勢，利用無觸點邏輯控制單元（LCU）取代傳統的中間、時間繼電器等觸點元件電路完成車輛各種控制功能，實現邏輯控制智能化、網絡化、信息化，利用軟件實現邏輯定制、故障診斷、運行記錄、熱備冗余，通過容錯技術切實提高電路和器件可靠性，降低列車運行故障和風險，提高運營保障能力。

傳統的繼電器有觸點硬接線控制電路，控制回路中采用繼電器級連式實現“與”“或”等邏輯，其原理和結構都比較簡單，在車輛調試過程中對故障的分析判斷與排查方法也相對簡單。隨著無觸點邏輯控制電路的變化，車輛調試過程中，故障類型、故障分析判斷及處理方法相應發生變化[1]。

2 LCU 系統結構介紹

LCU 是專門為在軌道交通環境下應用而設計的數字邏輯控制裝置。LCU 裝置采用熱冗余模塊化設計，主要由IO 控制器、主控制器和網絡控制器構成。它采集司機控制器、按鍵開關組、隔離開關、接觸器輔助觸點等DC110 V 的信號，經邏輯計算后，輸出驅動車輛各類負載，完成指定的時序控制功能。

目前，城軌車輛LCU 一般由PWR 電源板、MVB網卡板、ETH 網卡板、MCU 主控板、DIO 輸入輸出板、GIO 輸入輸出干接點板以及接線板7 種板卡組成，通過內部CAN 網絡組合形成一體模塊，其冗余設計保證LCU 系統數據的正常交互，如圖1 所示。其中，部分車的LCU 承擔MVB 通信功能，將整車LCU 工作狀態上報至TCMS 網絡。

圖1 機箱內部網絡拓撲圖

3 LCU 常見故障問題及處理方法

在車輛LCU 調試過程中遇到故障時，應觀察現場故障現象、LCU 設備情況，查閱HMI 主界面中TCMS上傳的事件、故障履歷等因素，結合電氣設備工作原理、電路設計原理及LCU 軟件邏輯條件綜合分析判斷，精確定位到具體故障點，采取相應的故障處理辦法。在城軌車輛LCU 調試過程中出現的故障類型總共可分別LCU 內部因素、外部因素兩大類型，以下分別對這兩大類型進行闡述解析[2]。

3.1 LCU 內部因素故障

3.1.1 LCU 硬件設備故障

LCU 硬件設備導致的故障主要表現為板塊損壞、機箱損壞，具體見表1。當發現板塊電源板塊PWR 燈不亮，而測量電源插頭有電時，可判斷電源板塊損壞；當發現各板塊ACT 燈不亮或者FLT 指示燈常亮或閃爍，可判斷板塊損壞；當HMI 故障信息提示CAN 網關板內網CAN1/2 故障、主控板A/B 背板can1/2 故障，可判斷為板卡損壞；當出現以上兩種現象或者單個現象在板卡替換后故障仍存在，可判斷為機箱損壞。

表1 LCU 硬件設備故障處理對策

3.1.2 LCU 內部軟件故障

LCU 內部軟件邏輯程序導致的故障主要表現為軟件程序錯誤引起的功能異常或功能無法實現。具體如下所述：

LCU 內部程序中參與邏輯運算的輸入點錯誤，導致在滿足該條件下輸出點無電源輸出；LCU 內部程序未寫輸出點或輸出點錯誤，導致滿足相應條件下該輸出通道無電源；LCU 程序未做相應邏輯，導致功能無法實現；LCU 邏輯錯誤，導致功能異常無法實現。

例如：在車輛調試過程中，發現操作停放制動旁路時，所有制動緩解燈會亮，屬于功能異常。分析車輛所有制動緩解電氣原理圖見圖2，所有制動緩解燈由LCU 的A15=48-A101∶X3-B4 輸出點控制，根據LCU點位功能描述，分析該點位的邏輯條件清單及LCU 邏輯程序梯形圖，發現該邏輯存在錯誤為采用所有停放制動緩解和其旁路的信號作為邏輯運算條件導致[3]。

圖2 所有制動緩解電路圖

對于LCU 內部軟件邏輯故障，我們需要根據相關電氣原理圖、各系統功能，結合LCU 功能描述的邏輯條件或程序，進一步分析軟件程序中的故障點，從而尋找相應的處理方案。

3.2 LCU 外部因素導致的故障

3.2.1 外部接線故障

外部接線導致的故障主要表現為接線錯誤、阻值錯誤、插頭未緊固。當HMI 故障信息提示CAN 網關板CAN1/2 故障，可判斷CAN 網絡線接線錯誤或CAN 網絡阻值錯誤，需檢查接線及can 插頭阻值情況；當LCU 輸入燈不亮而測量輸入插頭有電源或輸出點位燈亮時，下一級無電源輸出，可判斷為插頭未緊固到位。

3.2.2 電路設計故障

LCU 的輸出通道主要由有源輸出通道的DIO 板和無源輸出通道的GIO 板構成，LCU 無源輸出通道只提供開關量控制類似于繼電器的觸點，而有源輸出通道不但為相應回路提供開關控制，還直接輸出電源。在滿足條件下的情況下，LCU 有源輸出通道即輸出電源，如果電路設計中存在輸入與LCU 的輸出形成回路情況，在滿足LCU輸出條件下，回路將自鎖導致故障。

如下圖3 所示，在操作大旁路并給出牽引指令后，大旁路常開觸點閉合后，由LCU 控制輸出的停放制動緩解信號的輸入與輸出形成自鎖回路，輸出端持續輸出110V 信號，導致將牽引手柄回零后列車一直有牽引指令。

圖3 停放制動緩解信號的輸入與輸出形成自鎖原理圖

針對以上故障分析在形成自鎖的牽引指令回路，大旁路繼電器觸點前級加正向二極管，使電路無法反向導通，從而無法實現自鎖。相比傳統繼電器，LCU屬于有源設備，LCU 輸出在滿足邏輯條件的情況下，即會有輸出。因此，在電路設計設計時，我們應著重考慮這一方面無源觸點和回路電路的處理，避免導致產生安全隱患。

4 對LCU 后續的應用建議

4.1 插針檢測故障診斷邏輯

隨著LCU 在城軌車輛中廣泛應用，LCU 設備中插頭與插針的連接質量和可靠性顯得尤為重要。插針故障將導致列車邏輯錯誤、功能異常，對行車安全造成嚴重影響。在城軌車輛中，LCU 邏輯程序采用了大量電源輸入采集點參與邏輯運算，增加各個插頭的電源采集點故障診斷邏輯，即可實時檢測插針的連接質量，同時還能檢測對應電源空開的情況。

4.2 電源插頭防差錯設計

在車輛調試過程中，由于LCU 電源插頭設計問題，已發生多起電源插頭裝反導致整個LCU 機箱中的DIO 板卡全部燒壞的現象，存在較大的安全隱患。增加電源插頭防插錯設計，可有效避免人為誤操作造成的安全事故，提升產品質量。

4.3 IO 板卡的保護邏輯設計

由于IO 板卡的冗余設計，背板通道并聯，每塊IO板輸出通道在正常情況下是互相聯通的回路，建議廠家在每塊IO 板輸出通道設計增加隔離二極管，使得在輸出回路短路或通道模塊有短路的情況下不會影響另一個通道的正常輸出；同時，在外部負載短路的情況，LCU 的輸出通道均可以進行有效的自我防護，不至于發生次生危害。

4.4 功能失效情況下的外部電路保護設計

在LCU 功能失效的情況下，由于其取代了傳統的觸點元件電路完成車輛各種控制功能，存在車輛無法正常運營的風險，所以在使用LCU 技術的同時，我們需要考慮設計相應的外部回路，以對其功能失效的部分功能進行保護。當LCU 出現冗余板卡失效，導致控制系統部分功能失效時，建議利用旁路開關對其失效功能進行旁路；當LCU 出現嚴重故障，導致LCU 整機功能失效時，建議通過啟用大旁路功能來切斷LCU控制，從而確保城軌列車的緊急牽引、緊急制動、開門等功能正常；緊急回路的蘑菇按鈕應設計置于LCU輸出端之后，以確保無論LCU 處于任何工況下，列車緊急制動功能有效。

5 結語

LCU 邏輯控制單元取代了傳統繼電器構成的有接點邏輯控制電路是城軌車輛發展的主流趨勢，LCU將是整個控制系統的核心部件之一，它不僅實現車輛邏輯控制，還通過TCMS 實現LCU 與HMI 的通信、自診斷功能。了解LCU 控制邏輯單元的故障原因和處理方法，在故障產生時，便于在運用中發現并及時解決問題，保障車輛的安全運行。