地鐵車輛邏輯控制器件的發展

霍建華,沈海濱,蘇萍

摘 要：繼電保護裝置是地鐵車輛中電力系統的主要設備，確保這些設備的安全正確地動作對于改善地鐵車輛的運作穩定性至關重要，隨著電子技術的發展，新形勢下新的控制手段逐漸嶄露頭角，有趨勢成為地鐵車輛控制的中堅力量。

關鍵詞：地鐵車輛;繼電器;LCU

0 前言

在傳統的車輛邏輯控制應用中，繼電器是絕對的主力。但是，繼電器可能會受到外部環境因素的影響，從而影響其在地鐵、機車的控制回路中的穩定性和安全性。因此，需要深入分析地鐵、機車繼電器的應用情況和相應的失效模式，以確保在地鐵、機車工作中的穩定性和安全性，進而通過已知的缺陷，有應對的做更優的解決方案。

1 繼電器的使用場景和失效模式

繼電器在地鐵列車控制上發揮著重要作用，每列地鐵列車繼電器數量多達600個以上（當前執行設計的六輛編組上海地鐵車輛每列604個繼電器）。它們涉及列車激活、司機室占有、車門狀態檢測、受電弓/受流器控制以及牽引制動等控制回路。其中60%以上的地鐵列車故障是由于繼電器故障引起。部分故障為不可再現故障，阻礙了對回庫后故障原因的調查工作。

造成繼電器失效的主要原因如下：

（1）機械觸點動作次數的先天限制，個別繼電器，如開關門繼電器日動作次數高達900次以上，其壽命僅為2到3年左右。

（2）長期保持得電狀態的繼電器，高溫鐵芯導致內部材料加速老化，導致出現觸點卡滯故障。

（3）長期低負載的觸點，由于潤濕電流不足，不能有效去除表面氧化薄膜，導致接觸電阻增大，接觸不良。

（4）大負載的觸點，因分合瞬間的沖擊電流帶來觸點材料損耗，導致觸點損壞。

由于地鐵車輛上存在大量各類繼電器，這些繼電器通過電纜連接起來，就構成了列車的邏輯控制系統。龐大而復雜的電氣系統直接影響到了列車運行安全和檢修的便利性，傳統的由繼電器組成的控制電路存在以下劣勢：

（1）控制電路本身存在單點及多點失效隱患。絕大多數控制電路中的邏輯條件沒有采取冗余設計，因此一旦某條控制回路中的繼電器發生故障，就將使得整條控制電路失效，而且將會影響到其他回路。

（2）控制電路中“與”“或”邏輯很多，而“與”邏輯是采用多個繼電器搭建的方式來實現的，只要其中任何一個繼電器出現失效，整個電路就會失效。

（3）繼電器線圈的頻繁動作會帶來相應的電磁污染。

（4）傳統的繼電器控制電路接線復雜，布線等工作容易出錯。

（5）后期加改邏輯困難。

（6）失效后的繼電器就帶來了列車的故障率升高以及列車安全性降低;繼電器更換的成本也比較高，其中包括繼電器的成本及更換時的施工成本。

2 LCU產品的優勢

回顧工業領域控制器件的發展歷程，歷經繼電接觸控制到邏輯控制單元/工控機這一路線，載人軌道列車使用符合鐵路標準的邏輯控制單元一定是大勢所趨。邏輯控制單元是一套安裝在軌道列車上，多個通用的控制器組成系統，它們取代原列車上部分繼電器和列車線，提供總數可達1 000路以上具有安全、反饋檢測的IO通道（基于六輛編組配置），連接車上的關鍵設備，進行列車行駛相關的信號的邏輯和時序上控制，完成列車啟動激活、升弓、降弓、牽引制動、運行模式選擇、開關門、警惕、隔離切換等操作，實現列車安全可靠地運行作業，更好地保障地鐵列車的安全運行、免維護、高效檢修的目標。

在大鐵路方面，我國生產的新型電力機車上都設計安裝了邏輯控制單元，而老型電力機車經過大修后，也都經過改造，加裝了該裝置。城軌地鐵列車上的應用目前還比較少，存在很大的修舊和新造車空間。邏輯控制單元在地鐵列車上應用有以下優點：

（1）全部IO通道狀態可記錄，可以根據預設規則進行異常數據自動篩選定位。使用邏輯控制單元，車輛90%邏輯信號可以被記錄，將極大的提高對列車狀態的分析效率和列車狀態的掌控。（2）邏輯控制單元采用雙機熱備冗余，包括電源冗余、控制冗余、IO冗余、網絡冗余，發生單點故障系統仍可以正常運行。（3）檢修便利，全部IO模塊可無差異互換，整機每15年需要進行一次檢修，檢修更換周期小于繼電器。（4）車間通訊的變革，以往車間信號都是通過獨立線纜進行傳遞，車間跳線數量龐大，采用邏輯控制單元，可以采用多樣的網絡通訊替代原有硬線，大大減少車間跳線數量，節省成本。（5）響應快速，無繼電器的勵磁時間，不需要考慮器件間的動作時差，簡化電路邏輯。（6）可以替代90%的繼電器和70%的跨接線纜，減少安裝空間的要求，減少電纜的數量，減重，更優的成本控制。（7）可以借助邏輯控制單元進行智能電器箱柜的設計。

3 結語

綜上所述，LCU系統在地鐵列車上的運用，對于提高車輛系統的可靠性和使用壽命以及降低維修維護成本具有重大意義，對國內地鐵列車車輛設計、維修保障有重大的促進作用。