基于合肥地铁2号线增购车LCU系统的应用研究

基于合肥地铁2号线增购车LCU系统的
应用研究
摘要：针对城轨列车控制部分采用继电器和逻辑控制单元的优劣，文章进行了详细对比，介绍了城轨列车双冗余 LCU 逻辑控制的方案及应用，并对示范应用中出现的LCU驱动列车降双弓进行了深入分析，阐述了优化解决措施。

关键词：LCU；列车控制；逻辑控制单元；冗余功能
前言
继电器在轨道交通车辆控制上发挥着重要作用，目前，继电器应用在轨道车辆上的数量很大，单列车上甚至可多达300个以上。

这些继电器主要用于车辆的逻辑控制和信号传递，诸如：车辆激活睡眠、司机台占用、受电弓控制、断路器控制、牵引、制动控制、辅助设备控制、设备状态检测等，因此继电器的可靠性和可用性，将直接影响车辆的运营情况。

对涉及继电器的逻辑控制系统进行技术改造，可提高系统的可靠性，降低车辆运行故障和风险，降低运营维护成本，提高检修效率及运营保障能力，具有十分重要的现实意义，因此采用网络化双冗余逻辑控制单元（LCU）来取代继电器是一个发展趋势。

合肥地铁2号线增购车项目采用成都运达生产的LCU，其控制逻辑和功能由南京浦镇车辆厂进行设计。

1、LCU与继电器对比分析
1.1工艺复杂程度
LCU采用小型化和模块化设计，可大量节约线缆，使整车走线及布局能够得到优化；继电器走线复杂，大量挤压低压电气柜的空间。

1.2逻辑变更难易程度
LCU仅通过应用软件升级就可实现列车逻辑的变更；继电器逻辑变更时需重
新布线接线，操作难度大。

1.3可靠性
LCU采用无触点控制技术，摆脱了动作次数限制，提升了信号通道的单点可
靠性；采用热备冗余设计，任意单点故障不影响系统正常运行。

继电器易出现卡位、抖动、接触不良等故障，受环境及动作次数限制，可靠性低；无冗余设计，
继电器出现故障后，会导致电路逻辑功能丧失，可用性低。

1.4可维护性
LCU具备自诊断功能，故障信息可存储、上报和检索，维护方便；继电器需
定期手动排查故障，并更换已到使用年限的继电器，维护性差。

1.5网络智能化
LCU具备网络通信功能，能将LCU系统数据上传至网络；具备完善的日志记
录功能，可记录所有IO变化数据；配备上位机维护软件，可辅助进行数据分析。

继电器无网络智能化功能。

2、合肥2号线LCU系统设计方案
合肥地铁2号线项目在每个司机室电器柜内配置一台6U的LCU机箱，用于
替代列车控制中的硬接线继电器电路，并实现其相应的逻辑控制能力。

合肥地铁
2号线增购车项目中采用了逻辑控制单元（LCU）替代列车控制电路中的硬接线继
电器电路，实现替代继电器相应的逻辑控制能力。

本项目LCU产品采用二乘二取
二平台的分布式架构，在Tc、Mp车厢各安装一台LCU装置，负责本节车厢替代
继电器电路的输入采集、逻辑运算和输出驱动。

其中Tc车司机室安装1台规格
为6U84T的主机，Mp车客室各安装1台规格为3U84T的主机，一列车共计4台主机。

各车厢LCU主机之间通过双冗余CAN总线进行数据交互。

位于Tc1和Tc2车
的LCU主机通过MVB总线与TCMS网络系统进行数据交互，将LCU系统的状态数
据和故障数据传输至DDU进行显示，LCU系统从TCMS网络获取车号和时间等信息。

每台LCU主机包含一个以太网接口用于数据维护和下载。

逻辑控制单元（LCU）采用热冗余模块化设计，主要由I/O控制单元、主控
制器和网络控制器构成。

它采集司机控制器、按键开关组、隔离开关、接触器辅
助触点等DC110V开关量信号，经逻辑（可编程）运算后，输出直接驱动车辆各
类负载，完成指定的时序控制功能。

LCU采用光电隔离的开关量信号输入，MOSFET的开关量信号输出，输出信号
采用不低于AC1000V的电气隔离，并具备抗干扰能力和短路保护功能，能够准确、快速接受输入电信号指令，并根据编程逻辑输出相应控制信号。

3、合肥2号线LCU系统冗余设计
双冗余LCU在硬件上采用模块化及安全冗余设计，整机包含电源板、
MVB/CAN通信板、主控板、ETH存储板、I/O板、接线板、背板等7种功能板件，
各板卡间通过背板CAN总线进行数据交互。

整机在硬件上具备完全一致的A/B两
套板件，且互为热备冗余，可在任意单点故障的情况下，依旧保持系统的正常运行，两组冗余切换时间不超过10ms。

从而有效降低地铁列车运行中故障发生的风险。

LCU采用的工作模式是基于诊断的热备双冗余模式。

两个工作组同时上电后A、B组均实时进行输入采集，并将数据同时发送给主控板（CPU）A和B；输出也
是采用的热备冗余输出模式，两个主控板间采用的是主/备工作模式。

切换时间
是指当前工作组从主到备及备用工作组从备到主的切换过程，仅是对输出控制权
的交接，不影响信号的采集及逻辑运算。

本方案采用的是一种带有独立双诊断功
能的改进型双通道系统，即采用诊断和输出电路串行连接，含有两个通道，同时
具备独立的诊断电路。

诊断电路可以发现某些错误，可将危险失效转化为安全失效，所以具备更高的安全性。

4、合肥2号线LCU实际运用
合肥2号线LCU采用成都运达的产品，实际运用相对较稳定，不过也出现了
一些典型问题。

4.1任意一端LCU故障会导致两端受电弓均降下
LCU驱动降双弓列车线及升弓电磁阀的逻辑为：
图1未改前LCU驱动降双弓列车线及升弓电磁阀逻辑
刀开关KSPP的状态由本车LCU采集（分别在MP1车和MP2车），并通过LCU 内网传输，如果断开任一MP车LCU供电断路器，另外一端MP车无法接收到该车刀开关KSPP的状态，LCU会判断降双弓条件满足，且输出驱动升弓电磁阀的条件不满足,所以两端的弓均会落下。

解决措施：
将驱动降双弓列车线的逻辑以及驱动升弓电磁阀的条件改为：
图2改后LCU驱动降双弓列车线及升弓电磁阀逻辑
更改后LCU判断驱动升弓电磁阀的条件依然是依据2端刀开关的状态，但是在输出置0的条件是本端刀开关的状态；驱动降双工的条件改为依据本端刀开关的状态；如果刀开关都在受电弓位、受电弓是升起状态时，任意一端LCU故障，
本端受电弓会降落但远端受电弓可继续保持升弓状态不受影响。

在LCU正常情况下（包括供电未中断），如任一端刀开关不在受电弓位，则本端LCU输出驱动降双弓列车线，两端受电弓均降落或无法升起；
结束语
综上所述，LCU在合肥2号线总体运用较为稳定良好，运用的范围也较广，涉及自动驾驶、车门控制、牵引制动指令、常用制动及停放制动控制、内外部照明控制、受电弓控制等多个重要控制电路。

由于软件逻辑运算的问题，出现任意一端LCU故障会导致两端受电弓均降下等问题，目前已得到有效解决。

参考文献：
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