地铁车辆无触点逻辑控制单元的研制

地铁车辆无触点 逻辑控制单元的研制王肃伏：深圳地下铁道有限公司，高级工程师，广东 深圳，518000摘 要：针对深圳地铁1号线车辆有触点逻辑控制电路因继电器易受环境影响而失效的问 题，利用电子技术和计算机技术，设计完成了 无触点逻辑控制单元（简称LCU ）。

详细介绍 LCU 的系统结构、硬件设计、软件设计、装车 方案等。

批量装车和长时间运行表明：LCU 提 高了地铁控制电路的可靠性、可维护性等。

关键词：LCU ；热备冗余；CAN ；地铁车辆（4）控制柜封闭，继电器集中安装，继电器功耗 大，热应力增加，失效概率将大大增加。

因此，随着使用年限的增加，继电器电路的整体可靠性将不可避免地出现下降。

严重时将造成机破，影响 运输效率，危及行车安全，干扰运输秩序。

使得“小而 广”的地铁质量问题居高不下，增大了维护难度和检修 工作量。

深圳地铁1号线现有车辆22列，其中大部分已经服 役超过3年，控制电路中部分继电器已经老化。

为了提 高地铁控制电路的整体可靠性、保证完成运输任务、降 低维护难度、减少检修工作量，实施地铁控制电路逻辑 控制系统技术改造，具有十分重要的现实意义。

中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1001-683X （2014）08-0109-040 引言深圳地铁1号线列车采用大量继电器实现逻辑控 制，存在如下问题：（1）由于没有冗余，继电器一旦出现卡位、不吸 合等故障，整条控制回路失效的概率明显增加；（2）继电器在高温、潮湿、振动环境下长期工作 时，老化速度大大加快，出现卡位等故障；（3）控制回路中的“与”逻辑，采用的继电器级 连式实现，其中任何一个继电器失效，整个回路就会失 效，可靠性较低；1 系统结构深圳地铁1号线车辆的逻辑控制单元采用分布式网 络架构，每列车编组共6台LCU ，A 、B 、C 3种车辆上各 安装一台LCU ，LCU 之间由CAN 和两个I/O 线连接，系统 架构见图1。

CHINESE RAILWAYS 2014/08- 109 -城市轨道交通地铁车辆无触点逻辑控制单元的研制 王肃伏2 硬件设计根据地铁车辆的控制特点，硬件设计必须 达到：（1）系统能并行实现车辆的逻辑控制，使 电气设备完成相应功能，并具有定时控制、延 时控制、故障诊断和故障保护等功能。

（2）LCU 采用分体式安装。

即A 车、B 车和 C 车各安装一套，每套LCU 由若干相同的控制模 块组成，各控制模块彼此独立工作，使用总线 通信。

（3）每套L C U 都采用完全独立的双冗余 设计，包含两组功能相同且可互换的控制系 统，具有故障自动切换功能，一组出现故障时 不影响另一组正常工作，且不对列车运行造成 影响。

同时也配置手动转换开关，方便人工切 换。

（4）每套LCU 由两路电源供电。

（5）每套LCU 采用隔离的开关量输入，输 入信号电压0～60 V 定义为“0”；输入信号电压77～137.5 V 定义为“1”，各开关量输入均有对 应指示灯。

（6）每套LCU 采用隔离的开关量输出，具 有短路保护功能。

每路可驱动负载不小于 2 A 。

各开关量输出均有对应指示灯。

（7）LCU 任何输入至输出响应延迟不超过 40 ms 。

（8）L C U 具备自诊断能力，在插件面板 或机箱上应设计必要的状态指示灯，如输入/输 出、电源、故障、运行、通信、切换等指示。

（9）当某路负载出现短路时，LCU 应提示 并自动将该路输出断开，当短路消失后应及时 自动恢复，同时控制模块能对自身工作状态进行检测，出现异常时通过LED 闪烁进行提示。

（10）每套LCU 应具备RS485或MVB 等网络 接口与列车控制系统通信，并可将诊断数据、 状态信息上传至列车控制系统且在HMI上显示。

LCU 控制模块原理见图4。

LCU 热备冗余功能示意见图5。

图1 LCU 系统架构LCU 采用模块化结构，由相同的A/B 两组构成，A/B 之间互为热备，每组由电源模块、控制模块和CAN/MVB 模块组成（见 图2）。

A B 图2 LCU 模块组成控制模块由输入电路、输出电路和CPU 组成。

输入电路由 降压、稳压、限幅、滤波、隔离等电路构成，负责采集司机控 制器、按键开关组等直流110 V 的指令信号及从断路器、隔离开 关、接触器等辅助触点来的直流110 V 反馈信号；输出电路采用 高速光耦和CMOS 管实现光电隔离和功率放大，驱动各类车辆 负载，实现短路和过流保护；CPU 主要完成逻辑运算、逻辑控 制、系统保护、通信等功能。

LCU 接口原理见图3。

车载驱动信号图3 LCU 接口原理- 110 -CHINESE RAILWAYS 2014/08输入接口输出接口供电DC 110 V 输入 直流电源分布 设备式逻 （按钮、开关等）TCMS辑控 制单 元输出设备 （电磁阀、 制动阀、门 控器等）CAN0/CAN1CAN/ 控 控 控 电 电 控 控 控 CAN/ MVB 制 制 制 源 源 制 制 制 MVB 组模 模 模 模 模 模 模 模 模 模块 组块 块 块 块 块 块 块 块 块 BAA3A2A1ABB1B2B3CANA 车B 车C 车 C 车 B 车 A 车 LCULCULCULCULCULCU城市轨道交通地铁车辆无触点逻辑控制单元的研制 王肃伏 是否是主机硬件初始化逻辑运算是工作组输出反馈图4 LCU 控制模块原理110 V OUT1 110 V OUT1110 V+110 V+图6 LCU 系统软件流程为A 时，模块A 组进行控制输出，模块B 组关闭输出；反之，当MG 值为B 时，模块B 组控制输 出，模块A 组关闭输出。

输入电路输入电路4 装车方案深圳地铁1号线编组结构见图8。

LCU 安装采用分体式，安装示意见图9。

图5 LCU 热备冗余功能示意3 软件设计5 结束语LCU 系统软件流程见图6，LCU 冗余控制流程见图7。

（1）当模块是主控模块，首先读取组别切换控制信号 （LM ），然后判断：当LM 值为A 时，模块A 组进行控制输出， 模块B 组关闭输出，且置当前工作组标识（MG ）为A ；当LM 值 为B 时，模块B 组进行控制输出，模块A 组关闭输出，且置MG 为 B ；当LM 值为0时（既不为A 也不为B ），逻辑控制单元工作在 自动切换模式，模块A 组自检正常则工作在A 组，反之切换到B 组工作。

（2）当模块是从控模块，首先获取MG ，然后判断当MG 值LCU 采用无触点方式控制各类接触线圈、 电空阀等负载，从根本上解决了继电器卡位、 抖动、接触不良等缺点，提高了控制电路单点 可靠性；LCU 采用软件方式实现了中间继电器 的功能，减少了继电器分层驱动问题，提高 了控制电路的整体可靠性；LCU 采用分布式结 构，A 、B 组热备，各控制插件可任意互换，提 高了LCU 的整体可靠性，提高了地铁控制电路 可靠性。

CHINESE RAILWAYS 2014/08- 111 -不是工作组输出电路输出电路K0K1 110 V OUT2K0K1K2K2110 V OUT2110 V110 V5 V 5 V5 VCPU5 V CPU110 V IN1 110 V IN1110 V IN2110 V IN2控制插件板1A 控制插件板1B CAN1 CAN2CAN1CAN2开始否是软件初始化喂狗（看门狗）工作组判断及切换采集输入、控制输出读取CAN 数据发送CAN 数据 输出安全检查CAN 检查编码识别电路看门狗电路110 V 驱动电源控制110 V 输入变换电路光电隔离电路光电隔离电路输出、清零电路高性能16位 单片机信号消抖动电路光电隔离电路 双CAN 通信端口 110 V 输出驱动电路程序下载端口面板显示灯驱动110 V 输出反馈电路08- 112 - CHINESE RAILWAYS 2014/ 城市轨道交通地铁车辆无触点逻辑控制单元的研制 王肃伏L C U 具有自检功能，发现故障时能通过 LED 提示检修人员替换有问题的插件；LCU结 构简洁、插件种类少且所有控制插件能任意互 换，降低了维护和检修工作量，对提高地铁利 用率具有显著的现实意义。

深圳地铁1号线列车已实现无触点LCU 改 造8列，列车运行状况良好，累积运行里程超 过10万km 。

获取MG 值（主控模块）A 组 读取LM 值 MG=AMG=B MG=A MG=B LM=ALM=B A 组工作正常 B 组通信正常 参考文献黄勇，王玉松．电力机车逻辑控制单元测试台硬件系统设计[J]．国外电子元器件， 2010，12(9)：65-68． 憨光明，王玉松．基于ARM7的MVB_CAN 网 关设计[J]．国外电子元器件，2010，12 (10)：5-8． 周强，李家武．基于ARM 的实时调整型电 子负载的设计与实现[J]．计算机测量与控 制，2008，16(9)：1295-1297．[1] [2]图7 LCU 冗余控制“热切换”流程[3] 图8 列车编组结构C 车 关，安装在 录、维录、维责任编辑 高红义 收稿日期 2014-06-26图9 LCU 安装示意- 112HIN ES RA IL W A YS 2014/08A 车B 车LCU 切换开 维护接口I/O 模块1I/O 模块2维护接口I/O 模块1I/O 模块2A 车驾驶室LCU 记 LCU 记 护模块护模块CAN 总线CAN 总线TCMS列车总线ABCCBA注：A 为带一个司机室的拖车；B 为带受电弓的动车；C 为动车；+为自动车钩；*为半永久性牵引杆；=为半自动车钩。

工作组判断 及切换是否是主机N插件是否是 NYY NN（工作组信号）YYYYN插件是否是 Open A Close A Close B Open B A 组CG=ACG=B CG=ACG=BYNNNYYYYOpen A Close A Open A Close A Send MG=A Send MG=A CG=BCG=ACG=B CG=ANNNLM=ALM=B A 组工作正常 B 组通信正常 YYYYClose B Open B Close B Open B Send MG=B Send MG=B CG=ACG=BCG=A CG=B。