列车电气控制系统升级方案设计与研究

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　　摘  要：车辆的电气控制系统为传统继电器控制电路，存在继电器数量多、可编辑能力差、故障点多、占用空间等缺点，文章通过采用新型可编程逻辑控制技术代替传统继电器控制电路，可解决继电器卡位、抖动、接触不良等缺点，提高控制电路单点可靠性及稳定性。在未来无人驾驶相关的线路中，可编程逻辑控制单元技术方案可发挥更安全地控制，同时为故障处理、智能运维、列车状态修提供数据支撑。
　　关键词：逻辑控制单元;LCU;电气控制;继电器
　　中图分类号：U270.38+1     文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）09-0139-02
　　Abstract： The electrical control system of the vehicle is a traditional relay control circuit， which has some shortcomings， such as a large number of relays， poor editing ability， many fault points， occupying space and so on. In this paper， a new programmable logic control technology is adopted instead of the traditional relay control circuit. It can solve the shortcomings of relay clamping， jitter and poor contact， and improve the single-point reliability and stability of the control circuit. In the future self-driving related lines， the technical scheme of programmable logic control unit can play a more secure control and provide data support for fault handling， intelligent operation， and body maintenance of the train.
　　Keywords： logic control unit; LCU; electrical control; relay
　　1 概述
　　大连地铁1、2号线所采用地铁列车为B2型车，车辆的电气控制系统为传统继电器控制电路，存在继电器数量多、可编辑能力差、故障点多、占用空间等缺点。本次电气控制系统升级方案是采用新型可编程逻辑控制技术代替传统继电器控制电路，以解决上述缺点。可编程逻辑控制技术的核心部件为LCU（可编程逻辑控制单元），通过可编程技术实现车辆控制逻辑，减少中间驱动环节，采用无机械触点的双冗余控制方案，从根本上解决继电器卡位、抖动、接触不良等缺点，提高控制电路单点可靠性及稳定性。
　　2 方案设计
　　2.1 工作原理
　　LCU是基于PLC编程控制原理，结合热备双冗余、2乘2取2等冗余结构，实现了列车信号的安全采集、逻辑运算（包含中间控制关系和延时控制）和安全驱动，集合信号反馈采集和故障自诊断技术，较好地完成了车辆逻辑的闭环控制。
　　2.2 功能介绍
　　2.2.1 LCU功能
　　（1）控制信号采集：基于直流工作电源的电压采集，0～30V为逻辑0，77～137.5V为逻辑1，完全适用于DC77～137.5V的工作电压范围。
　　（2）控制逻辑编程：通过编程语言，安全且灵活地实现车辆逻辑，编程语言符合IEC61131-3标准要求。
　　（3）控制信号驱动：基于诊断的2取2安全输出，确保输出信号满足列车控制的安全导向需求。
　　（4）故障诊断及工作组切换：正常情况下，LCU各冗余模块间工作于热备状态，输出驱动环节同时输出，当某一模块发生故障时，单点故障不会影响系统输出，不会影响列车运行。
　　2.2.2 性能参数
　　环境温度范围：-35℃～+50℃;
　　最高海拔高度：2000m;
　　存储温度范围：-40℃～+70℃;
　　防护等级：IP20及以上;
　　散热方式：自然冷却;
　　控制电源：77～137.5VDC;
　　整机功耗：6U-LCU≤100W/3U-LCU≤50W;
　　输入电压范围：低电平DC 0～30V，高电平DC 77～137.5V;
　　輸出电压范围：低电平DC 0～2V，高电平DC 77～137.5V;
　　输入输出响应：输入响应小于5ms，输出响应小于5ms，输入到输出的最长响应30ms;
　　输出驱动电流：每路输出通道有过载保护能力，能承受的最大电流不小于10A持续时间100ms，额定工作电流2A。
　　2.3 安装配置
　　以大连地铁1、2号线四动两拖（=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=）编组方式的地铁列车为例，LCU采用分布式控制，采用6U和3U两种机箱结构，6U主机安装在Tc车电气柜中，3U主机安装在其他各车客室电气柜中。每套LCU系统通过冗余的CAN总线接口进行通信，并向司机台上的LCU显示器实时上传工作状态信息、故障诊断信息和其他必要的数据。采用LCU取代传统中间电路元件给出驱动信号，实现车辆相关设备、子系统的控制目的，具备定时控制、延时控制、状态诊断、信息交互和故障保护等功能。 　　2.4 替代范圍
　　LCU替代既有车辆上的电气控制电路，范围如下：（1）ATC信号控制中涉及继电器的输入触点;（2）自动驾驶模式继电器;（3）所有车门控制功能继电器;（4）门释放及门联锁回路继电器;（5）列车无高压45分钟延时蓄电池断电继电器;（6）大部分COR继电器（保留紧急制动串联回路及应急牵引电路）;（7）警惕继电器;（8）紧急制动回路继电器;（9）受电弓控制继电器;（10）停放制动控制继电器;（11）常用制动控制继电器;（12）制动缓解继电器;（13）零速回路继电器;（14）列车牵引回路继电器;（15）TCMS采集中涉及继电器的输入触点;（16）其他可替换继电器。
　　2.5 冗余设计
　　为了确保替代电路的可靠性，避免无法动车等事件发生，LCU采取了以下冗余设计：（1）电源冗余。每套LCU配置一对冗余电源板（A/B）分别给机箱内A组或B组板卡供电。（2）驱动冗余。当某一组LCU控制系统模块发生供电故障、生命信号丢失、输入故障、输出故障时，另一组相同模块能自动切换，且切换时不影响列车运行，实现“热切换”功能。LCU控制系统冗余模块的切换采用合理的主备逻辑切换机制和状态仲裁机制，避免两组进行无序的主/备竞争。（3）通信冗余。LCU机箱内部网络采用CAN总线冗余设计。所有的功能板件均有两个独立的CAN通信模块，分别通过背板总线连接至两条相互独立的CAN总线上。正常工作时，两路CAN总线同时参与通信。当任意单CAN异常时，维持另一路CAN总线运行，依旧能保证数据的正确传递。（4）备用模式。LCU增加了备用模式，若LCU出现主板卡和备用板卡同时故障的极端情况，通过对列车车门回路、紧急制动回路、牵引回路设置LCU旁路，确保在极端情况下不因LCU故障导致列车无法开门或无法动车故障，仍具备最基本的牵引制定及开关门功能，保证列车能够运行至终点站退出服务。
　　2.6 安全等级
　　满足SIL2级标准的热备双冗余LCU已经在地铁上大量运用，实现了无触点的可编程逻辑控制替代传统的继电器逻辑控制电路，更高安全标准的3取2冗余结构的LCU已经装车使用，2乘2取2冗余结构的LCU还处于研发阶段，采用与地铁信号系统相同安全等级的安全架构更适应SIL4级标准的无人驾驶线路。
　　3 可行性分析
　　3.1 采用LCU的优点
　　（1）采用可靠性和模块化设计，无机械触点，使用寿命长，减少了日常维护工作量，有效降低了列车全生命周期运营成本。（2）通道级热备冗余，进一步提高了设备的可靠性和安全性，设备单点故障不会影响列车运行，安全完整性等级高于SIL2。（3）具有故障自诊断和智能推送功能，运行数据的全程记录，辅助实现车辆故障的精确定位。（4）可视化逻辑编程，采用符合IEC61131-3标准的可视化编程软件CodeSys。
　　3.2 改造升级方案对比
　　3.2.1 降低列车故障率
　　车辆上继电器引发的列车故障为0.0989次/万列公里，LCU故障引起的列车故障率为0.0256次/万列公里，运营至今，未出现任何因LCU故障导致的清客、救援故障，因此采用LCU技术将会大大降低列车故障率。
　　3.2.2 便于维护
　　继电器全部失效的年限为25年，可靠度为0.9时的寿命约为5年，可靠度为0.95时的寿命约为3年，而LCU除架修及以上修程需要对机箱进行除尘外，基本无需日常维护，维护更加便利。
　　3.2.3 故障查找方便
　　LCU具有输入输出点数据记录功能，配备监测软件，可根据需要对列车各信号进行监测，故障查找方便、直观。
　　3.2.4 具有可编程功能
　　LCU可就现有的控制功能通过程序编辑进行优化，具备二次开发的能力。
　　3.3 改造升级施工周期
　　若对既有车辆改造升级为LCU技术方案，按1列车计算，施工周期如表1：
　　4 结束语
　　随着科学技术的发展，LCU技术方案也在不断完善和升级，并在新建线路地铁列车上推广和使用，传统的控制系统必会被更加简单、优越的LCU技术方案所代替。在未来无人驾驶相关的线路中，LCU技术方案可发挥更安全的控制，同时为故障处理、智能运维、列车状态修提供数据支撑。
　　参考文献：
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