地鐵列車邏輯控制電路安全服役技術(shù)應用研究*

崔霆銳，李 熙，華路捷，劉 暢

（1 北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208；2 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044；3 北京市地鐵運營有限公司運營一分公司，北京 102209）

根據(jù)地鐵列車控制回路故障原因統(tǒng)計，其中60%以上故障是由繼電器引起的，并且活性故障難以排查[1-2]。目前，國內(nèi)外對列車控制回路的完善與升級，一方面注重提高現(xiàn)有繼電器控制電路的可靠性，另一方面著眼于大力發(fā)展以LCU（logic control unit，邏輯控制單元）為代表的新一代無觸點控制回路，采用LCU實現(xiàn)列車邏輯控制解決了繼電器受環(huán)境影響和老化造成故障的問題[3-4]。另外軟件的參與避免了中間繼電器的使用，減少了繼電器的分層驅(qū)動問題；同時內(nèi)嵌的PLC應用軟件開發(fā)平臺充分滿足應用邏輯二次開發(fā)需求，避免了繼電器連線復雜、邏輯更改涉及大量重新布線的問題[5]。

20世紀80年代，德國西門子最早將邏輯控制單元結(jié)合微機控制技術(shù)應用于鐵路車輛。瑞士ABB、加拿大龐巴迪、日本三菱、美國通用電氣、法國阿爾斯通等公司也相繼開展了相關(guān)研究。國內(nèi)LCU目前在機車領(lǐng)域有一定程度的應用[6]，在地鐵領(lǐng)域還處于早期應用階段，尤其是車輛改造要求的邏輯功能完整性和安全適用性設計和驗證方面還需要不斷的技術(shù)升級和深入的實踐探索。

1 列車邏輯控制電路設計

列車邏輯控制電路采用基于高冗余嵌入式控制技術(shù)與健康管理技術(shù)的網(wǎng)絡化分布式二乘二取二LCU設計方案。根據(jù)分布式架構(gòu)需求，每節(jié)車廂安裝一臺LCU裝置。依據(jù)列車的整車電氣圖，編制每臺LCU電控邏輯負責本節(jié)車廂內(nèi)的繼電器控制，車輛之間LCU裝置通過兩條冗余CAN總線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互。交互數(shù)據(jù)主要包括IO狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障狀態(tài)數(shù)據(jù)。同時還可以通過網(wǎng)絡傳遞指令信息，實現(xiàn)替代現(xiàn)有列車線的功能。每臺LCU裝置通過以太網(wǎng)和車載信息服務網(wǎng)絡平臺通信。每臺裝置按照安裝位置的不同，分為司機室LCU和客室LCU。整體拓撲圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

LCU系統(tǒng)采用模塊化安全化設計，LCU裝置中所需的各功能模塊及模塊間連接關(guān)系如圖2所示。

圖1 整體拓撲圖

圖2 LCU 裝置中各功能模塊及連接關(guān)系示意圖

各個模塊之間具備硬件完全一致的兩套板件相互熱備冗余，內(nèi)部架構(gòu)設計如圖3所示。

這些功能板件中，電源板主要為LCU整機板件提供電源，接線板通過Harting連接器承擔對外接口功能將外部的輸入輸出信號連接至背板，其余功能板都具備32位ARM處理器的強大計算能力和內(nèi)置的高精度定時器，各自承擔獨立功能并通過內(nèi)部CAN總線相互交互數(shù)據(jù)進行協(xié)同工作。

2.1 熱備冗余方案設計

LCU系統(tǒng)采用熱備冗余方案設計，具備A、B兩套軟硬件完全一致的電源板、主控板、網(wǎng)卡板、輸入輸出板、若干結(jié)點功能板卡，正常運行過程中冗余的兩組板卡同時上電，分為主用和備用兩種工作狀態(tài)。在實際運行過程中，只有主用態(tài)的板卡才承擔實際的控制功能，冗余板卡通過自檢及互檢，準確識別并定位故障后，進行主備用切換，所有切換均為單板切換行為，不會引起整機整體切換動作。

2.1.1輸入輸出雙機熱備架構(gòu)設計

傳統(tǒng)輸入輸出板（DIO板）為“帶診斷的雙通道系統(tǒng)”架構(gòu)設計，如圖4所示。此架構(gòu)每個功能模塊由兩套獨立冗余的板件組成，并聯(lián)接線，協(xié)同控制。每套板件有獨立的診斷模塊，對板件中的安全回路進行故障診斷。

2.1.2輸入輸出二乘二取二架構(gòu)設計

安全等級更高的輸入輸出板（VIO板）采用了二乘二取二架構(gòu)設計。即每路二乘二取二的輸入信號，對應a/b兩根信號線，再通過LCU背板一分為二，四路信號分別連接至VIOA及VIOB板卡上，并由不同的輸入采集電路及不同的處理器進行采集。當板卡上的2個處理器采集到的輸入信號均為高電平或同時為低電平時，輸入通道信號有效。當A1/A2或B1/B2通道信號變化時間超過允許時間差時，則認為信號無效。

2.1.3CAN通信冗余設計

系統(tǒng)內(nèi)部通信也采用總線冗余設計，具備兩路CAN獨立的通信總線，所有的功能板件均有兩個獨立的CAN通信模塊，分別通過背板總線連接至兩條相互獨立的CAN總線上。任一網(wǎng)絡總線故障時不會影響網(wǎng)絡功能[7]。正常工作時，兩路CAN總線同時參與通信。當任意一路CAN總線異常時，維持另一路CAN總線運行，依舊能保證數(shù)據(jù)的傳遞。

2.2 故障診斷功能設計

電源板、主控板、DIO板和VIO板卡采用完全獨立的雙冗余設計，每個設備包含兩組軟硬件完全一致、功能相同且可互換的控制系統(tǒng)。設備能通過冗余板卡間自檢及互檢，自動識別并定位故障，故障板卡能自動切換到備板，一組出現(xiàn)故障時不能影響另一組正常工作，單點故障應不引起整組切換，且不對列車運行造成影響。

2.2.1輸入故障診斷

周期比對冗余雙方采集的輸入信號，若不一致，則觸發(fā)輸入通道自檢，微處理器通過自檢電路向待測輸入通道發(fā)送自檢信號，信號途徑輸入通道后再經(jīng)過相關(guān)轉(zhuǎn)換電路的處理返回到微處理器，微處理器將發(fā)送和接受時的自檢信號的波形進行對比，通過自檢序列定位故障點。自檢數(shù)據(jù)和實際輸入數(shù)據(jù)不相匹配的一組判定為故障，而后觸發(fā)冗余切換，故障板降備，正常板卡升為主用。

圖3 LCU裝置內(nèi)部模塊架構(gòu)

圖4 DIO設計原理圖

圖5 VIO設計原理圖

表1 輸入信號診斷規(guī)則

2.2.2輸出故障診斷

相互冗余的相鄰IO板從主控板接收同一IO輸出指令，但只有主用的IO板對外有實際輸出，備用的IO板的輸出開關(guān)是關(guān)閉的。故障時，通過切換輸出開關(guān)實現(xiàn)主備倒換。

每塊IO板卡的每路輸出通道輸出前均設置了隔離電路，使得外部電平不影響內(nèi)部電路工作，內(nèi)部短路故障也通過隔離電路防止故障擴散。

每塊輸入輸出板的每路輸出均配置單獨的一路輸入電路進行采集反饋，輸入電路的采樣點為兩個輸出通道的合并點，因此，每路輸出通道有A、B兩個板的兩路輸入共同采樣。通過實時判斷冗余雙方輸出指令及反饋狀態(tài)的一致性來定位故障點。

表2 輸出電路故障控制表

2.3 網(wǎng)絡通信功能設計

每臺LCU邏輯控制單元具備以太網(wǎng)通信功能、CAN通信功能、RS485通信功能，USB通信功能。以太網(wǎng)通信接口可以連接電腦快速下載存儲信息；USB通信接口可以下載信息、在線調(diào)試、修改控制邏輯；司機室LCU增加了MVB通信功能與列車TCMS系統(tǒng)通信。列車CAN總線將各LCU運行狀態(tài)交互，通過以太網(wǎng)或485通信匯報至司機室LCU專用顯示屏（HMI），實現(xiàn)整車LCU詳細狀態(tài)及故障狀態(tài)監(jiān)視。

2.4 日志及故障記錄功能

LCU系統(tǒng)具備故障及日志數(shù)據(jù)存儲功能，可實時記錄輸入輸出狀態(tài)變化數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)，日志數(shù)據(jù)存儲在工業(yè)級內(nèi)存flash芯片介質(zhì)上。內(nèi)部專用閃存負責主電掉電事件的應急數(shù)據(jù)記錄，確保在所有工況下數(shù)據(jù)記錄的完整性。所有存儲過程均附帶安全碼來保障數(shù)據(jù)的安全性。開發(fā)了LCU專用PTU維護軟件，通過維護端口進行日志數(shù)據(jù)下載及離線分析，支持歷史IO時序分析、故障分析等。

3 既有列車改造技術(shù)方案

3.1 替代繼電器原則和范圍

在北京地鐵5號線列車上開展了無觸點邏輯控制電路設計改造。保留繼電器原則如下：基于安全性保留列車上電激活回路繼電器、ATP信號系統(tǒng)輸入輸出SIL4等級繼電器、緊急制動回路繼電器，基于功能性保留永久得電回路繼電器、大電流（＞2 A）負載繼電器、動力供電回路繼電器。在上述保留原則下LCU盡可能多的替代原車繼電器。裝車后的LCU裝置實物結(jié)構(gòu)組成如圖6所示。

3.2 替代繼電器點位設計

LCU改造替代繼電器點位設計原理根據(jù)替代繼電器性能和回路重要程度選擇二乘二取二點位或者雙機熱備點位。其中二乘二取二輸入信號采取兩路硬線接入LCU設備。替代的繼電器所有線圈得電信號均采用二乘二取二輸入采集通道。牽引回路、制動回路、緊急制動控制相關(guān)回路采用二乘二取二輸入和輸出構(gòu)成邏輯。電熱、應急通風、BIDI系統(tǒng)、視頻、信號指示燈、自動折返信號采用雙機熱備輸入輸出構(gòu)成。

圖6 LCU裝置整體結(jié)構(gòu)組成

3.3 替代繼電器原理分析

以總風壓力開關(guān)繼電器（MRPSR1）和緊急制動開關(guān)繼電器（EmBSR1）替代原理為例進行分析，原理如圖7所示。虛線圈里繼電器線圈和粗點表示用LCU取代，其中繼電器線圈用LCU輸入點位替代。繼電器觸點采用LCU輸出點位替代。

繼電器MRPSR1的觸點3/11形成自鎖邏輯電路。LCU采用輸入點位VIN11AB替代MRPSR1線圈。LCU采用輸出通道VOUT17替代MRPSR1觸點3/11。繼電器EmBSR1的觸點B4/C4形成自鎖邏輯電路。LCU采用輸入點位VIN12AB替代EmBSR1線圈。LCU采用輸出通道VOUT18替代EmBSR1觸點B4/C4。LCU應用邏輯梯形如圖8所示。

3.4 LCU大旁路設計

圖7 替代原理圖

圖8 LCU應用邏輯梯形圖

在北京地鐵5號線列車LCU改造中，為避免LCU故障引起列車救援，為列車設計了大旁路功能。當列車發(fā)生嚴重故障無法通過降級模式動車時，司機可啟用大旁路模式，通過在司機室電氣屏柜增加轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)，保障列車基本動車功能的完成。

大旁路控制回路使用繼電器來實現(xiàn)時序控制，涉及鑰匙、牽引指令、制動指令、緊急制動回路指令，基于此確定保留繼電器或觸點（通過更改至其他保留繼電器未使用觸點實現(xiàn)）范圍。其相關(guān)的聯(lián)鎖時序電路獨立于TCMS及LCU等電子設備。不會依賴通信和電子設備內(nèi)部的處理器來實現(xiàn)，保障在最惡劣的工況下，確保列車基本動車信號的順利傳遞。

3.5 故障分級方案

結(jié)合5號線實際運營情況，制定了LCU系統(tǒng)故障報警級別和相應處理規(guī)程，故障定義如表3所示。

表3 北京地鐵5號線LCU故障分級

發(fā)生嚴重故障時列車司機先根據(jù)TCMS系統(tǒng)提示按操作規(guī)程完成故障處理，若列車仍不具備基本的開關(guān)門及動車條件，則執(zhí)行LCU大旁路操作，列車運行到最近的站臺清客回庫。發(fā)生中等故障時列車完成本趟運營任務到達終點站后下線回庫。發(fā)生輕微故障時待結(jié)束當天列車運營任務后進行故障排查。

4 試驗設計及結(jié)果

4.1 型式試驗與安全認證

待裝車LCU裝置獲得了國際SIL2（Safety integrity Level 2，安全完整性等級2）認證。通過了第3方型式試驗檢測，檢測內(nèi)容包括絕緣耐壓試驗、性能試驗、電磁兼容試驗、環(huán)境試驗、數(shù)字量輸入采集、數(shù)字量輸出控制、響應時間、通信、邏輯測試、輸出過流測試、輸出短路保護等。

4.2 裝車試驗設計及結(jié)果

為保證LCU對原有繼電器硬線回路取代后列車邏輯的完整性，保證改造后工藝標準及功能測試符合車輛技術(shù)要求。設計了LCU及整車功能測試試驗，如表4所示。

表4 LCU改造試驗項目

以LCU邏輯功能ATOBR（ATO常用制動模式繼電器）、ATOPR（ATO停放制動模式繼電器）驗證試驗為例說明，其邏輯梯形圖如圖9所示。

圖9 LCU應用邏輯梯形圖

VIN2、VIN3高電平對應繼電器ATOBR、ATOPR線圈得電，結(jié)合ATOR1、ATOR5輸入，輸出VOUT3、VOUT4、VOUT5、VOUT6、VOUT7、VOUT8，對應時序如圖10所示，符合邏輯要求。

設計了LCU模擬故障試驗方案，在列車正常行駛狀態(tài)下（30 km/h）依次拔出/恢復每個板卡（電源板、CAN網(wǎng)卡、主控制板、DIO板、VIO板）。試驗結(jié)果顯示主用板卡拔出后系統(tǒng)可自動無縫切換到備用板卡，LCU專用HMI屏記錄相應故障狀態(tài)，但冗余設計使列車功能不受影響，TCMS無故障報警提示信息。

圖10 時序圖

5 結(jié)論

在既有地鐵列車上完成了LCU代替繼電器硬接線控制系統(tǒng)的技術(shù)方案和維護方案設計，并進行了試驗驗證。LCU采用的新型熱備二乘二取二技術(shù)，增強了系統(tǒng)的容錯能力，有效提升安全可靠性[8]。系統(tǒng)的輸入、輸出、通信等主要功能模塊均設計故障診斷功能，結(jié)合地面分析PTU軟件為系統(tǒng)的維修維護提供數(shù)據(jù)支持。綜上，列車無觸點邏輯控制技術(shù)滿足軌道交通向網(wǎng)絡化、智能化、高可靠性方向發(fā)展的需求，為實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)趨勢預測、智能運維管理奠定基礎。