文/陳遠生

1 前言

當(dāng)前城軌車輛行業(yè)中，由于有觸點電路諸多弊端的暴露，廣泛應(yīng)用無觸點邏輯控制技術(shù)已成為主流趨勢，利用無觸點邏輯控制單元（LCU）取代傳統(tǒng)的中間、時間繼電器等觸點元件電路完成車輛各種控制功能，實現(xiàn)邏輯控制智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化，利用軟件實現(xiàn)邏輯定制、故障診斷、運行記錄、熱備冗余，通過容錯技術(shù)切實提高電路和器件可靠性，降低列車運行故障和風(fēng)險，提高運營保障能力。

傳統(tǒng)的繼電器有觸點硬接線控制電路，控制回路中采用繼電器級連式實現(xiàn)“與”“或”等邏輯，其原理和結(jié)構(gòu)都比較簡單，在車輛調(diào)試過程中對故障的分析判斷與排查方法也相對簡單。隨著無觸點邏輯控制電路的變化，車輛調(diào)試過程中，故障類型、故障分析判斷及處理方法相應(yīng)發(fā)生變化[1]。

2 LCU 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

LCU 是專門為在軌道交通環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字邏輯控制裝置。LCU 裝置采用熱冗余模塊化設(shè)計，主要由IO 控制器、主控制器和網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)成。它采集司機控制器、按鍵開關(guān)組、隔離開關(guān)、接觸器輔助觸點等DC110 V 的信號，經(jīng)邏輯計算后，輸出驅(qū)動車輛各類負(fù)載，完成指定的時序控制功能。

目前，城軌車輛LCU 一般由PWR 電源板、MVB網(wǎng)卡板、ETH 網(wǎng)卡板、MCU 主控板、DIO 輸入輸出板、GIO 輸入輸出干接點板以及接線板7 種板卡組成，通過內(nèi)部CAN 網(wǎng)絡(luò)組合形成一體模塊，其冗余設(shè)計保證LCU 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正常交互，如圖1 所示。其中，部分車的LCU 承擔(dān)MVB 通信功能，將整車LCU 工作狀態(tài)上報至TCMS 網(wǎng)絡(luò)。

圖1 機箱內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 LCU 常見故障問題及處理方法

在車輛LCU 調(diào)試過程中遇到故障時，應(yīng)觀察現(xiàn)場故障現(xiàn)象、LCU 設(shè)備情況，查閱HMI 主界面中TCMS上傳的事件、故障履歷等因素，結(jié)合電氣設(shè)備工作原理、電路設(shè)計原理及LCU 軟件邏輯條件綜合分析判斷，精確定位到具體故障點，采取相應(yīng)的故障處理辦法。在城軌車輛LCU 調(diào)試過程中出現(xiàn)的故障類型總共可分別LCU 內(nèi)部因素、外部因素兩大類型，以下分別對這兩大類型進行闡述解析[2]。

3.1 LCU 內(nèi)部因素故障

3.1.1 LCU 硬件設(shè)備故障

LCU 硬件設(shè)備導(dǎo)致的故障主要表現(xiàn)為板塊損壞、機箱損壞，具體見表1。當(dāng)發(fā)現(xiàn)板塊電源板塊PWR 燈不亮，而測量電源插頭有電時，可判斷電源板塊損壞；當(dāng)發(fā)現(xiàn)各板塊ACT 燈不亮或者FLT 指示燈常亮或閃爍，可判斷板塊損壞；當(dāng)HMI 故障信息提示CAN 網(wǎng)關(guān)板內(nèi)網(wǎng)CAN1/2 故障、主控板A/B 背板can1/2 故障，可判斷為板卡損壞；當(dāng)出現(xiàn)以上兩種現(xiàn)象或者單個現(xiàn)象在板卡替換后故障仍存在，可判斷為機箱損壞。

表1 LCU 硬件設(shè)備故障處理對策

3.1.2 LCU 內(nèi)部軟件故障

LCU 內(nèi)部軟件邏輯程序?qū)е碌墓收现饕憩F(xiàn)為軟件程序錯誤引起的功能異?；蚬δ軣o法實現(xiàn)。具體如下所述：

LCU 內(nèi)部程序中參與邏輯運算的輸入點錯誤，導(dǎo)致在滿足該條件下輸出點無電源輸出；LCU 內(nèi)部程序未寫輸出點或輸出點錯誤，導(dǎo)致滿足相應(yīng)條件下該輸出通道無電源；LCU 程序未做相應(yīng)邏輯，導(dǎo)致功能無法實現(xiàn)；LCU 邏輯錯誤，導(dǎo)致功能異常無法實現(xiàn)。

例如：在車輛調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)操作停放制動旁路時，所有制動緩解燈會亮，屬于功能異常。分析車輛所有制動緩解電氣原理圖見圖2，所有制動緩解燈由LCU 的A15=48-A101∶X3-B4 輸出點控制，根據(jù)LCU點位功能描述，分析該點位的邏輯條件清單及LCU 邏輯程序梯形圖，發(fā)現(xiàn)該邏輯存在錯誤為采用所有停放制動緩解和其旁路的信號作為邏輯運算條件導(dǎo)致[3]。

圖2 所有制動緩解電路圖

對于LCU 內(nèi)部軟件邏輯故障，我們需要根據(jù)相關(guān)電氣原理圖、各系統(tǒng)功能，結(jié)合LCU 功能描述的邏輯條件或程序，進一步分析軟件程序中的故障點，從而尋找相應(yīng)的處理方案。

3.2 LCU 外部因素導(dǎo)致的故障

3.2.1 外部接線故障

外部接線導(dǎo)致的故障主要表現(xiàn)為接線錯誤、阻值錯誤、插頭未緊固。當(dāng)HMI 故障信息提示CAN 網(wǎng)關(guān)板CAN1/2 故障，可判斷CAN 網(wǎng)絡(luò)線接線錯誤或CAN 網(wǎng)絡(luò)阻值錯誤，需檢查接線及can 插頭阻值情況；當(dāng)LCU 輸入燈不亮而測量輸入插頭有電源或輸出點位燈亮?xí)r，下一級無電源輸出，可判斷為插頭未緊固到位。

3.2.2 電路設(shè)計故障

LCU 的輸出通道主要由有源輸出通道的DIO 板和無源輸出通道的GIO 板構(gòu)成，LCU 無源輸出通道只提供開關(guān)量控制類似于繼電器的觸點，而有源輸出通道不但為相應(yīng)回路提供開關(guān)控制，還直接輸出電源。在滿足條件下的情況下，LCU 有源輸出通道即輸出電源，如果電路設(shè)計中存在輸入與LCU 的輸出形成回路情況，在滿足LCU輸出條件下，回路將自鎖導(dǎo)致故障。

如下圖3 所示，在操作大旁路并給出牽引指令后，大旁路常開觸點閉合后，由LCU 控制輸出的停放制動緩解信號的輸入與輸出形成自鎖回路，輸出端持續(xù)輸出110V 信號，導(dǎo)致將牽引手柄回零后列車一直有牽引指令。

圖3 停放制動緩解信號的輸入與輸出形成自鎖原理圖

針對以上故障分析在形成自鎖的牽引指令回路，大旁路繼電器觸點前級加正向二極管，使電路無法反向?qū)?，從而無法實現(xiàn)自鎖。相比傳統(tǒng)繼電器，LCU屬于有源設(shè)備，LCU 輸出在滿足邏輯條件的情況下，即會有輸出。因此，在電路設(shè)計設(shè)計時，我們應(yīng)著重考慮這一方面無源觸點和回路電路的處理，避免導(dǎo)致產(chǎn)生安全隱患。

4 對LCU 后續(xù)的應(yīng)用建議

4.1 插針檢測故障診斷邏輯

隨著LCU 在城軌車輛中廣泛應(yīng)用，LCU 設(shè)備中插頭與插針的連接質(zhì)量和可靠性顯得尤為重要。插針故障將導(dǎo)致列車邏輯錯誤、功能異常，對行車安全造成嚴(yán)重影響。在城軌車輛中，LCU 邏輯程序采用了大量電源輸入采集點參與邏輯運算，增加各個插頭的電源采集點故障診斷邏輯，即可實時檢測插針的連接質(zhì)量，同時還能檢測對應(yīng)電源空開的情況。

4.2 電源插頭防差錯設(shè)計

在車輛調(diào)試過程中，由于LCU 電源插頭設(shè)計問題，已發(fā)生多起電源插頭裝反導(dǎo)致整個LCU 機箱中的DIO 板卡全部燒壞的現(xiàn)象，存在較大的安全隱患。增加電源插頭防插錯設(shè)計，可有效避免人為誤操作造成的安全事故，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

4.3 IO 板卡的保護邏輯設(shè)計

由于IO 板卡的冗余設(shè)計，背板通道并聯(lián)，每塊IO板輸出通道在正常情況下是互相聯(lián)通的回路，建議廠家在每塊IO 板輸出通道設(shè)計增加隔離二極管，使得在輸出回路短路或通道模塊有短路的情況下不會影響另一個通道的正常輸出；同時，在外部負(fù)載短路的情況，LCU 的輸出通道均可以進行有效的自我防護，不至于發(fā)生次生危害。

4.4 功能失效情況下的外部電路保護設(shè)計

在LCU 功能失效的情況下，由于其取代了傳統(tǒng)的觸點元件電路完成車輛各種控制功能，存在車輛無法正常運營的風(fēng)險，所以在使用LCU 技術(shù)的同時，我們需要考慮設(shè)計相應(yīng)的外部回路，以對其功能失效的部分功能進行保護。當(dāng)LCU 出現(xiàn)冗余板卡失效，導(dǎo)致控制系統(tǒng)部分功能失效時，建議利用旁路開關(guān)對其失效功能進行旁路；當(dāng)LCU 出現(xiàn)嚴(yán)重故障，導(dǎo)致LCU 整機功能失效時，建議通過啟用大旁路功能來切斷LCU控制，從而確保城軌列車的緊急牽引、緊急制動、開門等功能正常；緊急回路的蘑菇按鈕應(yīng)設(shè)計置于LCU輸出端之后，以確保無論LCU 處于任何工況下，列車緊急制動功能有效。

5 結(jié)語

LCU 邏輯控制單元取代了傳統(tǒng)繼電器構(gòu)成的有接點邏輯控制電路是城軌車輛發(fā)展的主流趨勢，LCU將是整個控制系統(tǒng)的核心部件之一，它不僅實現(xiàn)車輛邏輯控制，還通過TCMS 實現(xiàn)LCU 與HMI 的通信、自診斷功能。了解LCU 控制邏輯單元的故障原因和處理方法，在故障產(chǎn)生時，便于在運用中發(fā)現(xiàn)并及時解決問題，保障車輛的安全運行。