周根華 鄧長(zhǎng)海 肖 曉

（1.福州地鐵集團(tuán)有限公司，福建 福州 350004；2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

地鐵出行逐步成為城市居民的主要交通方式，如何保證和持續(xù)提高其運(yùn)行的可靠性一直是行業(yè)研究的重點(diǎn)。邏輯控制單元（LCU）的出現(xiàn)為解決該問(wèn)題提供了一種重要手段。LCU采用無(wú)觸點(diǎn)技術(shù)，具有壽命長(zhǎng)、冗余性高等特點(diǎn)，主要用于替代傳統(tǒng)電氣回路中的中間繼電器，具備邏輯控制、I/O輸入、輸出和通信等功能，且其I/O驅(qū)動(dòng)性能相較列車控制控制系統(tǒng)（TCMS）的I/O單元有所提升[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)內(nèi)新開(kāi)通的地鐵線路車輛項(xiàng)目中，LCU的應(yīng)用率已經(jīng)超過(guò)60%。

但是，在既有的LCU應(yīng)用項(xiàng)目中，由于LCU和TCMS均具備（承擔(dān)）I/O功能且中間車的繼電器數(shù)量少，單獨(dú)應(yīng)用LCU的成本較高，還會(huì)占用額外的空間，一般不在項(xiàng)目中應(yīng)用LCU，因此會(huì)導(dǎo)致列車存在I/O設(shè)備重復(fù)設(shè)置、LCU替代繼電器比率低、占用空間偏大以及系統(tǒng)控制構(gòu)架不夠簡(jiǎn)潔等問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，考慮將LCU和TCMS進(jìn)行功能融合。該文結(jié)合某科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì)融合方案進(jìn)行詳細(xì)闡述，并重點(diǎn)對(duì)融合機(jī)箱架構(gòu)、通信策略以及系統(tǒng)應(yīng)用策略等方面進(jìn)行描述。

1 系統(tǒng)拓?fù)浞治?/h2>

融合方案主要指將LCU和TCMS的I/O設(shè)備進(jìn)行融合，TCMS僅保留主控、存儲(chǔ)和顯示功能，而LCU除了承擔(dān)本地邏輯控制功能外，還承擔(dān)TCMS的I/O功能。融合前后的系統(tǒng)拓?fù)渥兓鐖D1所示。

圖1 融合方案拓?fù)渥兓?/p>

從設(shè)備層面來(lái)看，融合方案提升了系統(tǒng)的集成度，利于中間車應(yīng)用LCU，進(jìn)而可以進(jìn)一步降低車載設(shè)備的數(shù)量，節(jié)約安裝空間；從通信層面來(lái)看，融合方案減少了信號(hào)傳輸節(jié)點(diǎn)，可以幫助降低列車牽引、制動(dòng)等關(guān)鍵控制信號(hào)出現(xiàn)傳輸遲滯的概率，有利于優(yōu)化列車控制曲線，提高低速段的平穩(wěn)性，降低全過(guò)程能耗，同時(shí)還可以改善列車對(duì)標(biāo)表[2]。

2 應(yīng)用方案分析

2.1 系統(tǒng)方案

將該文所述方案應(yīng)用于某4編組列車，編組形式為T(mén)MC-MP-MP-TMC。在TMC車應(yīng)用2臺(tái)LCU，在MP車應(yīng)用1臺(tái)LCU。同時(shí)，LCU融合了TCMS系統(tǒng)的全部DIMe、DXMe和AXMe模塊。其中，在TMC的2臺(tái)LCU機(jī)箱中，1臺(tái)機(jī)箱主要用于融合原來(lái)網(wǎng)絡(luò)I/O模塊的數(shù)據(jù)，具體僅負(fù)責(zé)TCMS需要的DI/DO的轉(zhuǎn)發(fā)，不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何處理，另一臺(tái)機(jī)箱主要用于實(shí)現(xiàn)邏輯控制的功能。同時(shí)兩者公用的I/O由其中一臺(tái)負(fù)責(zé)采集，并通過(guò)車輛MVB或者LCU之間的內(nèi)網(wǎng)傳遞給另一臺(tái)，不進(jìn)行重復(fù)采集。

2.2 應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

LCU參與控制回路見(jiàn)表1。

表1 LCU控制回路清單

為了在充分保證車輛在緊急牽引模式下的運(yùn)行能力的同時(shí)不影響列車的安全性，需要使一部分回路仍然采用硬線繼電器控制，見(jiàn)表2。

表2 保留繼電器控制回路

基于以上原則進(jìn)行LCU替代應(yīng)用，全車一共177個(gè)繼電器，一共替代了89個(gè)，替代率為50.3%。另外，融合方案對(duì)原IOM機(jī)箱和LCU機(jī)箱需要采集的I/O進(jìn)行整合，僅對(duì)部分關(guān)鍵I/O采用2個(gè)機(jī)箱進(jìn)行冗余采集，以提高方案整體的可靠性。重復(fù)采集I/O一共58個(gè)，融合后僅剩8個(gè)，節(jié)省率為86.2%。

3 可靠性策略

3.1 機(jī)箱架構(gòu)可靠性策略

LCU本身采用1oo2D架構(gòu)，符合故障-安全原則，安全性滿足SIL2級(jí)要求。機(jī)箱電源、主控、輸入以及輸出均采用A/B系冗余設(shè)計(jì)，任意一系故障都不會(huì)對(duì)整機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生影響。LCU整體冗余架構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)箱冗余架構(gòu)

所有I/O均采用輸入側(cè)一分為二的方式進(jìn)行采集，輸出側(cè)采用雙通道并聯(lián)的方式，支持多點(diǎn)故障，例如某一系DI和另外一系DO同時(shí)故障，此時(shí)系統(tǒng)輸入輸出功能仍然完整[3]。同時(shí)，輸入和輸出均具備完善的自檢和過(guò)流保護(hù)功能，輸出發(fā)生故障保護(hù)時(shí)，對(duì)應(yīng)通道不再輸出，導(dǎo)向安全。

3.2 通信可靠性策略

LCU除了替代繼電器進(jìn)行基本邏輯控制以外，還替代部分列車線。以“列車停放制動(dòng)監(jiān)視”為例，當(dāng)傳統(tǒng)列車采用繼電器進(jìn)行控制時(shí)，通過(guò)列車線對(duì)各個(gè)“單車停放制動(dòng)狀態(tài)”繼電器的觸點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，然后驅(qū)動(dòng)頭車的“列車停放制動(dòng)狀態(tài)”繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車停放制動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)視。而該項(xiàng)目則是在各個(gè)車LCU機(jī)箱采集到“單車停放制動(dòng)狀態(tài)”后，通過(guò)MVB通信傳輸給頭車LCU，由頭車LCU機(jī)箱進(jìn)行組合邏輯控制[4]。

同時(shí)，在各車LCU機(jī)箱之間設(shè)置冗余以太網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，如圖3所示。這樣即便在列車TCMS故障、MVB通信無(wú)法建立時(shí)，LCU機(jī)箱之間仍然可以通過(guò)內(nèi)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，確保列車級(jí)邏輯控制可以正常執(zhí)行。

圖3 冗余通信架構(gòu)

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用可靠性策略

3.3.1 關(guān)鍵回路冗余監(jiān)視和控制

考慮最嚴(yán)苛情況，即任一單機(jī)箱仍然存在完全故障的情況（機(jī)箱熱備冗余的兩系同時(shí)故障）。在系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)上，以避免救援，使列車在任一單點(diǎn)故障時(shí)仍然具備動(dòng)車能力為設(shè)計(jì)原則[5]。因此，仍然保留部分關(guān)鍵信號(hào)的冗余采集；同時(shí)，對(duì)個(gè)別關(guān)鍵信號(hào)采用2機(jī)箱冗余并聯(lián)輸出[6]。

關(guān)鍵回路冗余輸出控制主要是為了使列車維持基本動(dòng)車能力，避免因單機(jī)箱完全故障而引起救援[7]。

3.3.2 緊急牽引說(shuō)明

緊急牽引主要在列車TCMS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障時(shí)啟用，例如發(fā)生操作端HMI黑屏、AXMe故障等。牽引和制動(dòng)系統(tǒng)在收到緊急牽引指令時(shí)，將不再信任來(lái)自于TCMS系統(tǒng)的任何指令，包括牽引制動(dòng)命令、牽引制動(dòng)級(jí)位、方向和司機(jī)室占有等，而是通過(guò)其硬線I/O采集的牽引制動(dòng)命令，并以固定的級(jí)位進(jìn)行牽引或制動(dòng)，以維持列車的基本運(yùn)行能力。對(duì)該項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，由于各LCU機(jī)箱之間有內(nèi)網(wǎng)，在TCMS故障時(shí)，跨車信號(hào)可以通過(guò)內(nèi)網(wǎng)維持傳輸，不影響其控制功能[8]。

4 裝車測(cè)試

針對(duì)上述提高可靠性的措施，在車輛調(diào)試階段進(jìn)行相應(yīng)的故障模擬，以驗(yàn)證對(duì)應(yīng)故障工況下系統(tǒng)功能的維持情況。

4.1 模擬LCU單系故障

單個(gè)LCU機(jī)箱通過(guò)兩系控制電源獨(dú)立供電，任一系供電故障，機(jī)箱正常工作不受影響。此處，以“列車停放制動(dòng)監(jiān)視”為例，其控制邏輯為1車“本車停放施加=1”& 2車“本車停放施加=1”& 3車“本車停放施加=1”& 4車“本車停放施加=1”&“司機(jī)室占用激活=1”時(shí)輸出高電平。通過(guò)調(diào)試軟件，模擬各車均已施加停放制動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中斷開(kāi)A系電源空開(kāi)，模擬該系故障的情況，測(cè)試輸出是否維持[9]。測(cè)試時(shí)，即便A系電源故障，列車停放制動(dòng)施加輸出仍然維持正常，不受影響。

4.2 模擬LCU單機(jī)箱掉線

LCU機(jī)箱之間有以太網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，在單LCU機(jī)箱與TCMS網(wǎng)絡(luò)通信故障的情況下，LCU機(jī)箱仍然可以通過(guò)內(nèi)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，使列車級(jí)控制功能不受影響。仍然以‘列車停放制動(dòng)監(jiān)視’控制功能為例，通過(guò)斷開(kāi)LCU機(jī)箱的MVB插頭模擬該機(jī)箱MVB掉線，模擬LCU單機(jī)箱MVB掉線時(shí)，列車停放制動(dòng)施加輸出仍然維持正常，不受影響。

4.3 模擬LCU單機(jī)箱故障

主要針對(duì)列車緊急牽引功能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)斷開(kāi)任意一臺(tái)LCU的兩系控制電源，模擬該機(jī)箱LCU故障工況，并測(cè)試是否能夠進(jìn)行緊急牽引動(dòng)車。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 模擬機(jī)箱故障試驗(yàn)情況

試驗(yàn)結(jié)果證明，LCU應(yīng)用設(shè)計(jì)可以保證任意機(jī)箱故障都不會(huì)影響列車緊急牽引，充分保證了列車的可用性。

5 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)地鐵車輛融合LCU智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行了說(shuō)明，尤其從產(chǎn)品建構(gòu)、通信和系統(tǒng)應(yīng)用3個(gè)層面進(jìn)行了詳細(xì)闡述和論證，最后通過(guò)模擬測(cè)試的方法對(duì)方案進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，可為后續(xù)更多項(xiàng)目實(shí)施提供參考。融合LCU智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提升了車輛電氣系統(tǒng)的集成度，減少了車載設(shè)備的數(shù)量，節(jié)約了設(shè)備安裝空間，并能夠優(yōu)化列車運(yùn)行參數(shù)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。