吕强
摘 要：文章阐述了地铁车辆逻辑控制单元（LCU）的发展以及应用，讨论了地铁列车控制系统中的继电器的应用问题以及LCU系统在地铁车上应用的必要性。针对LCU系统的应用现状，将LCU系统在深圳地铁9号线上的应用案例、LCU系统的系统功能、LCU系统的二次开关平台以及LCU系统的冗余功能一一作了介绍。LCU系统在地铁列车上的应用对地铁列车电气设计具有借鉴意义。
关键词：逻辑控制单元 LCU 深圳地铁9号线 系统功能 冗余功能
中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（a）-0001-02
逻辑控制单元（Logic Control Unit）是电力机车上重要的控制部分，它使用现代化的电子元件来取代原来电力机车上的有触点继电器，提高了车辆的安全性和可靠性。
1 地铁列车LCU系统应用的必要性
地铁车辆上存在大量的机械触点、中间继电器、时间继电器，这些器件通过电缆线线连接起来，构成了列车运行的逻辑控制系统，用于传递控制信号。庞大而复杂的电气系统的工作直接影响到了列车运行安全，但这个系统存在以下问题。
（1）控制电路本身存在单点及多点失效隐患。由于控制电路中的控制逻辑没有采取冗余设计，因此一旦某条控制回路中的关键继电器发生故障，就将使得整条控制电路失效，而且将会影响到其他回路。
（2）控制电路中“与”“或”逻辑很多，而“与”逻辑是采用多个继电器级连的方式来实现的，只要其中任何一个继电器出现失效，整个电路就会失效。
（3）有些触点继电器长期使用后触头接触面因电弧烧蚀造成凹凸不平及毛刺，这将导致动、静触头接触不良甚至不导通。
（4）继电器线圈的频繁动作会带来相应的电磁污染。
（5）传统的继电器控制电路接线复杂，布线等工作容易出错。
（6）控制系统的通用性与灵活性差。
地铁列车的运行环境通常比较恶劣，如高温、高湿、粉尘度高、震动强度大，部分地区还有酸雨、盐雾等。这些不利条件会直接影响到电气器件的寿命，特别是存在机械动作次数的继电器，一般在使用2～3年后就逐步开始失效。而失效后的继电器就带来了列车的故障率升高以及列车安全性降低；继电器更换的成本也比较高，其中包括继电器的成本及更换时的施工成本。
地铁无触点逻辑控制单元的功能是使用网络化、智能化、高可靠性、长寿命的无触点电子控制装置代替传统的继电器有触点硬接线控制系统，更好地保障地铁列车的安全运行、免维护、高效检修的目标。
2 LCU系统行业现状
（1）设备的集成化、小型化、智能化是电子控制行业的趋势。将数量众多的继电器更换为更集成化、小型化、智能化的设备是大势所趋。
（2）继电器是依靠线圈和机械触头来实现可控开关的，目前大功率的开关器件（例如MOS管）已经非常成熟，完全可以取代继电器的功能。
（3）在铁路方面，我国生产的新型电力机车上都设计安装了LCU，而老型电力机车经过大修后，也都经过改造，加装了该装置。
（4）LCU系统在地铁列车上的应用目前还比较少。
3 深圳9号线LCU系统应用
深圳地铁9号线工程列车共计29列，174辆。列车采用4动2拖编组，A型铝合金车体结构，目前车辆已完成行驶试验，将于2016年9月底开通运营。
LCU系统采用分布式控制，各车辆之间的信息通过TCMS系统的网络进行交互，与TCMS通信的功能由各节车LCU的MVB通信板实现。各节车内部的LCU系统由若干LCU基本单元组成，每节车内部的LCU装置根据实际需要，可以通过扩展总线，对基本功能进行扩充，并可根据实际的IO点数来确定LCU装置的数量。
深圳9号线地铁列车为6辆编组列车，每节车各分配一套LCU装置，其中带司机室的车配备两套LCU装置。用无触点控制方式取代列车上原有的110 V控制电路中的时间继电器、中间继电器及一些电器的辅助触点控制。
4 深圳9号线LCU功能介绍
逻辑控制装置通过硬件与软件结合的方式，具备完全可编程定时与延时功能，可直接控制并驱动接触器、电空阀等元件，完成升降弓、列车牵引制动、司机室激活、警惕、方向、车门和自动驾驶等各种时序控制功能。通过网络扩展板实现与TCMS的通信功能，目前支持MVB网络。车辆内部通过CAN网络实现多个LCU级联，方便IO扩展，满足灵活的通道配置需求。LCU具备自诊断功能，能够检测自身的输入、输出、电源及通信的工作状态，同时在面板LED指示灯及TCMS上指示自身状态。当自检测出故障时，则利用热备冗余技术自动进行主备无缝切换，隔离故障源保障系统的正常运行；若负载出现短路或过流时，LCU能够自动断开该路输出，并显示故障；当短路或过流消失后，能够自动恢复。LCU可以检测列车级故障，可按需求进行逻辑旁路隔离，并且可以进行故障记录。LCU系统检测到输入、输出通道数据发生变化时，能够实时记录并且存储变化数据。
5 LCU应用逻辑的二次开发平台
应用逻辑的二次开发平台的建立和使用要分两部分实施。平台的运行需要一个实际的目标机作为宿主，平台的应用软件开发需要与目标机相配套的开发工具。开发完全符合IEC61131-3标准的应用软件，可以支持标准定义的所有的编程语言（功能块图FBD、梯形图LD、结构化文本ST、指令表IL、顺序流程图SFC）。
上位机可通过维护端口下载LCU中记录的日志及故障数据，并可针对历史记录数据进行组合查询及分析；分类辅以图表进行显示，辅助维护人员进行故障定位与分析；还能使故障隐患得以提早暴露，以采取有效措施进行预防，避免出现重大的损失；还可通过上位机进行相关配置参数的设定与修改。
6 深圳9号线LCU系统冗余功能
LCU采用插件式板卡设计，设计了完全相同并独立的两组硬件系统相互冗余，也就是說LCU只要有一组是正常的，系统均能保证正常工作和进行列车逻辑控制。
每组分别由电源板、主控制板、输入/输出控制板组成。系统的两组均上电工作后，其中一组（A组或B组）默认为工作组，另外一组为备用组；当工作组发生故障时，备用组会自动投入工作；且在备用组投入工作后，发生故障的工作组进行自我隔离。
在LCU的两个工作组电源均正常的情况下，各插件板CPU投入工作，此时可以提供大于“2取2”的冗余能力，即：两个工作组的输入、输出电路可以再次冗余。
7 结语
综上所述，LCU系统在深圳9号线地铁车辆上的运用是LCU系统在国内地铁列车上的首次大范围运用，且通过了列车调试和试验，取得了良好的应用效果。LCU系统在地铁列车上运用意义重大，对国内地铁列车车辆设计有重大的促进作用。
参考文献
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