地铁车辆全冗余控制电路设计与研究

梁波　周利　张盼　钱江林

摘 要：本文介绍了地铁车辆几个关键控制电路的全冗余设计方案，即采用继电器控制电路与可编程逻辑控制单元（LCU）控制电路相互冗余控制的设计方案。针对传统的控制电路设计方案，即继电器控制电路或者LCU控制电路，本文介绍的全冗余控制电路设计方案可有效解决控制电路单点故障、继电器故障或LCU故障造成的车辆降级运行甚至清客、救援等问题，提高了车辆的运营效率。该方案已成功运用到上海轨道交通一号线及上海轨道交通二号线等项目。

关键词：地铁车辆;控制电路;全冗余;LCU

1 概述

地铁车辆控制电路如司机室占有控制电路、受电弓控制电路、牵引控制电路、紧急制动控制电路等关键电路，关系到地铁车辆的正常运营，一旦出现故障，将直接导致车辆降级甚至清客、救援等严重事件。因此，关键控制电路的可靠性尤为重要。传统地铁车辆，上述关键控制电路采用继电器控制，近几年，随着可编程逻辑控制单元LCU的发展，上述控制电路采用LCU控制，一定程度上提高了控制电路的可靠性。但当LCU故障时，车辆仍需降级运行，清客并退出运营，严重时同样将导致救援。本文介绍的全冗余控制电路设计方案，采用继电器和LCU冗余的控制设计，继电器控制和LCU控制可由司机控制进行切换。当继电器控制电路故障时，可切换至LCU控制模式，由LCU控制车辆运行。用样当LCU故障时，也可切换至继电器控制模式，由继电器电路控制车辆运行。

2 全冗余控制电路设计

2.1 控制模式切换控制电路

列车设计控制模式切换控制电路，电路图如图1所示。用于控制列车在继电器控制模式和LCU控制模式间切换。当切换至LCU模式时，LCU切换继电器将断开部分控制回路中的继电器控制逻辑信号，LCU将由冷备切换至热备模式，列车由LCU进行控制。当切换至硬线模式时，LCU进入冷备模式，所有输入输出端口不再工作，列车由继电器硬线电路进行控制。关键电路的具体设计方案详见第2.2-2.5部分内容。用户可根据需要自主选择在哪种模式下运行，两种控制模式完全冗余。

2.2 司机室占有控制电路

司机室占有控制电路设计图如图2所示。在继电器控制模式下，LCU处于冷备模式，所有输入输出端口均不工作。当司机转动司机控制器钥匙至“ON”位后，控制电经由列车占有继电器的常闭触点，将本端司机室占有继电器全部吸合，并经过司机室占有继电器的常开触点进行自保持。此时，由受控端司机室才能发出的操作指令、受控端才能接通的电源等控制电路中的司机室占有常开触点闭合，控制电路接通。同时整列车的列车占有继电器将得电吸合，将非操作端的司机室占有控制回路中的列车占有继电器常闭触点断开，保证在另一端操作司机控制器钥匙时无效，整列车只有一个司机室处于占有状态。

当继电器故障导致司机室无法占有时，若LCU正常，则可操作模式切换控制开关将控制模式转换至“LCU”控制模式。此时，切换继电器将得电吸合，司机室占有继电器回路将被切断，LCU将切换至热备模式。此时，司机控制器的钥匙信号将由LCU采集，司机室占有的逻辑由LCU进行控制。当司机操作司机控制器钥匙时，LCU将判断另外一端司机室的司机控制器钥匙的状态，如另一端司机控制器钥匙处于“OFF”位，则本端LCU将输出高电平将司机室占有电路接通，本端LCU将接收到司机室占有信号。此时，由受控端司机室才能发出的操作指令、受控端才能接通的电源等控制电路将由LCU提供司机室占有高电平信号，控制电路接通。另一端司机室占有回路中的LCU将断开司机室占有回路。

2.3 受电弓控制电路

受电弓控制电路如图3所示。继电器控制模式下，在司机室占有、降弓按钮未按下的情况下，按下升弓按钮时，升弓保持继电器将得电吸合，升弓电磁阀将得电，受电弓将升起。且升弓保持回路将由升弓保持继电器进行自保持，无需一直按压升弓按钮。司机按下降弓按钮或者按下紧急停车按钮时，降弓继电器将得电吸合，升弓保持回路将失电断开，升弓电磁阀失电，受电弓将降下。

当升弓控制电路中有继电器故障时，若LCU正常，可操作模式切换控制开关将控制模式转换至“LCU”控制模式。此时，切换继电器将得电吸合，升弓保持及升弓电磁阀供电继电器回路将被切断，LCU将切换至热备模式，列车的升降弓由LCU进行控制。在司机室占有端、受电弓控制供电的断路器闭合的情况下，LCU将输出司机室占有高电平信号，在紧急停车按钮未按下、降弓按钮未按下的情况下，按下升弓按钮时，LCU将采集到升弓指令。受电弓所在车的LCU将判断本车受电弓控制断路器闭合、无落弓信号、有升弓指令、升弓允许继电器吸合时，将输出升弓保持信号，使升弓电磁阀得电，受电弓将升起。当操作降弓按钮时，LCU将采集到降弓指令。受电弓所在车的LCU将停止输出升弓保持信号，升弓电磁阀失电，受电弓将降下。

2.4 牵引控制电路

牵引控制电路如图4所示。继电器控制模式下，当在司机室占有端，将司机控制器方向手柄推至向前位，按下警惕按钮、主控手柄推至牵引位、所有停放制动已缓解、列车所有门锁闭、无紧急制动施加的情況下，列车将发出牵引命令。

当牵引控制电路中有继电器故障时，若LCU正常，可操作模式切换控制开关将控制模式转换至“LCU”控制模式。此时，切换继电器将得电吸合，牵引控制继电器回路将被切断，LCU将切换至热备模式，列车的牵引命令由LCU进行控制，LCU替代了司机室占有、ATO模式、零速、所有停放制动缓解、列车左门锁闭、列车右门锁闭的硬线逻辑。

2.5 紧急制动控制电路

紧急制动控制电路如图5所示。紧急制动控制电路由司机室占有继电器、司机控制器、VCU紧急制动继电器、总风压力可用继电器、紧急制动继电器、警惕继电器、切换继电器、LCU等组成。继电器控制模式下，当司机室占有信号丢失，或司机控制器方向手柄回至“0”位，或VCU施加紧急制动，或紧急牵引工况下超速，或总风压力不可用，或警惕按钮未被按下的时间超过3s时，列车将发出紧急制动指令。

当紧急制动控制电路中有继电器故障时，若LCU正常，可操作模式切换控制开关将控制模式转换至“LCU”控制模式。此时，切换继电器将得电吸合，紧急制动控制继电器回路将被切断，LCU将切换至热备模式，列车的紧急制动命令由LCU进行控制，LCU替代了司机室占有、VCU紧急制动、零速、总风压力可用、警惕等的硬线逻辑。

3 结语

继电器控制电路或LCU控制电路，当继电器出现故障或者LCU出现故障时，需操作相应旁路或者将LCU旁路切除，此时列车需降级运行。若出现故障的继电器没有设置旁路旋钮，或者LCU故障较严重，列车需清客下线甚至救援，将大大影响车辆的运营效率。本文详细介绍了地铁车辆关键控制电路的全冗余设计方案。该全冗余控制电路设计方案可有效解决控制电路单点故障、继电器故障或LCU故障造成的车辆降级运行甚至清客、救援等问题，提高了车辆的运营效率。

参考文献：

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[2]聂畅.LCU在地铁列车上的应用方案及优化建议[J].电力机车与城轨车辆，2017（3）.

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