地铁车辆分体式LCU系统的设计与研究

2022-10-31武秀莲霍建华

铁道车辆 2022年5期

武秀莲，霍建华

(长春长客阿尔斯通轨道车辆有限公司，吉林长春 130062)

在地铁系统设备中，采用的传统触点继电器存在维护难度大、故障率高等问题。具备寿命长、高冗余等优势的LCU系统在越来越多的新开通地铁线路中得以广泛应用[1]。

地铁列车无触点逻辑控制单元LCU采用光耦和场效应管结合设计，并通过硬件与软件结合完成各种逻辑和延时控制功能，实现开关的无触点控制。LCU极大地提高了逻辑控制系统的使用寿命和可靠性，平均无故障时间不少于2万h[2]，并且具有网络化、智能化、免维护、节能环保等特点，简化了检修流程，节约了车辆设计成本[3]。

但是，既有的LCU应用项目中，LCU系统作为一个整体设备，主机中支持的输入输出数量是固定的，但不同的车辆对输出输入信号的需求数量存在较大差异，此时主机只能按照满足最多数量来进行设备配置。这就必然造成部分输入输出模块闲置的情况出现，同时占据了额外的设备空间。随着车辆智能化程度的提升，车载设备的数量也在不断增加，地铁车辆上设备空间的合理运用也成为一个不容忽视的考虑因素。为解决该问题，本文将LCU系统的输入输出模块与其他部分分离，提出了一种分体式LCU系统。

1 系统方案

LCU系统分体式设计分为LCU主机和LCU输入输出模块两部分，在接口设计上，LCU主机带6组输入输出模块接口，可最多连接6个LCU输入输出模块，中间通过软电缆进行连接。LCU主机与LCU输入输出模块之间采用CAN通信方式连接，LCU输入输出模块所用的DC 110 V/DC 5 V电源由LCU主机提供，无需单独的供电电源模块。图1为分体式LCU系统总体方案。

图2 LCU主机功能框图

图1 分体式LCU系统总体方案示意图

2 设计与实现

2.1 LCU系统功能

LCU系统功能采用LCU硬件加上位机可编程逻辑控制器的方式实现，LCU系统分体式硬件包括LCU主机和LCU输入输出模块。在硬件设计上，充分考虑到控车的安全因素，关键电路板卡如电源板、主控板和输入输出板卡均采用二乘二取二的冗余方案设计。电源设计上采用2路独立电源为系统供电，DC 110 V输入分别由列车上2路空开端输入，电源板分A/B组冗余供电，A组电源板给分布式的A组板卡供电，B组电源板给分布式的B组板卡供电。主控板分主控板A和主控板B，每组均可单独工作，在每组内部又对逻辑运算结果进行比对，结果一致时则输出，不一致时重新进行运算比对。输入输出板卡分A/B 2组输入和输出，输入同时接入输入板卡A和输入板卡B，两板卡在对输入处理完成后，在输出端再进行比对，结果一致则输出，结果不一致则重新对输入进行分析处理，保证输出的可靠性。

LCU上位机可编程逻辑控制器采用自主研发的上位机软件，使用简单的托拉拽操作方式对传统继电器、接触器的线圈、触点转化为LCU可识别的程序。

2.2 LCU主机

LCU主机包含LCU主控系统、MVB通信模块、电源管理模块、存储模块及6组输入输出模块接口。图2为LCU主机功能框图。

LCU主控系统芯片采用低功耗的FPGA+ARM芯片设计，这种设计集成了FPGA的硬件可编程性和ARM的软件可编程性优点，实现了数据的分析和硬件的加速，在系统设计和软件设计上可多扩展。主控系统搭载Linux系统，实现主机的存储管理、进程管理和逻辑功能处理，可通过内部CAN总线与输入输出模块进行数据交互，实现对输入输出模块的管理，包括地址管理与输入输出模块的输出管理[4]。

电源管理模块采用地铁自带DC 110 V电源供电，电源管理模块负责将DC 110 V输入电源经降压、滤波、浪涌抑制、过欠压保护、输出过载保护、短路保护后输出稳定的DC 5 V电源给主控系统供电，并通过开关量控制接口给输入输出模块供电。在主机上有DC 110 V与DC 5 V电源状态指示灯，方便后期对主机的维护。

MVB通信模块负责将LCU主机接入地铁列车控制和管理系统(TCMS)网络，可接入地铁PHM系统，作为地铁大数据的一部分。LCU主机自带实时时钟，在接入TCMS系统后，可与网络时间实时同步，保证了数据的实时性。LCU主机通过以太网实现与上位机的通信，继电器逻辑功能通过上位机的图形化编程软件转为主控芯片可识别的C程序，并通过以太网通信远端下载到主控系统中[5]。

存储模块具有1 GB的内部存储，采用快速高性能的芯片存储方案，用来存储开关量的状态信息、故障信息、日志记录。

LCU主机与LCU输入输出模块之间的通信采用CAN总线方式，LCU主机为各输入输出模块分配地址，LCU输入输出模块内部也对各输入量进行了地址管理，在LCU主机内可确定任意一组原继电器的输入并控制输出任意一组原继电器的输出，通过地址管理实现主机对全部输入输出模块的输入输出的控制。

2.3 LCU输入输出模块

LCU输入输出模块实现原继电器DC 110 V的输入，并完成原继电器DC 110 V的输出，在设计上通过采用光电隔离，实现模拟信号与数字信号转换，使系统在电磁兼容方面具有高抗干扰性，同时不会对外部电路元器件等造成干扰。硬件上LCU输入输出模块的输入主要包括DC 110 V输入电路、电源比较器、并转串模块、光电隔离器；LCU输入输出模块的输出主要包括光电隔离器、MOS驱动开关、MOS开关；LCU输入输出模块的主控器(MCU)采用16位单片机，可同时完成温度检测、电源管理、时钟同步、地址管理及与LCU主机之间的CAN通信。图3为LCU输入输出模块功能框图。

图3 LCU输入输出模块功能框图

输入电路主要功能是将输入DC 110 V进行分压、滤波、过流保护。此外，输入电路还设有输入状态指示灯，在有输入时亮，故障时闪烁，方便后期维护。电源比较器的主要功能是根据设定参考电压把分压后的输入信号转为数字量，作为并转串模块的输入。并转串模块的功能是把多路输入转为一路输出，减少多路输入输出口对MCU输入输出口数量的依赖。光电隔离器进行输入输出间的互相隔离，可以大大提高信噪比。输出电路负责把MCU处理完的驱动信号进行输出，经过光电隔离后，作为MOS驱动的输入，然后作为MOS开关的驱动来控制DC 110 V的输出。