刘晓鹏
摘 要：城市轨道交通车辆的硬线和继电器电路存在布线复杂、故障率高、后期更改复杂等缺点。利用LCU替换硬线和继电器电路可有效解决上述问题，LCU在轨道交通领域的使用已经成为新的趋势，国内多个城市地铁项目通过使用LCU来简化硬线电路。本文介绍了LCU在江苏某地城轨车辆的使用范围，并通过改进LCU控制逻辑，实现了列车占有硬线电路的全功能替代，保证了司机室占有电路的唯一性及司机室占有供电电路自锁。
关键词：LCU应用 司机室占有 控制逻辑 硬线电路
中图分类号：U231 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0038-03
Research on the Method of Realizing Full Function Replacement of Train Occupied Hard Wire Circuit based on LCU
LIU Xiaopeng
（CRRC Zhuzhou Locomotive Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan Province， 412005 China）
Abstracts： The wires and relay circuits of urban rail transit vehicles have disadvantages such as complicated wiring， high failure rate and complicated later changes. Using LCU to replace wire and relay circuits can effectively solve above problems. The use of LCU in the field of rail transit has become a new trend. Many urban subway projects in China use LCU to simplify wire circuits. This article introduces the scope of LCU in urban rail vehicles in a certain area of Jiangsu. By improving the control logic of LCU， the full-function replacement of the train-occupied wire circuit has been realized， and the uniqueness of the circuit occupied by the driver's cab and the power supply circuit occupied by the driver's cab can be guaranteed lock.
Key Words： LCU application; Train occupancy; Control logic; Wire circuit
随着社会的发展以及车辆智能化提升，乘客对于城市轨道交通车辆的要求已经不仅仅局限于代步，对车辆的安全性、舒适度以及幸福感都提出了更高的需求。为满足乘客的需求，车辆功能逐渐增多，控制电路对车辆的稳定、安全运行起到了关键作用，电路越来越复杂，车辆故障也会随之增多。目前国内城市轨道交通车辆电路主要采用传统的硬线和机械继电器。对环境及寿命有较高要求，可靠性较低。为进一步提升车辆的运营稳定性，采用智能电子无触点的设备来替换传统的继电器及机械触点提高控制电路的可靠性并简化硬线控制电路尤为重要。
1 城轨车辆控制电路现状
LCU（logic control unit 逻辑控制单元）是在轨道交通环境下应用而设计的数字逻辑控制装置。近年来，LCU在城市轨道交通领域的应用已成为新趋势，国内新增的地铁项目中多数采用LCU对传统继电器进行替换，部分项目甚至进行了繼电器的全部替代。此外，LCU的安全认证等级越来越高，使用范围也逐渐从GOA2等级的列车延伸至GOA4等级的全自动驾驶车辆。与传统继电器相比，LCU具有无触点、热备冗余、可进行MVB及以太网通信等特点[1]。
在此之前，城市轨道交通领域主要采用继电器进行电路逻辑设计，每辆列车都会大量使用继电器，数量甚至可达300个以上[2-3]。由于继电器故障引发的列车故障多次出现。LCU技术为城市轨道交通领域带来新的选择[4-6]。经过深圳、广州等地区多个项目的实际应用，LCU的稳定性和可靠性逐渐被各地区地铁公司接受，江苏某地区地铁车辆同样采用LCU对部分继电器进行替换。
2 LCU在江苏某地区城轨车辆应用
2.1 LCU硬件介绍
通常来说LCU硬件分为电源板、网板、主控板和接口板4种[7]。LCU硬件拓扑如图1所示。电源板将列车提供的DC110V隔离转换为LCU设备的DC5V工作电源。本项目中每台LCU具有两块电源板，分别为A组、B组控制系统供电。每块电源板的供电完全独立，分别在远端配置空气断路器。电源板具有过压、过流、滤波、浪涌高压防护功能。三组电源板采用热备方式为通信板（包括MVB通信板、CAN通信板和以太网通信板）供电，任何一组电源板故障不会影响通信板的正常工作。网板根据实际需求可选择MVB、CAN及ETH网板;主控板主要承担数据的汇总、处理、分发和日志记录功能。接口板主要功能为数字量和模拟量输入输出信号的采集、输出、过载保护与电气隔离功能，并提供部分干接点，以满足不同电路设计需求。LCU的硬件可以通过机箱集成以上板卡，根据实际使用需求进行组合，且板卡的数量也可根据实际需求进行不同程度的集成。因此，LCU的适用范围很广 。
2.2 LCU与整车通信
江苏某地某城轨项目的LCU设备内部通过双CAN总线贯通，通过头车的LCU接入TCMS，传输故障和状态信息。
所有的LCU预留以太网接口，可接入以太网维护网。网络拓扑图如图2所示。LCU具备自诊断功能，位于中间车的LCU通过级联CAN总线将故障信息实时发送至司机室LCU，司机室LCU将整列车LCU的故障信息通过MVB通信板发送至TCMS网络。
2.3 江苏某地区某城轨车辆实际继电器替代范围
江苏某地区某城轨车辆LCU使用范围包含指示灯类及功能类，具体如下。
指示灯类：头灯和标志灯控制、解钩、窗加热、所有高速断路器分合、门关好、停放制动缓解和施加的指示灯。
功能类控制：司机室占有、空气制动缓解与施加、窗加热延时关闭、强制人工广播切换、客室照明输入电源冗余、紧急照明、两台充电机故障信号输出、列车连挂好指令输出、牵引允许指令输出、列车占有、半自动末端指令输出。
2.4 LCU实现列车占有自锁电路及控制逻辑
在城轨车辆电路设计中，列车占有代表有一端的司机室成为控制端，此时涉及安全的指令只能由控制端司机室发出。因此，为了车辆安全稳定运行，列车占有应该是唯一的，在一端司机室已经占有的前提下，如果非占有端司机室继续尝试占有，必须进行报警且报警要有声光提醒。
司机室占有往往由硬线电路和继电器进行逻辑控制和实现，具体电路原理图如图3所示。
硬线电路通过列车占有继电器实现占有端的唯一性，即当一端司机室占有后，列车占有继电器得电，常闭触点断开，此时另一端司机室即使通過司控器钥匙进行占有操作也无法实现占有。此外，占有继电器得电回路也实现了供电自锁。
江苏某地区某城轨车辆中占有继电器通过LCU进行了替代并完全实现了硬线控制回路的占有功能，替代后电路原理图如图4所示。
替换后仅保留部分司机室占有继电器用于车辆特定模式或者工况下（紧急牵引等）的应用，其他继电器全部由LCU替代，实际本项目使用中，仅司机室占有继电器便节省了10个。
通过电气原理图可知，当操作司控器钥匙合时，司机室占有信号输出与否主要由LCU通过软件逻辑进行控制。既有项目城轨车辆中常用的LCU逻辑为“列车占有=0||司机室占有=1时输出1”。此时，若司机室占有继电器触点卡分，操作另一端司机室占有时便会出现两端同时占有的现像。为避免此问题，本项目对LCU逻辑进行了创新，更改为“他端司机室占有=0||本端司机室占有=1时输出1”。如此，通过LCU监测点的信息，以及内部软件逻辑判断便可实现司机室占有的唯一性，且同时实现了供电回路的自锁，硬线功能实现了完整的替换。
2.5 列车占有旁路
虽然目前LCU的安全等级已经达到SIL2，但是仍存在故障的可能。因此，为保证车辆的安全运营，在LCU出现严重故障时，驾驶司机可以通过操作LCU旁路来切除LCU，此时LCU将休眠，占有信号不再输出。通过LCU旁路继电器触点实现本断司机室的占有，达到列车占有的目的。
3 结语
LCU目前已经在国内外城轨车辆中普遍应用，本文所提及的无锡某地区某城轨项目通过LCU逻辑控制实现了司机室占有电路的唯一性和供电电路的自锁。LCU的使用为简化电路带来了更多的可能，相信未来会有越来越多的硬线电路被安全等级更高的LCU通过设定更优的逻辑而简化。无人驾驶列车由于控制线路的增多，大大增加列车线路的复杂性，而LCU的使用恰恰可以简化电路，因此，相信LCU在无人驾驶项目的使用也将成为未来几年的趋势。
参考文献
[1] 陈鹏宇.韶山3型4000系电力机车逻辑控制单元的设计与加装改造[D].成都：西南交通大学，2017.
[2] 彭驹，袁浩智，白春光.城轨列车双冗余LCU系统集成技术研究及应用[J].电力机车与城轨车辆，2019（42）：21-24.
[3] 李小庆，吴金贤，李松，等.地铁车辆逻辑控制单元优化设计[J].城市轨道交通，2020（2）：112-115.
[4] 乐建锐，李恒瑞，王莉.LCU在深圳地铁9号线车辆中的应用[J].铁道机车车辆，2018（38）：112-116.
[5] 候文军.深圳地铁列车下一代LCU技术创新方案[J].电力机车与城轨车辆，2019（42）：58-67.
[6] 王云灏.基于LCU的城铁车辆电气控制系统改造设计[D].大连：大连理工大学，2018.
[7] 何晔，袁浩智，彭冬良，等.热备双冗余逻辑控制单元冗余、安全导向及可靠性分析[J].技术与市场，2020（11）：9-13.
