基于LCU控制的地鐵車輛冗余失效故障分析及解決

摘要：針對廣州地鐵某項目基于LCU控制的車輛在應用中出現DIO板卡續流二極管短路導致通道冗余失效的故障，從DIO板卡原理方面進行分析，提出了臨時處理措施及根本處理措施。

關鍵詞：地鐵車輛;邏輯控制單元;DIO板卡;冗余;失效

中圖分類號：U270.38+1? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）03-0056-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.016

0? ? 引言

目前城軌車輛大部分邏輯控制功能都是采用繼電器來實現，而繼電器本身受其機械觸點動作次數及性能的限制，部分動作頻繁的器件容易發生故障，進而影響車輛的正常運營。隨著硬件新技術的發展，采用無觸點可編程邏輯控制單元（LCU）來取代繼電器，可從根本上消除繼電器機械觸點動作次數受限的缺陷。

廣州地鐵某項目基于熱備雙冗余LCU控制的車輛，在運營過程中出現LCU板卡單點故障導致系統冗余功能失效的異常情況。本文結合車輛電路及LCU的DIO板卡原理分析了故障原因，并提出解決方案。

1? ? 故障情況

廣州地鐵某配置熱備雙冗余列車正線運營時，出現LCU紅點，ATO無法動車，LCU自動由B組切換到A組后，列車ATO仍無法啟動。

列車回庫后讀取并分析LCU記錄數據，如圖1所示，數據記錄該車IO5組A板、B板均報OUT47點位有輸出無反饋故障。

其中0x03 0xFC 0xBF轉化為十進制如圖2所示，第一列為輸出指令，第二列為接收到的反饋信號。即OUT47點位應輸出110 V電壓，而板卡的反饋電路檢測到的電壓為0，實際輸出電壓為0。

如圖3所示，根據列車控制電路，ATO啟動電路中的LCU主控輸出觸點OUT47關斷，一直無法有效輸出高電平信號，導致ATO啟動列車線低電平，因此ATO無法啟動。

2? ? 故障原因分析

2.1? ? 熱備雙冗余LCU DIO板卡原理

DIO板卡原理如圖4所示，DIO板卡每路輸入的DC110 V信號經濾波、分壓、光耦隔離后進入CPU，當觸發輸入通道自檢信號后，會進入輸入檢測電路進行通道自檢。CPU輸出的信號，經過磁隔離、輸出驅動、過流保護等電路后輸出到外部，并且每路輸出信號均有輸出反饋檢測，當反饋信號符合輸出診斷規則后進行輸出。

輸入、輸出采用A路、B路熱備雙冗余機制，如圖5所示。每路輸出采用雙開關控制，具備輸入、輸出獨立診斷功能，同時A/B板卡進行相關數據同步，使A/B板卡能夠無縫切換，保證整機的輸入信號采集和輸出信號控制不受單點故障影響[1]。

2.2? ? 故障檢查

LCU的OUT47輸出點位位于LCU的第五組DIO板卡，檢查發現該組板卡的A板與B板同時故障指示燈閃爍。測量發現A板正常，B板二極管D3短路：正向電壓為0 V，正常值應為0.55 V;反向電壓為0 V，正常值應為無窮大。

OUT47的邏輯圖如圖6所示，當司機室主控鑰匙擰到“ON”位時，OUT47點位輸出高電平。鑒于OUT47輸出的續流二極管短路，對OUT47輸出端列車的后級負載進行測量，檢查是否有沖擊電壓導致二極管故障。

選取故障車與一列良好車進行對比。將示波器的采樣間隔調整為200 μs，設置觸發電壓為130 V時，多次開/關主控鑰匙，示波器均無波形顯示，即開/關主控鑰匙后OUT47的瞬間沖擊電壓不超過130 V。經多次測量發現，故障車OUT47輸出的電壓均平穩，為118～125 V，與良好車一致。

通過對OUT47輸出端列車的后級負載進行測量，可排除列車后級負載存在沖擊電壓導致二極管故障的可能。

2.3? ? 原因分析

雙冗余LCU的DIO板的A板、B板內部輸出電路并聯后通過同一個點位輸出到列車外部回路，如圖7所示。本次故障中IO5組B板的OUT47點位續流二極管短路導致輸出對地短路，A板內部輸出電路與B板輸出并聯后，A板的OUT47點位輸出同時對地短路。

3? ? 解決方案

針對A板、B板任一板塊的續流二極管輸出短路則兩塊板同時故障，無法實現冗余功能的問題，有以下處理措施。

3.1? ? 臨時處理措施

針對DIO板卡續流二極管失效故障，現場開展普查，對續流二極管參數質量進行檢測，將性能參數已經降低的二極管排查出來，降低二極管短路失效概率。

檢測方法為采用萬用表測試二極管壓降參數，測量正向壓降參數偏差超過基準值0.05 V的二極管判定為參數偏移不良，參數范圍為0.5～0.6 V;測量反向壓降參數萬用表讀數應為“OL”（無窮大）?？紤]到二極管器件參數的離散性，且不同萬用表測量存在偏差，基準值取同一萬用表測試功能正常的單板上的10個續流二極管參數的平均值。

3.2? ? 根本處理措施

原DIO板輸出續流二極管設計如圖7所示，單板續流二極管短路失效，會導致DIO板A/B輸出通道均短路保護，進而無輸出。因此，對DIO板進行升級改造，輸出續流回路電路如圖8所示。

優化設計如下：

（1）DIO板輸出續流二極管D3挪放在輸出二極管D2前級。

當DIO A板D3單點短路失效時，D2二極管起到隔離作用，保證輸出冗余支路之間不會相互影響，不會造成DIO B板輸出通道短路保護。因此，DIO A板輸出通道短路保護后切換到DIO B板工作，不會導致DIO A板和DIO B板冗余通道無輸出。

（2）在續流二極管下方串聯100 kΩ限流電阻R1。

通過100 kΩ限流電阻保證二極管出現對DC110 V_GND短路后，不會導致MOS管直接對DC110 V_GND短路。

（3）DIO板電源輸入串入二極管D4。

LCU設備裝配過程中可能出現輸入電源DC110 V正負極接反的情況，導致其通過續流二極管D3、MOS管Q1形成短路，對續流二極管和MOS管元器件、PCB板等造成損傷。故在輸入電源正極串入防反二極管D4，避免輸入DC110 V電源接反通過續流二極管形成短路。

4? ? 結語

采用無觸點可編程邏輯控制單元（LCU）來取代繼電器的控制電路正逐漸成為行業的主流。本文結合典型的實際案例，分析了因設計缺陷導致熱備雙冗余LCU中A板、B板任一板塊的續流二極管輸出短路，造成兩塊板同時故障的問題，在采取了相關措施后，實現了LCU冗余功能，可為該新型技術在地鐵列車中的應用提供一定借鑒。

[參考文獻]

[1] 中車株洲電力機車有限公司.廣州地鐵二十一號線無觸點可編程邏輯控制單元LCU技術設計方案[Z]，2018.

收稿日期：2021-10-29

作者簡介：鄭少彬（1989—），男，廣東汕頭人，城市軌道交通機車車輛工程師，研究方向：城市軌道交通機車車輛。