城轨车辆LCU调试故障问题及解决方案分析

文/陈远生

1 前言

当前城轨车辆行业中，由于有触点电路诸多弊端的暴露，广泛应用无触点逻辑控制技术已成为主流趋势，利用无触点逻辑控制单元（LCU）取代传统的中间、时间继电器等触点元件电路完成车辆各种控制功能，实现逻辑控制智能化、网络化、信息化，利用软件实现逻辑定制、故障诊断、运行记录、热备冗余，通过容错技术切实提高电路和器件可靠性，降低列车运行故障和风险，提高运营保障能力。

传统的继电器有触点硬接线控制电路，控制回路中采用继电器级连式实现“与”“或”等逻辑，其原理和结构都比较简单，在车辆调试过程中对故障的分析判断与排查方法也相对简单。随着无触点逻辑控制电路的变化，车辆调试过程中，故障类型、故障分析判断及处理方法相应发生变化[1]。

2 LCU 系统结构介绍

LCU 是专门为在轨道交通环境下应用而设计的数字逻辑控制装置。LCU 装置采用热冗余模块化设计，主要由IO 控制器、主控制器和网络控制器构成。它采集司机控制器、按键开关组、隔离开关、接触器辅助触点等DC110 V 的信号，经逻辑计算后，输出驱动车辆各类负载，完成指定的时序控制功能。

目前，城轨车辆LCU 一般由PWR 电源板、MVB网卡板、ETH 网卡板、MCU 主控板、DIO 输入输出板、GIO 输入输出干接点板以及接线板7 种板卡组成，通过内部CAN 网络组合形成一体模块，其冗余设计保证LCU 系统数据的正常交互，如图1 所示。其中，部分车的LCU 承担MVB 通信功能，将整车LCU 工作状态上报至TCMS 网络。

图1 机箱内部网络拓扑图

3 LCU 常见故障问题及处理方法

在车辆LCU 调试过程中遇到故障时，应观察现场故障现象、LCU 设备情况，查阅HMI 主界面中TCMS上传的事件、故障履历等因素，结合电气设备工作原理、电路设计原理及LCU 软件逻辑条件综合分析判断，精确定位到具体故障点，采取相应的故障处理办法。在城轨车辆LCU 调试过程中出现的故障类型总共可分别LCU 内部因素、外部因素两大类型，以下分别对这两大类型进行阐述解析[2]。

3.1 LCU 内部因素故障

3.1.1 LCU 硬件设备故障

LCU 硬件设备导致的故障主要表现为板块损坏、机箱损坏，具体见表1。当发现板块电源板块PWR 灯不亮，而测量电源插头有电时，可判断电源板块损坏；当发现各板块ACT 灯不亮或者FLT 指示灯常亮或闪烁，可判断板块损坏；当HMI 故障信息提示CAN 网关板内网CAN1/2 故障、主控板A/B 背板can1/2 故障，可判断为板卡损坏；当出现以上两种现象或者单个现象在板卡替换后故障仍存在，可判断为机箱损坏。

表1 LCU 硬件设备故障处理对策

3.1.2 LCU 内部软件故障

LCU 内部软件逻辑程序导致的故障主要表现为软件程序错误引起的功能异常或功能无法实现。具体如下所述：

LCU 内部程序中参与逻辑运算的输入点错误，导致在满足该条件下输出点无电源输出；LCU 内部程序未写输出点或输出点错误，导致满足相应条件下该输出通道无电源；LCU 程序未做相应逻辑，导致功能无法实现；LCU 逻辑错误，导致功能异常无法实现。

例如：在车辆调试过程中，发现操作停放制动旁路时，所有制动缓解灯会亮，属于功能异常。分析车辆所有制动缓解电气原理图见图2，所有制动缓解灯由LCU 的A15=48-A101∶X3-B4 输出点控制，根据LCU点位功能描述，分析该点位的逻辑条件清单及LCU 逻辑程序梯形图，发现该逻辑存在错误为采用所有停放制动缓解和其旁路的信号作为逻辑运算条件导致[3]。

图2 所有制动缓解电路图

对于LCU 内部软件逻辑故障，我们需要根据相关电气原理图、各系统功能，结合LCU 功能描述的逻辑条件或程序，进一步分析软件程序中的故障点，从而寻找相应的处理方案。

3.2 LCU 外部因素导致的故障

3.2.1 外部接线故障

外部接线导致的故障主要表现为接线错误、阻值错误、插头未紧固。当HMI 故障信息提示CAN 网关板CAN1/2 故障，可判断CAN 网络线接线错误或CAN 网络阻值错误，需检查接线及can 插头阻值情况；当LCU 输入灯不亮而测量输入插头有电源或输出点位灯亮时，下一级无电源输出，可判断为插头未紧固到位。

3.2.2 电路设计故障

LCU 的输出通道主要由有源输出通道的DIO 板和无源输出通道的GIO 板构成，LCU 无源输出通道只提供开关量控制类似于继电器的触点，而有源输出通道不但为相应回路提供开关控制，还直接输出电源。在满足条件下的情况下，LCU 有源输出通道即输出电源，如果电路设计中存在输入与LCU 的输出形成回路情况，在满足LCU输出条件下，回路将自锁导致故障。

如下图3 所示，在操作大旁路并给出牵引指令后，大旁路常开触点闭合后，由LCU 控制输出的停放制动缓解信号的输入与输出形成自锁回路，输出端持续输出110V 信号，导致将牵引手柄回零后列车一直有牵引指令。

图3 停放制动缓解信号的输入与输出形成自锁原理图

针对以上故障分析在形成自锁的牵引指令回路，大旁路继电器触点前级加正向二极管，使电路无法反向导通，从而无法实现自锁。相比传统继电器，LCU属于有源设备，LCU 输出在满足逻辑条件的情况下，即会有输出。因此，在电路设计设计时，我们应着重考虑这一方面无源触点和回路电路的处理，避免导致产生安全隐患。

4 对LCU 后续的应用建议

4.1 插针检测故障诊断逻辑

随着LCU 在城轨车辆中广泛应用，LCU 设备中插头与插针的连接质量和可靠性显得尤为重要。插针故障将导致列车逻辑错误、功能异常，对行车安全造成严重影响。在城轨车辆中，LCU 逻辑程序采用了大量电源输入采集点参与逻辑运算，增加各个插头的电源采集点故障诊断逻辑，即可实时检测插针的连接质量，同时还能检测对应电源空开的情况。

4.2 电源插头防差错设计

在车辆调试过程中，由于LCU 电源插头设计问题，已发生多起电源插头装反导致整个LCU 机箱中的DIO 板卡全部烧坏的现象，存在较大的安全隐患。增加电源插头防插错设计，可有效避免人为误操作造成的安全事故，提升产品质量。

4.3 IO 板卡的保护逻辑设计

由于IO 板卡的冗余设计，背板通道并联，每块IO板输出通道在正常情况下是互相联通的回路，建议厂家在每块IO 板输出通道设计增加隔离二极管，使得在输出回路短路或通道模块有短路的情况下不会影响另一个通道的正常输出；同时，在外部负载短路的情况，LCU 的输出通道均可以进行有效的自我防护，不至于发生次生危害。

4.4 功能失效情况下的外部电路保护设计

在LCU 功能失效的情况下，由于其取代了传统的触点元件电路完成车辆各种控制功能，存在车辆无法正常运营的风险，所以在使用LCU 技术的同时，我们需要考虑设计相应的外部回路，以对其功能失效的部分功能进行保护。当LCU 出现冗余板卡失效，导致控制系统部分功能失效时，建议利用旁路开关对其失效功能进行旁路；当LCU 出现严重故障，导致LCU 整机功能失效时，建议通过启用大旁路功能来切断LCU控制，从而确保城轨列车的紧急牵引、紧急制动、开门等功能正常；紧急回路的蘑菇按钮应设计置于LCU输出端之后，以确保无论LCU 处于任何工况下，列车紧急制动功能有效。

5 结语

LCU 逻辑控制单元取代了传统继电器构成的有接点逻辑控制电路是城轨车辆发展的主流趋势，LCU将是整个控制系统的核心部件之一，它不仅实现车辆逻辑控制，还通过TCMS 实现LCU 与HMI 的通信、自诊断功能。了解LCU 控制逻辑单元的故障原因和处理方法，在故障产生时，便于在运用中发现并及时解决问题，保障车辆的安全运行。