基于LCU控制的地铁车辆冗余失效故障分析及解决

摘要：针对广州地铁某项目基于LCU控制的车辆在应用中出现DIO板卡续流二极管短路导致通道冗余失效的故障，从DIO板卡原理方面进行分析，提出了临时处理措施及根本处理措施。

关键词：地铁车辆;逻辑控制单元;DIO板卡;冗余;失效

中图分类号：U270.38+1  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）03-0056-03

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

0    引言

目前城轨车辆大部分逻辑控制功能都是采用继电器来实现，而继电器本身受其机械触点动作次数及性能的限制，部分动作频繁的器件容易发生故障，进而影响车辆的正常运营。随着硬件新技术的发展，采用无触点可编程逻辑控制单元（LCU）来取代继电器，可从根本上消除继电器机械触点动作次数受限的缺陷。

广州地铁某项目基于热备双冗余LCU控制的车辆，在运营过程中出现LCU板卡单点故障导致系统冗余功能失效的异常情况。本文结合车辆电路及LCU的DIO板卡原理分析了故障原因，并提出解决方案。

1    故障情况

广州地铁某配置热备双冗余列车正线运营时，出现LCU红点，ATO无法动车，LCU自动由B组切换到A组后，列车ATO仍无法启动。

列车回库后读取并分析LCU记录数据，如图1所示，数据记录该车IO5组A板、B板均报OUT47点位有输出无反馈故障。

其中0x03 0xFC 0xBF转化为十进制如图2所示，第一列为输出指令，第二列为接收到的反馈信号。即OUT47点位应输出110 V电压，而板卡的反馈电路检测到的电压为0，实际输出电压为0。

如图3所示，根据列车控制电路，ATO启动电路中的LCU主控输出触点OUT47关断，一直无法有效输出高电平信号，导致ATO启动列车线低电平，因此ATO无法启动。

2    故障原因分析

2.1    热备双冗余LCU DIO板卡原理

DIO板卡原理如图4所示，DIO板卡每路输入的DC110 V信号经滤波、分压、光耦隔离后进入CPU，当触发输入通道自检信号后，会进入输入检测电路进行通道自检。CPU输出的信号，经过磁隔离、输出驱动、过流保护等电路后输出到外部，并且每路输出信号均有输出反馈检测，当反馈信号符合输出诊断规则后进行输出。

输入、输出采用A路、B路热备双冗余机制，如图5所示。每路输出采用双开关控制，具备输入、输出独立诊断功能，同时A/B板卡进行相关数据同步，使A/B板卡能够无缝切换，保证整机的输入信号采集和输出信号控制不受单点故障影响[1]。

2.2    故障检查

LCU的OUT47输出点位位于LCU的第五组DIO板卡，检查发现该组板卡的A板与B板同时故障指示灯闪烁。测量发现A板正常，B板二极管D3短路：正向电压为0 V，正常值应为0.55 V;反向电压为0 V，正常值应为无穷大。

OUT47的逻辑图如图6所示，当司机室主控钥匙拧到“ON”位时，OUT47点位输出高电平。鉴于OUT47输出的续流二极管短路，对OUT47输出端列车的后级负载进行测量，检查是否有冲击电压导致二极管故障。

选取故障车与一列良好车进行对比。将示波器的采样间隔调整为200 μs，设置触发电压为130 V时，多次开/关主控钥匙，示波器均无波形显示，即开/关主控钥匙后OUT47的瞬间冲击电压不超过130 V。经多次测量发现，故障车OUT47输出的电压均平稳，为118～125 V，与良好车一致。

通过对OUT47输出端列车的后级负载进行测量，可排除列车后级负载存在冲击电压导致二极管故障的可能。

2.3    原因分析

双冗余LCU的DIO板的A板、B板内部输出电路并联后通过同一个点位输出到列车外部回路，如图7所示。本次故障中IO5组B板的OUT47点位续流二极管短路导致输出对地短路，A板内部输出电路与B板输出并联后，A板的OUT47点位输出同时对地短路。

3    解决方案

针对A板、B板任一板块的续流二极管输出短路则两块板同时故障，无法实现冗余功能的问题，有以下处理措施。

3.1    临时处理措施

针对DIO板卡续流二极管失效故障，现场开展普查，对续流二极管参数质量进行检测，将性能参数已经降低的二极管排查出来，降低二极管短路失效概率。

检测方法为采用万用表测试二极管压降参数，测量正向压降参数偏差超过基准值0.05 V的二极管判定为参数偏移不良，参数范围为0.5～0.6 V;测量反向压降参数万用表读数应为“OL”（无穷大）。考虑到二极管器件参数的离散性，且不同万用表测量存在偏差，基准值取同一万用表测试功能正常的单板上的10个续流二极管参数的平均值。

3.2    根本处理措施

原DIO板输出续流二极管设计如图7所示，单板续流二极管短路失效，会导致DIO板A/B输出通道均短路保护，进而无输出。因此，对DIO板进行升级改造，输出续流回路电路如图8所示。

优化设计如下：

（1）DIO板输出续流二极管D3挪放在输出二极管D2前级。

当DIO A板D3单点短路失效时，D2二极管起到隔离作用，保证输出冗余支路之间不会相互影响，不会造成DIO B板输出通道短路保护。因此，DIO A板输出通道短路保护后切換到DIO B板工作，不会导致DIO A板和DIO B板冗余通道无输出。

（2）在续流二极管下方串联100 kΩ限流电阻R1。

通过100 kΩ限流电阻保证二极管出现对DC110 V_GND短路后，不会导致MOS管直接对DC110 V_GND短路。

（3）DIO板电源输入串入二极管D4。

LCU设备装配过程中可能出现输入电源DC110 V正负极接反的情况，导致其通过续流二极管D3、MOS管Q1形成短路，对续流二极管和MOS管元器件、PCB板等造成损伤。故在输入电源正极串入防反二极管D4，避免输入DC110 V电源接反通过续流二极管形成短路。

4    结语

采用无触点可编程逻辑控制单元（LCU）来取代继电器的控制电路正逐渐成为行业的主流。本文结合典型的实际案例，分析了因设计缺陷导致热备双冗余LCU中A板、B板任一板块的续流二极管输出短路，造成两块板同时故障的问题，在采取了相关措施后，实现了LCU冗余功能，可为该新型技术在地铁列车中的应用提供一定借鉴。

[参考文献]

[1] 中车株洲电力机车有限公司.广州地铁二十一号线无触点可编程逻辑控制单元LCU技术设计方案[Z]，2018.

收稿日期：2021-10-29

作者简介：郑少彬（1989—），男，广东汕头人，城市轨道交通机车车辆工程师，研究方向：城市轨道交通机车车辆。