罗庆
广州地铁集团
摘 要：为了提高地铁列车逻辑控制电路的灵活性和智能化程度，设计了一种采用三取二控制策略的逻辑控制单元，在输入采集、逻辑计算和输出驱动三个环节分别采用三取二表决方法，且每组板卡采用独立供电，提高了LCU输出的准确性和容错性。将该LCU代替部分继电器应用于城轨地铁列车上，为地铁列车的安全运行提供保障。
关键词：逻辑控制单元、LCU、三取二
0 引言
随着网络信息、智能监测等技术的不断发展，轨道交通领域对车载设备的安全性、可靠性、网络化、智能化的要求越来越高[1]。地铁列车的控制电路中存在大量的中间继电器、时间继电器等，由继电器构成的逻辑控制电路存在下列缺点：
1、继电器在长期工作过程中，因电弧烧蚀等原因造成触头接触面凹凸不平甚至触点粘连，导致控制电路失效[2]。
2、电路中的“与”控制逻辑一般通过继电器触点的级联实现，任一继电器故障均导致该逻辑失效[3]。
3、车辆上大量继电器线圈频繁得电失电，造成电磁污染[4]。
4、更改控制逻辑时，需要增加或减少继电器触点或者改变接线，控制电路的灵活性较差[5]。
5、继电器使用量大，且需要定期更换，成本较高。
逻辑控制单元（LCU，Logic Control Unit）用微机及IO电路取代原有继电器电路[6]，通过采集车辆数字量信号并接收通信指令，进行逻辑运算后将控制指令输出，有效避免上述继电器控制电路的缺点。因此在城轨地铁列车上，用LCU取代部分继电器，控制和驱动车辆相关控制回路、低压开关器件、微机单元等，有效提高地铁列车控制电路的可靠性，降低故障率。
1 LCU板卡配置
LCU采用插件式板卡设计，板卡配置如图1所示，板卡类型有电源板、MVB板、ETU板、主控板、DIO板和接口板。各类型板卡功能如下：
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2 LCU控制策略
LCU采用三冗余板卡（电源板、主控板和IO板）架构。在输入采集、逻辑计算和输出驱动三个环节分别采用三取二控制，包含三组（以下简称A组、B组、C组）功能相同的控制系统。三取二控制策略如图2所示：
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（1）输入环节
三个输入模块同步、独立采集同一输入信号，对输入结果进行三取二表决，表决结果运用到处理模块。输入表决策略如表1所示。
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（2）逻辑计算环节
三个处理模块同步、独立进行逻辑梯形图运算，运算结果进行三取二表决，表决结果用于输出模块进行驱动控制。逻辑计算表决策略如表2所示。
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（3）输出环节
三个输出模块同步、独立进行输出，输出采用硬件三取二表决电路，电路逻辑示意图如图3所示。输出硬件三取二表决电路：输出模块A控制MOS管A1和A2；输出模块B控制MOS管B1和B2；输出模块C控制MOS管C1和C2。通过背板绕接，A1和B2串接形成输出支路1，B1和C2串接形成输出支路2，C1和A2串接形成输出支路3，输出支路1、2、3并接，输出等效表达式为：OUT=A1*B2+B1*C2+C1*A2，仅当至少存在两个MOS管闭合时输出通道导通。
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3 供电方案
LCU供电方案如图4所示，每套LCU配置三块电源板（A/B/C），分别提供工作电源给机箱内A组、B组和C组板卡（主控板、DIO板）。MVB板和ETU板和同时从电源板A/B/C取得工作电源。A组、B组和C组主控板和DIO板分别从三块电源板得电。三块电源板的输入相互完全独立，每块电源板卡设置独立的电源断路器。
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4 城轨地铁项目典型LCU配置方案
国内城轨地铁项目普遍采用6节编组列车，编组型式为四动两拖。整车网络拓扑结构如图5所示。头尾车各配置一台LCU，两台LCU之间功能相互独立，实现各自逻辑控制功能。LCU通过MVB与TCMS网络进行数据交互。每台LCU包含一个以太网接口（ETH），可接入列车以太网，实现LCU数据集中下载和维护功能。
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5 优点
（1）LCU工作时，A组、B组、C组控制系统均正常工作。当某一组控制系统的某一个功能模块发生故障（包括供电故障、生命信号丢失、输出故障、输入故障等）时，故障功能模块自动隔离。
（2）LCU控制模块之间采用双CAN总线进行通信，通讯连接通过背板实现。当某一路CAN总线发生故障时，LCU仍能正常工作。
（3）LCU采用光电隔离的开关量信号输入采集电路，具备抗干扰能力，能准确、快速的接收输入电信号指令。
（4）LCU采用电磁隔离的MOSFET开关量信号输出电路，具有短路保护功能。
（5）当某路负载出现短路时，LCU可自动将该路输出断开，同时控制模块或插件能对自身的工作状态进行检测，当出现异常时能通过LED闪烁等手段进行提示；只有输出触发条件再次重新建立，LCU才会恢复输出，此时，如负载已从短路状态恢复，LCU将正常输出。
（6）LCU能记录所有输入输出通道变量，记录的变量能存储至少15天，并能通过USB或以太网维护端口进行下载分析。
（7）同等功能板卡之间可互换；不同机箱可进行互换，仅需更换机箱ID编码连接器。
6 结语
本文将三取二控制策略应用于逻辑控制单元，在输入采集、逻辑计算和输出驱动三个环节分别采用三取二表决，有效提高LCU的准确性、冗余性和容错性。LCU的应用实现了地铁列车的逻辑控制功能，有效避免继电器电路中触点粘连、单点故障造成控制逻辑失效，以及电路电磁干扰严重、成本高等缺点，提高了地铁列车逻辑电路的灵活性，为地铁列车的安全运行提供保障。
参考文献
[1] 刘洋，袁浩智，彭冬良，沈朝喜，汪婷。一种冗余诊断式逻辑控制单元在地铁中的应用研究 [J]. 创新与实践，2018年第25卷第12期：5-8.
[2] 郑云富。基于热备冗余控制的地铁车辆逻辑控制单元应用研究 [J]. 现代城市轨道交通，2019年2月：5-9.
[3] 王肃伏。地铁车辆无触点逻辑控制单元的研制[J]. 城市轨道交通，2014年8月：109-112.
[4] 朱明亮。逻辑控制单元技术在深圳地铁9号线列车上的应用 [J]. 铁道车辆，2017年第55卷第4期：18-21.
[5] 吕强。地铁列车LCU系统技术发展与应用[J]. 科技创新导报，2016年第28期：1-2.
[6] 吴正平，郭锐。DF8B型机车逻辑控制单元设计[J]. 机车电传动，2005年第5期：23-24.