南昌地铁 4 号线项目LCU 设置复拉机制的方案评估

南昌地铁 4 号线项目LCU 设置复拉机制的方案评估

杨悫 王伟 刘勇

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林省 长春市 130062

一、概述

针对南昌地铁4号线项目0443车出现的车门状态丢失的问题，因故障原因暂未查明，为防止后续同类故障再次发生，南昌地铁业主提出了LCU板卡需要设置故障复拉机制。

二、故障分析

LCU输出通道封锁的原因有以下几点：

线路短路：由于线缆破损、虚接或者接线位出现毛刺对地；负载短路对地；

线路存在容性负载或者线路附近存在高压强信号干扰，或者环路周围有高功率器件的启停干扰等因素。

针对第1点：因为 0443 车发生故障清客回库后，故障消失。车辆进行了线路排查，没有发现电缆破损或虚接、毛刺现象，也没有发现负载短路接地的问题。因此排除了车辆线路发生短路等真实故障造成的 LCU 输出封锁。

针对第 2 点：为了提高车辆的可用性，如果线路附近存在高压强信号干扰，影响了LCU的正常功能。一旦干扰信号削弱或消失，通过复拉检测，恢复 LCU的正常功能。

三、复拉机制风险评估

3.1复拉机制技术方案

自动复位即输出重新打开，以下简称复拉。

复拉过程中，若控制命令为“0”时则不进行复拉；当控制命令恢复为“1”时，继续进行复拉操作。若控制命令为“1”时，则对其进行如下操作：

1）当干扰造成封锁故障发生后，会对输出通道进行复拉，复拉3次（暂定3次）成功后，上报输出保护信息，正常输出后故障消除；

2）输出和反馈与预期相符，则认为输出通道正常。

3.2风险评估

输出故障后要求输出重新打开（复拉）的风险评估。控制命令为“1”时：

如果该路通道控制命令为“1”时，同时发生输出因过流触发安全导向输出故障，采用输出复拉的机制，仅可应对负载瞬态过流（5A 过流保护、10A@100mS、20A@1mS、80A@100uS 以下阈值）的情况，但以下情况仍会存在较大风险:

1）负载过流（或短路）持续存在时，会引起负载烧毁或LCU输出通道器件烧毁，输出回路失效模式为短路或开路两种，且开路、短路状态不可控，一旦失效模式为短路，则可能导致负载损坏；

2）负载过流（或短路）瞬态能量超出设计值时，也会引起负载烧毁或LCU输出通道器件烧毁，输出回路失效模式若为短路，则极有可能导致负载损坏，甚至扩大影响，且复拉无法解决问题；

3）按照需求更改后的安全导向机制，需要反复打开输出，并多次确认将影响输出响应时间，降低了故障发生时即刻导向安全的实时性，引起产品SIL4安全等级降级。

四、评估后的结论及建议

4.1 车辆排查及测试

2022 年 6 月 8 日已查明故障原因是由于车门行程开关接线破皮放电，导致LCU 输出通道触发过流保护关断输出。是一个真实故障，而并非由于干扰造成。

同时，中车长客在车辆上进行静、动态的干扰测试，在空调启动瞬间或是空压机启动瞬间及过程中，进行开关门测试，环路上均没有干扰电流（十分微弱，满足 LCU 工作状态，可忽略），波形较为稳定。在试验线进行的动态测试，车辆在牵引和制动过程中，门关好环路电流和电压均没有任何波动，可以排除高压或强电设备启动对其造成的干扰。

4.2 结论

基于以上电路的排查及调研，且从装配完成到运行至今，LCU并没有发生过因干扰造成的封锁故障，且车辆的电磁兼容和抗干扰试验是合格的。因此中车长客认为，车辆的EMC满足标准要求，LCU的抗干扰能力也是满足要求的。因此没有必要增加复拉机制来解决因干扰造成的封锁故障，以便提高车辆的可用性。一旦采用了复拉设计，那么该功能仅会启用在短路故障导致的封锁，不但无法解决短路故障且还会带来次生风险。

南昌地铁4号线项目LCU替代了约60%的继电器，全部输入输出板卡采用的是2乘2取 2的 VIO 板卡，就是为了保证其 SIL4 的安全等级。从车辆安全角度考虑，LCU替代了大量的继电器，因更改造成的隐形风险不可估量，且降低了 LCU的安全等级，是降低了车辆整车的可靠性的。

中车长客设计的带有 LCU 功能的所有项目，如上海 15、深圳 14&20、西安5&14&16、兰州 2、厦门 3、天津 6、广州 2&3 等；无论采用热备双冗余、三取二、二乘二取二平台以及车辆是否为全自动驾驶，为确保产品的安全性，遵循故障导向安全机制，均未在车辆设计中采用输出通道复拉机制。同时任意 LCU 供应商在行业内也未采用过复拉机制。

综上所述，基于已经找到故障的根本原因及经过的测评外部干扰结果。认为增加复拉机制，违背产品安全导向机制，有极大造成烧损负载和LCU板卡的风险。中车长客不建议继续进行复拉机制的设计开展。

4.3 建议

中车长客建议后续运营中采用 LCU 的应急处置流程，即在 HMI上观察 LCU 故障等级，确定为中等故障或严重故障时，采用取消司机室激活或者断电复位 LCU/A/B 组板卡供电的方式对其进行复位一次，用以判断是否为死故障。

如果可以恢复则继续行车，如果无法恢复，则不要再重复 LCU 应急处置流程，避免扩大故障和风险。

参考文献：

[1]谢志平.地铁车辆的LCU应用及旁路设计[J].机电工程技术,2019.

[2]钟铨.广佛地铁增购车二乘二取二LCU技术应用于分析[J].铁道机车车辆,2019.

[3]仲崇权，于诗节.基于IEC61131-3标准的可编程控制器的研究与实现[J].工业控制计算机,2010.

[4]顾阳，王家钜.无锡地铁1号线电客车LCU改造全寿命周期分析[J].今日制造与升级,2022.

[5]韦忠潮，朱伟健.地铁车辆逻辑控制单元可靠性分析[J].时代汽车,2023.