基于Lcu控制的地鐵車輛冗余失效故障分析及解決

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(shí)現(xiàn),而繼電器本身受其機(jī)械觸點(diǎn)動(dòng)作次數(shù)及性能的限制,部分動(dòng)作頻繁的器件容易發(fā)生故障,進(jìn)而影響車輛的正常運(yùn)營(yíng)。隨著硬件新技術(shù)的發(fā)展,采用無觸點(diǎn)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(jī)械觸點(diǎn)動(dòng)作次數(shù)受限的缺陷。

廣州地鐵某項(xiàng)目基于熱備雙冗余LCU控制的車輛,在運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)LCU板卡單點(diǎn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)冗余功能失效的異常情況。本文結(jié)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(yùn)營(yíng)時(shí),出現(xiàn)LCU紅點(diǎn),ATo無法動(dòng)車,LCU自動(dòng)由B組切換到A組后,列車ATo仍無法啟動(dòng)。

列車回庫后讀取并分析LCU記錄數(shù)據(jù),如圖1所示,數(shù)據(jù)記錄該車Io5組A板、B板均報(bào)oUT47點(diǎn)位有輸出無反饋故障。

其中0x030xFC0xBF轉(zhuǎn)化為十進(jìn)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(hào)。即oUT47點(diǎn)位應(yīng)輸出110V電壓,而板卡的反饋電路檢測(cè)到的電壓為0,實(shí)際輸出電壓為0。

如圖3所示,根據(jù)列車控制電路,ATo啟動(dòng)電路中的LCU主控輸出觸點(diǎn)oUT47關(guān)斷,一直無法有效輸出高電平信號(hào),導(dǎo)致ATo啟動(dòng)列車線低電平,因此ATo無法啟動(dòng)。

2故障原因分析

2.1熱備雙冗余LCuD1o板卡原理

DIO板卡原理如圖4所示,DIO板卡每路輸入的DC110V信號(hào)經(jīng)濾波、分壓、光耦隔離后進(jìn)入CPU,當(dāng)觸發(fā)輸入通道自檢信號(hào)后,會(huì)進(jìn)入輸入檢測(cè)電路進(jìn)行通道自檢。CPU輸出的信號(hào),經(jīng)過磁隔離、輸出驅(qū)動(dòng)、過流保

護(hù)等電路后輸出到外部,并且每路輸出信號(hào)均有輸出反饋檢測(cè),當(dāng)反饋信號(hào)符合輸出診斷規(guī)則后進(jìn)行輸出。

輸入、輸出采用A路、B路熱備雙冗余機(jī)制,如圖5所示。每路輸出采用雙開關(guān)控制,具備輸入、輸出獨(dú)立診斷功能,同時(shí)A/B板卡進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)同步,使A/B板卡能夠無縫切換,保證整機(jī)的輸入信號(hào)采集和輸出信號(hào)控制不受單點(diǎn)故障影響。

2.2故障檢查

LCU的oUT47輸出點(diǎn)位位于LCU的第五組DIO板卡,檢查發(fā)現(xiàn)該組板卡的A板與B板同時(shí)故障指示燈閃爍。測(cè)量發(fā)現(xiàn)A板正常,B板二極管D3短路:正向電壓為0V,正常值應(yīng)為0.55V:反向電壓為0V,正常值應(yīng)為無窮大。

oUT47的邏輯圖如圖6所示,當(dāng)司機(jī)室主控鑰匙擰到"oN"位時(shí),oUT47點(diǎn)位輸出高電平。鑒于oUT47輸出的續(xù)流二極管短路,對(duì)oUT47輸出端列車的后級(jí)負(fù)載進(jìn)行測(cè)量,檢查是否有沖擊電壓導(dǎo)致二極管故障。

選取故障車與一列良好車進(jìn)行對(duì)比。將示波器的采樣間隔調(diào)整為200us,設(shè)置觸發(fā)電壓為130V時(shí),多次開/關(guān)主控鑰匙,示波器均無波形顯示,即開/關(guān)主控鑰匙后oUT47的瞬間沖擊電壓不超過130V。經(jīng)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn),故障車oUT47輸出的電壓均平穩(wěn),為118～125V,與良好車一致。

通過對(duì)oUT47輸出端列車的后級(jí)負(fù)載進(jìn)行測(cè)量,可排除列車后級(jí)負(fù)載存在沖擊電壓導(dǎo)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(nèi)部輸出電路并聯(lián)后通過同一個(gè)點(diǎn)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(diǎn)位續(xù)流二極管短路導(dǎo)致輸出對(duì)地短路,A板內(nèi)部輸出電路與B板輸出并聯(lián)后,A板的oUT47點(diǎn)位輸出同時(shí)對(duì)地短路。

3解決方案

針對(duì)A板、B板任一板塊的續(xù)流二極管輸出短路則兩塊板同時(shí)故障,無法實(shí)現(xiàn)冗余功能的問題,有以下處理措施。

3.1臨時(shí)處理措施

針對(duì)DIO板卡續(xù)流二極管失效故障,現(xiàn)場(chǎng)開展普查,對(duì)續(xù)流二極管參數(shù)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),將性能參數(shù)已經(jīng)降低的二極管排查出來,降低二極管短路失效概率。

檢測(cè)方法為采用萬用表測(cè)試二極管壓降參數(shù),測(cè)量正向壓降參數(shù)偏差超過基準(zhǔn)值0.05V的二極管判定為參數(shù)偏移不良,參數(shù)范圍為0.5～0.6V:測(cè)量反向壓降參數(shù)萬用表讀數(shù)應(yīng)為"oL"(無窮大）。考慮到二極管器件參數(shù)的離散性,且不同萬用表測(cè)量存在偏差,基準(zhǔn)值取同一萬用表測(cè)試功能正常的單板上的10個(gè)續(xù)流二極管參數(shù)的平均值。

3.2根本處理措施

原DIO板輸出續(xù)流二極管設(shè)計(jì)如圖7所示,單板續(xù)流二極管短路失效,會(huì)導(dǎo)致DIO板A/B輸出通道均短路保護(hù),進(jìn)而無輸出。因此,對(duì)DIO板進(jìn)行升級(jí)改造,輸出續(xù)流回路電路如圖8所示。

優(yōu)化設(shè)計(jì)如下:

(1）DIO板輸出續(xù)流二極管D3挪放在輸出二極管D2前級(jí)。

當(dāng)DIOA板D3單點(diǎn)短路失效時(shí),D2二極管起到隔離作用,保證輸出冗余支路之間不會(huì)相互影響,不會(huì)造成DIOB板輸出通道短路保護(hù)。因此,DIOA板輸出通道短路保護(hù)后切換到DIOB板工作,不會(huì)導(dǎo)致DIOA板和DIOB板冗余通道無輸出。

(2）在續(xù)流二極管下方串聯(lián)100kQ限流電阻R1。

通過100kQ限流電阻保證二極管出現(xiàn)對(duì)DC110VGND短路后,不會(huì)導(dǎo)致MoS管直接對(duì)DC110VGND短路。

(3）DIO板電源輸入串入二極管D4。

LCU設(shè)備裝配過程中可能出現(xiàn)輸入電源DC110V正負(fù)極接反的情況,導(dǎo)致其通過續(xù)流二極管D3、MoS管o1形成短路,對(duì)續(xù)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DC110V電源接反通過續(xù)流二極管形成短路。

4結(jié)語

采用無觸點(diǎn)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(yè)的主流。本文結(jié)合典型的實(shí)際案例,分析了因設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致熱備雙冗余LCU中A板、B板任一板塊的續(xù)流二極管輸出短路,造成兩塊板同時(shí)故障的問題,在采取了相關(guān)措施后,實(shí)現(xiàn)了LCU冗余功能,可為該新型技術(shù)在地鐵列車中的應(yīng)用提供一定借鑒。