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現,而繼電器本身受其機械觸點動作次數及性能的限制,部分動作頻繁的器件容易發生故障,進而影響車輛的正常運營。隨著硬件新技術的發展,采用無觸點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械觸點動作次數受限的缺陷。

廣州地鐵某項目基于熱備雙冗余LCU控制的車輛,在運營過程中出現LCU板卡單點故障導致系統冗余功能失效的異常情況。本文結合車輛電路及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營時,出現LCU紅點,ATo無法動車,LCU自動由B組切換到A組后,列車ATo仍無法啟動。

列車回庫后讀取并分析LCU記錄數據,如圖1所示,數據記錄該車Io5組A板、B板均報oUT47點位有輸出無反饋故障。

其中0x030xFC0xBF轉化為十進制如圖2所示,第一列為輸出指令,第二列為接收到的反饋信號。即oUT47點位應輸出110V電壓,而板卡的反饋電路檢測到的電壓為0,實際輸出電壓為0。

如圖3所示,根據列車控制電路,ATo啟動電路中的LCU主控輸出觸點oUT47關斷,一直無法有效輸出高電平信號,導致ATo啟動列車線低電平,因此ATo無法啟動。

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信號經濾波、分壓、光耦隔離后進入CPU,當觸發輸入通道自檢信號后,會進入輸入檢測電路進行通道自檢。CPU輸出的信號,經過磁隔離、輸出驅動、過流保

護等電路后輸出到外部,并且每路輸出信號均有輸出反饋檢測,當反饋信號符合輸出診斷規則后進行輸出。

輸入、輸出采用A路、B路熱備雙冗余機制,如圖5所示。每路輸出采用雙開關控制,具備輸入、輸出獨立診斷功能,同時A/B板卡進行相關數據同步,使A/B板卡能夠無縫切換,保證整機的輸入信號采集和輸出信號控制不受單點故障影響。

2.2故障檢查

LCU的oUT47輸出點位位于LCU的第五組DIO板卡,檢查發現該組板卡的A板與B板同時故障指示燈閃爍。測量發現A板正常,B板二極管D3短路:正向電壓為0V,正常值應為0.55V:反向電壓為0V,正常值應為無窮大。

oUT47的邏輯圖如圖6所示,當司機室主控鑰匙擰到"oN"位時,oUT47點位輸出高電平。鑒于oUT47輸出的續流二極管短路,對oUT47輸出端列車的后級負載進行測量,檢查是否有沖擊電壓導致二極管故障。

選取故障車與一列良好車進行對比。將示波器的采樣間隔調整為200us,設置觸發電壓為130V時,多次開/關主控鑰匙,示波器均無波形顯示,即開/關主控鑰匙后oUT47的瞬間沖擊電壓不超過130V。經多次測量發現,故障車oUT47輸出的電壓均平穩,為118～125V,與良好車一致。

通過對oUT47輸出端列車的后級負載進行測量,可排除列車后級負載存在沖擊電壓導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板內部輸出電路并聯后通過同一個點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點位續流二極管短路導致輸出對地短路,A板內部輸出電路與B板輸出并聯后,A板的oUT47點位輸出同時對地短路。

3解決方案

針對A板、B板任一板塊的續流二極管輸出短路則兩塊板同時故障,無法實現冗余功能的問題,有以下處理措施。

3.1臨時處理措施

針對DIO板卡續流二極管失效故障,現場開展普查,對續流二極管參數質量進行檢測,將性能參數已經降低的二極管排查出來,降低二極管短路失效概率。

檢測方法為采用萬用表測試二極管壓降參數,測量正向壓降參數偏差超過基準值0.05V的二極管判定為參數偏移不良,參數范圍為0.5～0.6V:測量反向壓降參數萬用表讀數應為"oL"(無窮大）。考慮到二極管器件參數的離散性,且不同萬用表測量存在偏差,基準值取同一萬用表測試功能正常的單板上的10個續流二極管參數的平均值。

3.2根本處理措施

原DIO板輸出續流二極管設計如圖7所示,單板續流二極管短路失效,會導致DIO板A/B輸出通道均短路保護,進而無輸出。因此,對DIO板進行升級改造,輸出續流回路電路如圖8所示。

優化設計如下:

(1）DIO板輸出續流二極管D3挪放在輸出二極管D2前級。

當DIOA板D3單點短路失效時,D2二極管起到隔離作用,保證輸出冗余支路之間不會相互影響,不會造成DIOB板輸出通道短路保護。因此,DIOA板輸出通道短路保護后切換到DIOB板工作,不會導致DIOA板和DIOB板冗余通道無輸出。

(2）在續流二極管下方串聯100kQ限流電阻R1。

通過100kQ限流電阻保證二極管出現對DC110VGND短路后,不會導致MoS管直接對DC110VGND短路。

(3）DIO板電源輸入串入二極管D4。

LCU設備裝配過程中可能出現輸入電源DC110V正負極接反的情況,導致其通過續流二極管D3、MoS管o1形成短路,對續流二極管和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電源接反通過續流二極管形成短路。

4結語

采用無觸點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的主流。本文結合典型的實際案例,分析了因設計缺陷導致熱備雙冗余LCU中A板、B板任一板塊的續流二極管輸出短路,造成兩塊板同時故障的問題,在采取了相關措施后,實現了LCU冗余功能,可為該新型技術在地鐵列車中的應用提供一定借鑒。