劉川河，謝博才，蔣立生，張夫松

（1.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100038；2.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844；3.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；4.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

鐵路信號(hào)顯示系統(tǒng)負(fù)責(zé)向機(jī)車司機(jī)提供前方進(jìn)路信息，對(duì)于保障行車安全、提高運(yùn)輸效率具有十分重要的作用。國內(nèi)鐵路信號(hào)顯示系統(tǒng)主要采用白熾燈作為信號(hào)機(jī)光源，白熾燈燈泡壽命約2 000 h，在環(huán)境惡劣、晝夜溫差大的地區(qū)，燈泡壽命還會(huì)相應(yīng)降低。電務(wù)維護(hù)人員利用天窗點(diǎn)更換燈泡，維護(hù)成本高。少量應(yīng)用了LED光源的信號(hào)機(jī)由于沒有實(shí)現(xiàn)可靠的故障檢測，存在安全隱患。為解決這些問題，本文提出一種可兼容既有信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈控制電路的安全型LED信號(hào)機(jī)。

1 既有信號(hào)顯示系統(tǒng)存在的問題

既有鐵路信號(hào)顯示系統(tǒng)在應(yīng)用中存在以下3方面問題。

1）白熾燈信號(hào)機(jī)燈泡燈絲壽命較短、可用性不高，維護(hù)工作量大。近3年全路發(fā)生的因信號(hào)顯示系統(tǒng)故障造成的影響情況如表1所示。數(shù)據(jù)表明信號(hào)顯示系統(tǒng)每年故障次數(shù)從300次到500次不等，每次故障影響時(shí)長在1 h左右，嚴(yán)重影響行車效率。

表1 信號(hào)顯示系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)Tab.1 Signal indication system fault statistics

2）已經(jīng)少量應(yīng)用的基于LED 光源的信號(hào)機(jī)，僅對(duì)既有鐵路信號(hào)顯示系統(tǒng)中的雙燈絲白熾燈泡進(jìn)行簡單替換，并且為了匹配既有鐵路信號(hào)顯示系統(tǒng)中燈絲繼電器的電氣參數(shù)，在LED信號(hào)燈端使用假負(fù)載以滿足燈絲繼電器的勵(lì)磁條件，存在安全隱患。

3）目前采用LED光源的信號(hào)機(jī)不能有效檢測LED短路、斷路等故障，對(duì)LED亮度差異缺少檢測，存在安全隱患。

基于上述分析，為提高鐵路信號(hào)顯示設(shè)備的安全性、可用性，減少設(shè)備維護(hù)工作量，有必要研究高安全、高可靠、低維護(hù)的鐵路信號(hào)顯示設(shè)備。

2 安全型LED信號(hào)機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)

既有鐵路信號(hào)顯示系統(tǒng)由室內(nèi)電源、繼電控制電路、防雷元件、室外的點(diǎn)燈單元和雙燈絲白熾燈泡組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。繼電控制電路包含燈絲繼電器、點(diǎn)燈控制繼電器，通過繼電邏輯實(shí)現(xiàn)不同點(diǎn)燈狀態(tài)的控制。

圖1 信號(hào)顯示控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of signal indication control system

安全型LED信號(hào)機(jī)為兼容既有鐵路信號(hào)顯示系統(tǒng)接口，室內(nèi)部分及室外部分的透鏡組及燈室采用既有的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)機(jī)構(gòu)組件，采用LED作為光源組件，采用故障導(dǎo)向安全的控制系統(tǒng)確保設(shè)備安全性。

安全型LED信號(hào)機(jī)的光源組件由6顆大功率LED發(fā)光管組成，共有綠、黃、紅、月白、藍(lán)5種顏色的發(fā)光組。分為主副兩組光源，每組由3顆發(fā)光管組成，聚光點(diǎn)和白熾燈一致，故采用既有的無色透明透鏡組即可。主發(fā)光組發(fā)生故障后，切換至副發(fā)光組點(diǎn)亮并報(bào)警，主副發(fā)光組均采用大功率點(diǎn)光源式LED。經(jīng)過試驗(yàn)表明，該種方式的光源組件，發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光角度、照射距離等性能指標(biāo)均可達(dá)到鐵標(biāo)要求。

安全控制系統(tǒng)是安全型LED信號(hào)機(jī)的關(guān)鍵部分，由開關(guān)控制電路、故障檢測電路、邏輯控制電路組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。為兼容室內(nèi)既有的點(diǎn)燈電路，滿足室內(nèi)電流監(jiān)督繼電器（JZXC-H18）電流不小于80 mA才能可靠吸起的條件，添加阻性負(fù)載進(jìn)行功率消耗。

圖2 安全型LED信號(hào)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of safety LED signal system

邏輯控制電路依據(jù)點(diǎn)燈電壓控制開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)發(fā)光組的點(diǎn)燈驅(qū)動(dòng)，同時(shí)檢測自身狀態(tài)。故障檢測電路周期采集發(fā)光組工作電流、電壓，與LED驅(qū)動(dòng)芯片正常工作電流、電壓閾值進(jìn)行對(duì)比判斷，根據(jù)判斷結(jié)果控制開關(guān)電路通斷，同時(shí)檢測發(fā)光強(qiáng)度，判別信號(hào)燈的亮度是否滿足顯示要求。

3 LED信號(hào)機(jī)故障-安全設(shè)計(jì)

為解決既有采用LED光源信號(hào)機(jī)不能有效檢測新光源器材短路、斷路等故障的問題，對(duì)發(fā)光組及控制電路的組成部分進(jìn)行多維度并行的故障檢測。當(dāng)出現(xiàn)導(dǎo)向危險(xiǎn)的故障時(shí)，邏輯控制電路均控制開關(guān)電路切斷負(fù)載，以保證回路電流小于40 mA，確保點(diǎn)燈回路的電流小于室內(nèi)電流監(jiān)督繼電器的落下電流值。

1）發(fā)光組采用恒流驅(qū)動(dòng)，當(dāng)LED發(fā)光管出現(xiàn)故障時(shí)，芯片兩端電壓會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)邏輯控制電路中CPU檢測到發(fā)光芯片電壓變化范圍超過閾值范圍，控制開關(guān)電路切斷負(fù)載。

2）對(duì)恒流源端的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，當(dāng)恒流源端電壓變化超過閾值范圍時(shí)，控制開關(guān)電路切斷負(fù)載。

3）對(duì)阻性假負(fù)載進(jìn)行電流、電壓的實(shí)時(shí)采集，當(dāng)阻性負(fù)載部分的電流、電壓變化超過閾值范圍時(shí)，控制開關(guān)電路切斷負(fù)載。

4）發(fā)光組設(shè)置光強(qiáng)傳感器，邏輯控制電路實(shí)時(shí)采集各傳感器數(shù)值，與預(yù)設(shè)的光強(qiáng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)光強(qiáng)發(fā)生較大衰減時(shí)控制開關(guān)切斷負(fù)載。由于LED工作特性，可能出現(xiàn)LED芯片電流、電壓均在正常范圍內(nèi)，但光發(fā)射減弱的情況，此時(shí)采用光強(qiáng)傳感器檢測信號(hào)燈的亮度是否滿足要求。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)上述故障點(diǎn)后會(huì)及時(shí)切斷開關(guān)電路及阻性負(fù)載。采用安全與電路保證即使任一CPU發(fā)生無法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行判斷的情況時(shí)，也能保障通路的可靠切斷。開關(guān)電路由2個(gè)安全與門驅(qū)動(dòng)電路控制的3開1閉繼電器及接點(diǎn)采集電路組成，該電路為安全相關(guān)模塊。

安全與門電路控制兩個(gè)互斥勵(lì)磁的繼電器，以達(dá)到對(duì)任意繼電器的狀態(tài)檢測及繼電器驅(qū)動(dòng)故障的識(shí)別。正常工作時(shí)，控制其中一個(gè)繼電器吸起而另一個(gè)則斷開，同時(shí)周期性的進(jìn)行切換以檢測安全繼電器能否可靠斷開。

安全與門電路拓?fù)淙鐖D3所示。安全與門電路由兩級(jí)DC/DC組成，前一級(jí)DC/DC為后一級(jí)DC/DC提供控制電源。只有兩CPU分別給出動(dòng)態(tài)控制信號(hào)才能使安全與門輸出，確保任一CPU故障仍能切斷輸出回路。

圖3 安全與門拓?fù)銯ig.3 Safety and gate topology

為預(yù)防邏輯控制電路的短路故障，增設(shè)R1限流電阻，該電阻為單層繞線電阻，可以保障當(dāng)邏輯控制電路部分發(fā)生短路時(shí)，輸出電流不會(huì)過大。同時(shí)后端無負(fù)載進(jìn)行電流消耗，保證輸出電流低于40 mA。由于單層繞線式電阻只會(huì)發(fā)生斷路，不出現(xiàn)短路的器件特性，有效避免了R1電阻短路、低功耗邏輯電路沒有安全防護(hù)的現(xiàn)象發(fā)生。

4 安全型LED信號(hào)機(jī)其他設(shè)計(jì)

4.1 器件選型的設(shè)計(jì)

安全型LED信號(hào)機(jī)設(shè)置于軌旁，經(jīng)受溫濕度、電磁騷擾等不利因素的影響，器件選型是關(guān)系設(shè)備可靠性的關(guān)鍵因素，主要從以下幾個(gè)方面開展。

1）選用耐受寬溫區(qū)的器件，器件耐受高溫不低于105℃、低溫-45℃工作環(huán)境；

2）選用成熟度高的元器件，成熟度高的元器件經(jīng)過大量的使用檢驗(yàn)，經(jīng)過器件廠家不斷的優(yōu)化，性能參數(shù)優(yōu)，保證了器件的高可靠性；

3）基于降額使用的原則，選擇合適的器件參數(shù)，提高器件的使用壽命；

4）選用抗瞬態(tài)過載能力高的元器件。

4.2 發(fā)光組的兼容性設(shè)計(jì)

安全型LED信號(hào)機(jī)的發(fā)光源由6顆LED燈珠構(gòu)成，其位置布局如圖4所示。6顆LED燈珠分為主副兩組，主副燈組聚光點(diǎn)在發(fā)光盤中心部，光通量與白熾燈相同。其聚焦原理與既有菲涅爾透鏡可兼容。同時(shí)燈盤為可拆卸式模塊化設(shè)計(jì)，當(dāng)LED燈發(fā)生故障時(shí)，僅需替換發(fā)光盤即可，在提升維修效率的同時(shí)降低維修成本。

圖4 光源分布示意Fig.4 Schematic diagram of light source distribution

4.3 冷絲檢測的設(shè)計(jì)

安全型LED信號(hào)機(jī)對(duì)處于常態(tài)滅燈狀態(tài)的LED燈珠進(jìn)行周期性檢測，給燈盤提供低頻小幅值電壓信號(hào)，對(duì)LED燈珠進(jìn)行快速檢測，檢測時(shí)不會(huì)發(fā)送人眼能夠觀察到燈珠的閃爍或明暗變化的情況，不會(huì)對(duì)司機(jī)造成錯(cuò)誤顯示及行車干擾。該方法可以保障信號(hào)顯示系統(tǒng)具備冷絲檢測的功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

4.4 散熱設(shè)計(jì)

在安全型LED信號(hào)機(jī)中，每個(gè)燈位的點(diǎn)燈控制單元電路通過熱傳導(dǎo)的方式散熱，充分仿真和測試了電路中發(fā)熱器件，設(shè)計(jì)了高效的散熱片進(jìn)行散熱，以適應(yīng)-40℃～70℃的溫度范圍。板卡散熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 板卡散熱設(shè)計(jì)Fig.5 Board heat dissipation design

4.5 抗電磁干擾設(shè)計(jì)

為提高安全型LED信號(hào)機(jī)適應(yīng)電氣化區(qū)段復(fù)雜的電磁環(huán)境，沿用現(xiàn)有點(diǎn)燈系統(tǒng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，充分采用了隔離、接地、屏蔽等電磁干擾防護(hù)技術(shù)。

采用隔離變壓器對(duì)電路進(jìn)行防護(hù)，抵御浪涌、雷電等強(qiáng)脈沖干擾對(duì)電路的沖擊?？刂齐娐分幸苍O(shè)計(jì)了防護(hù)電路，逐級(jí)削弱外部干擾。

通過輸入電壓的檢測判斷，點(diǎn)燈電壓滿足條件后才允許點(diǎn)燈，避免瞬態(tài)沖擊造成的燈位閃爍。

系統(tǒng)控制電路采用浮地設(shè)計(jì)，信號(hào)機(jī)機(jī)構(gòu)采用接地設(shè)計(jì)，控制電路和信號(hào)機(jī)機(jī)構(gòu)采取充分的絕緣措施。信號(hào)機(jī)機(jī)構(gòu)也形成了屏蔽效應(yīng)，有利于防護(hù)電磁干擾。

4.6 可維護(hù)性設(shè)計(jì)

安全型LED信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)考慮維護(hù)方便，可兼容既有燈絲報(bào)警儀，在電路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)異常自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警并且能定位到具體燈位。設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，便于更換，易于維修。

5 結(jié)論

本文提出的安全型LED信號(hào)機(jī)采用兩組主副LED發(fā)光管作為光源，采用二取二反應(yīng)式故障-安全架構(gòu)，對(duì)各關(guān)鍵部位的電壓、電流以及發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)的故障時(shí)切斷負(fù)載，導(dǎo)向安全側(cè)。其中繞線電阻的運(yùn)用、雙繼電器交替檢測電路的運(yùn)用確保了“切斷”動(dòng)作的安全性。該安全型LED信號(hào)機(jī)解決了白熾燈壽命短導(dǎo)致維護(hù)工作量大的問題，消除了普通LED信號(hào)機(jī)存在的安全隱患。