安全型LED信号机关键技术研究

刘川河，谢博才，蒋立生，张夫松

（1.中国铁路北京局集团有限公司，北京 100038；2.中国国家铁路集团有限公司，北京 100844；3.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；4.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

铁路信号显示系统负责向机车司机提供前方进路信息，对于保障行车安全、提高运输效率具有十分重要的作用。国内铁路信号显示系统主要采用白炽灯作为信号机光源，白炽灯灯泡寿命约2 000 h，在环境恶劣、昼夜温差大的地区，灯泡寿命还会相应降低。电务维护人员利用天窗点更换灯泡，维护成本高。少量应用了LED光源的信号机由于没有实现可靠的故障检测，存在安全隐患。为解决这些问题，本文提出一种可兼容既有信号机点灯控制电路的安全型LED信号机。

1 既有信号显示系统存在的问题

既有铁路信号显示系统在应用中存在以下3方面问题。

1）白炽灯信号机灯泡灯丝寿命较短、可用性不高，维护工作量大。近3年全路发生的因信号显示系统故障造成的影响情况如表1所示。数据表明信号显示系统每年故障次数从300次到500次不等，每次故障影响时长在1 h左右，严重影响行车效率。

表1 信号显示系统故障统计Tab.1 Signal indication system fault statistics

2）已经少量应用的基于LED 光源的信号机，仅对既有铁路信号显示系统中的双灯丝白炽灯泡进行简单替换，并且为了匹配既有铁路信号显示系统中灯丝继电器的电气参数，在LED信号灯端使用假负载以满足灯丝继电器的励磁条件，存在安全隐患。

3）目前采用LED光源的信号机不能有效检测LED短路、断路等故障，对LED亮度差异缺少检测，存在安全隐患。

基于上述分析，为提高铁路信号显示设备的安全性、可用性，减少设备维护工作量，有必要研究高安全、高可靠、低维护的铁路信号显示设备。

2 安全型LED信号机架构设计

既有铁路信号显示系统由室内电源、继电控制电路、防雷元件、室外的点灯单元和双灯丝白炽灯泡组成。系统结构如图1所示。继电控制电路包含灯丝继电器、点灯控制继电器，通过继电逻辑实现不同点灯状态的控制。

图1 信号显示控制系统结构Fig.1 Structure of signal indication control system

安全型LED信号机为兼容既有铁路信号显示系统接口，室内部分及室外部分的透镜组及灯室采用既有的标准信号机构组件，采用LED作为光源组件，采用故障导向安全的控制系统确保设备安全性。

安全型LED信号机的光源组件由6颗大功率LED发光管组成，共有绿、黄、红、月白、蓝5种颜色的发光组。分为主副两组光源，每组由3颗发光管组成，聚光点和白炽灯一致，故采用既有的无色透明透镜组即可。主发光组发生故障后，切换至副发光组点亮并报警，主副发光组均采用大功率点光源式LED。经过试验表明，该种方式的光源组件，发光强度、发光角度、照射距离等性能指标均可达到铁标要求。

安全控制系统是安全型LED信号机的关键部分，由开关控制电路、故障检测电路、逻辑控制电路组成，系统结构如图2所示。为兼容室内既有的点灯电路，满足室内电流监督继电器（JZXC-H18）电流不小于80 mA才能可靠吸起的条件，添加阻性负载进行功率消耗。

图2 安全型LED信号机系统结构Fig.2 Structure of safety LED signal system

逻辑控制电路依据点灯电压控制开关电路实现发光组的点灯驱动，同时检测自身状态。故障检测电路周期采集发光组工作电流、电压，与LED驱动芯片正常工作电流、电压阈值进行对比判断，根据判断结果控制开关电路通断，同时检测发光强度，判别信号灯的亮度是否满足显示要求。

3 LED信号机故障-安全设计

为解决既有采用LED光源信号机不能有效检测新光源器材短路、断路等故障的问题，对发光组及控制电路的组成部分进行多维度并行的故障检测。当出现导向危险的故障时，逻辑控制电路均控制开关电路切断负载，以保证回路电流小于40 mA，确保点灯回路的电流小于室内电流监督继电器的落下电流值。

1）发光组采用恒流驱动，当LED发光管出现故障时，芯片两端电压会发生相应变化。当逻辑控制电路中CPU检测到发光芯片电压变化范围超过阈值范围，控制开关电路切断负载。

2）对恒流源端的电压进行实时采集，当恒流源端电压变化超过阈值范围时，控制开关电路切断负载。

3）对阻性假负载进行电流、电压的实时采集，当阻性负载部分的电流、电压变化超过阈值范围时，控制开关电路切断负载。

4）发光组设置光强传感器，逻辑控制电路实时采集各传感器数值，与预设的光强参数进行对比，当光强发生较大衰减时控制开关切断负载。由于LED工作特性，可能出现LED芯片电流、电压均在正常范围内，但光发射减弱的情况，此时采用光强传感器检测信号灯的亮度是否满足要求。

当系统出现上述故障点后会及时切断开关电路及阻性负载。采用安全与电路保证即使任一CPU发生无法对故障点进行判断的情况时，也能保障通路的可靠切断。开关电路由2个安全与门驱动电路控制的3开1闭继电器及接点采集电路组成，该电路为安全相关模块。

安全与门电路控制两个互斥励磁的继电器，以达到对任意继电器的状态检测及继电器驱动故障的识别。正常工作时，控制其中一个继电器吸起而另一个则断开，同时周期性的进行切换以检测安全继电器能否可靠断开。

安全与门电路拓扑如图3所示。安全与门电路由两级DC/DC组成，前一级DC/DC为后一级DC/DC提供控制电源。只有两CPU分别给出动态控制信号才能使安全与门输出，确保任一CPU故障仍能切断输出回路。

图3 安全与门拓扑Fig.3 Safety and gate topology

为预防逻辑控制电路的短路故障，增设R1限流电阻，该电阻为单层绕线电阻，可以保障当逻辑控制电路部分发生短路时，输出电流不会过大。同时后端无负载进行电流消耗，保证输出电流低于40 mA。由于单层绕线式电阻只会发生断路，不出现短路的器件特性，有效避免了R1电阻短路、低功耗逻辑电路没有安全防护的现象发生。

4 安全型LED信号机其他设计

4.1 器件选型的设计

安全型LED信号机设置于轨旁，经受温湿度、电磁骚扰等不利因素的影响，器件选型是关系设备可靠性的关键因素，主要从以下几个方面开展。

1）选用耐受宽温区的器件，器件耐受高温不低于105℃、低温-45℃工作环境；

2）选用成熟度高的元器件，成熟度高的元器件经过大量的使用检验，经过器件厂家不断的优化，性能参数优，保证了器件的高可靠性；

3）基于降额使用的原则，选择合适的器件参数，提高器件的使用寿命；

4）选用抗瞬态过载能力高的元器件。

4.2 发光组的兼容性设计

安全型LED信号机的发光源由6颗LED灯珠构成，其位置布局如图4所示。6颗LED灯珠分为主副两组，主副灯组聚光点在发光盘中心部，光通量与白炽灯相同。其聚焦原理与既有菲涅尔透镜可兼容。同时灯盘为可拆卸式模块化设计，当LED灯发生故障时，仅需替换发光盘即可，在提升维修效率的同时降低维修成本。

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

4.3 冷丝检测的设计

安全型LED信号机对处于常态灭灯状态的LED灯珠进行周期性检测，给灯盘提供低频小幅值电压信号，对LED灯珠进行快速检测，检测时不会发送人眼能够观察到灯珠的闪烁或明暗变化的情况，不会对司机造成错误显示及行车干扰。该方法可以保障信号显示系统具备冷丝检测的功能，及时发现故障。

4.4 散热设计

在安全型LED信号机中，每个灯位的点灯控制单元电路通过热传导的方式散热，充分仿真和测试了电路中发热器件，设计了高效的散热片进行散热，以适应-40℃～70℃的温度范围。板卡散热设计结构如图5所示。

图5 板卡散热设计Fig.5 Board heat dissipation design

4.5 抗电磁干扰设计

为提高安全型LED信号机适应电气化区段复杂的电磁环境，沿用现有点灯系统的防护结构，充分采用了隔离、接地、屏蔽等电磁干扰防护技术。

采用隔离变压器对电路进行防护，抵御浪涌、雷电等强脉冲干扰对电路的冲击。控制电路中也设计了防护电路，逐级削弱外部干扰。

通过输入电压的检测判断，点灯电压满足条件后才允许点灯，避免瞬态冲击造成的灯位闪烁。

系统控制电路采用浮地设计，信号机机构采用接地设计，控制电路和信号机机构采取充分的绝缘措施。信号机机构也形成了屏蔽效应，有利于防护电磁干扰。

4.6 可维护性设计

安全型LED信号机设计考虑维护方便，可兼容既有灯丝报警仪，在电路关键节点进行检测，发现异常自动进行报警并且能定位到具体灯位。设备采用模块化设计结构，便于更换，易于维修。

5 结论

本文提出的安全型LED信号机采用两组主副LED发光管作为光源，采用二取二反应式故障-安全架构，对各关键部位的电压、电流以及发光强度进行检测，当发现危险的故障时切断负载，导向安全侧。其中绕线电阻的运用、双继电器交替检测电路的运用确保了“切断”动作的安全性。该安全型LED信号机解决了白炽灯寿命短导致维护工作量大的问题，消除了普通LED信号机存在的安全隐患。