一種新型多用鐵路智能點燈模塊

王翀 張義政

(1.西安郵電學院電子工程學院，光信息實驗室，西安 710121;2.西安先導鐵路器材有限責任公司，西安 710048)

1 引言

隨著當今鐵路、城市軌道交通和公路交通事業(yè)的快速發(fā)展和新技術的應用，需要越來越多的滿足多方面要求的信號設備。現(xiàn)有的鐵路軌道交通信號點燈模塊，一般只能實現(xiàn)燈絲點燈。但傳統(tǒng)的采用燈絲白熾燈泡為光源的色燈信號機，具有可靠性差、壽命短、易斷絲、功效低等缺點［1］。隨著對 LED新材料研究的進一步深入，LED光源技術迅速發(fā)展，并越來越多地應用于鐵路軌道交通領域。

我們研制了一種新型多用途鐵路交通智能信號燈控制模塊［2］，它能同時使用 LED燈和燈絲燈泡，還能利用原報警線纜實現(xiàn)遠距離定點定位智能報警。它能實現(xiàn)的功能多且操作簡單，可使鐵路點燈模塊由定期維修改為狀態(tài)維修，從而能達到提高效率且節(jié)約成本的目的。

2 國內(nèi)外狀況分析

國內(nèi)，鐵路信號點燈模塊需求量很大，雖然我國國內(nèi)鐵路信號廠家眾多，但國內(nèi)廠家目前開發(fā)的可用于鐵路軌道交通的鐵路信號點燈模塊，大都沿用過去產(chǎn)品，功能較為單一，自主開發(fā)不足［3］，主要采用燈絲轉換繼電器為核心來控制，均不具有能同時使用燈絲燈泡點燈和LED點燈的多功能模塊［4］［5］［6］。雖然有試驗中的 LED 鐵路信號燈，但由于溫度、質(zhì)量等問題的困擾而未能廣泛應用。比如:在2003年信號大修工程中，湘桂線柳黎段良江站的信號機采用了LED信號點燈裝置，在2004年1月13日和2月18日，兩次發(fā)生SII出站信號機在點綠燈或白燈時，誤使黃燈閃光或紅燈閃光［7］;又比如:大秦線區(qū)間全部使用了LED信號機，自2006年開通以來，發(fā)生了4起點燈故障，其中兩起影響了行車［8］。

國外，目前來說，由于相對于燈絲信號燈，LED燈具有節(jié)能、長壽命等優(yōu)勢，美國的GELcore公司 (世界主要 LED生產(chǎn)商)、英國的 Variable Masseage Sins Limited公司和 Roxboro集團下屬的Diallight公司、德國的西門子公司等均在鐵路軌道交通領域積極推廣 LED 鐵路信號產(chǎn)品［9，10］。雖然LED的光學問題已基本解決，但由于LED與燈泡發(fā)光原理不同，燈絲繼電器工作時、電流不能減小，使直接替換比較困難。為了與既有設備能直接連接，國外公司均人為增大LED發(fā)光盤的使用壽命。除此之外，既有點燈模塊還存在燈絲檢測、燈絲安全等問題。

3 功能模塊及原理

3.1 功能模塊

模塊結構原理如圖1所示。它由防雷變壓器、整流和開關反饋修正電路、四檔精密可調(diào)穩(wěn)壓電路、LED脈沖點燈檢測電路、故障監(jiān)測轉換電路、單片微處理器電路、燈絲檢測電路、報警電路和車站接收顯示等電路組成。防雷變壓器輸出端接副絲監(jiān)測點燈電路和開關反饋修正電路，副絲監(jiān)測點燈電路輸出端接故障監(jiān)測轉換電路，開關反饋修正電路輸出端接四檔精密可調(diào)穩(wěn)壓電路，四檔精密可調(diào)穩(wěn)壓電路輸出端接故障監(jiān)測轉換電路、LED脈沖點燈監(jiān)測電路和單片機電路;故障監(jiān)測轉換電路與單片機電路和主燈絲相連，單片機電路經(jīng)報警電路、車站時間繼電器后接車站終端接受顯示。

圖1 模塊結構原理圖

模塊的設計結構，能實現(xiàn)LED電流監(jiān)測、光度監(jiān)測、LED脈沖點燈，且LED、燈絲和智能報警器件為一體;它利用單片機控制和報警，同時由硬件完成監(jiān)測任務，所有的狀態(tài)都由軟件來分析完成，在事故處理方面更加靈活、準確，保證該模塊既能準確實現(xiàn)點燈相關各種功能，又能在主副燈絲斷絲、LED達到30%損壞及電路故障時，均能利用原報警電纜實現(xiàn)遠距離智能報警。

3.2 工作原理

模塊運行時，防雷變壓器分別輸出兩路電壓:一路為12V，經(jīng)整流后送副絲在線監(jiān)測點燈電路，由監(jiān)測轉換電路供副絲在線監(jiān)測，副燈絲及主燈絲斷絲時，監(jiān)測轉換繼電器電路轉換動作后供副燈絲點燈并向嵌入式單片機電路送出故障信號;另一路為160V，由整流開關反饋修正電路，實現(xiàn)11V直流高精度穩(wěn)壓功能。11V電壓經(jīng)四檔可調(diào)穩(wěn)壓電路調(diào)整為四檔以供選擇。經(jīng)選擇的某檔電壓分別送到以下電路:1.模塊監(jiān)測轉換繼電器電路，經(jīng)電流繼電器線圈供主燈絲點燈和監(jiān)測;2.送LED脈沖點燈監(jiān)測電路，在單片機電路控制下實現(xiàn)脈沖調(diào)制供LED燈點燈，同時將LED監(jiān)測結果送模塊監(jiān)測轉換繼電器監(jiān)測轉換;3.送微機電路，經(jīng)5V穩(wěn)壓后作為單片機電源，當單片機電路查詢到模塊監(jiān)測轉換電路為故障時，即向報警電路發(fā)出該故障點信息的定位報警信號，經(jīng)報警電路處理后，直接利用原報警電纜遠距離傳送到車站SJ-850時間繼電器，車站收到終端從時間繼電器采集到的信號后進行終端處理、報警和顯示。

3.3 創(chuàng)新點

該模塊大都由外購成品部件和自制模塊組裝而成，生產(chǎn)工藝簡單、對環(huán)境的污染小。同時，該模塊優(yōu)化了LED發(fā)光盤功耗，減少了發(fā)光盤的發(fā)熱，并增加了發(fā)光盤的使用壽命;且恒流準確、發(fā)光效率高 (比同條件LED燈高10%);在正脈沖工作時發(fā)出的熱量能在負脈沖時得到發(fā)散，同時省去燈絲轉換繼電器，既節(jié)省了器材，又少了故障點與故障發(fā)生率。解決了與原點燈裝置的功率匹配、發(fā)熱等問題，更加節(jié)能、耗電量小，而且耐高溫、壽命長、成本低。主要應用于鐵路交通，經(jīng)重新調(diào)整設計后，還可應用于城市軌道交通和城市公路交通。它的使用符合國內(nèi)外鐵路交通信號發(fā)展的方向，符合鐵路軌道交通現(xiàn)實和長遠發(fā)展的需要［11，12］。

其主要技術創(chuàng)新點包括:

1)LED、雙絲燈兼用及報警電路技術;

2)四檔開關反饋修正高精度穩(wěn)壓電路技術;

3)軌道交通信號LED脈沖點燈技術;

4)LED燈電流及光度雙監(jiān)測技術;

5)嵌入式軌道交通信號控制技術。

4 結束語

通過對該模塊設計方案結構及原理的闡述，以及對比國內(nèi)外同類產(chǎn)品的情況，可知該設計采用LED點燈裝置，維修安裝方便、靈活，施工周期短，可實現(xiàn)多種功能，具有突出的優(yōu)點。技術處于國際先進和國內(nèi)領先水平，填補了國內(nèi)外鐵路軌道交通信號點燈裝置的空白，具有廣闊的市場前景。

［1］楊先成.鐵路LED信號機，鐵道通信信號，2004，40(4)，10～11.

［2］張義政.一種新型多用智能鐵路信號點燈系統(tǒng)，出處:中國專利數(shù)據(jù)庫，專利公開號:CN201023492，公開日:2008.02.20.

［3］馮金洲，錢旭人.信號機點燈電路新技術方案，鐵道通信信號，1996，32(12)，8～9.

［4］王東華，王朝霞.鐵路色燈信號機采用LED的技術條件及建議，鐵道通信信號，2003，39(2)，33～34.

［5］魏顯舜.信號機點燈檢測裝置日常維護及常見故障分析，鐵道通信信號，2008，44(12)，24～25.

［6］梁福平，馬牧燕，李澤峰，劉壯.LED信號機的檢測報警技術研究，儀器儀表學報，2006(z2)，1240～1241.

［7］賈琨，沙斐.LED信號機閃燈現(xiàn)象的原因分析，鐵路通信信號工程技術，2007，4(3)，11～13.

［8］朱文福，蔚海英.XSL型LED信號機點燈裝置故障分析及改進建議，太原鐵道科技，2007(2)，24～25.

［9］成遠.國外鐵路LED信號機發(fā)展與應用，中國鐵路，2007(5)，54～56.

［10］張濟民，吳文麟.西門子的城市軌道交通信號控制系統(tǒng)分析，城市軌道交通研究，1998，1(3)，71～73.

［11］呂永宏，劉紅燕.3種城市軌道交通信號控制系統(tǒng)，甘肅科技，2008，24(11)，115～117.

［12］唐德瑜，許琛國.LED鐵路色燈信號機，成鐵科技，2002(2)，42～43.