城市軌道交通控制系統(tǒng)LED信號(hào)燈電路應(yīng)用解析

■ 初 帆

城市軌道交通控制系統(tǒng)LED信號(hào)燈電路應(yīng)用解析

■ 初 帆

信號(hào)機(jī)顯示關(guān)系到城市軌道交通運(yùn)輸作業(yè)的安全與運(yùn)輸效率，LED信號(hào)燈具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)LED信號(hào)燈與傳統(tǒng)點(diǎn)燈電路兼容的解析，提出電路中存在的問題，并指出了研究方向。

LED信號(hào)燈；LED信號(hào)機(jī)；城市軌道交通；故障；全電子信號(hào)控制

0 引言

信號(hào)機(jī)是指揮城市軌道交通列車運(yùn)行的重要關(guān)鍵設(shè)備，是保障列車安全行駛的顯示設(shè)備，是表達(dá)固定信號(hào)顯示所用的機(jī)具，用來防護(hù)站內(nèi)進(jìn)路，防護(hù)區(qū)間，防護(hù)危險(xiǎn)地點(diǎn)，具有嚴(yán)格的防護(hù)意義。多年來，我國(guó)鐵路一直采用以白熾燈泡為光源的透鏡式色燈信號(hào)機(jī)，其主要缺點(diǎn)是可靠性差、壽命短、易斷絲、功效低。為了提高信號(hào)顯示的可靠性和延長(zhǎng)燈泡的使用壽命，提出采用LED技術(shù)研制開發(fā)了LED鐵路信號(hào)機(jī)。目前LED信號(hào)機(jī)不僅在鐵路中已有應(yīng)用，在城市軌道交通中（如地鐵、輕軌、空軌、有軌電車等）已被廣泛使用，且效果顯著。

LED色燈信號(hào)機(jī)具有節(jié)能、可視性好、免調(diào)整、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，除了可有效解決燈絲斷絲問題外，還因其防水、防塵性能好，日常的巡檢工作只需對(duì)機(jī)構(gòu)的外觀予以檢查，防止底座螺栓松動(dòng)而偏離顯示方向，保持防塵鏡面的清潔以獲得最佳顯示效果，大大降低了信號(hào)工的維修工作量。

1 傳統(tǒng)信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路

1.1 點(diǎn)燈電路

信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路是故障-安全電路，所以對(duì)信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路的要求是比較高的。設(shè)計(jì)電路時(shí)要考慮到各種故障狀態(tài)下的電路安全。信號(hào)點(diǎn)燈電路斷線，信號(hào)機(jī)就要滅燈。允許信號(hào)滅燈時(shí)，要使信號(hào)顯示降級(jí)；禁止燈光滅燈時(shí)，不允許信號(hào)機(jī)再開放。一般在每一個(gè)信號(hào)燈泡的點(diǎn)燈電路中都串有燈絲繼電器，燈絲繼電器是電流繼電器，當(dāng)滿足一定的電流值時(shí)，繼電器才能保持在吸起狀態(tài)，通過燈絲繼電器檢查電流值來監(jiān)督燈泡的完整性，并判斷燈泡是否處于點(diǎn)亮的狀態(tài)。

以典型的、最簡(jiǎn)單的調(diào)車信號(hào)點(diǎn)燈電路為例（見圖1），說明信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路原理如下：

圖1 典型的信號(hào)點(diǎn)燈電路

信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路均采用集中供電制，由信號(hào)樓繼電器室供給交流220 V點(diǎn)燈電源。由于信號(hào)燈泡是采用低壓12 V，因此對(duì)應(yīng)調(diào)車信號(hào)機(jī)燈泡分別設(shè)有一臺(tái)信號(hào)變壓器（BX-30型，初級(jí)為220 V，次級(jí)為13～14 V）。

禁止燈光藍(lán)燈：XJZ220→熔斷器RD1-2→DJ5-6→XJ61-63→藍(lán)燈信號(hào)變壓器→熔斷器RD2-1→XJF220；

允許燈光白燈：XJZ220→熔斷器RD1-2→DJ5-6→XJ61-62→白燈信號(hào)變壓器→熔斷器RD2-1→XJF220。

1.2 燈絲繼電器

燈絲繼電器（JZXC-H18）是信號(hào)點(diǎn)燈電路中的關(guān)鍵設(shè)備，每架信號(hào)機(jī)都設(shè)有燈絲繼電器，用以監(jiān)督信號(hào)燈絲的完整性。正是靠燈絲繼電器的工作特性實(shí)現(xiàn)電路的故障安全設(shè)計(jì)。

信號(hào)點(diǎn)燈電路根據(jù)信號(hào)機(jī)的性質(zhì)不同，燈絲繼電器的配備也不同。圖1中的調(diào)車信號(hào)點(diǎn)燈電路，設(shè)置一個(gè)燈絲繼電器DJ監(jiān)督信號(hào)燈狀態(tài)即可。若是進(jìn)路信號(hào)顯示存在雙顯的情況時(shí)，設(shè)有1DJ和2DJ兩個(gè)燈絲繼電器，分別監(jiān)測(cè)不同的點(diǎn)燈情況。例如，進(jìn)站信號(hào)的1DJ用來監(jiān)督紅燈、綠燈和一黃燈的點(diǎn)燈情況，2DJ用來監(jiān)督二黃燈和白燈的點(diǎn)燈情況。

JZXC-H18是整流式緩放重力型安全繼電器，采用銅線圈架，接點(diǎn)系統(tǒng)為4QH接點(diǎn)組，一般用于站內(nèi)。其工作原理為：信號(hào)點(diǎn)燈電路輸入AC 220 V的交流電，JZXC-H18繼電器將輸入的交流電通過其內(nèi)部的全波整流電路（在繼電器接電組上方，安裝由二極管2CP25組成的橋式整流電路）整流為直流電后再送入線圈。當(dāng)線圈兩端的電壓值達(dá)到其工作電壓值時(shí)，繼電器勵(lì)磁吸起；當(dāng)流經(jīng)線圈的電流達(dá)到一定值時(shí)，繼電器保持在勵(lì)磁吸起狀態(tài)。同理，當(dāng)送入線圈的電流值降到一定值時(shí)，其依靠重力實(shí)現(xiàn)銜鐵的釋放。同時(shí)利用電流通過線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)與其翼板中的另一交變磁場(chǎng)所感應(yīng)的電流相互作用，使翼板轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到緩放的目的。其機(jī)械壽命為2×106次。

2 LED信號(hào)機(jī)

2.1 LED簡(jiǎn)介

LED（Light Emitting Diode）即發(fā)光二極管，是一種新型的固態(tài)冷光源，利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，其核心部件是一個(gè)PN結(jié)，當(dāng)正向通過電流時(shí)，可以把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)四周用環(huán)氧樹脂密封起來，所以LED的抗震性能較好。

2.2 LED信號(hào)機(jī)

LED信號(hào)機(jī)主要由點(diǎn)燈單元和發(fā)光盤組成。點(diǎn)燈單元主要完成電源轉(zhuǎn)換、電源檢測(cè)、LED檢測(cè)和故障告警。LED信號(hào)機(jī)采用LED發(fā)光二極管制成鐵路信號(hào)機(jī)的新光源，期望可以取代傳統(tǒng)的燈泡方式，以從根本上解決燈絲斷絲故障。典型的LED燈盤聯(lián)結(jié)方式見圖2。從電路設(shè)計(jì)原理可知，LED信號(hào)燈有很多優(yōu)點(diǎn)：

（1）可靠性高：發(fā)光盤用幾十只或上百只發(fā)光二極管組成串并聯(lián)電路，使用中個(gè)別發(fā)光二極管或支路發(fā)生故障不影響信號(hào)的正常顯示，提高了信號(hào)的可靠性。

（2）壽命長(zhǎng)：傳統(tǒng)燈絲燈泡的主絲壽命一般約為1 000 h，而發(fā)光二極管壽命可達(dá)到100 000 h，是燈泡的100倍，可以大大免除經(jīng)常更換燈泡，減少維修工作量。

（3）環(huán)保節(jié)能：LED是電致發(fā)光，不像白熾燈是熱輻射發(fā)光，且不含汞等有害物質(zhì)，沒有污染，是由綠色能源轉(zhuǎn)變而來的光源。傳統(tǒng)燈泡耗電為25 W，發(fā)光二極管的耗電量不足燈泡的一半。

（4）輕巧便利：LED是半導(dǎo)體材料，其體積非常小，質(zhì)量輕，可靈活使用，根據(jù)不同需要配置成不同形狀。

（5）響應(yīng)速度快：白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為ms級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，接通電源后，燈亮?xí)r間僅為60 ns。

（6）聚焦穩(wěn)定：發(fā)光盤的聚焦?fàn)顟B(tài)一旦調(diào)整好，無需現(xiàn)場(chǎng)再調(diào)整。

圖2 典型的LED燈盤聯(lián)結(jié)方式

（7）無沖擊電流：點(diǎn)燈時(shí)沒有燈泡冷絲狀態(tài)的沖擊電流，有利于延長(zhǎng)供電裝置使用壽命。

由LED發(fā)光管組成的信號(hào)光源，與傳統(tǒng)的色燈信號(hào)機(jī)相比，具有顯示效果好、壽命長(zhǎng)、節(jié)能、免維護(hù)的特點(diǎn)。信號(hào)機(jī)顯示顏色包括紅、黃、綠、白（月白）、藍(lán)5種顏色。零部件均采用防高溫老化、耐腐蝕的材料，機(jī)構(gòu)表面采用噴塑處理，確保設(shè)備在惡劣環(huán)境中使用期內(nèi)無維修。設(shè)備配置合理、功能齊全、技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良、使用維修方便、運(yùn)行安全可靠。

2.3 國(guó)外LED信號(hào)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

LED具有諸多優(yōu)點(diǎn)，受到鐵路信號(hào)器材公司的青睞。在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)的鐵路信號(hào)器材公司紛紛致力于研發(fā)LED鐵路信號(hào)機(jī)。LED鐵路信號(hào)機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)的燈絲信號(hào)機(jī)具有長(zhǎng)壽性、可視性好、無需濾光透鏡、無“假”顯示、免維護(hù)、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得LED鐵路信號(hào)機(jī)在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、瑞士等國(guó)鐵鐵路得到迅速推廣應(yīng)用[1]。

同時(shí)，LED信號(hào)機(jī)已經(jīng)由原先的LED鐵路信號(hào)機(jī)，慢慢地發(fā)展成為軌道交通使用的信號(hào)機(jī)。LED信號(hào)機(jī)給城市軌道交通的運(yùn)行帶來了很大便利，并推動(dòng)了城市軌道交通的發(fā)展。

2.4 我國(guó)LED信號(hào)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國(guó)鐵路有約20萬臺(tái)各種色燈信號(hào)機(jī)，這些信號(hào)機(jī)還是以白熾燈為光源。鑒于LED眾所周知的優(yōu)點(diǎn)，一些單位從20世紀(jì)90年代后期就開始進(jìn)行這種新型光源在鐵路信號(hào)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和研制，取得明顯進(jìn)展，目前從各種指標(biāo)來看，已經(jīng)達(dá)到國(guó)外主流廠家的先進(jìn)水平。

但由于各種原因沒有在鐵路上得到大量應(yīng)用，反而在地鐵、有軌電車等城市軌道交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前沈陽(yáng)渾南有軌電車、淮安有軌電車、青島有軌電車、杭州地鐵、深圳地鐵、沈陽(yáng)地鐵、重慶地鐵等信號(hào)系統(tǒng)使用的都是LED信號(hào)機(jī)。由于地鐵大部分設(shè)處地下，光線暗，對(duì)于地下車站來說，LED信號(hào)機(jī)的優(yōu)勢(shì)更為突出，其在地鐵領(lǐng)域的使用情況良好。

3 LED信號(hào)燈電路分析

雖然LED信號(hào)燈已經(jīng)得到大量應(yīng)用，但其使用仍存在一些問題，是影響其在城市軌道交通推廣的障礙。

3.1 與傳統(tǒng)點(diǎn)燈電路兼容

在傳統(tǒng)的信號(hào)點(diǎn)燈電路中，色燈燈泡的故障模式相對(duì)單一，只需考慮燈泡斷絲故障即可，當(dāng)燈泡斷絲后，電路完整性破壞，不構(gòu)成回路，沒有點(diǎn)燈電流，燈絲繼電器無法維持吸起狀態(tài)而落下，可以順利地切換到降級(jí)信號(hào)顯示。

對(duì)于LED信號(hào)燈來說，其點(diǎn)亮?xí)r所需的電流大大小于色燈燈泡所用的電流，在不改變室內(nèi)AC 220 V供電條件的情況下，點(diǎn)燈電流只有幾十毫安，不足以讓燈絲繼電器吸起并保持。為與原電路兼容，許多廠家在信號(hào)機(jī)一側(cè)采用耗能設(shè)備的方式，將主電路中的電流提高，以達(dá)到燈絲繼電器的工作電流要求。這種方式，犧牲了LED信號(hào)燈節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)來滿足既有設(shè)備的限制條件，沒有發(fā)揮出LED信號(hào)燈的優(yōu)勢(shì)。

有些廠家采取降低室內(nèi)供電條件的方式，室內(nèi)采用AC 110 V供電方案，電路其他參數(shù)不變，這樣可有效地提高主電路中的電流值，使其滿足燈絲繼電器的工作要求。這種方法即滿足了原設(shè)備的限制條件，也發(fā)揮了LED信號(hào)燈節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)較好的解決辦法。

3.2 LED信號(hào)燈電流監(jiān)督

由于傳統(tǒng)信號(hào)機(jī)采用白熾燈作為信號(hào)光源，壽命短，故障率高，因而需要配備信號(hào)點(diǎn)燈電流監(jiān)測(cè)設(shè)備。雖然LED具有體積小、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但由于LED電子元器件的PN結(jié)特性，同時(shí)也增加了故障發(fā)生的模式和可能性。因此，同樣也需要配備信號(hào)電流監(jiān)測(cè)設(shè)備，以此來確保信號(hào)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠地指揮線路安全運(yùn)行。

LED信號(hào)燈一般都配有燈絲檢測(cè)報(bào)警設(shè)備。集中報(bào)警電路取樣在室內(nèi)點(diǎn)燈電路中，采用感應(yīng)測(cè)流方式，當(dāng)某一燈位發(fā)光管損壞到一定數(shù)量時(shí)，該點(diǎn)燈回路中感應(yīng)電流變小，經(jīng)放大、比較，用單片機(jī)判斷哪個(gè)信號(hào)燈發(fā)生了故障，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。可報(bào)到每一個(gè)燈位，也可報(bào)到每一架信號(hào)機(jī)。

根據(jù)LED信號(hào)燈的特點(diǎn)，當(dāng)有25%～35%的發(fā)光二極管斷路時(shí)，滅燈數(shù)量達(dá)到（30±5）%時(shí)，報(bào)警電路接通，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；當(dāng)發(fā)光二極管滅燈損壞數(shù)量超過（50±5）%時(shí)，燈絲繼電器可靠落下。通過報(bào)警裝置，可實(shí)現(xiàn)LED信號(hào)燈的狀態(tài)修，在不影響使用的情況下，對(duì)損壞達(dá)30%的LED燈盤進(jìn)行維修更換。

當(dāng)發(fā)光二極管滅燈損壞數(shù)量超過（50±5）%時(shí)，LED信號(hào)燈電流監(jiān)測(cè)設(shè)備會(huì)認(rèn)定信號(hào)燈斷絲，并將監(jiān)測(cè)到的報(bào)警信息給聯(lián)鎖系統(tǒng)。聯(lián)鎖系統(tǒng)以此作為信號(hào)處理的聯(lián)鎖條件之一，對(duì)信號(hào)點(diǎn)燈進(jìn)行故障導(dǎo)向安全處理（如信號(hào)點(diǎn)燈降級(jí)處理），保證列車行車安全。但電流監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)設(shè)備，只是為聯(lián)鎖提供“安全信息”，具體的行車安全由聯(lián)鎖系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供保障。因此監(jiān)測(cè)設(shè)備與其所承擔(dān)的責(zé)任并不匹配。與聯(lián)鎖設(shè)備不同，它只是保障行車安全的一個(gè)手段而已，無安全完整性等級(jí)要求。

3.3 直流LED信號(hào)燈電路在某些LED信號(hào)燈的工程設(shè)計(jì)中，采用室內(nèi)直流供電的方式，可節(jié)省室內(nèi)隔離變壓器和室外點(diǎn)燈單元中的隔離降壓變壓器，降低了設(shè)備造價(jià)，這種設(shè)計(jì)方案在無地面敷設(shè)電纜的地鐵中應(yīng)用較多。在有地面電纜的場(chǎng)合，由于取消了室外隔離降壓變壓器，則需重點(diǎn)考慮對(duì)線路引入干擾和防雷的防護(hù)措施。

3.4 存在信號(hào)升級(jí)的安全隱患

對(duì)于LED信號(hào)燈來說，有電流情況下，不能確定LED燈是亮的。這個(gè)問題會(huì)導(dǎo)致電路點(diǎn)雙信號(hào)顯示時(shí)，有可能一個(gè)LED信號(hào)燈檢測(cè)到電流值正常，但其實(shí)并沒有亮燈（或很低亮度顯示），使得信號(hào)燈處于顯示升級(jí)的危險(xiǎn)狀態(tài)。由此可以認(rèn)為，LED信號(hào)燈與傳統(tǒng)信號(hào)點(diǎn)燈電路其實(shí)并不匹配，應(yīng)該為新型LED信號(hào)燈的使用研究新型配套的LED點(diǎn)燈電路。

4 全電子信號(hào)控制是發(fā)展趨勢(shì)

為解決上述隱患，將現(xiàn)有的LED繼電器控制模式升級(jí)為全電子信號(hào)控制模塊控制是未來的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)設(shè)備室有繼電器組合及組合架、電源屏、分線盤等設(shè)備，占用空間大，維護(hù)難度偏高，同時(shí)也影響著城市軌道交通的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展和普及以及安全型繼電器的出現(xiàn)，設(shè)備室完全可以被電子執(zhí)行部件取代。

4.1 全電子信號(hào)控制的優(yōu)點(diǎn)

全電子聯(lián)鎖集成度高、安裝速度快、模塊化設(shè)計(jì)、維護(hù)范圍小且便利等優(yōu)點(diǎn)尤為突出。采用相應(yīng)的技術(shù)手段，如自診斷、運(yùn)算結(jié)果比較、邏輯判斷、控制輸出等，并從配線等各個(gè)環(huán)節(jié)可部分減少或避免錯(cuò)誤的產(chǎn)生，大大提高整個(gè)系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性，達(dá)到市場(chǎng)需求的安全完整性等級(jí)。

全電子聯(lián)鎖信號(hào)系統(tǒng)解決了造價(jià)高、占用資源大的問題，其經(jīng)濟(jì)意義巨大。目前車站基本采用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖，底層控制設(shè)備的全電子化是必然趨勢(shì)。但是，在全電子化的信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元研究中，需認(rèn)真研究新產(chǎn)品新設(shè)備的特性和應(yīng)用條件，對(duì)不同電子元器件的性能分析及其應(yīng)用環(huán)境等應(yīng)分析透徹。

4.2 全電子信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊研究方向

全電子信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊研發(fā)要求所采用的新設(shè)備能夠滿足原有信號(hào)點(diǎn)燈電路的功能需求，滿足故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)原則。但這并不意味著僅僅局限于傳統(tǒng)的點(diǎn)燈電路模式去研究全電子的信號(hào)點(diǎn)燈設(shè)備。應(yīng)針對(duì)不同的新設(shè)備、電子元器件進(jìn)行深入分析，對(duì)點(diǎn)燈控制電路進(jìn)行必要的調(diào)整，以減少或避免因元器件/設(shè)備性能與既有的點(diǎn)燈電路模式不兼容而導(dǎo)致的錯(cuò)誤或故障。亦可深入研究，利用新電子控制模塊解決目前既有點(diǎn)燈控制電路中遺留的問題，解決可能存在的信號(hào)點(diǎn)燈升級(jí)的安全隱患，進(jìn)一步提高信號(hào)點(diǎn)燈系統(tǒng)的安全性與可靠性。

全電子信號(hào)控制方式不僅能滿足且超出現(xiàn)有的控制模式功能需求，無論是在鐵路還是在城市軌道交通的發(fā)展中必然成為主流，具有巨大的市場(chǎng)潛力，同時(shí)將推動(dòng)軌道交通的科技進(jìn)步，使信號(hào)技術(shù)革新?lián)Q代。

[1] 張錫弟．鐵路信號(hào)發(fā)展展望[J]．中國(guó)鐵路，1995(6)：7-8．

初帆：中國(guó)鐵路通信信號(hào)股份有限公司經(jīng)營(yíng)計(jì)劃部，副部長(zhǎng)，北京，100166

責(zé)任編輯 盧敏

U284.1；U231

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1672-061X（2015）04-0053-04