趙 越，李國(guó)寧

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院， 蘭州 730070)

基于數(shù)碼管的多方向發(fā)車表示器控制電路的研究

趙 越，李國(guó)寧

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院， 蘭州 730070)

當(dāng)下，隨著鐵道信號(hào)的數(shù)字化和計(jì)算機(jī)化的不斷推進(jìn)，鐵路運(yùn)力大幅提升，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了很多超過3個(gè)出站口的車站，有的甚至多達(dá)7～8個(gè)出站方向。原有的帶3個(gè)表示器的出站信號(hào)機(jī)已不能適應(yīng)這些新變化。因此，以DS6-K5B型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖為例設(shè)計(jì)一種基于數(shù)碼管的新型出站信號(hào)表示器以及相應(yīng)的控制電路。該表示器不僅簡(jiǎn)化以往的信號(hào)表示器電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，而且還在表示含義上具有一定的容錯(cuò)能力。這種設(shè)計(jì)方案可以較好地解決出站信號(hào)機(jī)開放時(shí)的方向問題。

發(fā)車表示器；數(shù)碼管；控制電路；計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖

隨著鐵路運(yùn)輸效率的提高，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，大量的車站存在兩個(gè)或兩個(gè)以上發(fā)車方向，根據(jù)新修訂的《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》(以下簡(jiǎn)稱新《技規(guī)》)中第78條規(guī)定：當(dāng)出站信號(hào)機(jī)有兩個(gè)及兩個(gè)以上的出站的運(yùn)行方向，而僅靠信號(hào)顯示不能分別表示進(jìn)路方向時(shí)，應(yīng)當(dāng)在信號(hào)機(jī)上裝設(shè)進(jìn)路表示器。新《技規(guī)》第365條則指出：裝有進(jìn)路表示器或發(fā)車線路表示器的出站信號(hào)機(jī)，當(dāng)該表示器不良時(shí)，由辦理發(fā)車人員通知司機(jī)后，列車憑出站信號(hào)機(jī)的顯示出發(fā)[1]。所以在設(shè)計(jì)過程中便根據(jù)這一規(guī)定降低了信號(hào)表示器可靠性的要求，即出站信號(hào)機(jī)的信號(hào)表示器并未嚴(yán)格實(shí)行故障—安全原則，也就是說當(dāng)信號(hào)表示器斷絲時(shí)，主體信號(hào)機(jī)仍可開放?；谶@種設(shè)計(jì)思路形成的聯(lián)鎖電路本身就存在一定的不完善性，在實(shí)際執(zhí)行過程中，就容易產(chǎn)生如下風(fēng)險(xiǎn)：第一，現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)規(guī)章制度理解不清，產(chǎn)生“信號(hào)表示器顯示不正常時(shí)不允許行車”的錯(cuò)誤概念；第二，因表示器顯示不正常，由人工指揮行車會(huì)帶來一些不可預(yù)測(cè)的安全隱患，這些隱患往往導(dǎo)致行車效率的下降。針對(duì)上述存在的種種不足，對(duì)該型電路進(jìn)行數(shù)字編碼化改進(jìn)，以此最大程度地避免出現(xiàn)上述問題。

1 信號(hào)設(shè)備平面布置說明

通常情況下，一個(gè)車站的出站口或發(fā)車方向不超過3個(gè)，但隨著鐵路運(yùn)力的增長(zhǎng)，出現(xiàn)了眾多多出站口的車站，如圖1所示的包頭站為例[2]，可以發(fā)現(xiàn)上行方向有兩個(gè)發(fā)車方向，而包頭Ⅱ場(chǎng)的XⅡ-6有6個(gè)發(fā)車方向，以此為例，提出了一種基于數(shù)碼顯示的點(diǎn)燈電路設(shè)計(jì)方案。

圖1 包頭站局部信號(hào)平面示意

2 發(fā)車表示器結(jié)構(gòu)及出站方向區(qū)分

傳統(tǒng)的發(fā)車進(jìn)路表示器與信號(hào)機(jī)燈泡一樣，采用白熾燈雙燈絲結(jié)構(gòu)，根據(jù)站場(chǎng)的出站口或發(fā)車口的數(shù)量來設(shè)置表示器的個(gè)數(shù)，而且規(guī)定了進(jìn)路表示器必須與主體信號(hào)一同構(gòu)成顯示信號(hào)，并且與實(shí)際進(jìn)路方向一致，表示器作為輔助信號(hào)不能獨(dú)立構(gòu)成信號(hào)顯示。以高柱出站信號(hào)機(jī)為例，具體的表示器顯示規(guī)則簡(jiǎn)述如下。

(1) 二方向發(fā)車進(jìn)路表示器可用單獨(dú)點(diǎn)亮左右2個(gè)白色燈光燈區(qū)分2個(gè)不同方向；三方向發(fā)車進(jìn)路表示器可以用單獨(dú)點(diǎn)亮左中右3個(gè)白燈區(qū)分左中右3條線路。

(2) 四方向和五方向的發(fā)車進(jìn)路表示器，其白燈的顯示方式由新《技規(guī)》第448條第3款規(guī)定，具體的顯示規(guī)則如圖2所示[2]。

圖2 四方向和五方向發(fā)車進(jìn)路表示器顯示規(guī)則

由圖2可以看出，帶四方向和五方向的出站信號(hào)機(jī)在機(jī)構(gòu)的設(shè)置上是一樣的，只是通過對(duì)燈位點(diǎn)亮的排列組合形成不同的顯示效果。

通過觀察上述2種顯示規(guī)則，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表示器很多而且瞭望條件不佳時(shí)，司機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)人員會(huì)產(chǎn)生誤認(rèn)，如在五方向出站口A方向(a，b燈亮)和E方向(b，c燈亮)易發(fā)生誤認(rèn)。表示器越多越容易發(fā)生誤認(rèn)，也就容易帶來效率的降低或行車風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 多于五方向發(fā)車口的車站，新《技規(guī)》已做出規(guī)定，這項(xiàng)新要求主要是根據(jù)多發(fā)車口車站多年運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)定來制定的，其思想仍然是增加新的顯示含義[2]，或者再次增加表示器燈位[3]，以實(shí)現(xiàn)更多發(fā)車口的顯示要求。但這種設(shè)計(jì)方案仍然無(wú)法改善上面提到的不足，而且還增加了現(xiàn)場(chǎng)布線的復(fù)雜性，發(fā)車口越多，布線越密集，維修越困難。

鑒于傳統(tǒng)的發(fā)車信號(hào)表示器存在的種種不足，提出了一種新型的基于八段數(shù)碼管的發(fā)車信號(hào)表示器，以出站信號(hào)機(jī)為例，其示意見圖3。該型表示器的優(yōu)點(diǎn)有：第一，數(shù)碼管顯示的是阿拉伯?dāng)?shù)字，顯示含義清楚明了，無(wú)需根據(jù)燈光的排列位置再去對(duì)應(yīng)相應(yīng)的發(fā)車方向，極大減少了現(xiàn)場(chǎng)工作人員和司機(jī)的記憶數(shù)量，提高了工作效率；第二，無(wú)歧義性，傳統(tǒng)發(fā)車表示器在瞭望條件不佳或表示器出現(xiàn)故障時(shí)，易出現(xiàn)上面所述的錯(cuò)誤判斷，由于阿拉伯?dāng)?shù)字筆畫的確定性和唯一性，只要出現(xiàn)顯示錯(cuò)誤時(shí)，則一定能被司機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)人員、甚至是非信號(hào)人員立即辨識(shí)出，最大限度降低了因發(fā)生錯(cuò)誤顯示而造成的行車危險(xiǎn)；第三，八段數(shù)碼管顯示信息量比較大，一個(gè)數(shù)碼管可以最大顯示8個(gè)發(fā)車方向，基本可以滿足我國(guó)絕大部分的車站的運(yùn)營(yíng)要求，即便有多于8個(gè)發(fā)車口的車站，使用多個(gè)數(shù)碼管組合顯示仍然容易實(shí)現(xiàn)。第四，數(shù)碼管具有體積小、功耗低(是普通白熾燈泡功率的1/2～1/3)的優(yōu)點(diǎn)，適合在鐵路上大規(guī)模推廣。

圖3 帶數(shù)碼表示器的出站信號(hào)機(jī)

由于信號(hào)表示器的顯示距離不得小于200 m，在能夠清晰辨認(rèn)出數(shù)字的前提條件下，本方案選擇八英寸八段共陰型數(shù)碼管，設(shè)計(jì)發(fā)車進(jìn)路表示器。該型數(shù)碼管的型號(hào)和尺寸如圖4所示，可以看到除GND外，共有8個(gè)引腳，控制8個(gè)顯示筆段，每個(gè)筆段的線路排列，采用固定的PCB-C-6串3并的封裝電路。每個(gè)二極管的管壓降約為2 V，則每個(gè)筆段的壓降為12 V。雖然在正常狀況下數(shù)碼管在顯示“1～9”的含義上沒有歧義，但考慮到當(dāng)有某筆段的二極管出現(xiàn)故障不能顯示時(shí)，可能會(huì)引起錯(cuò)誤顯示，如圖5(a)所示數(shù)碼管顯示數(shù)字“7”時(shí)，當(dāng)筆段A出現(xiàn)故障斷路時(shí)，會(huì)造成錯(cuò)誤顯示“1”，同理圖5(b)的E筆段斷路時(shí)，“6”會(huì)錯(cuò)誤顯示成“5”等等。

圖4 8英寸數(shù)碼管示意(單位：mm)

圖5 數(shù)碼管故障時(shí)的兩種錯(cuò)誤顯示

雖然新《技規(guī)》中指出發(fā)車進(jìn)路表示器無(wú)需遵循“故障—安全”原則，但表示器的亂顯示的確會(huì)造成顯示不明確，影響人員判斷，導(dǎo)致行車效率下降。所以在系統(tǒng)或元件允許的情況下，在設(shè)計(jì)過程中也要最大程度地滿足該項(xiàng)原則。本文設(shè)計(jì)方案中，數(shù)碼管按如圖6所示的筆段組合顯示代表1～8個(gè)發(fā)車方向，這樣顯示的理由是，當(dāng)有一個(gè)筆段的二極管斷路不工作時(shí)，會(huì)立刻造成亂顯示，現(xiàn)場(chǎng)人員可立刻辨識(shí)出，繼而通知信號(hào)樓關(guān)閉表示器顯示然后更換并排除故障[4]。但是絕不允許因一個(gè)筆段故障導(dǎo)致顯示成其他數(shù)字而不為現(xiàn)場(chǎng)人員所知。同時(shí)，考慮到2個(gè)獨(dú)立元件同時(shí)發(fā)生故障的概率是很小的，所以設(shè)計(jì)時(shí)不考慮2個(gè)及2個(gè)以上筆段故障時(shí)造成的錯(cuò)誤顯示[5]。由此可以看出，這種新型的表示器的顯示方式在安全性上高于以往的表示器，基本達(dá)到了鐵路信號(hào)要求的安全原則。

圖6 發(fā)車進(jìn)路表示器的8種顯示

在軟件實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的過程中，計(jì)算機(jī)需要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，就需要提前給所有被控對(duì)象分配一個(gè)唯一的地址，以便之后的尋址以及操作。在本文設(shè)計(jì)的方案中，計(jì)算機(jī)是通過對(duì)9個(gè)發(fā)車方向繼電器間接控制數(shù)碼管顯示的，所以應(yīng)該給這9個(gè)繼電器分配一個(gè)唯一的地址，編碼的原則是以筆段的導(dǎo)通或截止區(qū)分。因?yàn)樗x的數(shù)碼管為共陰極型，即通高電平導(dǎo)通，低電平截止，可以用“1”代表導(dǎo)通，“0”代表截止，所以，每個(gè)發(fā)車方向的地址編碼如表1所示。

表1 數(shù)碼管編碼規(guī)則

從表1可以看出，不僅每一個(gè)繼電器有唯一的一個(gè)十六進(jìn)制代碼與之相對(duì)應(yīng)，而且任意2個(gè)地址編碼的最小碼距都大于1，這首先驗(yàn)證了前面設(shè)計(jì)的顯示方案的正確性：任意一個(gè)筆段的二極管失效時(shí)不會(huì)產(chǎn)生顯示其他數(shù)字的錯(cuò)誤顯示。其次，計(jì)算機(jī)向繼電器傳輸信息的過程中，若地址編碼出現(xiàn)不超過一位的錯(cuò)誤信號(hào)，由于沒有任何繼電器的地址信息與之對(duì)應(yīng)，因此所有的發(fā)車方向繼電器都不會(huì)錯(cuò)誤動(dòng)作造成錯(cuò)誤顯示，繼而保證了信號(hào)顯示的正確性，從而保證故障—安全原則。若不能保證該開放式的信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)不會(huì)受到惡意攻擊，還應(yīng)對(duì)該地址編碼進(jìn)行加密[6]。

3 控制電路設(shè)計(jì)

本次方案的控制電路應(yīng)包括如下兩部分：第一，發(fā)車表示器點(diǎn)燈電路；第二，與聯(lián)鎖系統(tǒng)的輸入輸出接口部分。發(fā)車表示器點(diǎn)燈電路如圖7所示。

首先，發(fā)車進(jìn)路表示器點(diǎn)燈電路中，使用8個(gè)發(fā)車方向繼電器來區(qū)分方向，在電路上，使用這8個(gè)繼電器的第3組節(jié)點(diǎn)區(qū)分電路，節(jié)點(diǎn)吸起表示接通本發(fā)車方向電路，節(jié)點(diǎn)落下表示向后傳遞電路。仍用LXJ接點(diǎn)用來區(qū)分出站信號(hào)機(jī)是開放列車還是調(diào)車進(jìn)路，由于點(diǎn)燈電路是驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管，所以控制電路中不設(shè)3DJ(表示器燈絲監(jiān)督繼電器)，點(diǎn)燈單元中不設(shè)DJ(燈絲轉(zhuǎn)換繼電器)，因?yàn)閿?shù)碼管每筆段驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，所以在信號(hào)機(jī)柱的近旁設(shè)置智能點(diǎn)燈單元(端子初級(jí)為180 V或220 V，次級(jí)為13、14 V或16 V[7])無(wú)需重新設(shè)置。數(shù)碼管每個(gè)筆段通過的電流為25 mA，則每個(gè)八段數(shù)碼管通過最大電流為0.2 A，所以點(diǎn)燈電路中每條去線設(shè)置一個(gè)0.5 A的熔斷器，回線設(shè)置1 A的熔斷器依舊是合適的。由于數(shù)碼管需采用直流供電，所以需在點(diǎn)燈電路中加入橋式整流器和濾波電容，其參數(shù)計(jì)算如下。

圖7 發(fā)車表示器點(diǎn)燈電路

設(shè)點(diǎn)燈單元內(nèi)的變壓器次級(jí)U2=14 V，交流電頻率f=50 Hz，每筆段負(fù)載電流Io=25 mA，負(fù)載電壓Uo表示為

(1)

在橋式整流電路中，每支二極管都只在交流信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，所以流過二極管的平均電流為Io的一半，本設(shè)計(jì)方案中取數(shù)碼管全亮?xí)r通過的最大電流ID，即

橋式整流電路中的二極管所能承受的最大反向電壓為

因此可選用2CP21二極管(最大反向耐受電壓100V，最大整流電流300mA)。

下面選擇濾波電容，首先應(yīng)求出負(fù)載等效電阻RL，由于數(shù)碼管中的發(fā)光二極管電阻無(wú)法直接求得，所以只能通過式(2)，分別計(jì)算每個(gè)方向的數(shù)碼管的等效電阻，求出等效電阻后，就可以根據(jù)放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式(3)確定C值[8]。

(2)

(3)

其中T為交流電源周期，在這里不妨取

表2 各方向電路主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果

其次，本方案以DS6-K5B計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)該型表示器與聯(lián)鎖的輸入輸出接口部分，DS6-K5B型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是中國(guó)鐵路通信信號(hào)股份有限公司(中文簡(jiǎn)稱中國(guó)通號(hào)，英文簡(jiǎn)稱CRSC)研究設(shè)計(jì)院與日本京三株式會(huì)社聯(lián)合開發(fā)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)和輸入輸出的采集和驅(qū)動(dòng)電路仍采用日本京三公司的K5B型產(chǎn)品，但是所有涉及安全信息處理系統(tǒng)和傳輸?shù)牟考凑展收稀踩瓌t采用了二重系即二乘二取二的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而在系統(tǒng)的軟件方面，DS6-K5B刪除了K5B原來的聯(lián)鎖程序，而只保留了原來K5B計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的管理程序，并且將DS6-11型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的聯(lián)鎖程序經(jīng)過一定修改移植到了K5B系統(tǒng)中。

DS6-K5B型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是由控顯分機(jī)、控制臺(tái)、電務(wù)維修機(jī)、聯(lián)鎖機(jī)、輸入輸出接口(也稱之為“電子終端”，用字母“ET”表示)以及電源組成。本文設(shè)計(jì)的發(fā)車進(jìn)路表示器電路主要涉及到繼電器、繼電器接點(diǎn)與輸入輸出接口即ET的連接。K5B系統(tǒng)中輸入輸出接口是安裝在ET機(jī)籠中，每一個(gè)ET機(jī)籠中裝有一對(duì)通信模塊ET_LINE，并且用2根二芯的光纜將其與聯(lián)鎖機(jī)中的TLIO接口的一個(gè)ET NET線路連接。每個(gè)ET機(jī)籠內(nèi)可以安裝5對(duì)10個(gè)電子終端，而每個(gè)電子終端一共有32路輸出、32路輸入。每個(gè)電子終端實(shí)際安裝的是PIO模塊，其數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)配置和站場(chǎng)規(guī)模而確定，而且PIO必須成對(duì)安裝以構(gòu)成32對(duì)輸入輸出接口[9]。本設(shè)計(jì)方案中需要驅(qū)動(dòng)的繼電器有LXJ、DXJ、LJ、LUJ、1FJ、2FJ、3FJ、4FJ、5FJ、6FJ、7FJ、8FJ，從PIO驅(qū)動(dòng)電壓“+”24V到J2引出，經(jīng)接口架到被控繼電器，最后由被控繼電器線圈回到接口“-”24V回到接口電源；需要采集接點(diǎn)狀態(tài)的繼電器有DJ、LXJ、DXJ、LJ、LUJ、1FJ、2FJ、3FJ、4FJ、5FJ、6FJ、7FJ、8FJ，PIO電源從微機(jī)電源柜的“+”24V引出，經(jīng)過需要采集信息的繼電器接點(diǎn)到接口架，再?gòu)腜IO的J1進(jìn)入PIO模塊，經(jīng)J3、J4，回到接口的“-”24 V回到接口電源[10]。該接口電路如圖8所示。

圖8 表示器與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的接口連接

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型的基于數(shù)碼管的發(fā)車進(jìn)路表示器，該型發(fā)車進(jìn)路表示器既滿足故障—安全原則，也降低了工作人員的維修強(qiáng)度，該型信號(hào)表示器可用于車站的出站信號(hào)機(jī)或進(jìn)路信號(hào)機(jī)的控制電路中。本設(shè)計(jì)方案仍待改進(jìn)的地方：由于嚴(yán)格考慮到數(shù)碼管故障后不應(yīng)錯(cuò)誤顯示為其他數(shù)字，所以沒有給出“0”、“9”的表示方法。然而在編組站等對(duì)鐵路行車影響較小的區(qū)域，在不影響顯示含義的前提下，可降低顯示要求，即利用數(shù)碼點(diǎn)dp進(jìn)行區(qū)分(可將個(gè)位的“0.”、“9.”視為“0”和“9”，由于我國(guó)編組站沒有90甚至100條以上的編組線，不存在將諸如第93股顯示為“9.3”的情況)，從而實(shí)現(xiàn)0～9全字段的顯示，每架駝峰峰尾調(diào)車線始端的線路表示器可用兩塊數(shù)碼板級(jí)聯(lián)顯示線路編號(hào)，從而更加明晰地顯示了貨車解體溜放的去向，提高溜放效率。

[1] 中國(guó)鐵路總公司.鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)[Z].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014．

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[3] 韓永強(qiáng).七方向發(fā)車進(jìn)路表示器顯示及控制電路的設(shè)計(jì)[J].鐵道通信信號(hào)，2013(9):17-20．

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LED-based Research on Multi-directional Departure Track Indicator and Control Circuit

ZHAO Yue， LI Guo-ning

(School of Electrical Engineering and Automation， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

With the rapid development of digitization and computerization， Chinese railway transportation is increasing remarkably， and stations with more than three exit directions come to emerge on the railway， some with even seven to eight exit directions， which has made the former starting signal with only three indicators inadaptable to the new changes. Therefore， this paper refers to DS6-K5B Interlocking System to design a new departure track indicator and control circuit based LED. This new indicator not only simplifies former control circuit of indicator to fulfill digitalized control， but has fault tolerant ability of display. The design shows that using the LED indicator could better solve the problem of distinguishing directions when starting signal is open.

Departure track indicator; LED; Control circuit; Computer interlock

2014-09-23；

2014-10-12

趙越(1990—)，男，碩士研究生，E-mail:zy7672668@163.com。

1004-2954(2015)07-0159-06

U284.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.036