基于数码管的多方向发车表示器控制电路的研究

赵 越，李国宁

(兰州交通大学自动化与电气工程学院， 兰州 730070)

基于数码管的多方向发车表示器控制电路的研究

赵 越，李国宁

(兰州交通大学自动化与电气工程学院， 兰州 730070)

当下，随着铁道信号的数字化和计算机化的不断推进，铁路运力大幅提升，现场出现了很多超过3个出站口的车站，有的甚至多达7～8个出站方向。原有的带3个表示器的出站信号机已不能适应这些新变化。因此，以DS6-K5B型计算机联锁为例设计一种基于数码管的新型出站信号表示器以及相应的控制电路。该表示器不仅简化以往的信号表示器电路，实现数字化控制，而且还在表示含义上具有一定的容错能力。这种设计方案可以较好地解决出站信号机开放时的方向问题。

发车表示器；数码管；控制电路；计算机联锁

随着铁路运输效率的提高，在实际现场中，大量的车站存在两个或两个以上发车方向，根据新修订的《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》(以下简称新《技规》)中第78条规定：当出站信号机有两个及两个以上的出站的运行方向，而仅靠信号显示不能分别表示进路方向时，应当在信号机上装设进路表示器。新《技规》第365条则指出：装有进路表示器或发车线路表示器的出站信号机，当该表示器不良时，由办理发车人员通知司机后，列车凭出站信号机的显示出发[1]。所以在设计过程中便根据这一规定降低了信号表示器可靠性的要求，即出站信号机的信号表示器并未严格实行故障—安全原则，也就是说当信号表示器断丝时，主体信号机仍可开放。基于这种设计思路形成的联锁电路本身就存在一定的不完善性，在实际执行过程中，就容易产生如下风险：第一，现场人员对规章制度理解不清，产生“信号表示器显示不正常时不允许行车”的错误概念；第二，因表示器显示不正常，由人工指挥行车会带来一些不可预测的安全隐患，这些隐患往往导致行车效率的下降。针对上述存在的种种不足，对该型电路进行数字编码化改进，以此最大程度地避免出现上述问题。

1 信号设备平面布置说明

通常情况下，一个车站的出站口或发车方向不超过3个，但随着铁路运力的增长，出现了众多多出站口的车站，如图1所示的包头站为例[2]，可以发现上行方向有两个发车方向，而包头Ⅱ场的XⅡ-6有6个发车方向，以此为例，提出了一种基于数码显示的点灯电路设计方案。

图1 包头站局部信号平面示意

2 发车表示器结构及出站方向区分

传统的发车进路表示器与信号机灯泡一样，采用白炽灯双灯丝结构，根据站场的出站口或发车口的数量来设置表示器的个数，而且规定了进路表示器必须与主体信号一同构成显示信号，并且与实际进路方向一致，表示器作为辅助信号不能独立构成信号显示。以高柱出站信号机为例，具体的表示器显示规则简述如下。

(1) 二方向发车进路表示器可用单独点亮左右2个白色灯光灯区分2个不同方向；三方向发车进路表示器可以用单独点亮左中右3个白灯区分左中右3条线路。

(2) 四方向和五方向的发车进路表示器，其白灯的显示方式由新《技规》第448条第3款规定，具体的显示规则如图2所示[2]。

图2 四方向和五方向发车进路表示器显示规则

由图2可以看出，带四方向和五方向的出站信号机在机构的设置上是一样的，只是通过对灯位点亮的排列组合形成不同的显示效果。

通过观察上述2种显示规则，可以发现，当表示器很多而且瞭望条件不佳时，司机或现场人员会产生误认，如在五方向出站口A方向(a，b灯亮)和E方向(b，c灯亮)易发生误认。表示器越多越容易发生误认，也就容易带来效率的降低或行车风险。

(3) 多于五方向发车口的车站，新《技规》已做出规定，这项新要求主要是根据多发车口车站多年运营经验和规定来制定的，其思想仍然是增加新的显示含义[2]，或者再次增加表示器灯位[3]，以实现更多发车口的显示要求。但这种设计方案仍然无法改善上面提到的不足，而且还增加了现场布线的复杂性，发车口越多，布线越密集，维修越困难。

鉴于传统的发车信号表示器存在的种种不足，提出了一种新型的基于八段数码管的发车信号表示器，以出站信号机为例，其示意见图3。该型表示器的优点有：第一，数码管显示的是阿拉伯数字，显示含义清楚明了，无需根据灯光的排列位置再去对应相应的发车方向，极大减少了现场工作人员和司机的记忆数量，提高了工作效率；第二，无歧义性，传统发车表示器在瞭望条件不佳或表示器出现故障时，易出现上面所述的错误判断，由于阿拉伯数字笔画的确定性和唯一性，只要出现显示错误时，则一定能被司机、现场信号人员、甚至是非信号人员立即辨识出，最大限度降低了因发生错误显示而造成的行车危险；第三，八段数码管显示信息量比较大，一个数码管可以最大显示8个发车方向，基本可以满足我国绝大部分的车站的运营要求，即便有多于8个发车口的车站，使用多个数码管组合显示仍然容易实现。第四，数码管具有体积小、功耗低(是普通白炽灯泡功率的1/2～1/3)的优点，适合在铁路上大规模推广。

图3 带数码表示器的出站信号机

由于信号表示器的显示距离不得小于200 m，在能够清晰辨认出数字的前提条件下，本方案选择八英寸八段共阴型数码管，设计发车进路表示器。该型数码管的型号和尺寸如图4所示，可以看到除GND外，共有8个引脚，控制8个显示笔段，每个笔段的线路排列，采用固定的PCB-C-6串3并的封装电路。每个二极管的管压降约为2 V，则每个笔段的压降为12 V。虽然在正常状况下数码管在显示“1～9”的含义上没有歧义，但考虑到当有某笔段的二极管出现故障不能显示时，可能会引起错误显示，如图5(a)所示数码管显示数字“7”时，当笔段A出现故障断路时，会造成错误显示“1”，同理图5(b)的E笔段断路时，“6”会错误显示成“5”等等。

图4 8英寸数码管示意(单位：mm)

图5 数码管故障时的两种错误显示

虽然新《技规》中指出发车进路表示器无需遵循“故障—安全”原则，但表示器的乱显示的确会造成显示不明确，影响人员判断，导致行车效率下降。所以在系统或元件允许的情况下，在设计过程中也要最大程度地满足该项原则。本文设计方案中，数码管按如图6所示的笔段组合显示代表1～8个发车方向，这样显示的理由是，当有一个笔段的二极管断路不工作时，会立刻造成乱显示，现场人员可立刻辨识出，继而通知信号楼关闭表示器显示然后更换并排除故障[4]。但是绝不允许因一个笔段故障导致显示成其他数字而不为现场人员所知。同时，考虑到2个独立元件同时发生故障的概率是很小的，所以设计时不考虑2个及2个以上笔段故障时造成的错误显示[5]。由此可以看出，这种新型的表示器的显示方式在安全性上高于以往的表示器，基本达到了铁路信号要求的安全原则。

图6 发车进路表示器的8种显示

在软件实现联锁的过程中，计算机需要对被控对象进行控制，就需要提前给所有被控对象分配一个唯一的地址，以便之后的寻址以及操作。在本文设计的方案中，计算机是通过对9个发车方向继电器间接控制数码管显示的，所以应该给这9个继电器分配一个唯一的地址，编码的原则是以笔段的导通或截止区分。因为所选的数码管为共阴极型，即通高电平导通，低电平截止，可以用“1”代表导通，“0”代表截止，所以，每个发车方向的地址编码如表1所示。

表1 数码管编码规则

从表1可以看出，不仅每一个继电器有唯一的一个十六进制代码与之相对应，而且任意2个地址编码的最小码距都大于1，这首先验证了前面设计的显示方案的正确性：任意一个笔段的二极管失效时不会产生显示其他数字的错误显示。其次，计算机向继电器传输信息的过程中，若地址编码出现不超过一位的错误信号，由于没有任何继电器的地址信息与之对应，因此所有的发车方向继电器都不会错误动作造成错误显示，继而保证了信号显示的正确性，从而保证故障—安全原则。若不能保证该开放式的信号传输网络不会受到恶意攻击，还应对该地址编码进行加密[6]。

3 控制电路设计

本次方案的控制电路应包括如下两部分：第一，发车表示器点灯电路；第二，与联锁系统的输入输出接口部分。发车表示器点灯电路如图7所示。

首先，发车进路表示器点灯电路中，使用8个发车方向继电器来区分方向，在电路上，使用这8个继电器的第3组节点区分电路，节点吸起表示接通本发车方向电路，节点落下表示向后传递电路。仍用LXJ接点用来区分出站信号机是开放列车还是调车进路，由于点灯电路是驱动的数码管，所以控制电路中不设3DJ(表示器灯丝监督继电器)，点灯单元中不设DJ(灯丝转换继电器)，因为数码管每笔段驱动电压为12 V，所以在信号机柱的近旁设置智能点灯单元(端子初级为180 V或220 V，次级为13、14 V或16 V[7])无需重新设置。数码管每个笔段通过的电流为25 mA，则每个八段数码管通过最大电流为0.2 A，所以点灯电路中每条去线设置一个0.5 A的熔断器，回线设置1 A的熔断器依旧是合适的。由于数码管需采用直流供电，所以需在点灯电路中加入桥式整流器和滤波电容，其参数计算如下。

图7 发车表示器点灯电路

设点灯单元内的变压器次级U2=14 V，交流电频率f=50 Hz，每笔段负载电流Io=25 mA，负载电压Uo表示为

(1)

在桥式整流电路中，每支二极管都只在交流信号的半个周期内导通，所以流过二极管的平均电流为Io的一半，本设计方案中取数码管全亮时通过的最大电流ID，即

桥式整流电路中的二极管所能承受的最大反向电压为

因此可选用2CP21二极管(最大反向耐受电压100V，最大整流电流300mA)。

下面选择滤波电容，首先应求出负载等效电阻RL，由于数码管中的发光二极管电阻无法直接求得，所以只能通过式(2)，分别计算每个方向的数码管的等效电阻，求出等效电阻后，就可以根据放电时间常数τ=RLC，再根据经验式(3)确定C值[8]。

(2)

(3)

其中T为交流电源周期，在这里不妨取

表2 各方向电路主要参数计算结果

其次，本方案以DS6-K5B计算机联锁系统为例，设计该型表示器与联锁的输入输出接口部分，DS6-K5B型计算机联锁系统是中国铁路通信信号股份有限公司(中文简称中国通号，英文简称CRSC)研究设计院与日本京三株式会社联合开发的计算机联锁系统。联锁计算机和输入输出的采集和驱动电路仍采用日本京三公司的K5B型产品，但是所有涉及安全信息处理系统和传输的部件均按照故障—安全原则采用了二重系即二乘二取二的结构进行设计。而在系统的软件方面，DS6-K5B删除了K5B原来的联锁程序，而只保留了原来K5B计算机联锁的管理程序，并且将DS6-11型计算机联锁的联锁程序经过一定修改移植到了K5B系统中。

DS6-K5B型计算机联锁系统是由控显分机、控制台、电务维修机、联锁机、输入输出接口(也称之为“电子终端”，用字母“ET”表示)以及电源组成。本文设计的发车进路表示器电路主要涉及到继电器、继电器接点与输入输出接口即ET的连接。K5B系统中输入输出接口是安装在ET机笼中，每一个ET机笼中装有一对通信模块ET_LINE，并且用2根二芯的光缆将其与联锁机中的TLIO接口的一个ET NET线路连接。每个ET机笼内可以安装5对10个电子终端，而每个电子终端一共有32路输出、32路输入。每个电子终端实际安装的是PIO模块，其数量根据系统配置和站场规模而确定，而且PIO必须成对安装以构成32对输入输出接口[9]。本设计方案中需要驱动的继电器有LXJ、DXJ、LJ、LUJ、1FJ、2FJ、3FJ、4FJ、5FJ、6FJ、7FJ、8FJ，从PIO驱动电压“+”24V到J2引出，经接口架到被控继电器，最后由被控继电器线圈回到接口“-”24V回到接口电源；需要采集接点状态的继电器有DJ、LXJ、DXJ、LJ、LUJ、1FJ、2FJ、3FJ、4FJ、5FJ、6FJ、7FJ、8FJ，PIO电源从微机电源柜的“+”24V引出，经过需要采集信息的继电器接点到接口架，再从PIO的J1进入PIO模块，经J3、J4，回到接口的“-”24 V回到接口电源[10]。该接口电路如图8所示。

图8 表示器与计算机联锁的接口连接

4 结语

本文提出了一种新型的基于数码管的发车进路表示器，该型发车进路表示器既满足故障—安全原则，也降低了工作人员的维修强度，该型信号表示器可用于车站的出站信号机或进路信号机的控制电路中。本设计方案仍待改进的地方：由于严格考虑到数码管故障后不应错误显示为其他数字，所以没有给出“0”、“9”的表示方法。然而在编组站等对铁路行车影响较小的区域，在不影响显示含义的前提下，可降低显示要求，即利用数码点dp进行区分(可将个位的“0.”、“9.”视为“0”和“9”，由于我国编组站没有90甚至100条以上的编组线，不存在将诸如第93股显示为“9.3”的情况)，从而实现0～9全字段的显示，每架驼峰峰尾调车线始端的线路表示器可用两块数码板级联显示线路编号，从而更加明晰地显示了货车解体溜放的去向，提高溜放效率。

[1] 中国铁路总公司.铁路技术管理规程(普速铁路部分)[Z].北京：中国铁道出版社，2014．

[2] 王永洲.六方向出站信号机点灯方式及控制电路探讨[J].铁道标准设计，2013(1):118-120．

[3] 韩永强.七方向发车进路表示器显示及控制电路的设计[J].铁道通信信号，2013(9):17-20．

[4] 中华人民共和国铁道部.TB/T2615—1994铁道信号故障—安全原则[S].北京:中国铁道出版社，1994．

[5] EN 50129-1， Railway applications-Communication， signalling and processing systems-Safety related electronic systems for signalling[S].

[6] IEC 62280-2-2002， Railway applications-Communication， signalling and processing systems-Safety related communication in open transmission systems[S]．

[7] 中华人民共和国铁道部.TB/T3202—2008铁道信号点灯单元[S].北京:中国铁道出版社，2008．

[8] 封志宏.模拟电子技术[M].兰州:兰州大学出版社，2003．

[9] 吕永昌，林瑜筠.计算机联锁[M].北京:中国铁道出版社，2007．

[10]林瑜筠，刘连峰，洪冠.计算机联锁图册[M].北京:中国铁道出版社，2012．

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

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

1004-2954(2015)07-0159-06

U284.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.036