进站信号机点灯电路模拟系统

张立东，吕坤鹏

(山东交通学院 轨道交通学院，山东 济南　250357)

图1　进站信号机点灯电路图

联锁逻辑是车站信号控制的核心，也是确保铁路信号系统安全的核心内容之一[1-2]。用仿真方法分析联锁逻辑的原理和功能，能够提前定位系统的潜在缺点[3]，如有色Petri网的模拟方法[4-5]、基于微机联锁的铁路信号仿真方法[6-7]等。铁路信号联锁逻辑正确性的校验也是确保系统安全的重要手段[8]，如基于CAD模型的铁路信号联锁逻辑规则自动验证方法[9]、基于信号设备运行数据分析的验证方法[10]、基于BP神经网络的诊断方法[11]、模块诊断法[12]、基于CAN总线的诊断方法[13]、基于RAMS的诊断方法[14]和模糊灰度聚类分析法[15]等，均提供了有益的研究思路，无线传感器网络[16]、能源问题[17]、车地一体化[18]等技术也得到了相关研究。分析现有研究成果可知，信号系统仿真方法和故障校验方法是研究的重点方向之一。基于此，本文在Proteus中将单片机与信号继电器相结合，模拟铁路信号中进站机信号点灯电路，针对单片机控制进站信号机点灯电路进行研究，通过模拟系统的控制逻辑实现进站信号机点灯电路原有功能，并满足铁路信号系统中的故障-安全原则。

1　进站信号机点灯电路原理

进站信号机点灯电路是车站信号控制的主要电路之一[19]，其组成及原理如图1所示。电路主要由列车信号继电器LXJ、正线信号继电器ZXJ、通过信号继电器TXJ、绿黄信号继电器LUXJ、引导信号继电器YXJ、侧线通过信号继电器CTXJ和闪光继电器SNJ组成，实现7种信号显示。

模拟进站信号机点灯电路，需根据上述继电器之间的逻辑关系选择器件并合理设置其逻辑关系。

2　模拟系统方案设计

2.1　模拟系统结构

图2　模拟系统结构图

模拟系统的组成主要包括控制开关、AT89C51单片机模块、继电器模块、显示模块四部分组成。控制开关模拟6502控制台上的按钮，用于办理进路；AT89C51单片机是控制系统的核心，用于模拟15条网络线的工作过程，进行联锁逻辑的判别；继电器模块对应室外电路，实现点灯电路等逻辑；显示模块包括光带表示灯和按钮表示灯。系统如图2所示。

2.2　控制器设计方案

单片机控制电路图如图3所示。由图3可知，AT89C51单片机为核心器件，根据车站站场图设置进路办理按钮，原则上每个信号点设置一个按钮。根据AT89C51单片机引脚特点，选择P1和P3端口为按钮信号输入点，结合软件逻辑设计实现进路办理和信号机点灯。P0和P2端口为继电器电路接口，根据功能需要共接有15个继电器。在单片机和继电器之间串接放大器，实现电流的放大，驱动继电器工作。

图3　单片机控制电路图

2.3　继电器模块设计

继电器模块主要包括点灯电路继电器、进路办理继电器和点灯电路模块三部分。

2.3.1点灯电路继电器模块

点灯电路的继电器模块电路图如图4所示，继电器模块电路主要包括PNP三极管和各类继电器，单片机控制电路输出引脚与放大器的基极连接，+5 V电源与放大器的发射极相连接，继电器的线圈与集电极相连，构成线圈励磁电路，放大器将单片机引脚传输的电信号放大后，使继电器励磁吸起。+20 V电源与继电器的中接点相连接，其前接点分别连接点灯电路中的LXJ、YXJ、ZXJ、TXJ、LUXJ等继电器的线圈电路，构成信号辅助继电器的励磁电路。

2.3.2进路办理继电器模块

图5为进路办理继电器模块的部分电路图。电路中放大器Q6～Q15依次控制RELAY6～RELAY15共10个继电器，其中放大器发射极接高电平(+5 V),继电器的高电平为+20 V。RELAY6和RELAY7分别控制XLAJ、LJJ和SILAJ，通过这3个继电器励磁吸起接通IG接车进路白光带；RELAY8和RELAY9分别控制XLAJ1、LJJ1和SIIILAJ，通过这3个继电器励磁吸起接通IIIG接车进路白光带；RELAY10和RELAY11分别控制XLAJ2、LJJ2和S5LAJ，由此3个继电器吸起接通5G接车进路白光带；RELAY12和RELAY13分别控制XLAJ3、LTJ和TXAJ，通过这3个继电器吸起接通IG通过进路白光带；RELAY14和RELAY15分别控制XLAJ4、LJJ4和LUXAJ，此3个继电器吸起接通IG开放绿黄信号的接车进路白光带。

图4　点灯电路继电器模块图　　　　　　　　　图5　部分进路办理继电器模块图

2.4　点灯电路模块

图6为进站信号机点灯电路图。进站信号机点灯电路模拟系统由LXJ、LXJF、ZXJ、TXJ、YXJ、LUXJ、2DJ以及各个信号灯的灯丝转换继电器构成进站信号机点灯电路仿真电路。

电路中，每个信号辅助继电器的线圈电路均与点灯电路继电器模块相连接，通过继电器模块对其进行控制。各个信号辅助继电器接点的连接与进站信号机点灯电路的连接原理相同，1U、L、H灯电路均由电源(+75 V)通过RD1为其相应的信号辅助继电器的继电供电，而2U和YB则是由电源(+75 V)通过RD3为与之相连的信号辅助继电器的继电供电，后经RD2接地，构成点灯电路回路。

2.5　控制开关组合逻辑设计

根据单片机电路特点，控制开关组合采用双按钮组合逻辑，即设定区分列车进路和调车进路的总按钮，然后在进路的始终端信号点和变通按钮信号点位置分别设置对应的开关。办理进路时，只需按下进路对应的控制开关即可。如办理IG接车进路时，先按下K10(LXA)再依次按下K1(XLA)、K2(SIXA)则可完成IG接车进路的办理，同时开放一个黄灯信号。

2.6　电路“故障-安全”技术的实现

在模拟系统中通过控制逻辑使初始状态下LXJ落下，接通红灯电路，并保证取消进路时电路回到初始状态，点亮红灯，开放禁止信号。电路中采用2个LED灯分别代替信号灯的主、副灯丝，并将主灯丝电路与DZJ串联，实现当主灯丝故障时，DZJ落下，接通副灯丝电路，保证信号仍在开放状态。

电路中利用灯丝继电器监督各点灯电路信号灯的灯丝状态，若信号灯主、副灯丝均断丝故障时，及时发出报警信息，保证行车安全。电路中将2DJ的接点连接在1U和L的点灯电路中，保证在开放双黄灯或绿黄灯的时候2U故障不会开放错误信号。在模拟系统中通过控制逻辑，保证在某种信号开放的同时无法办理其他进路，保证信号显示与进路办理同步，保证行车安全。

图6　进站信号机点灯电路仿真图

3　应用实例

3.1　站场电路实例

为验证上述模拟系统的正确性，以典型车站下行进站信号机(X)点灯电路为例，模拟控制台的操作功能。将多个白炽灯串联在一起组成白光带，并通过网络标号与进路办理的控制电路相连接，通过控制开关实现对不同进路的控制，其中IG接车进路中白光带的网络标号连接顺序为：LAMP111-112-116-117-118；IIIG接车进路中白光带的网络标号连接顺序：LAMP111-112-113-114-115；5G接车进路中白光带的网络标号连接顺序为：LAMP111-112-113-114-119-120；IG通过进路中白光带的网络标号连接顺序为：LAMP111-112-116-117-118-123-124；开放绿黄信号办理IG接车进路中白光带的网络标号连接顺序为：LAMP111-112-116-117-118-123。仿真结果如图7所示。

3.2　开关逻辑设计

在分析站场图的基础上，基于进站信号机点灯电路逻辑，设计开关组合如表1。进路始端按钮固定为K1(XLA)，K9(ZQXA)为总取消按钮。

图7　车站站场仿真结果

控制开关按钮名称继电器模块信号继电器进路办理开放信号K1XLAK9ZQXAK10LXAK2SIXARELAY1LXJURELAY2ZXJRELAY6XLAJIG接车进路RELAY7SILAJK3SIIIXARELAY1LXJU、URELAY8XLAJ1IIIG接车进路RELAY9SIIILAJK4S5XARELAY1LXJU、URELAY10XLAJ25G接车进路RELAY11S5LAJK5TGXARELAY1LXJRELAY3ZXJLRELAY4TXJRELAY12XLAJ3IG通过进路RELAY13TXAJK6LUXARELAY1LXJRELAY3ZXJLURELAY5LUXJRELAY14XLAJ4IG进站随时RELAY15LUXAJ准备停车K7YDXARELAY2YXJHB

3.3　初始状态开放红灯信号

在仿真电路连接完成后，对进站信号机点灯电路模拟系统进行调试以及仿真分析。模拟系统在初始运行状态下，所有开关均处于弹起状态，开放红灯即禁止信号。接通电路为：+75 V—RD1—LXJ41-43—HDZJ1-2—LXJ63-61—RD2—接地。进站信号机显示红灯仿真结果如图8所示。

图8　进站信号机显示红灯仿真结果

3.4　办理IG接车进路并开放黄灯信号

图9　进站信号机显示黄灯仿真结果

进路办理过程中依次按下XLA和SIXA后，单片机引脚P0.5和P0.6供出电信号，使继电器模块RELAY6和RELAY7励磁，进而控制按钮继电器励磁，开放单黄灯信号,如图9所示。接通电路为：P0.5—Q6基极且+5 V—Q6发射极—Q6集电极—RELAY61-2—接地；P0.6—Q7基极且+5 V—Q7发射极→Q7集电极—RELAY71-2—接地；+20 V—RELAY611-12—XLAJ1-2—接地；+20 V—RELAY711-12—SILAJ1-2—接地；+20 V—XLAJ11-12—LJJ1-2—接地。同时，点亮IG接车进路白光带接通电路为： +75 V—LJJ11-12—LAMP111-112-116-117-118—SILAJ12-11—接地。

4　结语

应用结果表明，所设计的模拟系统实现了进路办理、信号联锁逻辑判别、光带显示、信号点灯等核心功能，达到了预期仿真目的，与文献[20]提出的硬件实现方法相比灵活性较好。同时表明通过合理设置单片机逻辑，能够达到模拟信号机点灯电路的功能，并且能够实现故障-安全的模拟。研究结果对开发铁路信号仿真以及实验产品提供了思路。

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