"Badania i wdrażanie. anie nieżarowych. kolejowej" łębiewski Połowniak. owniak. Warszawa,

"Badania i wdrażanie anie nieżarowych źródełświatła a dla sygnalizacji kolejowej" dr inż.. Jakub MłyńczakM mgr inż.. Marcin Gołę łębiewski st tech.. Mirosław Połowniak owniak Warszawa, 12.09.2017 1 1

Wstęp Rozwój technologiczny w zakresie wytwarzania półprzewodnikowych źródeł światła LED dużej mocy oraz o różnej barwie emitowanego światła pozwala na konstruowanie modułów opartych na technice półprzewodnikowej. Żywotność diod LED rozumiana jako czas ciągłej pracy (świecenia) po którym intensywność strumienia świetlnego może (nie musi) obniżyć się do poziomu 90% wielkości początkowej określana jest, w zależności od producenta na 50 000 godz. do 100 000 godz. pracy. Oznacza to, że w zależności od typu (rodzaju) zastosowanego LED jego czas pracy ciągłej wynosi od 5.5 roku do 11 lat. Dodatkowym atutem jest fakt, że załączanie świecenia realizowane przy użyciu właściwych układów elektronicznych nie stanowi dla diod LED tzw. szoku tym samym nie przyspiesza procesu starzenia się czy zużycia eksploatacyjnego jak ma to miejsce w przypadku żarowych źródełświatła. 2

Wstęp Kilkukrotnie wyższa sprawność energetyczna LED w stosunku do tradycyjnych rozwiązań stanowi kolejną zachętę do stosowania LED w obwodach wyświetlania sygnałów zabraniających i zezwalających. Innym atutem LED jest fakt, że możliwy jest dowolny wybór barwy światła, która jest niezmienna w funkcji czasu oraz prądu sterującego. Umożliwia to rezygnację ze stosowania barwnych filtrów optycznych wprowadzających dodatkowe tłumienie strumienia świetlnego. 3

Barwę można scharakteryzować trzema atrybutami: Atrybuty barwy odcień, kolor, walor - nadaje barwie jej nazwę, a określa go odpowiednia długość fali elektromagnetycznej z zakresu od około 380 do 780 nm, nasycenie - uzyskiwane jest poprzez zmieszanie promieniowania barwnego z wiązką światła białego; zmieniając ilość światła białego uzyskujemy wrażenie tego samego koloru ale rozjaśnionego lub przyciemnionego, jasność, jaskrawość, natężenie - odpowiada wrażeniu słabszego lub mocniejszego strumienia światła które nie wpływa na zmianę koloru ani nasycenia. 4

Atrybuty barwy 5

Barwy proste i zasadnicze Barwę wywołaną promieniowaniem o ściśle określonej długości fali nazywamy barwą prostą (widmowa, spektralna, monochromatyczna). Barwami prostymi są kolejne barwy tęczy fioletowa - fale o długości 380-450 nm, niebieska - fale o długości 450-490 nm, zielona - fale o długości 490-560 nm, żółta - fale o długości 560-590 nm, pomarańczowa - fale o długości 590-630 nm, czerwona - fale o długości 630-780 nm. 6

Rozkład barw w spektrum 7

Barwy achromatyczne 8

Barwy złożone i mieszanie barw Barwa złożona jest efektem mieszania różnych barw chromatycznych. Wyróżnia się mieszanie addytywne, sumujące promieniowania poszczególnych barw oraz mieszanie subtraktywne (odejmujace), polegające na wchłanianiu składowych barw. Wypadkowa addytywnego mieszania barw dąży do barwy achromatycznej - bieli. Natomiast wypadkowa subtraktywnego mieszania barw prowadzi do drugiej barwy achromatycznej - czerni. 9

Barwy złożone i mieszanie barw 10

Barwy złożone i mieszanie barw 11

Temperatura barwowa Temperatura barwowa jest parametrem stosowany do opisu rozkładu natężenia promieniowania świetlnego emitowanego przez dane ciało. Skala temperatury barwowej jest przydatna do charakteryzowania achromatycznych źródeł światła (umownie białych). Temperaturę barwową określa się w Kelwinach. Standardowe światło białe ma temperaturę barwową 6774K. 12

Przestrzeń CIE xyz Opracowana w 1931 r. przez Międzynarodową Komisję ds. Oświetlenia Pozwala w jednoznaczny sposób definiować każdą barwę, postrzeganą przez oko ludzkie, wykorzystując do tego trzy współrzędne Przestrzeń ta zawiera się w krzywoliniowym stożku, którego oś pionowa, zwana luminacją, używana jest jako miara atrybutu jasność Przekrój płaszczyzną prostopadłą do osi luminacji wyznacza wykres chromatyczności, tzw. Trójkąt chromatyczności lub krzywoliniowy trójkąt Maxwella 13

Trójk jkąt t Maxwella 14

Kierunki zmian atrybutów 15

Trzy rodzaje sygnalizatorów stosowanych w sygnalizacji kolejowej: 1.sygnalizator drogowy; 2.wskaźnik (W24, W19.); 3.sygnalizator świetlny. 16

1. Sygnalizator drogowy Musi spełniać wymagania Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 3 lipca 2003 r. w sprawie szczegółowych warunków technicznych dla znaków i sygnałów drogowych oraz urządzeń bezpieczeństwa ruchu drogowego i warunków ich umieszczania na drogach (Dz. U. Nr 220, poz. 2181, z późn. zm.), Musi spełniać wymagania Rozporządzenia nr 1744 Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 20 października 2015 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać skrzyżowania linii kolejowych oraz bocznic kolejowych z drogami i ich usytuowanie 17

1. Sygnalizator drogowy Musi w pełni współpracować z systemami przejazdowymi w zakresie możliwości włączenia i stwierdzenia sprawności sygnalizatorów drogowych (w wielu systemach również w czasie oczekiwania pretest); Sygnalizatory drogowe są elementami systemu urządzeń zabezpieczenia ruchu na przejeździe kolejowo-drogowym i muszą odpowiadać wymaganiom określonym we właściwych specyfikacjach technicznych i dokumentach normalizacyjnych dotyczących budowy, utrzymania i kontroli systemów przejazdowych oraz urządzeń dodatkowych na przejazdach kolejowo-drogowych i przejściach w poziomie szyn. 18

1. Sygnalizator drogowy Zgodnie z Rozporządzeniem nr 720 Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 13.05.2014 r. na każdy typ systemu zabezpieczenia ruchu na przejazdach kolejowych wydaje się świadectwo dopuszczenia do eksploatacji. W związku z tym, zamiana lampy żarowej na nieżarową wymaga przeprowadzenia procesu potwierdzającego, że zmiana taka jest możliwa i nie zmienia typu urządzenia na które zostało wydane świadectwo dopuszczenia do eksploatacji. 19

1. Sygnalizator drogowy Niedogodności związane ze stosowaniem źródeł światła LED w sygnalizatorach drogowych: Możliwość niedopasowania funkcjonalnego przy zbieżnych parametrach elektrycznych źródła światła LED i systemu sygnalizacji przejazdowej (nierównomierne miganie sygnalizatora, przebłyski w trakcie pracy itp.), Ograniczona możliwość kontrolowania sprawności w stanie oczekiwania (sygnalizator wygaszony), Możliwość występowania niekontrolowanych mignięć sygnalizatora w stanie oczekiwania (sygnalizator wygaszony), 20

1. Sygnalizator drogowy 21

2. Wskaźnik 22

2. Wskaźnik Zgodnie z Ie4 (WTB-E10): wskaźniki W2, W19, W20, W26a, W26b wyświetla się tylko wtedy, kiedy semafor wskazuje sygnał zezwalający na jazdę. Nie wyświetlenie się tych wskaźników nie może mieć wpływu na obraz sygnałowy. Wskaźnik W21 wyświetla się tylko z sygnałem, którego wskazanie prędkości należy podwyższyć do prędkości wskazanej przez wskaźnik. Nie wyświetlenie się lub wygaśniecie wskaźnika W21 nie może mieć wpływu na obraz sygnałowy. Wskaźnik W24 powinien wyświetlać się jednocześnie z podaniem sygnału zezwalającego na jazdę na tor w kierunku przeciwnym do zasadniczego. Warunkiem świecenia się sygnału zezwalającego na jazdę, na tor w kierunku przeciwnym do zasadniczego, jest świecenie się wskaźnika W24. 23

2. Wskaźnik 24

2. Wskaźnik 25

2. Wskaźnik 26

2. Wskaźnik 27

2. Wskaźnik 28

2. Wskaźnik 29

2. Wskaźnik 30

zgodnie z Rozporządzeniem nr 720 Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 13.05.2014 r. na każdy typ sygnalizatora kolejowego wydaje się świadectwo dopuszczenia do eksploatacji. Rozporządzenie nie mówi nic o rodzaju lampy zastosowanej w sygnalizatorze, traktuje go jako całość (w przypadku zamiennika lampy żarowej). Takie podejście powoduje, że może pojawić się problem braku jakichkolwiek wymogów formalnych w procesie badania i dopuszczenia do eksploatacji nieżarowego elementu świetlnego do sygnalizatora kolejowego. W związku z tym, zamiana lampy żarowej na nieżarową wymaga przeprowadzenia procesu potwierdzającego, że zmiana taka jest możliwa i nie zmienia typu urządzenia na które zostało wydane świadectwo dopuszczenia do eksploatacji. Barwa światła zgodnie z PN-79/B13065. 3. Sygnalizator świetlny (semafor) Światłość i kąt użytecznego rozwarcia wiązki światła zgodnie z BN- 89/3506-32. 31

3. Sygnalizator świetlny (semafor) Kierunki rozwoju konstrukcji semaforów świetlnych: Źródła światła: Pojedynczy LED Matryca LED Barwa światła: LED o określonej barwie światła LED biały z filtrami barwnymi Układ optyczny: Klasyczne układy optyczne z wykorzystaniem soczewek Fresnella, Dedykowane dla danego rozwiązania układ kilku soczewek lub soczewek wieloogniskowych (tzw. plastry miodu). Układ kontroli świecenia: Kontrola realizowana przez system zależnościowy bezpośrednia kontrola parametrów zasilania wymagane dopasowanie elektryczne źródeł światła do istniejących obwodów, Układ sterująco-kontrolny umieszczony w semaforze, semafor jako automat skończony konieczność przeprojektowania obwodów świateł w systemach zależnościowych. 32

3. Sygnalizator świetlny (semafor) matryca LED (dzień/noc), bezbarwna soczewka wieloogniskowa pojedynczy LED z klasycznym układem optycznym z soczewkami Fresnella 33

Wymagania środowiskowe Różnice technologiczne cechujące elementy LED w stosunku do żarowych źródeł światła wymagają określonych działań w procesie projektowania modułów półprzewodnikowych przeznaczeniem których jest praca w komorze semafora przytorowego. Dodatkowo projekt musi uwzględniać ciężkie warunki środowiskowe pracy urządzenia. Jest to związane ze środowiskiem pracy tzn. ekstremalne temperatury otoczenia, możliwość występowania wibracji mechanicznych całej konstrukcji, narażenia na wyziewy chemiczne, konieczność zapewnienia odporności na wilgoć i zapylenie oraz bardzo wysoki poziom narażeń EMC. 34

Wymagania środowiskowe Szczegółowe warunki środowiskowe dla urządzeń srk określają m.in. Instrukcje Ie-100a, Ie-102 i normy PN-EN 50125, PN-EN 50121. Barwa emitowanego światła dla sygnałów wyświetlanych przez latarnie semaforowe jest określona przy użyciu koordynat chromatyczności i jest wyznaczona dla poszczególnych sygnałów zabraniających i zezwalających w normie PN-79/B-13065 Szkło sygnalizacyjne Soczewki Fresnella. Parametry geometryczne, światłość, kąt rozwarcia wiązki świetlnej określone są w normie BN-89 3506-32 Latarnie sygnałowe i semafory świetlne karzełkowe, Wymagania i badania. 35

Wymagania wynikające z instrukcji prowadzenia ruchu kolejowego Kwalifikacja sygnalizatorów przytorowych jak również zasady ich rozmieszczenia na szlaku lub stacji kolejowej jest omówiona w Instrukcji Ie-4 (WTB-E10) Rozdział 2. Większość poruszonych zagadnień w Rozdziale 2 dotyczy wymagań wynikających z tzw. inżynierii ruchu i dotyczą przeznaczenia oraz lokalizacji semaforów lub wskaźników instalowanych we wszystkich decyzyjnych punktach na sieci PKP. Dla konstruktorów nieżarowychźródełświatła stosowanych w semaforach, tarczach ostrzegawczych czy wskaźnikach typu Wxx wymagania te nie maja większego znaczenia. Z tego powodu niniejsze opracowanie nie rozwija powyższego zagadnienia. 36

Wymagania wynikające z instrukcji prowadzenia ruchu kolejowego Jedynym istotnym dla konstruktorów zagadnieniem jest zapewnienie wymaganej widoczności wyświetlanych sygnałów bądź obrazów z określonej odległości. Dla linii kolejowych przyjęto, że w zależności od największej dopuszczalnej regulaminowo prędkości widoczność sygnałów na sygnalizatorach powinna wynosić: a. co najmniej 400 m dla prędkości do 120 km/h, b. 10xV/3 dla prędkości powyżej 120 km/h Powyższe ma znaczenie przy projektowaniu i doborze właściwych LED zapewniających wymaganą luminancję dla wyświetlanego sygnału/obrazu. 37

Wymagania techniczne wynikające z przeznaczenia Wymiana żarowych źródeł światła na źródła LED w komorach semafora lub w komorach wskaźników przy jednoczesnym pozostawieniu tradycyjnych rozwiązań obwodów kontroli świateł wykonanych w technice przekaźnikowej wymaga dodatkowych zabiegów projektowych polegających na dostosowaniu parametrów prądowo-napięciowych modułów LED do wymagań istniejących obwodów kontrolnych. W dużym uproszczeniu rozumieć przez to należy, że źródła LED muszą być widziane od strony sterowania i kontroli tak samo jak źródła żarowe. Dotychczasowa praca obwodów kontroli świateł wykonanych w technice żarowej polega na sprawdzaniu wartości prądu sterującego. Jego wartość w zależności rozwiązania schematowego układów kontrolnych oraz rodzaju wyświetlanego sygnału powinna mieścić się w przedziale od 200 ma do 400 ma mierzone w linii sterującej łączącej przekaźnikownię z punktem wyświetlania sygnału. Każda inna wartość prądu sterującego jest interpretowana jako usterka obwodu świateł. 38

Wymagania techniczne wynikające z przeznaczenia Ponieważ elementy LED są mniej energochłonne i dla tej samej wartości natężenia światła wymagają kilkakrotnie mniejszej mocy elektrycznej poprawność pracy obwodów kontrolnych częściowo można uzyskać poprzez sztuczne dociążenie rezystorami. Ten sposób działania niesie ryzyko polegające na tym, że niedokładny dobór dociążenia zasilania w przypadku rzeczywistego uszkodzenia matrycy LED może być powodem błędnej oceny stanu sprawności technicznej lampy LED przez przekaźnikowe układy kontroli. W skrajnym przypadku pobór prądu przez elementy dociążenia przy jednoczesnym zaniku świecenia LED przekaźnikowe obwody kontroli zdefiniują jako latarnia sprawna, wyświetla żądany sygnał. 39

Wymagania techniczne wynikające z przeznaczenia Innym równie istotnym powodem przekłamania pracy obwodów kontroli świateł może być stosowanie szeroko rozpowszechnionych zasilaczy impulsowych. Zasilacze typu PWM charakteryzują się: a) Dużą wartością prądu rozruchu w chwili załączenia sięgającą nawet kilku do kilkunastu amper przez pierwszy pełny okres napięcia przemiennego (około 20 ms), b) Zanikiem poboru prądu po pierwszym okresie po załączeniu Czas zaniku w zależności od rodzaju zasilacza PWM oraz pobieranej mocy z jego wyjścia wahać się może od 100ms do 300ms, c) Obwiednia pobieranego prądu przez zasilacz PWM jest mocno odkształcona w stosunku do obwiedni sinusoidalnej i ma kształt trapezu lub prostokąta. Pobór prądu jest impulsowy co znacznie obniża wartość skuteczną prądu kontrolowanego przez przekaźnikowe obwody. 40

Wymagania techniczne wynikające z przeznaczenia 41

Wymagania techniczne wynikające z przeznaczenia Wyświetlany sygnał lub obraz przez matryce LED nie może oślepiać maszynisty w porze nocnej oraz nie może powodować tzw. olśnień. Wymaga to stosowania regulacji jasności świecenia LED, co powoduje naturalne zmiany w zakresie pobieranego prądu w linii sterującej, a tym samym rozbudowuje konstrukcję komplikując zapewnienie bezpieczeństwa pracy urządzenia. Kolejną trudnością przy projektowaniu ledowych matryc jest fakt, że uszkodzenie pojedynczego punktu świecącego LED na tzw. zwarcie powoduje jego wygaszenie ale nie wpływa na zmianę całkowitego prądu zasilania. Dlatego moduły LED wykonane jako wielopunktowa matryca MUSZĄ być wyposażone w wyspecjalizowane układy kontroli i nadzoru nazywane dalej ARBITREM. Całość rozwiązania musi być zabudowana bezpośrednio na module, a co za tym idzie musi spełniać rygorystyczne wymagania w zakresie klimatycznym oraz odporności mechanicznej. 47

Wymagania techniczne wynikające z przeznaczenia Jednocześnie ARBITER musi oceniać należytą czytelność wyświetlanego sygnału czy obrazu w przypadku uszkodzenia większej liczby poszczególnych pin LED. Warunek stawiany np. w Instrukcji Ie-102 mówi, że dopuszczalna ilość uszkodzonych LED nie może przekraczać 30% wszystkich LED przy jednoczesnej pełnej czytelności. Obraz musi byś czytelny w sposób intuicyjny, jego postrzeganie nie może wymagać zastanowienia, obraz nie może być wątpliwy i nie może być podobny do innego obrazu wyświetlanego przez inny typ wskaźnika. Należy zwrócić uwagę, że inna będzie czytelność i rozpoznawalność wyświetlanego wskazania w przypadku uszkodzeń diod LED rozproszonych w wyświetlanym obrazie a inaczej w przypadku uszkodzeń diod LED skupionych (bezpośrednio sąsiadujących ze sobą). W tym ostatnim przypadku, należy się liczyć z utratą czytelności w przypadku uszkodzenia mniejszej niż dopuszczalna liczba diod. W takiej sytuacji arbiter musi uznać wskaźnik za nieczytelny (niesprawny). Przykłady czytelności na kolejnych slajdach. 48

Wymagania techniczne wynikające z przeznaczenia Aktualnie większość już pracujących matryc LED (wskaźniki oraz latarnie sygnałowe) jest zabudowana w urządzeniach srk, gdzie kontrola obwodów świateł jest realizowana na przekaźnikach i przekładnikach prądowych. Należy zaznaczyć, że w przypadku kontroli o jakiej mowa powyżej ocena stanu sprawności technicznej zarówno żarowego źródła światła jak też źródła typu matryca LED jest oceną pośrednią, realizowaną w oparciu o parametry prądu zasilania. Taki sposób kontroli jest obarczony możliwością błędu o których mowa w punktach a. do c (zasilacze PWM). 62

Wymagania techniczne wynikające z przeznaczenia Należy pamiętać, że wszystkie badania dla sygnalizatorów żarowych wykonywane są dla źródła światła o następujących parametrach: Żarówka 12V, 24W; Strumień świetlny źródła 260 lm; Temperatura źródła światła 2854 K. 63

Wymagania techniczne wynikające z przeznaczenia Oczekiwane wartości prądu (dla zamiennika źródła żarowego): -Obwód światłą z jednążarówką (w tym wskaźniki) 180 300 ma; -Obwód światła z dwoma żarówkami (czerwone, niebieskie, pomarańczowe białe (Sp)) 260 500 ma; 68

Badania środowiskowe wg Ie-102 1) badanie odporności na warunki klimatyczne: a) odporność na zimno (próba Ad) wg normy PN-EN 60068-2-1:2009, b) odporność na suche gorąco (próba Bd) wg normy PN-EN 60068-2- 2:2009, c) odporność na wilgotne gorąco stałe (próba Cab) wg normy PN- EN60068-2-78:2007; 69

Badania środowiskowe wg Ie-102 2) badania na narażenia mechaniczne: a) badanie odporności na wibracje sinusoidalne należy przeprowadzić zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 60068-2-6:2008, Próba Fc, b) badanie odporności na udary pojedyncze sinusoidalne należy przeprowadzić zgodnie z wymaganiami PN-EN 60068-2-27:2009, Próba Ea; 70

Badania środowiskowe wg Ie-102 4) badania w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej: a) badanie odporności na serie szybkich stanów przejściowych należy wykonać zgodnie z wymaganiami zawartymi w normie PN-EN 61000-4- 4:2010, b) badanie odporności na udary elektryczne należy wykonać zgodnie z wymaganiami zawartymi w normie PN-EN 61000-4-5:2010, c) badanie odporności na zmienność wartości napięcia zasilania należy wykonać zgodnie z wymaganiami zawartymi w normie PN-EN 61000-4-11:2010, d) badanie wartości zakłóceń przewodzonych w obwodach zasilania i sterowania należy wykonać zgodnie z wymaganiami zawartymi w normie PN-EN 61000-6-4:2008 71

Uwagi do badańśrodowiskowych Brak podania parametrów badań takich jak minimalna i maksymalna temperatura dla badań klimatycznych; Brak podania parametrów badań dla narażeń mechanicznych; Brak wymagań dla badań EMC. Przyjęto domyślnie, że parametry badań powinny być zgodne z Instrukcją Ie-100a! Odwołania do norm opisujących metody badawcze a nie parametry badań! Niezgodność wymagań z Listą Prezesa UTK w zakresie wymagań dla sygnalizatora świetlnego w zakresie norm PN-EN 50121 i PN-EN 50125. 72

Zalecenia i uwagi do badańśrodowiskowych Wymagania EMC dla nieżarowych źródeł światła powinny być zgodne z PN-EN 50121 (rodzina norm) Wymagania klimatyczne i mechaniczne powinny być zgodne z PN-EN 50125 w zakresach: Dla badań klimatycznych kategoria temperaturowa T2 (in cubicle) -40 C - +65 C (z możliwością rozszerzenia do +70 C) oraz badaniem wilgotne ciepło cykliczne Dla badań mechanicznych wymagania jak dla zabudowy w odległości 1-3 m od skrajnej szyny 73

Wymagane dokumenty (hasła) a) DTR; Warunki techniczne użytkowania; Analiza FMEA wskaźnika; Analiza progów reakcji; Analiza wyświetlania; Specyfikacja próby typu; Specyfikacja testów funkcjonalnych i bezpieczeństwa technicznego; Raport z testów funkcjonalnych i bezpieczeństwa technicznego; Raport z testów czytelności wskaźnika; Instrukcja montażu i instrukcja wymiany. 74

Inne kraje 75

Inne kraje Spełnienie norm PN-EN 50129 i PN-EN 50126: DB (Niemcy), FTA(Finlandia), SBB(Szwajcaria), OBB(Austria), RFI (Włochy), JBV(Norwegia), ADIF(Hiszpania); Spełnienie norm PN-EN 50121: DB, SBB, OBB, RFI, ADIF; Spełnienie normy PN-EN 50125: DB, SBB, OBB, RFI, JBV, ADIF 76

Dziękuj kuję za uwagę Zakład ad Sterowania Ruchem i Teleinformatyki ul. Józefa Chłopickiego 50 04-275 Warszawa telefon: : (+48( 22) 47 31 490 fax: (+48( 22) 47 31 360 e-mail: automatyka@ikolej.pl Marcin Gołę łębiewski telefon: : (+48( 22) 47 31 457 tel. kom. +48 782 250 928 e-mail: mgolebiewski@ikolej.pl