9A文计算机联锁系统教材Word格式.docx
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6.7.故障掩蔽技术和系统重组技术26
6.8.故障检测与诊断方法26
7.系统可靠性与安全性评估28
7.1.系统的可靠性和安全性估算28
7.2.单机系统的故障-安全模型28
7.3.三重冗余系统可靠性和安全性评估28
8.计算机监测系统29
8.1.系统的功能及技术条件29
8.2.监测系统的结构29
9.系统的检验与测试31
9.1.系统检测的意义与发展趋势31
9.2.系统的检验方法31
9.3.检验系统的功能和结构31
1.
计算机联锁系统概述
本章主要介绍铁路信号的一些相关概念，在此基础上对车站信号的一些重点知识进行简要的说明（例如：
车站信号机的布置，进路的控制等内容）。
然后介绍车站信号从电气联锁发展到计算机联锁的过程，从而介绍计算机联锁的发展，特点等内容。
1.1.铁路运输与铁路信号系统
1.铁路运输：
是以机车车辆等移动设备和铁路线路桥梁隧道，站场等固定为基本设备，以车站为运输生产基地的实现旅客和货物运输的庞大系统。
2.区间：
为了保证行车安全和必要的通过能力，将铁路线路分成若干段，每段称为区间。
3.联锁：
为了保证行车安全，信号、道岔与进路之间必须以技术手段保持一定的制约关系和操作顺序，常称这种制约关系和操作顺序为联锁。
4.1927年发明了轨道电路，用它在检查线路是否空闲，为实现铁路信号自动控制创造了条件。
5.铁路信号的作用
是直接指挥行车的工具，保证行车安全，提高运输效率和改善劳动条件。
1.2.铁路信号系统的安全性与可靠性
1.影响行车安全的因素
路外因素：
例：
洪水、塌方等自然灾害和人为的祸害等
路内因素：
设备故障和违章作业等
2.信息的安全程度取决于是否实现下列要求：
（1）信号显示应能反映所防护的线段是否在空闲状态；
（2）信号显示应能反映所防护的线段内是否存在危及行车安全的因素；
（3）信号显示应能指示安全运行速度
3.系统的安全性表现在以下两个方面
（1）功能安全：
即系统在无故障地正常工作中有保证行车安全的性能；
（2）技术安全：
即系统发生故障后其后果仍能导致行车安全
4.故障——安全原则
当信号设备发生故障时，应倒向安全侧而不危及行车安全的原则，称为故障—安全原则。
1.3.车站信号机的布置与进路
1.进路：
是指列车或车列所经过的路径或通路。
根据性质分为：
列车进路和调车进路，而列车进路又分为接车进路，发车进路，通过进路和饶场进路。
2.信号机的布置方法
该项内容作为车站信号的基础知识应熟练掌握，因该部分的内容在基础专业课《运营基础》中已进行了详细的讲解。
此节的内容只需将图给的站场进行简单的说明即可。
1.4.联锁与进路控制
1.进路建立：
分为进路的建立和进路解锁两个阶段。
（1）进路建立
是指从车站值班人员开始办理进路到防护该进路的信号开放这一阶段。
其中包括：
1）进路选择
2）道岔控制
2）进路锁闭
3）信号控制
（2）进路解锁
是指从列车或车列驶入进路到越过进路中全部岔道区段这一阶段，或者是指操作人员解除已建的进路的阶段。
1）取消进路
2）人工解锁
3）正常解锁
4）中途折返解锁
5）故障解锁
1.5.从电气联锁到计算机联锁系统
1.车站联锁系统
是以技术手段实现以进路控制为主要内容的联锁功能的系统。
系统的一般层次结构图如下图所示：
2.电气联锁系统
一般来说，继电电路的模块化和定型化程度愈高，愈有利于设计、施工和维护，所使用的继电器的数量也愈多。
我国的650&
系统的模块化和定型化程度很高，使用的继电器的数量也很大。
折合到每组道岔大致在30台以上。
这就增加了继电器的检修工作量。
3.用计算机取代继电电路构成的联锁机构原因：
（1）计算机的逻辑功能与继电逻辑电路具有共同的理论基础；
（2）由于可靠性技术和咎错技术和安全技术的进步，使得用计算机实现联锁控制成为可能；
（3）工业控制级计算机商品化，为保证系统可靠性和降低造价提供了条件；
（4）为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件。
4.计算机联锁系统的优点
（1）减少继电器检修工作量；
（2）减少系统的设计、施工和维护的工作量；
（3）减少建筑使用面积；
（4）当采取分布式系统结构时，可以节省干线电缆，从而降低工程造价；
（5）当采取必要的提高系统的可靠性和安全性的技术措施后，系统的可靠性和安全性将得到提高；
（6）便于改造
（7）便于增加新功能。
1.6.计算机联锁系统的现状与发展
由于70年代电子业的发展，世界上（1971年11月Intel4004）产生了第一台微型计算机，此后它几乎是每隔两年更新换代一次，使得它影响到各行各业，当然也渗透到铁路系统。
瑞典、日本、英国等国家相继开展了计算机联锁系统的研究。
1978年瑞典首先在歌德堡车站使用了计算机联锁系统。
1.我国目前车站联锁的状况
（1）我国目前的车站联锁，主要是650&
型继电电气集中。
至“九五”期末，全路已装备了集中联锁（包括继电集中联锁和计算机联锁）5232站占运营车站总数的90.4%。
（2）20世纪80年代以来，随着计算机技术、现代通信技术、网络技术的发展。
车站联锁进入了计算机联锁时代，由于它的诸多优点，显示了它在车站联锁领域发展的广阔前景。
（3）铁道部运输局基础部科技司于1998年10月共同组织了专家组对11个研制单位的产品进行了筛选，考核认证和测评，最终选定了4家研制生产责任单位，同时确定了4个国内硬件生产厂家。
（4）“九五”以来，出现了如武广线成段车站采用计算机联锁的趋势；
并正在考虑采用区域计算机联锁。
2.我国车站计算机联锁概况
（1）1984～1989起步阶段
（2）1990～1996平稳发展阶段
（3）1997～1998无序发展阶段
（4）1999～目前为整顿规范阶段
3.铁路行车中的四个智能系统
列车间隔调整系统、计算机联锁系统、调度管理信息系统以及调度专家系统。
习题：
1．进路的控制可分为哪几个阶段？
2．什么是车站联锁系统，画出其中一般的层次框图。
3．计算机联锁的特点。
2.
现代工业控制计算机技术
2.1.现代计算机技术
1.处理器的更新
（1）内置浮点数运算功能
（2）超标量结构：
解码/执行管线至少要有两条，在一个周期内具有能够获取两个以上指令进入管线的能力，并能够在同一时间内，有两条指令以上的结果产生速写回内存。
（3）外部采取64位宽度的数据/内存总线
（4）内置分离式的高速缓冲器CacheRAM
（5）Pentium或PentiumPro加入MM
2.存储器的进步
（1）快速闪存FlashMemorR
（2）32位传输72Pin设计的FAMDRAM
（3）EDODRAM
（4）64位传输168Pin设计的SDRAM
（5）内存需求的判断
3.磁盘驱动器的发展
（1）硬盘驱动器
（2）与硬盘驱动器匹配的接口
（3）硬盘的工作模式
4.光盘驱动器CD-ROM
（1）CD-ROM
（2）CD-ROMCD-RMD与VCD
（3）CD-ROM的接口
5.显示器与显示卡
（1）显示器的主要规格：
分辨率与点距，模拟调整与数字调整，环保省电功能，防电辐射与防静电处理，支持即插机用功能p&
p消磁功能。
（2）PCIBUS显示卡与AGP图形加速卡
6.声卡
2.2.工业控制计算机系统的特点
特点
（1）实时性强。
（实时性：
是指工业控制计算机系统应该具有的在限定的时间内对外来事件作出的反应的特性。
）
（2）具有充分的过程输入与输出功能。
（对P45的表的内容进行详细的介绍）
（3）标准化和系统化。
（4）高可靠性
a）在设计与构造阶段要使系统具有很高的平均无故障时间MTBF或平均故障间隔时间（MTBF）。
b）具有很强的抗干扰能力。
c）系统总线要具有充裕的驱动能力。
d）具有定时自动重新启动功能。
e）具有硬件自检功能。
（5）模块化的系统结构
（6）系统的开发环境
（7）通信与联接能力
（8）产品质量保障体系和服务保障体系
2.3.几种主要的计算机总线标准
1．总线及其标准
（1）概念
1）总线：
是一组公用信号线的集合，通过这一组公用信号线把计算机或计算机测控系统中的各个摸板以及各种设备连接成一个整体，以便彼此之间进行信息交换。
2）总线规格
3）总线标准
（2）总线的标准化
1）IEEE总线标准
2）广泛流行的总线例如：
PC/RTPC/ATPCI等
（3）总线的种类
1）系统总线
2）通信总线
a.并行通信总线
b.串行通信总线
c.现场总线
2.STD总线标准
3.ISA/PCI总线标准
4.VME总线
5.嵌入式PC及其连接总线标准
2.4.用于过程控制的标准接口
1.开关量输入/输出的标准接口
（1）DI/DO信号的标准接口组成：
总线接口逻辑输入缓存器和输出缓存器I/O电器接口
（2）DI信号的调理电路（见P74图2——7）
（3）DO信号的驱动电路
1）TTL电户三态门输出电路（见P75图2——8）
2）开路集电极（OC门）输出电路（见P76图2——9）
3）门电路外增加晶体管功率驱动级（见P76图2——10）
4）达林顿陈列驱动器功率输出电路（见P77图2——11，12）
2.模拟量输入接口电路
该部分的内容应在微机原理与接口技术中加以详细的介绍，在此且作简单的概述。
1．什么是实时性，需考虑的两个因素是什么？
2．工业控制计算机系统的特点？
3.
系统的硬件结构
3.1.计算机联锁系统的体系结构
根据6502电气集中的组成,功能及技术特点,对计算机联锁的要求应当是,在系统组成上系统是模块化结构,这样可以根据车站的规模和作用需要选用功能不同和数量不等的模块组装而成,这样做不仅是经济的而且节省设计,生产和施工的时间且便于维护;
在功能上除了能完成6502所具有的功能外,还应充分利用计算机的软件资源,增加新功能,做到比6502电气集中功能更丰富更易于操作;
在安全,可靠性方面要利用各种技术措施,达到比6502电气集中具有更高的可靠性和安全性。
与6502电气集中的组成相比,计算机联锁系统与6502电气集中在层次结构上是很相似的,一般把计算机联锁功能划分为三层,即人-机对话层,联锁运算层和输入输出运算层.由于控制规模功能的完备程度,经济因素以及技术背景的不同,往往这三层的设备（下图为计算机联锁系统的层次结构）。
构成及功能划分不尽相同,这样就形成了微机联锁系统—多种不同体系结构.下面就对这三层一般的设备结构构成及功能划分方法作些讨论。
1.人-机对话层
一般来说,该层的功能是用以输入操作命令和显示各种表张.从设备构成方面来说,可以采用控制台方式,控制台加显示器方式和工业PC机方式,有些也决定了该层与联锁运算层的联系是采用并行方式还是串行方式;
从可靠性方面来说,可采用避错技术和动态符技术,而切换方式可以是自动切换也可以是人工切换。
2.联锁运算层
该层的主要任务是接收来自人-机对话层的操作命令和通过输入输出控制层采集状态信息,进行联锁运算,将形成的控制命令经用输入输出控制层输出以及将各种表示信息传给人-机对话层联锁系统是整个系统的核心部分.从设备构成而言,可以用可偏程序控制器（PLC）,也可以用工业控制机;
从可靠性和安全技术方面而言,可采用各种避错技术和容错技术.避错技术包括质量控制,环境防护和减载使用等措施,容错技术主要采用冗余措施,包括硬件冗余,软件冗余,信息冗余和时间冗余等,其中硬件冗余又可分为静态冗余和动态冗余.软件冗余可采用双套软件和比较它们执行结果的方法.信息冗余用在串行通讯的检错码或纠错码和并行处理器中—冗余偏码.从联锁运算层和输入输出控制层之间的连接方式而言,可采用专线方式或总线方式.专线方式是指在联锁系统中基本上保留了6520电气集中的道岔和信号机的控制电路,联锁运算层和输入输出控制层之间采用并行的方式连接;
总线方式是指把室外的监控对象按地理位置划分成若干个群,对每个对象群,在其附近设置一个由微机构成的现场控制器,它与联机运算微机之间的以串行的方式连接,以达节省干线电缆的目的.从联锁软件的偏号方法而言,可采用接线图式或电路搜索式的方法.
由上述可见,联锁运算式的构成是灵活多样的.下面仅就采用三取二的静态冗余技术构成的三模冗余结构和采用动态冗余技术的双机结构作些介绍.这两种结构在实际的微机联锁系统中用的较多,具有代表性.
（1）三取二冗余结构图
采用这种结构时，需要着重解决的问题是：
1）在保证硬件设计无错的基础上，采用自检程序或互检技术，防止三个模块发生共模故障，保证故障——安全性能。
2）要有高可靠和故障——安全性能的表决器，同时要具有子模块故障检测功能，即当任何一个模块发生故障时能及时检出以便尽早修复。
3）要保证三个模块能同步工作，这就需要三个模块具有相同版本的软件和同步时钟。
（2）双模动态冗余结构
特点是两个模块各有自己独立的故障检测功能并各有一个检测输出信号，可用检测信号的组成构成一个故障检测器来控制切换开关。
双机结构的关键技术是不断地检测微机内部是否发生故障，其目的有三，一是在发生故障时不能产生危险侧输出；
二是在工作机发生故障时及时驱动切换开关动作，将备用机的输出作为联锁机的输出；
三是无论工作机还是备用机发生故生故障后及时报警。
这就是需要通过软件冗余，信息冗余时间冗余以及自检程序等技术来实现。
（3）输入输出控制层这一层分两部分
1）输入输出接口（I/O）
它是用以输出控制命令和采集状态信息的通道，因它传递的都是涉安信息（把联锁系统中那些涉及行车安全的信息称为涉安信息），所以必须具有高可靠性和故障——安全性能。
这就需要设计安全型输入输出接口电路，在电路本身发生故障时使用导向安全侧。
2）监控对象的控制电路
微机联锁系统的监控对象就是室外设备，即信号机，动力转换机和轨道电路。
对这三类监控对象都应有相应的控制电路。
构成这些电路的方法有两种，一是把6502电气集中所用的轨道电路，道岔控制电路和信息灯光控制电路应用到微机联锁系统中来（其中要对道岔启动的电路作少量修改），优点是可以简化电路设计，缺点是使微机联锁系统所用继电器数量仍然较多。
另一种方法是利用因态器件并配以相应的硬软件检测防护措施构成经济的安全控制电路，以减少继电器用量。
3.2.系统的硬件结构
1.系统的可靠性冗余结构
（1）定义：
该系统在规定的时间内，在规定的条件内，在规定的条件下完成规定功能的能力。
（2）可靠性冗余结构图
2.系统的安全性冗余结构
当系统的任何部分发生故障时，其后果不会导致人身伤亡或者财产的重大损失的性能。
（2）安全性冗余结构图
3.系统的可靠性与安全性冗余结构
（1）三取二冗余结构（前节已将过）
（2）三取二冗余结构需解决的技术问题
1）三台计算机的同步运行问题
2）高指标表决器问题
3）故障机的及时切离与及时修复问题
4.分布式结构的系统的体系结构
3.3.系统的硬件构成
1.系统的技术要求
（1）系统的功能
1）人机会话功能（能够接受操作并表示系统状态）
2）联锁控制功能
3）对系统主要组成设备的工作状态进行监测的功能
4）能够与上一级通信网络实现联网的功能
（2）系统的性能
（3）系统的可行性数据
1）MTBF》10E3h;
安全度》10E11h
2）系统的环境适应性数据
3.一般规模车站的硬件的构成（25组道岔）
1）系统的层次结构
2）系统的可靠性结构与安全性结构
3）硬件构成示意图P943-7和3-8
2.硬件结构的形象图P963-9
3.人机会话计算机的硬件构成图P983-10
4.联锁计算机输入与输出信号的流动图P993-11
3.4.大型车站的系统硬件结构
P101图3-12
3.5.容错计算机系统的硬件结构
1.采用TRICON容错控制器的容错联锁主机系统
是在采用美国TRICONER公司的容错控制器的基础上，经我国铁路科技人员研究，开发与利用而构成的容错联锁主机系统，以该主机为核心的联锁设备已经在我国铁路运营线上安装使用。
（1）容错的联锁主机构成原理
容错微机联锁系统的容错联锁主机，其容错能力是通过从输入模块，主机处理模块，输出模块三大部分的全面三重化来实现的，这样保证了系统中的任何部分在发生单永长久故障时，或者由于各种原因造成瞬间故障发生时，容错微机联锁系统均能够无差错地不间断地工作。
容错微机联锁系统的每一个I/O模块均有三条独立的分电路。
输入模块上的每条采集分电路分别采用相关继电器的接点，并将采集结果经过三条I/O总线送到相应的主处理器，在每一个联锁扫描周期，三个主处理器通过专门的高速总线系统TRI总线进行同步通倍，表决输入数据。
每个主处理器模块根据表决后的输入数据执行联锁程序，然后将联锁程序产生的输出数据经过三条I/O总线送到输出模块，在输出模块上进行表决后输出，最后推动相应的继电器。
对于每一个I/O模块，容错微机联锁系统均支持热备功能，若主模块在运行中发生故障，容错联锁计算机系统能够立即换入联锁运算，保证了系统的不同间断运行。
（2）主处理器模块
容错微机联锁系统的主模块的原理如下：
容错微机联锁系统有三个主处理器模块插在主机架上，每个主处理器模块完全独立地与I/O系统通信并执行联锁程序。
三个主处理器在每个循环周期比较数据，从而构成三取二系统。
每个主处理器模块的时钟,稳压电源,电路均完全独立.每个主处理器模块有三个处理器并行运行以分别完成各自的任务.
1）联锁主处理器:
32位25MHZ的NS32GR32,2MB内存.负责执行联锁程序,其内存用于存储联锁程序,I/O数据,诊断与通信数据
2）I/O数据处理器:
12MHZ的C31,.I/O通信的传输速度为375kb/s,负责交换主处理器模块与I/O模块间的采集数据,驱动数据.三重化的I/O总线装在机架背面,另外通过I/O总线电缆可以从原机架延伸到另一个机架.
3）通讯处理器:
16MHZ的80C152,其通信的传输速率为2Mb/s,负责交换主处理器模块与通信模块间的命令数据,表示数据
另外,在每一个主处理器模块,均有一套高速表决总线TRI总线,它在三个主处理器模块间负责完成如下工作:
1）诊断数据与通信数据的传递
2）对所有采集数据的传递与硬件表决
3）对上次联锁程序的输出数据,中间数据的传递与硬件表决
4）对联锁程序代码进行比较
TRI总线为完成隔离,串行通信,传递速率为4Mb/s.一个DMA控制,它独立于联锁软件,以完成同步传输,表决,数据纠正.
容错联锁系统广泛的功能,可以安观对每个主处理器模块,I/O模块和通信通道的完好进行检验.当诊断到瞬间故障时,可以将其记录,并通过硬件表决电路来屏蔽;
诊断到永久性故障时,可以对故障模块进行热更换.主处理器的主要诊断功能如下:
1）检验联锁程序代码和内存
2）测试所有处理器的指令和操作代码
3）检验每个I/O通信处理器和分电路间的双口RAM
4）检验cpu,每个I/O通信处理器和分路间的握寻信号和中断信号
5）检验cpu每个I/O通信处理器和分路处理器的RAM双口RAM,RS-485收发器的反馈.
6）检验TRICluck和TRI总线接口
每个主处理器模块底部有一个RS-232R可供系统工作人员做诊断分析用.
主处理器模块可接受双重化电源供电,电源母线排列在主机架内,一个电源或电源母线发生故障时,不会影响联锁系统正常工作.
（3）通信模块
上位监控机通过通信模块发送车务值班员的操作命令,并读取三个主处理器模块中信号,道岔,区段等设备的现场状态和联锁逻辑状态,提供实时图形显示.
2.总线紧密结合型容错联锁主机系统
（1）容错联锁主机系统的结构
P117图3-20
（2）涉安信息输入电路的结构
P119图3-21
（3）涉安信息输出电路的结构
P120图3-22
习题:
1.计算机联锁系统可靠性,安全性定义?
2.分析三取二冗余系统的工作原理,需解决的技术问题有哪些?
4.
系统的软件结构
4.1.软件的功能与总体结构
1.软件的功能
（1）人机界面信息处理功能
1）操作信息处理
对正常的操作进行处理,形成有效的操作命令,并在屏幕上给出相应的表示,以便值班员确认自己的操作;
对错误的操作进行处理,并在屏幕上给出相应的提示,以便使值班员能够立即发现自己的错误操作及时采取措施纠正错误的操作.
2）表示信息处理
对现场的信号设备的状态,在屏幕上实时地给出显示,使值班员随时监督现场设备的运营情况.
3）维护与管理信息处理
对现场的信号设备的故障状态,在屏幕上及时地给出相对的显示,以便使维护人员迅速,准确地查找故障;
自动记录并存出值班员办理作业的时间的被操作的按扭,完成与其它周边系统的联系.
（2）进路控制功能（基本联锁控制）
1）进路选出（建立）
3）信号开放
4）信号保持开放
5）进路解锁,正常/非正常
6）道岔单独操作
7）进路引导锁闭等
（3）执行控制功能
1）输出控制:
根据联锁软件生成的控制命令来驱动现场设备的控制电路
2）输入控制:
采集现场设备的状态信息,为联锁运算提供数据.
（4）自动检验与诊断功能
主要是在执行联锁程序的过程中检测故障的外在
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