计算机联锁系统硬件教案.docx

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计算机联锁系统硬件教案

计算机联锁系统的硬件

1计算机联锁的硬件基本结构

__各种型号的计算机联锁系统由于设计思路不同，所采用的硬件不完全相同。

即使同一种型号的系统，其控制的车站规模不同，所需要的硬件数量也不相同。

但各种系统的基本功能和基本任务大致一样，因此它们的硬件组成的基本形式差异不大。

__计算机联锁系统主要由人机对话设备、联锁控制计算机系统（简称主机）_、输入/输出通道与接口、继电器结合电路及其监控对象（信号机、道岔、轨道电路）_等部分组成。

图1—2是计算机联锁系统的硬件结构框图。

下面对各组成部分作以简要说明。

____

1.1主机

__主机是计算机联锁系统的核心，它要完成所有信息的处理、接口管理及与外部设备的信息交换。

由于计算机联锁系统接收和处理的信息很多，而且许多信息在时间上重叠，为了避免信息丢失，提高系统的运行速度，目前应用的各种型号的计算机联锁设备均采用多主系统。

即将人机对话、联锁运算、系统监测等功能分别用不同的主机来处理。

因此，图1—1_的计算机系统（主机）是由几个子系统组成，一般包括上位机（也称操作表示机或控制显示机或监视控制机）、下位机（也称联锁处理机）、电务维修机（也称监测机）等。

而且，为了提高系统的可靠性，上位机采用双机冗余控制，联锁机采用双机热备、三机表决或2×2取二控制，如图1—2所示。

各部分计算机的功能如下：

（1）上位机:

一是接收车务人员的操作命令，将操作信息通过网络通信传给联锁机；二是接收来自联锁机的状态信息和提示信息等，控制显示器显示系统及监控对象的状态，及时显示各种提示信息和报警信息；三是将各种表示信息、报警信息及时转发给电务维修机。

（2）下位机：

一方面接收上位机下发的操作命令,另一方面通过输入接口采集现场信号设备的状态信息。

对输入的信息进行逻辑处理、联锁运算。

根据运算结果，形成控制命令和表示信息。

控制信息通过输出接口电路控制组合架的继电器动作。

表示信息是将现场信号设备的状态信息、提示信息、报警信息等及时传给上位机。

（3）电务维修机:

它是专门为电务维修人员配备的机器。

其主要任务是接收操作表示机发来的状态信息、操作信息、提示信息和报警信息等，通过显示器可及时显示。

同时将各种信息的数据储存记忆，以便查询。

1.2人—机对话设备

__目前使用的计算机联锁系统，人—机对话设备均采用操纵与表示分离的方式，操纵设备主要有按钮盘或数字化仪、鼠标等，表示设备有大屏幕显示器及大屏幕表示盘。

此外还有供电务维修人员维护监测使用的键盘、鼠标及显示器等。

1.3通道与接口

__通道与接口是连接主机与外部设备的纽带。

在计算机联锁系统中，主机一方面通过人—机接口接收值班员的操作命令，同时为显示设备提供各种表示信息；另一方面，通过与监控对象之间的输入通道和接口采集现场设备的状态信息，经过逻辑运算后，形成控制命令，通过与监控对象之间的输出通道和接口控制现场的信号设备。

__由于在现有的计算机联锁系统中，监控对象的执行部件仍然是继电器，因此，与主机相连时，需要通过输入通道将继电器接点的开关状态变换成计算机能够接收的数字信号（数据）后，才能经由接口送入计算机。

同样，计算机输出的控制命令也需要输出通道的变换和传送才能驱动继电器。

__外部设备与主机之间的连接还必须解决两者之间诸如工作速度匹配、通信联络，有时还要完成信息数据的串/并或并/串数据转换等任务。

这些任务都是通过接口电路来完成的。

__由于操作信息和表示信息与安全不直接相关，因此，称这类信息为非安全性信息。

传输非安全性信息的人—机对话接口通常采用通用的标准接口。

而表示现场设备状态的信息和计算机输出的控制信息直接关系到行车的安全，因此，称这类信息为安全性信息。

传输安全性信息的计算机与监控对象之间的接口必须采用为计算机联锁系统专门设计的故障—安全接口。

1.4继电器结合电路

__由于铁路信号对系统的安全性要求非常高，目前国内的计算机联锁系统受到软、硬件技术水平的限制，还不能完全取消继电器。

控制、监督室外信号设备的最后一级执行部件仍然用继电器。

一般的系统主要设置以下继电器：

对应轨道区段保留轨道继电器（GJ）；对应信号机保留信号继电器（XJ）和灯丝继电器（DJ）等；对应道岔控制电路保留道岔启动继电器（1DQJ、2DQJ）和表示继电器（DBJ、FBJ）等。

这样可以保证继电器对室外信号设备的控制与6502电气集中基本一样。

此外，还有控制系统实现双机转换的有关继电器。

_因此，一般的计算机联锁系统所用的继电器的数量仍为6502电气集中的三分之一左右。

__

2计算机联锁系统的冗余结构

2.1冗余结构的概念

__所谓冗余结构是指为了提高系统的可靠性、安全性而增加的结构。

__1、可靠性冗余结构：

如图1—3，模块A和模块B经或门输出，两个模块只要有一个模块正常输出即可保证整个系统不停机，提高了系统工作的可靠性。

在实际应用中，对安全性要求不高的处理人机对话信息的上位机一般采用可靠性冗余结构。

__2、安全性冗余结构：

如图1—4，模块A和模块B经与门输出，两个模块同步工作，只有两个模块输出一致才能保证整个系统不停机，只要有一个模块故障，系统将不能正常输出。

这样，提高了系统工作的安全性，减少了危险侧输出的概率。

在实际应用中，对安全性要求较高的联锁控制机采用安全性冗余结构。

_______

_

2.2双机储备系统

2.2.1双机储备系统的基本结构

__图1—5是双机储备系统的结构框图，图中的A、B是两台完全相同的计算机，其中一台处于在线运行状态，它的输出通过切换开关引向外部，称之为主机或工作机；另一台处于待命接替状态，称为备用机（简称备机）。

由故障检测机构对系统的运行进行检测，当主机运行发生故障时，通过控制切换开关切除主机，并将备用机状态输出。

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____

2.2.2双机储备系统的工作方式

__双机储备系统具有两种工作方式，一是双机冷备，二是双机热备。

所谓双机冷备是指工作机加电运行时，备用机停机，当主机发生故障时，再启动备用机。

这种方式的缺点一是启动时间长，二是故障切换时容易造成信息的丢失。

一般对安全性能要求不高的上位机采用这种工作方式，而对安全性能要求较高的联锁处理机必须采用双机热备的方式。

所谓双机热备是指主、备机输入相同的信息，两机同时独立运行相同的程序，定期同步，主机经输出口输出，备机假输出。

系统运行前，先打开的联锁机为主机，当主机发生故障时，自动切换到备机输出。

这样故障切换时，可不影响系统工作，理想的系统可以实现“无缝切换”。

采用双机储备方式的计算机联锁系统，各子系统之间一般采用局域网的通信方式，为保证系统的通信及时可靠，一般均采用双重冗余网络结构。

2.2.3双机储备系统的故障检测

__双机储备系统的核心是故障检测环节，采用故障检测的目的，一是保证系统发生故障不产生危险侧输出，提高系统的安全性；二是保证能及时实现切换，提高系统的可靠性；三是给出报警信息，以便及时排除故障，使系统迅速恢复正常的工作状态。

__故障检测设备一般采用软件和硬件结合的方式，故障检测的方式很多，图1—6是利用比较—自诊断法实现故障检测的框图，这是一种典型的故障检测方式。

如图所示，主备机均运行正常时，输出状态一致，比较器输出为“1”。

此时，门1打开，系统将A机状态输出。

当主机与备机输出不一致，即某一机器故障时，比较器输出为“0”，系统将通过中断方式启动自诊断程序对系统进行自动检测。

若为主机故障，则通过判别器关闭A机控制门，将无故障的B机状态输出，这样就实现了自动切换。

当然，B机故障时，A机继续输出。

2.2.4双机储备系统主备机的同步过程

采用双机动态冗余方式的关键是A、B机传送给比较器的信息应当同时送到，因此，要求A、B机的必须同步工作，只有同步才能及时交换信息。

为了实现同步，一般的系统采用半双工的通信方式，备机定期向主机呼叫，扫描一个周期，交换一次信息，即握手一次。

双机热备系统同步过程可用图1—7表示

2.2.5双机储备系统的状态转换

这种由双机动态切换实现冗余的方式，称为动态冗余。

双机热备系统的工作状态可用图1—8表示

_

2.3三机表决系统

2.3.1三机表决系统的结构原理

__三机表决系统也称三取二系统，图1—9是三机表决系统的结构框图，系统共有A、B、C三个相同的主机，每个主机可以把它看成是系统中的一个模块。

三个模块执行相同的操作，其输出送到表决器的输入端，将表决器的输出作为系统的输出。

_______

__

三机表决系统首先承认“多数模块的输出是正确的”，按照“少数服从多数”的原理，用三取二的表决结果作为系统的正确输出。

这样有一个模块发生故障，不影响系统的输出。

可以屏蔽任一个模块的故障对系统的影响。

__三机表决系统是利用故障屏蔽技术组成的冗余结构，称这种冗余方式为静态冗余。

这种方式既提高了系统的可靠性又提高了系统的安全性。

但由于增加了系统的硬件，使系统的造价也相应提高了。

__应当指出，当两个模块发生共模故障时，表决器将输出故障的结果。

设计时，可以采用单机自检或主机间互检的方法，消除共模故障。

2.3.2多数表决器

__三机表决系统的核心是多数表决器，用表决器的逻辑电路实现“少数服从多数”的功能。

先分析一下系统的逻辑表达式：

假设三个模块A、B、C的输出分别为a、b、c，则表决器的逻辑表达式为：

____V（a_,b,c）=ab+bc+ac_

__因此其逻辑电路如图1—10所示。

图1—10的电路能够实现表决器的逻辑功能，但它不能实现故障导向安全。

由于表决器是对安全性信息进行表决的，它必须保证在表决器电路任一环节发生故障时不致造成危险侧输出。

图1—11是多数表决器一个比较单元的电路原理图，它相当于图2—9中的一个与门。

下面分析一下这个电路的工作原理：

A、B机的输出a、b一致时，在由分配器产生的四个脉冲CP1～CP4周期内，将在X8和X7端产生一个左移脉冲一个右移脉冲，送入双向移位寄存器，若双向移位寄存器预先置入“1、0”，则在CP1～CP4_的推动下，移位寄存器输出“1、0”相间的脉冲。

A、B机的输出不一致时，在CP1～CP4_的四个脉冲周期内，将产生连续两次左移脉冲或两次右移脉冲，使移位寄存器变为“0_0_”，此后无论如何推动，移位寄存器只能输出稳定的“0”。

__

__在系统设计时，将系统的正常输出设定为“1、0”相间的脉冲，而稳定的“0”或稳定的“1”均为非正常输出。

在表决器电路发生故障时，即图1—11_中X1～X8_任一点发生粘“0”或粘“1”故障时，双向移位寄存器不能输出连续的“1、0”相间的脉冲，只能输出稳定的“0”或输出一个单脉冲后变为稳定的“0”。

发现这一结果，系统将自动变为安全侧输出，实现了故障导向安全。

2.3.3故障机的确定_

__三机表决系统中，有一台主机出现故障时，虽然可以被掩盖过去，但系统已失去了容错的能力。

若不及时修复，当另一模块再发生故障时，将使表决失误。

为此，三机表决系统必须具有故障检测能力。

图1—12是三机系统模块故障检测示意图，检测电路将系统最后的输出与各主机的输出分别进行“异或”比较，不一致时输出为“1”，给出故障指示。

这样，可以发现故障机，并及时报警。

要保证三机表决系统工作可靠，A、B、C三机必须同步工作，在系统软件或硬件设计时，必须采取相应的措施，实现同步。

2.42×2取二系统

2.4.12×2取二系统的概述

（1）二取二的含义：

在一套子系统上集成两套CPU，两CPU严格同步,实时比较。

只有双机运行一致，才对外输出运算结果。

（2）2×2的含义：

用两套完全相同的二取二子系统构成双机并用或热备系统。

每一子系统内部为安全性冗余控制，两子系统形成可靠性冗余控制，这样，既提高了系统的可靠性又提高了系统的安全性。

2.4.22×2取二系统的结构原理

如图1—13所示，系统Ⅰ或系统Ⅱ只要有一个系统正常输出即可保障整个系统正常工作，从而提高了系统的可靠性。

在系统Ⅰ或系统Ⅱ每一个子系统均由系统A和系统B构成，只有A、B两个系统同时工作正常时，系统Ⅰ或系统Ⅱ才能有输出，从而提高了系统的安全性。

2.4.3双系热备

在实际应用中，计算机联锁系统的联锁机采用2×2取二系统，输入输出处理机采用两二取二系统并用方式，两环节主机为

系，备机为

系。

每环节为双机四主热备控制，两环节构成四机八主系统，两环节之间采用光纤双冗余网络通信。

联锁机发生故障时，可自动完成主备系切换。

系和

系的输入输出处理机同时接收主联锁机的输出信息，备联锁机的输出信息只作校核用不作为输出；两输入输出处理机同时运行，两输出并行同时控制执行继电器。

3信息传输

由于计算机联锁系统在硬件设计上均采用多主系统，子系统内部及各子系统之间要进行大量的信息传输，实现信息共享，信息传输的速度和质量直接影响计算机联锁系统的安全性和可靠性。

下面简要介绍一下计算机联锁系统的几种信息传输方式。

3.1总线传输

3.1.1总线及总线标准

所谓总线是指计算机系统各部件连接到一组公共信息的传输线。

通过总线传输信息，可以方便快捷地实现计算机控制系统各模块或各子系统之间的信息共享与交换。

为了保证安全规范地传输信息，必须对总线信号、传输规则、物理介质和机械结构等制定统一的标准，各系统共同遵守，一般由计算机标准化国际组织批准，这一标准被称为总线标准。

3.1.2总线的类型

1.片总线

由微处理器芯片内部引出的总线，被称为片总线。

片总线由地址总线、数据总线和控制总线三部分组成。

（1）地址总线：

在指令操作时，通过地址总线选择CPU要操作的数据存储器单元或I/O设备。

它是单向传输信息的总线。

微处理器的档次不同，地址总线的数目不同，一般16位机有20或24条地址总线。

（2）数据总线：

数据总线用来实现从CPU读出或向CPU写入数据，它是双向传输的总线。

微处理器的档次不同，数据总线的数目不同。

16位机有16条数据总线，32位机有32条数据总线。

（3）控制总线：

控制总线用来传送保证计算机同步和协调工作的定时信号和控制信号，从而保证正确地通过数据总线传送各项信息的操作。

不同型号的微处理器有不同数目的控制总线，且其方向和用途也不一样，但几乎所有的控制总线都与系统的同步有关。

一般的微处理器都有读出线和写入线、中断请求线和中断响应线、同步（选通或时钟）信号线、保持及等待就绪线等。

2.内总线（I—BUS）

内总线又称“系统总线”或“板级总线”，在工控机的机箱内用系统总线来实现各模板插件之间的信息传输。

系统总线是最重要的总线，常用的系统总线标准有STD总线、ISA/PCI总线、VME总线等。

3.1.3外总线（E—BUS）

外总线也称通信总线，用来实现计算机系统之间或计算机系统与其它系统（如：

仪器、仪表、控制装置）之间的信息传输。

它往往借用电子工业已有的总线标准。

通信总线有并行总线和串行总线两类。

（1）并行通信总线

并行总线即在信息传输过程中，每次同时传送一个数据字节。

并行总线传输速度高，但抗干扰能力差。

一般是用于短距离（数十米）的快速传输。

（2）串行通信总线

串行总线即在信息传输过程中，每次传送一个比特（1bit）的信息。

串行总线传输速度低，使用的电缆少，且抗干扰能力强。

一般是用于较远距离的数据传输。

3.1.4嵌入式PC机及PC/104栈接式总线标准

嵌入式PC机即PC机的CPU和标准的PC机芯片组装在一个面积很小的印刷电路板上，制作成嵌入式计算机模块。

选择适当的模块组装起来即可形成一套体积很小的计算机控制系统，这样的系统靠自然通风可正常工作，一般不需要在机箱增加电风扇。

PC/104栈接式总线标准即采用104根信号线，它没有总线母板，不用插槽滑道，模块采用层叠式封装结构，模块之间采用栈接方式，它与ISA总线完全兼容，只比ISA总线增加6根电源线。

3.2局域网传输

局域网也称以太网、CAN网（ControllerAreanetwork的简称）,自动控制系统中所有的计算机通过各自的网络接口板（网卡）直接连到局域网上。

每一网卡均有不同的网络地址，通过网络集线器完成信息交换。

许多计算机联锁系统的子系统之间均采用双冗余网络并联的通信方式。

即每一子系统均设置两块网卡，每一网卡均采用不同的节点地址，分别与A网、B网相连，两网同时传输数据保证有一个网卡或一条网络故障时，不影响系统的通信。

3.3光纤信息传输

光纤信息传输即用光纤作为网线，每一子系统设置两块光通信卡，完成光电信号的转换，用光集线器完成信息交换。

由于光纤的信息传输速度快、抗干扰能力强，因此这种信息的传输方式更加迅速、安全、可靠。

计算机联锁系统的信息传输特别是远距离传输时均采用光纤传输方式。