第二章 计算机联锁系统硬件.docx

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第二章计算机联锁系统硬件

第二章计算机联锁系统概述

一、计算机联锁系统的发展

（一）车站联锁系统的功能与一般层次结构

现代的联锁系统是以色灯信号机、动力转辙机和轨道电路作为室外三大基础设备，以电气设备或电子设备实现联锁功能并采取集中控制方式对信号机和道岔进行控制的系统。

系统的一般层次结构如图2—1所示。

图2—1系统的一般层次结构

（二）对继电集中联锁的再认识

继电联锁系统的特点：

由继电电路来实现信号、道岔和进路之间的联锁关系。

以安全型继电器为主要控制器件，并把它们集中放在信号楼内。

其优点是：

性能比较稳定，在保障铁路行车安全、提高效率起到了良好的作用。

其缺点是：

①功能不够完善，特别是人机对话功能贫乏，也比较难于增加或扩展其它功能。

②不便于和现代化的信息处理系统相连接。

③经济方面，大规模集成电路价格日趋下降而专用继电器价格相对稳定，使得大站的计算机联锁系统的价格低于电气集中联锁；与计算机联锁系统相比，电气集中联锁系统要使用更多的电缆；电气集中联锁占地面积大，标准化程度比计算机联锁系统低，维修量大等。

（三）计算机联锁系统优点

以计算机技术取代继电电路具有以下优点：

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当采用分布式系统结构时，可以节省干线电缆，从而降低工程造价；

⑤当采取了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。

最关键的是，计算机联锁系统为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件。

二、计算机实时控制系统

计算机联锁系统是计算机实时控制系统的一个实例。

实时控制系统是指在限定的时间内对外来事件能够作出反应的系统。

实时工业控制计算机系统的主要特点有：

实时性

现场信号的输入和控制输出能力

高可靠性

可维护性

其它特点：

除了以上特点之外，实时工业控制系统一般要求允许工作环境比较恶劣，如温度高、湿度大、抗冲击、震动性强等。

典型的实时工业计算机控制系统的结构如图2—2所示。

图2—2计算机工业控制系统

三、容错和避错技术

（一）容错技术的发展

避错技术开始于计算机问世。

它的基本思想是试图构造出一个不包含任何故障的“完美”系统。

采用正确的设计尽量避免把故障引入系统，用质量控制、减载使用等方法避免故障的发生。

1952年，冯诺依曼在加州理工学院发表五篇关于容错理论的报告，奠定了容错理论研究的基础。

70年代，容错技术蓬勃发展，其应用遍及到宇航、交通控制以及工业自动化各个领域；80年代，超大规模集成电路（VLSI）和微型计算机的迅速发展和广泛应用使容错技术深入到工业界。

容错的基本思想是：

在系统的体系结构上精心设计，利用外加资源的冗余技术来达到掩蔽故障的影响，从而自动恢复系统或达到安全停机的目的。

（二）容错技术的主要方法

容错技术主要依靠外加资源的方法来换取可靠性。

外加资源有：

硬件冗余：

通过硬件的堆积冗余或待命储备冗余来达到容错。

硬件的堆积冗余可以体现在物理级的元件重复，也可以体现在逻辑域的多数表决；待命储备冗余体现在具有m+1个模块并带有检错和切换装置的计算机系统中。

时间冗余：

通过消耗时间资源来达到容错。

信息冗余：

增加信息的多余度来提高可靠性。

比如增加检错码、纠错码，附加位越多，检错纠错的能力就越强。

软件冗余：

提高软件可靠性有两种方法，一是研究无错软件，二是研究容错软件。

将具有设计差异，完成同一任务的不同软件组成一个有机整体，完成错误检测，程序系统重组及系统恢复等功能。

根据对故障处理方式不同，可以把容错技术分为：

屏蔽冗余和动态冗余。

采取屏蔽冗余的系统具有表决功能，采用动态冗余的系统需要具有故障检测和动态切换功能。

第三章计算机联锁系统的硬件结构

第一节系统的硬件结构

一、系统的可靠性冗余结构

计算机联锁系统的可靠性的定义是：

该系统在规定的时间内、在规定的条件下完成规定功能的能力。

度量可靠性的定量标准是可靠度，计算机联锁系统的可靠度往往用其自身的平均故障间隔时间MTBF来表征。

计算机联锁系统的可靠性冗余结构，往往采用双机互为备用的或门二重系统，其原理结构图如图3—1所示。

图3—1可靠性冗余结构图

二、系统的安全性冗余结构

计算机联锁系统的安全性的定义是：

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。

度量系统安全性的技术指标是系统产生不安全性输出的平均间隔时间。

计算机联锁系统的安全性冗余结构，往往采用双机同时工作并彼此间进行频繁比较的与门二重冗余构造，其基本结构如图3—2所示。

图3—2安全性冗余结构图

三、系统的可靠性与安全性冗余结构

计算机联锁系统的可靠性与安全性的系统结构将是图3—1和图3—2的结合，形成图3—3所示的冗余结构。

图3—3可靠性与安全性的冗余结构

图3—4三取二冗余结构图

三取二冗余结构示意图如图3—4所示，它实际上是由图3—3所示结构变化而来的。

采用三取二冗余结构需要妥善解决一些技术问题，这些技术问题主要是：

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

四、系统的层次结构

计算机联锁系统可以分为上下两层，即上层为人机会话层，下层为联锁测控层，其具体结构如图3—5所示。

图3—5计算机联锁系统的层次结构图

第二节系统的硬件构成

一、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

（１）系统的可信性数据

系统的可靠度：

系统的平均故障间隔时间ＭＴＢＦ大于或等于１０６h。

系统的安全度：

系统的平均非安全性输出间隔时间大于或等于１０11h。

系统的运行周期：

不大于２５０ｍｓ。

（２）系统的环境适应性数据

（略）

二、一般规模车站的硬件构成

下面主要以采用双机热备（动态冗余）的典型系统结构为例。

１、系统的层次结构

系统采用两层结构，即人机会话层和联锁测控层。

２、系统的可靠性结构与安全性结构

为了使系统达到所要求的可靠度，联锁计算机的硬件结构采用双机热备的二重冗余系统。

为了使系统达到所要求的安全度，采用运行双版本联锁程序在功能模块级进行比较的方式。

3、硬件构成示意图

图3—7系统的硬件结构及其各部分间的关系

图3—7是硬件结构图。

其中，人机对话微机和联锁机，以及联锁机和联锁机之间的通信方式很多，最早是采用RS-232等标准串行通信，随着网络技术和电子技术的发展，它们之间的通信还可以采用成熟的以太网等。

最近又出现了一些面向控制系统的基于现场总线的网络，如LONWORK、CAN等。

4、人机会话计算机

图３—8人机会话计算机系统的硬件构成图

人机会话计算机完成计算机联锁系统的人—机接口的任务。

从图３—8所示的人机会话计算机系统结构图中，可以明确地看出数字化仪、大屏幕显示器等与计算机系统相连的具体连接方式，还可以看出人机会话计算机与联锁计算机系统的连接方式。

5、联锁计算机输入与输出信号的流动图

联锁计算机中输入与输出信号的流动图如图3—9所示，图中采取了上述的一系列安全性保证技术，还可以清楚地看到输入与输出信号的流动过程。

图3—9联锁计算机输入与输出信号的流动图

第四节通道与接口

计算机联锁系统和外部设备的输入／输出信息交换具有两种性质，一是开关性，二是安全性。

根据数据的重要性、传输方向、传输时间分布可将接口电路分为八类：

非安全接口是不涉及行车安全数据的接口，均可采用通用的标准接口。

对传输安全数据的串行接口电路来说，可采用编码理论中的差错控制技术发现数据错误，所以可采用标准通用接口。

传输安全数据的并行接口电路，不能简单地用通用标准接口，须采用故障—安全输入输出接口。

下面主要介绍开关量输入/输出通道和故障—安全输入输出接口。

一、开关量输入通道

开关量输入通道是将二值开关量信息变换成计算机能接收的两种电平信号，通道一般应具有隔离、整形和消除接点抖动的影响，其原理图如图3—19所示。

图3—19

1、电信号形成电路

主要功能是：

（1）变换，对于有触点的开关来说，要把接点的“通”与“断”两种状态变换成计算机能识别的“0”和“1”。

（2）隔离，最常用的是光—电隔离技术，因为光信号的传输不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号。

（3）去抖，一般可以用硬件电路去抖，也可以用软件延时的方法去抖。

信号形成电路的具体形式灵活多样，图3—20示出了几种实现方案。

图3—20

2、开关量输入通道接口形式

开关量输入通道根据输人信号点数的多少有多种实现方式，常见的有直接输入方式、分组输入方式和矩阵输人方式等。

图3—21直接输入式接口

图3—22多组输入式接口

图3—23矩阵式输入接口

二、开关量输出通道

联锁计算机输出的开关量是用来控制执行继电器、表示灯或音响报警装置的。

图3—24给出了开关量输出通道的一般组成框图。

图3—24开关量输出通道组成框图

开关量输出通道的主要功能：

一是提高驱动能力；二是实现了计算机与外部设备之间的电气隔离。

下面简单介绍一下不同控制器件的输出接口。

1、继电器输出接口

继电器输出接口示于图3—25中。

图3—25

2、表示灯输出接口

图3—26

3、音响报警输出接口

图3—27

三、故障—安全输入/输出接口

1、故障—安全输入接口

故障—安全输入接口必须做到以下两点：

①采用光电隔离技术，以便有效地抑制接点输入电路的电磁干扰。

②采用静态输入或动态输入方式，以便有效地实现故障一安全原则。

（1）静态故障一安全输入接口

图3—28

（2）动态故障—安全输入接口

电路如图3—29所示,

图3—29

在图3—29的电路中也可把计算机输出的脉冲串看成是输入电平的调制信号,由它将高电平调制成脉冲串.如果这个调制信号为多路输入电平所共用,则可构成图3—30所示的多路开关输入电路。

图3—30

2、故障一安全输出接口

输出接口的任务是将控制信息从代码形式转换成电平形式，并将电平放大到足以驱动继电器工作，同时要求在变换过程中满足故障—安全原则。

（1）代码动／静态变换电路

借助软件的执行使计算机不断输出脉冲序列。

硬件变换可以采用移位寄存器来实现。

例如图3—31的变换电路。

（2）动/静态电平变换电路

这是一种只有当输人为规定脉冲序列时，其输出才为高电平，而在其他任何情况下输出均为低电平的电路，所以称这类电路是动态鉴别电路，动态驱动电路或称做动态继电器电路。

它一般是由控制命令输出光电隔离电路、驱动放大电路及继电器电路三部分组成。

下面举例说明这类电路的几种具体实现方式。

1、采用脉冲变压器的变换电路如图3—32所示。

图3—32采用变压器的动态输出电路

2、不用脉冲变压器的动／静态电平变换电路。

如图3—33和图3—34所示电路

图3—34

四、切换开关电路和表决电路

在计算机联锁系统中，一般采用双机热备或三机表决系统，而切换开关电路和表决电路是实现整个系统硬件冗余，保证联锁机可靠性和安全性的关键部件，这些电路也必须是故障-安全的。

（一）切换逻辑控制与切换开关电路

切换逻辑控制电路的功能是监测联锁机的工作状态，当发现联锁机工作不正常时，产生切换信号，控制切换开关电路动作并报警。

常用的切换逻辑控制电路有定时监视法和动态信号监视法两种。

定时监视法如图3—35所示。

动态信号监视法和定时监视法的工作原理类似，只是用动态信号检测器代替了上述的可再触发单稳态触发器，具体电路与动/静-电平输出接口电路相同。

图3—35

图3—36是切换开关及其控制电路的一个例子，其中由继电器Xa和Xb代表A机B机的报警信号，Xa和Xb的接点构成切换S1和S2的控制继电器AJ和BJ的电路。

图3—36双机切换控制示意图

（二）三取二表决电路

图3—37给出了表决器构成的一个例子，它由三个两两比较器和一个或门组成。

图3—38是安全表决器的一个例子。

图3—37

图3—38

图3—39