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计算机联锁系统培训,赵米秀 2008.10.,计算机联锁系统技术讲解目录,车站信号联锁系统的概述 计算机联锁系统的特点 计算机联锁系统的技术基础 计算机联锁系统的硬件 计算机联锁系统的软件 计算机联锁系统的通道与接口,第一章 计算机联锁系统概述,一、车站信号控制系统的发展概况 人工信号 机械联锁 电气集中（继电联锁） 计算机联锁系统,二、计算机联锁系统的发展概况 首先是国外的一些发达国家相继开展了计算机联锁系统的研究。1978年瑞典ABB公司研制的世界上第一套计算机联锁系统EBILOCK首先在歌德堡站成功投入使用，掀开了车站联锁控制系统研究与应用的新篇章。后来德国、美国、日本、英国、法国、奥地利等一些发达国家也陆续地使用了计算机联锁系统。到了90年代，不少国家已开始大面积推广计算机联锁控制系统。,我国的计算机联锁系统的研制工作是从80年代在一些研究部门和高等院校相继开始的。 1984年，通信信号总公司研究设计院研制生产出了国内第一个车站计算机联锁系统，并成功的应用于地方铁路，填补了我国计算机联锁控制系统的空白。,进入21世纪以后，我国的计算机联锁发展非常迅速，现已有上千个车站采用计算机联锁。有的区段已发展了成段计算机联锁。 也有提出用电子单元代替继电器，构成全电子计算机联锁系统。因为电子单元具有体积小、功能强大等特点，便于组网、远程管理和远程诊断。在国外，只有少数车站采用。国产车站全电子计算机联锁系统研制始于1996年，1999年纳入铁道部铁路科技发展计划项目，“计算机联锁智能型全电子信号道岔控制一体化的研究”于2000年1月通过铁道部技术鉴定。该系统从2001年开始，先后在信阳电厂、襄樊北机务段整备场投产使用。但是，由于多方面的原因，未能推广。,我国计算机联锁的发展 三个阶段： 第一阶段 自主研发 DS6-30、TYJL-I、TYJL-II、DS6-11、JD-1A、TYJL-2000、CIS-1、TYJL-III 全套引进 SSI、VPI、K5、ACC、SIMENS-W、 EBILOCK850,第二阶段 引进核心硬件进行系统集成 TYJL-TR9、DS6-20、DS6-K5B、EI32-JD、TYJL-ECC、TYJL-ADX 第三阶段 现阶段,第一阶段 自主研发阶段 1、1984年元月，铁道部通信信号研究设计院的计算机联锁控制系统DS-30设备，安装在南京梅山铁矿井下进行试验，并于1984年7月通过了冶金部科技司和铁道部电务局的联合技术鉴定。1986年太钢配料站开通。这是国内第一个计算机联锁系统。 2、铁道部科学研究院通信信号所研制的TYJL-I型驼峰编组场尾部微机联锁系统作为国家级科研项目于1989年末通过鉴定，并在郑州北编组站使用，这是计算机联锁系统应用于国家铁路的开始。 3、铁科院通号所研制的TYJL-II型计算机联锁系统于1993年又在拉滨线平房站开通。我国第一个双机热备计算机联锁系统。,第一阶段自主研发,4、通号总公司研究设计院的DS6-11型计算机联锁系统于1994年在浦口交通站安装计算机联锁，至此，我国铁路开始在铁路干线采用计算机联锁系统。 5、铁科院TYJL-II型计算机联锁系统于1995年在南昌向塘客站开通。这是国内第一个枢纽客站的计算机联锁系统。 6、铁科院TYJL-II型计算机联锁系统于1997年在阜阳枢纽四个场使用。这是国内第一个全部采用计算机联锁系统的铁路枢纽。 7、铁科院TYJL-II型计算机联锁系统于1999-2000年用于武广线。这是国内第一个采用计算机联锁系统的干线铁路。 8、铁科院TYJL-III型计算机联锁系统于2004年用于广州北站。这是第一个国产二乘二取二计算机联锁系统。,第一阶段全套引进阶段,1、英国西屋公司的SSI计算机联锁系统86年开始，原定郑州局小李庄站。因系统只允许有5条长调车进路，若增加进路需扩展计算机容量，且所需甚巨。搁置数年后移至长调车进路不足5条的丁营站。 2、美国GRS公司的VPI计算机联锁系统91年广州局红海站开通。这是我国铁路干线上的第一个计算机联锁系统（单机结构）。 3、日本京三制作所的K5型二乘二取二计算机联锁系统96年济南局周村站开通。,第一阶段全套引进阶段,4、意大利安萨尔多公司的ACC三重冗余计算机联锁系统96年京九线南北两段共开通13个站。 5、德国西门子公司的SIMENS-W型三重冗余计算机联锁系统98年京九阜阳枢纽开通四个场。 6、瑞典ABB公司的EBILOCK850型计算机联锁系统96年开始引进，北京局百子湾，至今未能开通。,第二阶段引进集成阶段,1、铁科院通号所的TYJL-TR9核心硬件采用TRICON三重冗余容错控制器，1996年在哈尔滨铁路局密山车站开通使用。 2、通号公司研究设计院的DS6-20采用美国GE公司的三重冗余GENIUS 系统构成，曾开通了6个站场。 3、通号公司研究设计院的DS6-K5B采用日本京三公司的K5核心硬件，2001年在兰州局陇西站开通了第一个车站。,第二阶段引进集成阶段,4、北京交通大学的EI32-JD采用日本信号株式会社的二乘二取二冗余结构的EI-32系统的核心硬件，2003年6月在北京局张辛站开通了第一个车站。 5、铁科院通号所的TYJL-ECC引进西门子公司最新的ECC三重冗余联锁系统的核心硬件，2003年8月在兰州交接站开通了第一个站场。 6、铁科院通号所的TYJL-ADX引进日本日立公司的ADX二乘二取二计算机联锁系统的核心硬件，2004年11月在哈尔滨局桦南站开通了第一个车站。,第三阶段,功能上 列控中心技术（发展契机） 站区一体化系统 技术上 借鉴引进系统，自主开发易于达到高安全性的、采用整体硬件安全冗余结构的高等级计算机联锁系统。 采用安全信息传输技术及分布智能化技术。 全电子化。 管理上 进一步标准化和规范化，健全维护维修体制，完善测试测验制度。 逐步建立认证制度。,第三阶段CTCS体系 2004年在北京召开的国际铁路联盟UIC大会，正式宣布确立CTCS体系。 CTCS-2级列控系统 基于轨道电路加点式应答器传输列车运行许可信息并采用目标距离模式监控列车安全运行。 系统主要由车站列控中心、轨道电路、应答器、车载设备等构成。,第三阶段既有线列控系统集成创新 应答器技术引进欧洲标准应答器。 LEU技术引进（外国公司进行了“透明化”改造）。 车载设备技术引进（外国公司进行集成和适应性改进）。 轨道设备既有设备。 列控中心自主研发（关键结合部采用了欧洲标准和国外企业标准）。 （二乘二取二硬件安全冗余结构的系统平台（铁科、通号院、卡斯柯、和利时均采用了自主研发的平台）。,在铁路跨越式发展的进程中，将加快计算机联锁的发展： （1）、CTC（调度集中）区段和列车速度超过160km/h的区段、客运专线、煤运专线、高速铁路均应采用计算机联锁系统；基建、更新改造和大修工程应成段发展计算机联锁，以便有利于CTC和TDCS（调度指挥管理系统）的发展。还应加快以联锁为核心的车站、区间、列车控制一体化的研发和应用。 （2）、枢纽和有需求的区段应积极发展区域计算机联锁。,（3）、继续完善计算机联锁系统的功能。要充分利用计算机的综合优势，实现6502电气集中基础上安全可靠功能的新突破。进一步研究和制定适应客运专线和高速铁路的联锁技术条件，开发相应的计算机联锁。 （4）、全面提高计算机联锁的软件、硬件质量。要高标准配置系统硬件，优化软件设计，完善自诊断和检测功能，实现高安全、高可靠、无维修的目标。 （5）、要进一步完善出厂检测和现场测试手段，为规范管理创造有利的条件。同时，要加强对已上道运用设备的抽检，确保运用质量。,计算机联锁的发展要进一步提高软、硬件标准和安全、可靠性水平，逐步统一为二乘二取二或三取二的体系，统一操作方法，统一操作界面，统一外特性端子使用。,三、计算机联锁技术的发展 1、冗余技术的发展 最早采用的计算机联锁系统曾采用单机结构，其可靠性和安全性远远不能满足车站联锁的严格要求。 后来改为双机热备结构，并由一个CPU执行两套功能相同而编码各异以及诊断程序，来提高计算机联锁系统的可靠性和安全性。目前，我国大部分计算机联锁是双机热备系统。但是，双机热备系统存在着双机切换问题，切换失败将产生危险后果。,与此同时，开发了采用屏蔽技术的三取二系统，3个CPU运算结果两两进行比较，产生危险输出的可能性极小。但是，存在着不能停机检修的问题。 近几年，又推出二乘二取二系统，由两个CPU构成一个子系统执行联锁任务(主机），另两个CPU处于热备状态（备机），这就大大提高了计算机联锁系统的可靠性和安全性，而且方便维修。当前，主要干线的技术改造都优先考虑采用二乘二取二系统。,2、动态输出技术的发展 目前广泛使用的计算机联锁系统，其信号机和道岔的控制器件仍然由继电器来完成。为了提高计算机联锁输出的可靠性和安全性，双机热备结构的计算机联锁系统多采用动态继电器，后来又采用动态驱动单元或动态驱动柜，将驱动电路与继电器分离开来，使继电器带动更多组接点。 有些双机热备结构的计算机联锁，以及三取二和二乘二取二的计算机联锁则在系统内部完成了动态输出，不再采用动态继电器，也不需要动态驱动单元或动态驱动柜，直接驱动偏极继电器，甚至无极继电器。,也有提出用电子单元代替继电器，构成全电子计算机联锁系统。因为电子单元具有体积小、功能强大等特点，便于组网、远程管理和远程诊断。在国外，只有少数车站采用。国产车站全电子计算机联锁系统研制始于1996年，1999年纳入铁道部铁路科技发展计划项目，“计算机联锁智能型全电子信号道岔控制一体化的研究”于2000年1月通过铁道部技术鉴定。该系统从2001年开始，先后在信阳电厂、襄樊北机务段整备场投产使用。但是，由于多方面的原因，未能推广。,3、区域计算机联锁技术的发展 区域计算机联锁是集中式的联锁控制方式，即由一个站控制周围的若干个小站及区间的道岔控制点。 区域计算机联锁系统提高了行车组织的工作效率和设备的远程维护能力，为中小车站信号系统的数字化、网络化、综合化奠定了基础，有利于提高铁路的管理水平，是铁路运输指挥系统实行综合现代化、实现减员增效目标的根本性措施之一。 我国也进行了区域计算机联锁系统的研发。,国内计算机联锁系统的研制单位,铁道科学研究院通信信号所 铁道部通信信号研究设计院 北京交通大学微联公司 卡斯柯信号有限公司,各研发单位的主要产品,铁道科学研究院通信信号所：TYJL-I、TYJL-II、TYJL-III、TYJL-TR9、TYJL-ECC、TYJL-ADX、TYJL-2000。 铁道部通信信号研究设计院：DS6-30、DS6-11、DS6-20、DS6-K5B。 北京交通大学微联公司：JD-1A、EI32-JD 卡斯柯信号有限公司：VPI、CIS-1、Ilock。,第二章 计算机联锁的特点,一、计算机联锁与传统的继电联锁的主要区别： （1）利用计算机对车站值班员的操作命令和现场监控设备的表示信息进行逻辑运算后，完成对信号机、道岔及进路的联锁和控制。,（2）计算机发出的控制信息和现场发回的表示信息，若实现串行信息接口，均能由传输通道串行传送，可节省大量的干线电缆，并使采用光缆传输成为可能。 （3）用CRT屏幕显示代替现行的表示盘，大大缩小了体积，简化了结构，不但方便使用，还可根据需要多台并机使用。 （4）采用积木式的模块化软件和硬件结构，便于站场变更，并容易实现故障控制、分析等功能。,二、 与继电联锁相比，计算机联锁具有如下显著优点: (1)进一步提高了安全性、可靠性 继电联锁的安全性、可靠性受到继电器等元器件的指标限制。如:轨道分路不良，只能对轨道继电器提出种种要求，而系统只能做到三点检查。计算机联锁就灵活得多，它能连续检查列车头部和尾部的位置，可以防止因轨道电路分路不良造成的错误动作和漏解锁。 计算机联锁采用二重系或三取二表决冗余技术，增加了系统的可靠性。如软件冗余技术，对每台计算机设计两组程序，由于它们的数据结构不同，两组程序存入存储器的区域也不相同，两组程序以不同的步骤运算，对硬件的故障很容易发现，从而提高了系统的可靠性，同时因两组程序对外界干扰有不同的反应 ，通过比较电路很容易发现，增加了抗干扰功能，外部比较器则采用“故障-安全”元件。,（2）增加和完善了功能 继电联锁虽然不断改进和完善，但受到继电器电路的限制，或由于费用昂贵等原因，在联锁功能方面仍存在不足。 如：由于轨道电路的误动而造成进路错误解锁的可能性仍然存在，以致妨碍进路的预排；再如，在转线调车作业过程中，如果调车车列越过折返信号机而继续前进，折返信号机前方的调车区段有可能正常解锁，而折返信号机开放时，又不能将该解锁的道岔区段加以锁闭，可能危及行车安全。目前只能由调车员指示调车机车在车列刚刚全部越过折返信号机时立刻停车以保证安全。 这些缺点，在计算机联锁系统中，可以用较少的硬件投资和发挥软件的作用加以克服。,因为计算机具有工作速度快、信息量大的特点，所以计算机联锁很容易实现自动控制功能，还能安全地实现自动选路和储存进路等继电集中无法完成的功能。运行图变更时还能自动选择最佳方案。计算机联锁不仅可扩大控制范围，适用于任何模式的车站（尤其是大型枢纽及远离咽喉区的信号设备的控制等），而且还可以利用计算机进行站内行车业务管理，以提高工作效率。CRT显示也较传统的表示盘灵活方便。,简化操作手续和减少人工直接干预，以减少和防止操作失误，提高作业效率。计算机联锁系统为提高办理列车进路的自动化程度创造了条件。如：可将接发车计划（包括车次号、到发股道、到发时间以及车站出入口等）预先存在计算机中，利用车次号系统选择接车进路，利用列车接近车站的信息确保办理进路的时机。对于发车进路来说，由于涉及到列车始发、旅客乘降、货车装卸等情况，在办理方式上可以采取人工、定时和按计划自动办理等。,在行车信息管理方面，计算机联锁系统可以向旅客服务系统(如广播、车次到发显示牌等）、列车运行监视系统以及行车指挥系统提供信息。由于这类系统日趋计算机化，系统之间就容易结合。 计算机联锁系统还能很方便地进行自身的管理，包括对操作人员的操作、设备工作情况的记录和打印，对电子器件、信号设备的检测、诊断并给出必要的表示、打印等。自动监测功能能及时发现故障，确定故障位置。自动监测既用硬件也用软件来实现。,（3）方便设计 计算机联锁使设计工作为之一新。由于其采用模块结构，容易实现标准化，进一步提高了工厂化施工的程度。它将车站联锁的逻辑编成程序，不论站场如何变化，或遇到任何类型的站场，都不需重新改变硬件系统，只要补充和改变程序，即可满足联锁的要求。它采用标准接口，不需增加设备就可以和其它自动化系统结合。通过辅助设计系统（CAD），线路图和进路表等车站固有的联锁条件以人机对话的形式输入后，即可自动做成联锁图表和数据外存。,（4）省工省料，降低造价 继电联锁全部采用继电器，组合间配线复杂，特别是信号楼和现场设备间所用电缆很多。由于计算机联锁采用了计算机软硬件技术，用它取代成千上万只继电器，而且其价格日益低廉。计算机联锁的信息若能串行传输，就可大大减少干线电缆。计算机联锁系统的室内设备的体积远小于继电联锁，可大大节约占地面积，这些都降低了造价。,此外，计算机联锁易于实现标准化，可缩短设计周期和施工周期，并可降低设计、施工、维护费用。由于施工、改建和故障修复时间的缩短，减少了对运输的干扰，其经济效益是显著的。据报道，目前计算机联锁设备的造价已接近继电联锁设备。计算机联锁之所以能付诸实用，经济合理是重要原因。,第三章 计算机联锁系统的技术基础,第一节 计算机联锁系统所用的计算机 一、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。即，如果一个计算机系统需要在确切的时间内从外部环境输入数据，并向它发送数据，或者进行一些其它的处理，该系统就是一个计算机实时控制系统。 计算机实时控制系统要求采用实时工业控制计算机。,实时工业控制计算机系统的主要特点有： 、实时性强； 、具有充分的过程输入和过程输出能力； 、具有通信和联网能力； 、高可靠性； 、可维护性； 、标准化、系列化； 、模块化。 此外，需要尽可能封闭的系统开发环境、良好的产品质量保障体系和服务保障体系。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示：,在此系统中，基本问题是计算机接口技术和人机接口技术。 计算机接口技术有输入接口和输出接口； 人机接口技术有输入技术、显示技术、打印技术。,二、工业控制计算机系统,普通商用计算机不能用作工业控制计算机。 商用计算机在设计上是针对良好的工作环境，在整机的机械、防振动、耐冲击、防尘、耐高温、抗电磁干扰、抗电流浪涌、抗化学腐蚀等方面没有采取特殊的措施，可靠性较差；没有采用开发式的总线结构，也没有开发相应于工业应用的数据采集和输出等I/O接口模板，而这些又是工业现场对所应用的计算机提出的基本要求。,工业控制计算机是指作为工业现场监测与控制用的计算机。它依赖于某种标准总线，按工业化标准设计，包括主机板在内的各种I/O接口功能模板而组成的计算机。,(一)、工业控制计算机构成,1、硬件系统 （1）、主机 同普通计算机一样。 （2）、总线 （3）、人机接口 人机接口是一种标准结构，即由标准的PC键盘、显示器和打印机等组成。 （4）、系统支持功能 、监控定时器：俗称“看门狗”（Watchdog ）。其主要作用是当系统因干扰或软件故障等原因出现异常时，如“飞程序”或程序进入死循环，可以使系统自动恢复运行，从而提高系统的可靠性。,、电源掉电检测：工业控制计算机在工业现场运行过程中如出现电源掉电故障，应及时发现并保护当时的重要数据和计算机各寄存器的状态，一旦上电后，工业控制计算机能从断电处继续运行。 、保护重要数据的后备存储器：Watchdog和掉电检测功能均要有能保存 重要数据的后备存储器。为了保证掉电后所存数据不丢失，故通常采用后备电池的存储器。为了保护数据不丢失，在系统的存储器工作期间，后备存储器应处于上锁状态。 、实时日历时钟：在实际控制中系统往往要有事件驱动和时间驱动的能力。一种情况是在某时刻设置某些控制功能，届时工业控制计算机应自动执行；另一种情况是工业控制计算机应能自动记录某个动作是在何时发生的。所以这些都要求必须配备实时时钟，且能在掉电后正常工作。,（5）、磁盘系统 磁盘系统可以用半导体虚拟磁盘，也可以配通用的软盘、硬件和光盘等。 （6）、输入/输出通道 输入输出通道是设置在工业控制机和生产过程之间的传递和变换信息的连接通道。它包括模拟量输入（AI）通道、模拟量输出（AO）通道、数字量（或开关量）输入（DI）通道、数字量输出（DO）通道。它有两个作用：一是将生产过程中的信息变换成主机能够接受和识别的代码；二是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。,目前，在计算机联锁系统中应用最广的工业控制计算机有：PC总线工业控制计算机、STD总线工业控制计算机。,(二)、软件系统,计算机联锁系统的软件类型： 系统软件 应用软件 支持软件,系统软件主要用来管理、控制和维护整个计算机系统的硬件资源和软件资源的程序集合，并有监视服务，使系统资源得到合理调度，确保高效运行。 系统软件包括：标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件等。 支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。 应用软件是根据任务需要所编制的各种程序。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等，如联锁程序。,三、总线 1、总线的基本概念 计算机系统硬件的各部分之间的互连方式有两种： 分散连接； 总线连接。 总线：是一组公共信号线的集合，通过这一组公用信号线把计算机系统中的各个模块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。总线是一种在多个模块（设备和子系统）之间传送信息的公共通路，它是在计算机系统模块化的发展过程中产生的。,总线分： 内部总线； 外部总线。 内部总线是工业控制计算机内部各组成部分进行信息传送的公共通道。 外部总线是工业控制计算机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道。,2、总线标准 为在各模块之间实现信息共享和交换，总线由传输信息的物理介质以及一套管理信息传输的通用规则（协议）所构成。 总线标准：所谓总线标准，可视为系统与各模块之间、模块与模块之间的一个互连的标准界面。这个界面对它两端的模块都是透明的，即界面的任一方只需根据总线标准的要求完成自身一面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。因此按总线标准设计的接口可视为通用接口。,3、总线的分类 按照总线的规模、用途及应用场合的不同，计算机总线可分为三类：系统总线、通信总线、现场总线。 、系统总线（内部总线） 系统总线又称为“内总线”或“板级总线”，是测控系统用计算机和通用微型计算机所特有的总线，也是最重要的一级总线。计算机的内部总线一般都是并行总线。计算机各种模板插件之间要依靠系统总线进行信息传送，把测控计算机系统的各个模板插件连接起来，就构成了完整的计算机测控系统。常用的系统总线有：STD总线、ISA/PCI总线、VME总线等都是系统总线。,、通信总线 通信总线又称“外总线”，是微型系统之间或微型系统与其它系统之间（仪表、仪器、控制装置）之间信息传输的通路。 通信总线一般分为并行通信总线和串行通信总线。 、并行通信总线 在通信传送中，每次同时传送一个数据字节（1Byte，8bit)的信息,所以传送速度高，适用于短距离（数十米）的快速传输。IEEE488总线就是并行通信总线。 、串行通信总线 在通信传送中，每次传送一个比特（1bit)的信息,所以传送速度低。但是使用的导线或电缆数量少，甚至仅用一对双绞线就可以传送，成本低。适用于较远距离的传输。EIA 的 RS-232C标准等就是串行通信总线标准。, 现场总线（局部网络） 系统中所有微机通过各自的网络接口板直接挂到局域网上，网络接口板一般插在计算机的扩展槽内，主要功能是将并行数据转换成串行数据流，送往发送端，而接收端又将串行数据流转为并行数据，继而进入计算机内部总线。 现场总线只具有简化的网络结构，是一种开放式的实时系统。这种网络结构简单，价格低廉，而性能不错。它应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。目前较流行的现场总线有五种： 控制器局域网CAN（Controller Area Network）、PROFIBUS、LonWorks、HART、FF。,CAN：也叫控制器局域网最早由德国Bosch公司推出，是用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准，并广泛应用于离散控制领域。它也是基于OSI模型，但进行了优化，采用了OSI模型的物理层、数据链路层和应用层，提高了实时性。其节点设有优先级，支持点对点、一点对多点以及广播模式通信。各节点可随时发送信息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文，每一幀有效字节数为8个；当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。,四、通道接口,通道：计算机联锁内部之间或联锁内部与外部设备进行信息数据交换的通信线路。 接口：计算机联锁内部之间或联锁内部与外部设备开关量采集或驱动的接口。 计算机联锁系统在硬件结构上一般采用多微机系统，在各个微机系统之间应建立起传送信息的通道，以做到信息资源共享。同时，通道与接口是主机和外部设备进行消息交换的纽带。在计算机联锁系统中，为了实现联锁控制，主机一方面要通过人机接口接收值班员的操作命令和向屏幕显示器使出各种表示信息，另一方面需要通过过程输出通道及接口，对被控对象加以控制。,由于在现有的系统中，监控对象的执行器件仍然是继电器。因此在与主机相连时，需要通过输入通道将继电器接点的开闭整体变换成等效的为主机能够接受的数字信号后，才能经由接点传送给主机。同样，主机输出的控制命令不能直接去驱动继电器，也需要通过输出通道进行交换和传送。过程输入/输出通道就是实现主机与监控对象之间信号交换和传送的。其中，输入通道用于监控对象状态信息的采集，输出通道用于控制命令的输出与驱动。 外部设备与主机的连接还必须解决两者之间的工作速度匹配，通信联络以及必要时实现数据的串/并或并/串转换等问题。解决以上这些问题的逻辑部件（电路）简称为接口。,1、 通道与接口（下面统称为接口）的分类: 按功能来分： 人机接口：用于连接人机对话设备； 开关量输入/输出接口：用于连接监控对象； 串行通信接口：用于主机与其它系统或多机系统间通信。 按所传输的信息是否涉及行车安全来分: 通用接口； 故障安全接口。,人机接口由于所传送的操作信息和表示信息均是非安全性的，因此可采用通用的标准接口电路。对于这类接口只要求它有较高的可靠性，而不要求它具有故障安全性。 串行通信接口不论是传输安全数据还是传输非安全性数据，由于可用编码中的差错控制技术发现数据是否因故障而发生错误，从而可用检错的方法使系统的输出不会产出危险侧信息。因此，也可用通用的标准串行接口电路。 对于传输状态信息和控制命令这类安全数据的过程输入/输出接口来说，由于通信的接口芯片不具有故障安全性能，就不能简单的采用通用接口电路，而需要在通用接口的基础上附加安全电路和检测电路，以保证当前用接口发生故障时，传输的信息必然导向安全侧。,2、通道接口的结构形式 在计算机联锁系统中，通道接口有: 串行接口方式 并行接口方式,串行接口方式中，串行通道经常使用串行通道接口。两个设备的串行连接是通过各种标准的通信接口实现的。 如：在TYJL-II系统中，监控机与数字化仪及联锁机之间采用两个RS-232C接口，联锁机和执表机之间采用RS-485接口，联锁机主机和备机之间采用RS-422接口。,并行接口方式中，系统间通道应有总线缓冲电路和握手线，由握手线确定总线控制权，在某一时刻，控制权只能属于一个系统，这个系统可以对缓冲区进行读、写操作。这种并行总线双机系统接口通道比较复杂，不能实现远距离通信，一般都是构成一个紧密的双机系统，常常共享一些硬件资源，如RAM存储器共享系统等。其优点是通信速度快。,2、串行通信接口 、RS-232C接口 RS-232C接口是美国电子工业协会（EIA）推荐的一种串行物理通信接口标准。目前已广泛用于计算机与终端以及计算机之间的短距离通信。最大传输距离为15米，传输速率不大于20kbit/s。 RS-232C虽广泛应用，但仍存在许多缺点，如传输距离短、数据传输速率低、接口处各信号间易产生干扰等。,、RS-422接口 RS-422 接口是一种以平衡方式传输的标准。所谓平衡，是指双端发送和双端接收，所以传送信号要用两条线，发送端和接收端分别采用平衡发送器和差动接收器。 RS- 422标准由于采用了双线传输，大大增强了抗共模干扰的能力，因此，最大数据传输速率可达10Mbit/s(传送15m时）。若传输速率降到90kbit/s,则最大距离可达1200m 。该标准规定电路中只许有一个发送器，可有多个接收器。,、RS- 485 接口 RS-485接口也是一种平衡传输方式的串行接口标准。它和RS-422兼容，并且扩展了RS-422的功能。两者的主要不同是：RS-422只许电路中有一个发送器，而RS-485标准允许在电路中有多个发送器。因此，RS-485是一种多发送器的标准，并且允许一个发送器驱动多个负载，负载可以是被动发送器、接收器或收发器。其发送器、接收器、收发器可挂在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的多点通信。因此其用于多点互连时非常方便，可省掉许多信号线。应用它联网构成分布式系统，最多允许互连32台驱动器和32台接收器。,其配置如图示： RS-485抗干扰能力强，传输速率高，传送距离远。采用双绞线，不用MODEM的情况下，在100kbit/s 的速率时，可传送的距离为1.2km。若速率降到9600bit/s时，则传送距离可达15km 。它允许的最大速率可达10Mbit/s(传送15m) 。,RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，最多允许并联32台驱动器和32台接收器。,（4）、IEEE-488接口 上述三种外部总线是串行总线，而IEEE-488总线是并行总线接口标准。它可用来连接如微型计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其它仪器仪表，它们均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行， 字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并接于总线上而不需要中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20m。信号传输速率一般为500kbit/s，最大传输速率为1Mbit/s。,第四章 计算机联锁系统的硬件,一、计算机联锁系统的体系结构 计算机联锁系统由于控制规模、功能的完善程度、经济因素、技术实现以及技术背景和历史背景的不同，系统的功能划分方法并非是唯一的，而模块之间的联系方式也是多样的，因此，目前国内外存在着多种体系结构。各国的计算机联锁系统的体系结构不仅与技术和经济因素有关，而且还涉及到运输组织、规章制度以及历史背景。,按执行功能的计算机数量划分，计算机联锁系统可分为： 单模块结构； 多模块结构。,1、单模块结构 单模块结构如图示：当系统的功能比较简单时才可使用这种结构。它需要具有一个或几个串行数据接口，以便与其它系统如调度集中、微机监测等相联系。,2、多模块结构 计算机联锁系统大多采用多模块结构，但各微机的功能及微机之间的联系是不尽相同的。在多微机系统中，将整个功能划分为若干相对独立的功能模块，分别由不同的微机进行处理。根据功能的繁简，模块的划分不尽相同。按功能划分为多个模块，分别由各自的微机进行处理，这便于设计、修改和扩展，而且多个模块具有相对独立的并行处理性能，可提高整个系统的处理速度。,如图是一种双模块的计算机联锁系统框图。在该系统中配备人机对话计算机和联锁计算机，分别完成人机对话和联锁运算的任务。人机对话计算机设于控制台内，也可设在机房。联锁计算机设在机房内。,二、计算机联锁系统的层次结构 计算机联锁系统的功能要求与性能要求均比 较高，既要求具有友好而准确的人机界面，同时又要求具有高可靠性与高安全性，只采用单层结构可能难以全面完成各项技术要求，要求采用上下两层乃至多层的分层结构。 就控制的层次而论，计算机联锁系统可分为人机对话层、联锁层和监控层，相应地可由人机对话机、联锁计算机以及控制器（也称集中器）来承担各层的任务。这样，整个系统可以分为上下两层，即上层为人机对话层，下层为联锁层，其具体结构如图示：,计算机联锁系统的层次结构图,1、人机对话计算机 人机对话计算机的主要任务是接收来自控制台、键盘或鼠标等的操作输入，判明操作输入能否构成有效的操作命令，并将操作命令转换成约定的格式，由串行口输送给联锁计算机。另外，接受来自联锁计算机的表示信息，将它们转换成显示器或控制台能够接受的格式。 采用人机对话计算机，可以加快人机会话的响应速度，对操作台的操作命令进行预处理，提供丰富的表示信息，减轻联锁计算机的工作量，使联锁计算机能承担更多其它功能，并可使联锁计算机的硬件结构标准化，联锁计算机只需一个串行接口与人机对话计算机联系，而不需要许多并行的操作输入和表示输出接口。,人机对话计算机所处理的信息不涉及行车安全，所以不要求具有故障安全功能，但它必须十分可靠才能保证联锁系统正常工作。一般采用动态冗余的计算机结构。为简单起见，可用人工方式控制它的切换。 既然人机对话计算机的功能是传送和生成操作命令和表示信息的，所以在有的系统也将它作为联锁计算机与调度集中/调度监督（现为TDCS基层网）的联系机构。,2、联锁计算机 联锁计算机是联锁系统的核心部分，实现高可靠性的与高安全性的联锁功能。 联锁计算机接收来自人机对话计算机的操作命令，接收来自控制器的室外监控对象的状态信息，进行联锁逻辑运算，发出控制道岔转换和开放信号的控制命令。 联锁计算机与人机对话计算机的联系一般是经由串行接口实现的。 联锁计算机与执行层的联系有两种方式： 专线方式； 总线方式。,3、控制器 控制器用来实现对象群与室内联锁机之间的联系。设置控制器的主要目的是为了节省干线电缆。控制器如设于对象群附近，它与所辖各对象之间可采用专线联系方式。控制器与对象群越近，越节省电缆，这不仅有利于节省电缆，而且也有利于减少电缆芯线之间的串音干扰。 控制器是控制命令和状态信息的转送站，它接收来自联锁机的控制码，经过变换形成控制命令以驱动相应的控制电路；它又接收监控对象的状态信息，经过编码再传送到联锁计算机。控制器是数传终端，没有联锁功能，但它所处理的信息均属于涉及行车安全的信息，因此，它不仅要十分可靠，而且应具有故障安全性能。控制器本身发生故障时也应能自动地通知联锁计算机，以便及时进行处理。,三、计算机联锁系统的室内外联系方式 室内外联系方式执室内设备和室外监控对象的联系方式，有专线方式和总线方式两种。 1、 专线方式 专线方式即对应每一监控对象都有专门的控制命令输出口和状态信息输入口（对轨道电路来说只有状态信息输入口）相对应。专线方式像继电集中联锁一样，室外各监控对象（信号机、道岔、轨道电路）直接用专用的电缆芯线与室内设备相联系。或者说，基本上保留了继电集中联锁系统的道岔控制电路和信号控制电路。其特点是：采用计算机联锁代替继电集中联锁的室内设备时，室外设备不需改造。专线方式可用于既有继电集中联锁的改造。 目前，绝大多数计算机联锁均采用专线方式。,联锁机与控制器之间的两种联系框图 如图示，下图是星型网联系方式。联锁机与各个控制器之间采用了专用通道，有利于采用光缆，而且一条通道坏了，不致造成整个系统的瘫痪。但这种结构要求联锁机有多个串行接口。,2、总线方式 总线方式的特点是把室外的监控对象按它们的地理位置划分为若干群，也可能把一个咽喉设备划为一群，对于每一对象群，在其附近设置一个由计算机构成的现场控制器（集中器）。各控制器可分别与室内联锁机联系，也可通过总线相联系。由它作中介，实现联锁计算机与监控对象间的联系。在这种情况下，联锁计算机与控制器之间以串行通信方式交换数据（控制命令和状态信息），可以节省干线电缆，而且为使用光缆创造了条件，有利于提高系统抗干扰能力和安全可靠性。 总线方式特别适用于新建车站。,下图是一种总线网联系方式。此方式多个控制器都挂接在数据总线上再与联锁机相联系。当控制器的控制规模较小，且距信号楼较远时，这种结构由于节省通道而比较经济。,下图为联锁机与控制器的另一种联系框图。其特点是车站的一个咽喉的监控对象以专线方式与联锁机联系，另一咽喉的对象通过控制器与联锁机联系。这种结构适用于信号楼靠近一个咽喉，而另一咽喉离信号楼较远的情况。,四、计算机联锁系统的可靠性与安全性结构 可靠性(Reliability)是系统或设备在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。 安全性的定义就是系统一旦在发生故障而失效时，使其自身以及由此造成相关环境的损坏保持在一个可以接受(或者是预先规定)的范围之内的概率。换言之，当系统由于某个故障而失效时，不至于造成重大的或灾难性的损坏。,安全性与可靠性的关系,安全性和可靠性的概念常常是关联在一起 ；区别在于目的性或者功能性的不同，安全性是以防止人身伤亡和财产损失为目的的。可靠性的目的在于尽可能地保持系统在长时间的正常运行中能连续使用不发生故障 。,对于计算机联锁系统，即要求具有较高的可靠性，又要求具有较高的安全性。这是因为该系统不仅需要昼夜不停的连续运转，而且一旦出现故障，就有可能导致重大损失。所以，计算机联锁系统需要利用冗余技术，使其自身构成容错控制系统。,(一)、计算机联锁系统的可靠性和安全性要求 1、 计算机联锁系统必须满足可靠和安全的要求: 、平均故障间隔时间MTBF值达到106h; 、故障安全系统的安全完善度等级必须达到SIL4级。 从系统结构看，靠单机自我测试和监督的系统结构，在SIL4级系统中是不推荐或不允许使用的，而基于组合故障安全、反应故障安全、固有故障安全技术的系统是安全系统的基本结构要求。,、反应故障安全 这种体系的前提是由快速的各种监测和对任何危险失效进行避错来保证它的安全（例如通过编码、多版软件比较或通过连续的测试）。“反应故障 安全”系统的设计前提是：系统的控制和防护部分是完全独立的两部分硬件，而且这两部分的硬件功能不同，软件也不同。,、组合故障安全 铁路信号计算机安全系统中常用的“组合故障安全”系统结构模式有：二取二、三取二等。使用这种技术时，每个安全性相关功能必须至少由两个部件同时执行，每个部件应当独立于其它的部件。只有当大多数部件一致时，才允许进行输出。与“反应故障安全”不同的是：“组合故障安全”的不同部件，其功能一般是相同的，其软件设计也可以是相同的。从理论上说，“组合故障安全”系统的设计，应当避免由于不同模块之间共模故障或不同步而可能造成的危险性输出结果。,、固有故障安全 这种技术是在假定单个部件所有可信的失效模式均无危险的情况下，允许一个安全性功能由一个单独部件来执行。“固有故障安全”也可用在组合和反应故障安全系统的某些功能中。例如：用来确保部件之间的独立性或如果检测到一个危险侧失效时来强制停止系统的非安全性输出。但由于“固有故障安全”技术的设计复杂性，此技术一般只用在功能强大的计算机联锁系统的个别关键模块中。,2、避错技术和容错技术 不管计算机系统多么可靠，技术多么先进，从理论上讲，任何普通的计算机，由于其“0”、“1”逻辑的对称性及系统瞬间运算出错的可能性，决定了普通计算机并不具备故障安全特性，仅仅依靠自检的系统是不能用于信号安全系统的，这样的系统出现偶发的、不能再现的误动是完全有可能的，一旦出现问题，也很难查找和定位事故发生的原因及部位。,（1）、避错技术 避错技术是通过对系统进行完善设计，力求使系统避免发生故障的一种技术。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，以减少系统失效的可能性。随着计算机技术的发展，避错技术一直是提高计算机系统可靠性的基本方法。,在实际应用中，避错技术主要包括质量控制技术和环境防护技术。 质量控制技术是在计算机系统的研制过程中，加强对元器件的选择、管理和使用，采用高可靠性的部件和微机系统，并在此基础上对组装工艺实行严格的质量管理，采用高可靠性的部件和微机系统。 环境防护技术是通过散热、抗振、化学防护、电磁兼容等技术，提高施工质量，并改善系统运行环境，采用各种抗干扰措施，提高系统运行的稳定性和环境适应性。,避错技术有相当的局限性，这是因为系统故障概率的减少是有一定限度的，一个系统不发生任何故障是不可能的，因此必须采用容错技术。,(2)、容错技术 容错，即当系统出现硬件或软件故障时，程序不会因系统中的故障而终止或被修改，并且执行结果也不会包含系统中故障引起的差错。即容许某种失效的存在，而使其后果不致造成系统工作失效，或能及时发现而缩短修复时间。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。 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、软件、时间和信息，因此容错技术的主要方法有:,冗余资源,硬件冗余 信息冗余 时间冗余 软件冗余,、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n+1个模块并带有检错和切换装置的计算机系统中。 元件级 电路级 功能单元级 部件级 系统级,、软件冗余 提高软件可靠性的方法有两种：一是研究无错软件，二是研究容错软件。后者将具有设计差异，完成同一任务的不同软件组成一个有机整体，完成错误检测及系统恢复等功能。 编码、译码、检测、校验技术 软件保护技术 多版本设计 故障隔离、逻辑重组技术,、时间冗余 通过消耗时间资源来达到容错。 指令复执 I/O复执 程序回卷,、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。 增加信息位数 检错、纠错,归纳： 其中，更多采用的是硬件冗余和软件冗余。因此，容错控制技术无论在硬件结构方面还是在软件结构方面均存在着一些明显的特点。,根据对故障处理的方式不同可以把容错技术分为动态冗余和屏蔽（静态）冗余。 动态冗余指主机故障时，备机（热备）自动代替。采用动态冗余的系统需要具有故障检测和动态切换功能。 屏蔽冗余则是将故障模块对系统的影响屏蔽掉。采用屏蔽冗余的系统具有表决功能。,静态冗余控制技术,在故障效应达到模块输出之前，通过隔离或校正来消除它们的影响。 屏蔽、容忍故障 典型的静态冗余是三模冗余，即三取二冗余。,三模静态冗余结构,2、动态冗余控制技术,故障发生时，通过系统内部的一次重组来切除或替换故障部件。 是一种综合容错技术，涉及重组、后援备份、恢复、故障限制、故障屏蔽等。,双机冗余,是可靠系统中使用最广泛的的技术，具有设计简便、直观，故障覆盖率较高、成本比较低的特点。 主要有双机比较模式和双机协同冗余模式。,双机比较系统,双机协同冗余系统,3、计算机联锁系统的冗余结构 为了提高系统的可靠性和安全性，计算机联锁系统大多采用了冗余结构。按处理故障的方式，冗余结构分为两大类，一类是故障切换结构；一类是故障屏蔽结构。 （1）、故障切换结构 故障切换结构采用动态冗余技术。 这种结构分为双机热备结构和二乘二取二结构。,在双机热备系统中，对主机故障的检测是由一个CPU执行两套功能相同而编码各异以及诊断程序来实现的。通过这样的检测，认为主机故障漏检的可能性极小，即便万一漏检，而产生危险侧输出的概率在容忍范围内。 在二乘二取二系统中，主机采用两个CPU 各执行一套编码相同的联锁程序，并在码元（bit）一级,对两个CPU的操作进行比较以检测故障。只有当两个CPU同时发生了同样的故障才可能漏检，但认为这种可能性是微乎其微的。,（2）、故障屏蔽结构 故障屏蔽结构采用屏蔽冗余技术。 属于这类结构的目前只有三取二系统。三取二系统中，3个CPU运算结果两两进行比较，只要有两个CPU的运算结果一致时，就认为联锁系统处在安全可靠的运行状态。从功能角度来看，这相当于有一个CPU系统的故障被屏蔽掉了。对于三取二系统来说，只有两个CPU同时发生相同的故障，才有可能产生危险输出，但这种可能性极小，这类似于二乘二取二系统。 像故障切换系统一样，修复后的CPU系统其程序进程和数据必须与正在工作的CPU取得一致时，方可投入使用。,4、计算机联锁系