计算机联锁ppt课件

1、4.3 计算机联锁4.3.1概述 在铁路车站设备中，目前应用最广泛的是6502电气集中车站信号设备。但今后的发展方向是计算机联锁系统。 计算机联锁既用计算机取代继电器构成联锁机构来完成车站信号的联锁任务。目前，铁道部已定点四个研制单位，分别为铁道科学研究院、北京全路通号通信信号研究设计院、北京交通大学、和卡斯柯信号有限公司 . 一般层次 人机对话层 联锁层 监控层 室外设备人机会话设备联锁机构输入输出适配电路 人机会话层的功能是操作人员通过操作向联锁机构输入操作信息和接收联锁机构输出的反映设备工作状态和行车作业情况的表示信息。 联锁机构是系统的核心，他必须有故障-安全功能，其接收人机会话层送来

2、的操作信息实现联锁功能。根据联锁条件对输入的操作信息和状态信息、以及联锁机构当前的内部信息进行处理，改变内部信息，产生相应的输出信息既信号控制命令和道岔控制命令。 监控层输入输出适配电路将室外信号机、动力转辙机、轨道电路的信息送给联锁机构，也将联锁机构的控制命令送至室外设备。其功能是接收联锁层的信号控制命令经过信号控制电路改变信号显示。接收联锁层的道岔控制命令，经过道岔控制电路驱动道岔转换。向联锁机构发送信号机状态信息、道岔状态信息、轨道电路状态信息。 (1)电气集中系统的特点： 6502电气集中联锁系统是继电电路构成的 人机会话层控制台 联锁机构继电逻辑电路 监控层由AX继电器电路构成（具有

3、一定的能量控制功能） 6502电气集中继电电路需要大量的继电器（每组道岔30台左右）继电器的检修工作量极大。因此用计算机代替继电器完成逻辑运算的功能是必然的趋势。 (2)计算机联锁系统的特点 人机会话层专用控制台、鼠标、数字化仪、键盘等 联锁层计算机 其优点和可实现性： 1。计算机的逻辑运算功能与继电器有共同的理论基础。 2。由于可靠性技术和容错技术及安全技术的进步使其成为可能。 3。工控机商品化为保证系统可靠性和降低成本提供了条件。 4。为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件。 5。以计算机技术代替继电器具有以下优点：减少继电器检修工作量。减少系统的设计、施工和维护的工作量。减少建筑使

4、用面积。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。便于改造。便于增加新功能。 提高可靠性和安全性，可采取一系列的硬件、软件技术保障措施如：容错、纠错、多项比较等。 例如：涉安信息在输入、输出、存储、处理过程中，因为故障或干扰发生时，能够检测出来，或变为安全侧代码的概率极大。 涉安信息在传输过程中不会因为故障或干扰到达错误的目的地即迷路，或迷路代码能被检测出来。 代码畸变迷路时，系统不得产生危险侧输出等。 监控层基本上与6502电路一样，加一些输入、输出适配电路。如：固态电子电路、动态继电器等 名词解释： 1。涉安信息 （安全信息）联锁机与监控对象之间交

5、换的状态信息和控制信息都是涉及行车安全的信息。 2。非涉安信息 （非安全信息）即不涉及行车安全的信息，包括操作信息和联锁机向控制台输出的信息（称为表示信息）。 非涉安信息错误只会引起操作人员误解，影响效率而不至于危及行车安全。涉安信息如状态信息错误，由于参与联锁关系，将破坏联锁关系，从而危及行车安全。 用逻辑变量表示涉安信息时，其两个逻辑值的安全性不同。如： 关闭信号 安全侧信息 开放信号 次安全侧信息 无论是控制信息还是状态信息，凡是能导致信号机不会开放的信息都属于安全侧信息，如：反映道岔位置不正确； 轨道继电器落下 反之就是次安全侧信息 危险信息。4.3.2 计算机联锁系统的现状与发展 计

6、算机联锁既用计算机取代继电器构成联锁机构来完成车站信号的联锁任务。我国的计算机联锁开始于80年代。铁道部在指定的“九五”规划中，提出了积极发展计算机联锁系统的技术政策，从而使我国的计算机联锁系统在国家铁路上的应用和发展进入了一个新的时期。目前，铁道部已定点四个研制单位，分别为铁道科学研究院、北京全路通号通信信号研究设计院、北京交通大学、和卡斯柯信号有限公司，实行了规范管理，使计算机联锁系统走向了积极有序的发展道路， 我国当前的计算机联锁系统已经处于可用阶段，而且随着实践经验的积累，系统性能也不断得到改善和提高。但仍处于达到或高于继电器联锁的水平，这是不够的。若从铁路信号向信息化、智能化和综合化

7、的角度出发，还有不少问题值得探讨。 由于铁路行车过程中，已逐步导入四个智能系统，即计算机联锁系统、列车运行控制系统、调度信息管理系统、调度专家系统的有机的结合，将构成列车指挥与控制的综合智能系统，这其中关键点就是计算机联锁系统，是其他几个系统的应用基础。其他几个系统的联系和实现也是靠计算机联锁系统来实现的，所以，加快发展计算机联锁系统是为进一步保证行车安全和提高行车效率，使铁路行车的列车控制与管理进入信息化管理的时代打下基础，使铁路行车系统进入一个智能化的新时代。 目前我国的计算机联锁系统已处于可用阶段，但可靠性和功能方面都有待于提高。这是由于我国铁路目前的状态、各车站作业十分复杂。就可靠性而

8、言，由于计算机技术的发展，理论上，其可靠性已超过继电电路系统。但还有待实际考验。 继电电气联锁系统是一种风险分散系统，局部故障仅影响系统的局部功能。 计算机联锁系统是一种风险集中系统。关键部位故障可导致整个外系统停止工作。因此计算机联锁系统在具有安全性的前提下，应努力提高可靠性，这是十分重要的。 就功能而言，若计算机联锁仅仅完成继电联锁的功能是非常不够的。这不能适应铁路信号系统向信息化、智能化、综合化发展的需要。 现在铁路行车过程中。参与的劳动者有列车司机、车站值班人员、列车调车人员。 从信息化产业的进程可看出，他们可从行车过程中解脱出来。让智能系统分担他们的工作。如：列车自动控制、行车指挥组

9、织自动化，可进一步提高行车的安全和效率。 如：列车在区间运行的控制。由现在实行的区间闭塞法向追踪空间间隔调整法过度。如实现了列车追踪间隔自动调整，则可实现列车运行自动控制。司机则作为监督人员，其劳动强度大大降低，且效率提高，安全性提高。 如：列车调度工作。利用计算机技术和现代通信技术，能迅速地从联锁系统得到与调度指挥有关的信息。目前，我国已使用的TDCS调度管理信息系统即有此功能，再经计算机运算，向车站下达调度命令。更进一步可由计算机编制运行计划，并随时依现状进行调整。就可将调度人员解脱出来，且计算机工作效率比人高得多。这依赖于正确、迅速地得到信息。这就是调度专家系统CTC。 如：处于列车运行

10、自动控制系统和行车指挥调度组织自动化系统之间的是计算机联锁系统。是将两个系统联系起来的中间环节。其一应直接接收调度系统命令，生成进路命令。其二应根据列车运行自动控制系统状态，确定进路命令的执行时机。这就减少了值班人员的工作，而且还可彻底地防止错误办理进路的可能。其三应向列车运行自动控制系统提供必要的信息，如进路信息、进路长度、道岔信息、直股、弯股、限制速度等。以便使列车运行自动控制系统得以确定运行速度和制动距离。 这四个智能系统： 列车运行自动控制系统 计算机联锁系统 调度管理信息系统 调度专家系统四系统有机结合，将构成列车指挥与控制的综合智能系统。可进一步保证行车安全、提高效率。使铁路行车过

11、程的列车控制与管理进入了以信息化为基础，以智能系统为标志的新的技术时代。4.3.3 区域集中联锁系统 区域集中联锁系统实际上是将所辖区段中各个车站的进路操作命令生成模块（PRC）和联锁模块均由控制中心设备完成的行车指挥系统。 该系统具有以下特点： （1）运行计划中必须具有生成进路操作命令的完备信息，特别是股道信息。这一点和调度集中（CTC）系统是一致的。 （2）车次追踪系统是列车进路操作命令准确提出和及时下达的重要技术保证。在区域集中联锁系统中，可借助联锁的进路控制机制更有效地提高追踪系统的可靠性。 （3）在控制中心容易实现车站间闭塞联系，节省了基层站间闭塞联系通道。 （4）车站设备比较简单，

12、节省了人机对话设备（但仍需设置控制与状态信息的编码和译码设备）。 （5）由控制中心向车站传输的是道岔和信号的控制命令，要求控制中心与各车站间的通道必须符合高可靠和高安全的要求。 （6）控制风险相对集中。 4.3.4 系统的硬件构成一、 系统的硬件结构 1.系统的可靠性冗余结构 计算机联锁的可靠性定义：该系统在规定的时间内、在规定的条件下、完成规定的功能的能力。 用平均故障间隔时间MTBF表示。 一般电子产品 MTBF=105h 计算机联锁系统 技术标准MTBF=106h即至少在系统进行技术改造前（大修前一般15年）不出故障。 若计算机联锁系统使用若干块电子器件则MTBF=104h 因此单个计算

13、机系统达不到要求。 采用双机或多机冗余系统冗余系统可使整个系统的可靠性达到或超过标准要求。 可靠性冗余结构系统A系统B或门 双机热备时，若单机的MTBF为104h，在单机系统的每一个故障均能够被检测到并倒机逻辑电路的故障为零时，双机的MTBF为107h 108h。 2.系统的安全性冗余结构 计算机联锁系统的安全性定义：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财产的重大损失的性能。 用系统产生不安全输出的平均间隔时间表示 标准：要求产生不安全输入的平均间隔时间为1011h以上。 对106h的可靠性冗余系统采取安全性技术措施即为安全性冗余结构。 安全性冗余结构采用双机同时工作且彼此间进

14、行频繁的比较的与门二重冗余系统。 原理：在极短的时间间隔里，两台计算机同时出错且错误呈现同一模式的概率几乎为零。 因此要求校核的频率要高。即校核的时间间隔要短。一般用计算机的机械周期计算。系统A系统B与门 3.系统的可靠性与安全性冗余结构 由于计算机联锁系统既要求有比较高的可靠性，又要求有比较高的安全性，因此将可靠性与安全性的系统结构结合起来。 输入1 输入2 输入1 输入2 2X2取2可靠性与安全性冗余系统系统A系统B与门系统A系统B与门或门 输入1 输入2 输出 输入3 故障表示 3取2可靠性与安全性冗余系统系统A系统B系统C表决器异或 异或 异或 需要解决的技术问题： 1.三台计算机的同

15、步运行问题； 2.高指标表决器 3.故障机的及时切离与修复问题 当表决结果发现有不一致时，要及时确认故障机。并及时切离，以防止另两台计算机出现共模故障或故障积累，可能使结果出错，或修复困难。且切离机应在规定时间内立即修复，以防止再有一台机再出故障，则整个系统瘫痪。 4、系统的层次结构操作台、图形显示器人机会话计算机联锁测控计算机输入/输出适配电路信号机、转辙机、轨道电路系统联锁测控层人机会话层 人机会话计算机可加快人机会话的速度，对操作命令进行预处理，还可与上级系统网连网，构成调度集中系统CTC，或调度信息管理系统DIMS。 联锁测控计算机可以集中全部能力实现高可靠性与安全性的联锁测控功能。

16、可分别称为上部机和下部机或上部机和联锁机。 5.系统的分布式结构 一般为集中结构 当管理对象较多时，地理范围较大，可用集散型测控系统。（目前还未在我国使用）1二、系统的硬件构成 （一）、系统的技术要求 1。系统的功能：人机会话功能 联锁测控功能 监测功能 与上一级网络连网功能 2。系统的性能： 可靠度 106h 安全度 1011h 运行周期250ms2 （二）、一般规模车站的硬件构成 1、系统的层次结构 人机会话层 用工业或个人计算机 联锁测控层 用测控系统用的工控机 2、系统的可靠性结构与安全性结构 (1)联锁计算机的硬件为双机热备的二重动态冗余结构。 一台为主机，一台为备机。 主机故障时，

17、备机变为主机，且故障机维修时间不大于8h。且采用双版本联锁程序，在功能模块级进行比较的方式（JD-2型有此功能）4 3、硬件构成示意图光电笔控制盘大屏幕显示器IPC命令采集与屏幕显示IPC设备状态监督计算机1联锁运算与测控计算机2联锁运算与测控输入适配电路输出适配电路输入适配电路继电器电路5 5。人机会话机的硬件构成图四屏显示卡声卡通用I/O卡四串口通信卡CPU主卡监视器显示器1显示器2数字化仪软盘、硬盘、光盘驱动器键盘、鼠标高抗干扰电源v计算机联锁系统的安全性保障等效于以下两个方面的安全性保障：v1、涉安信息I/O通道的硬件设计符合故障-安全原则。v2、计算机系统的数据存储、运算与处理是正确

18、和安全的。三、 系统可靠性与安全性技术保障I/O通道的安全性保障v（一）、涉安信息的表达形式电平形式v代码形式v动/静形式v1.电平形式：用高电平表示危险侧,用低电平表示安全侧如:安全性继电器v前接点接通 危险侧v前接点断开 安全侧v2。代码形式v用N个二值码元可组成2N个代码v取两个分别表示变量的危险侧和安全侧。其余的代码均视为无效或非法。v在传输过程中，安全侧代码错成危险侧代码的概率很小。而错成非法码或无效码的概率要大的多(0000 1111)。v3、动/静形式v用一个脉冲串（动态）表示危险侧v用稳态（高或低电平）表示安全侧v由于电路故障使电路产生脉冲串的可能性远远小于电路没有任何反映的情

19、况：如断路。 典型的安全性输入接口电路v动态故障-安全输入接口电路G2的导通和截止由联锁计算机控制，当GJ吸起时，计算机输出“1”，G2导通，G1导通向计算机输入“0”。计算机输出“0”，G2截止，G1截止向计算机输入“1”。可见计算机的输入和输出是反序的。例如：当计算机输出0101时，若GJ吸起，则输入为1010。若GJ落下时，G1截止。计算机的输入为稳定电平。把动态脉冲串作为危险侧把稳定电平作为安全侧。v（四）、典型的安全性输出接口电路v1.代码动/静变换v软件方法：当存储器中由危险侧输出命令时，通过程序使输出口的逻辑值为脉冲串。（即脉冲串是输出电平的调制信号，将高电平调制成脉冲串。作为输

20、出。）v软、硬件结合方法：寄存器将代码存入，再读回计算机进行比较，正确后，启动时钟脉冲，输出信号。v2。动/静电平转换v动态输出电路之一v当计算机有输出信号时，输出脉冲串，使G工作，经变压器后整流使继电器吸起，v若计算机无输出，则G不工作，J落下。v动态输出电路之三T1、T2为推挽输出动态电路。当计算机有脉冲串输出时，T1、T2交替导通和截止。当T1导通时C1经D1充电。当T2导通时C1经J、D2放电，使偏极继电器吸起。（C2起平滑滤波作用）当计算机无输出或为稳定输出信号时，T1、T2没有交替的导通和截止，C1无法充、放电，J无法吸起。 E R1 G C1 C2 D1 D2 J R2 T1 T

21、2 （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。1.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。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。 发可 单再 稳触 发可 单再 稳触 发可 单再 稳触 B机

22、1B A机 1B A机输出有效 B机输出有效 1Q 1Q 1Q 1Q 双机切换控制示意图 下图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。 （二）三取二表决电路 下图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337安全表决器 4.3.5 系统的软件结构 一、 软件的功能与总体结构 （一） 软件的功能 1.人机界面信息处理功能 （1）操作信息处理 对正确的操作命令，形成有效的操作命令，并在屏幕中给出表示。 对错误的操作命令。在屏幕中给出提示。 （2）表示信息处理 对现场的信号

23、设备状态，在屏幕中实时地给出显示。 （3）维护与管理信息处理 对设备的故障状态，在屏幕中及时地给出特殊显示。 自动记录并储存值班员办理作业的时间及所操作的按钮。 完成与其他周边系统的联系。 2、进路控制功能（基本联锁控制） 包括： 进路选出（建立） 进路锁闭 信号开放 信号保持开放 进路解锁 进路正常解锁 进路非正常解锁 道岔单独锁闭 进路引导总锁闭 3、执行控制功能 输出控制 根据联锁软件生成的控制命令来驱动现场设备控制电路。 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、自动监测与诊断功能 5、其他功能 在这些软件中，人机界面信息处理软件、基本联锁软件、执行控制软件、自动检测

24、与诊断软件，是计算机联锁系统必须具备的。 （二）、软件的总体结构 系统软件的基本结构应设计成实时操作系统或实时调度程序支持下的多任务的实时系统。可分为人机对话层、联锁运算层、执行层。其基本结构可归结如下： 进路控制式软件结构的特点：调度系统按优先级实时调度操作模块搜索模块联锁模块输入模块输出模块二、 联锁数据与数据结构 （一）、联锁数据 1。数据与编码 采用多个码元编码。 例：取一个字节的全8位编码作为一个逻辑量值。 2。数据的传输 采用标准编码形式。利用周期循环传输的特点，采用比较或表决的方式提高数据的安全性。 （二）、静态数据及其结构 静态数据：指运算中不会发生变化的常量数据。 如：反映监

25、控对象的特点的数据。如：调车信号、列车信号、单动道岔、双动道岔、设备编号等。 动态数据：指运算过程中变化的数据，又称为逻辑变量。 如：状态输入变量、操作输入变量、表示输出变量、控制输出变量等。 静态数据模块：存放静态数据的数据模块，其反映监控对象的固有特性。 动态数据模块：存放动态数据的数据模块，其反映监控对象的某一时刻的特性。 例：信号机的静态数据模块应反映出性质、：调车、列车；方向：发、接；是否为出站兼调车；是：并置、单置、差置；尽头型；是否有照查关系；信号机的动态数据模块应反映出：XJ的状态；DJ的状态熔丝的状态征用状态锁闭状态请求开放状态请求关闭状态 1.进路表结构：将进路的特性和对象

26、的特性纳入一个数据表中就构成一个进路表。（很象6502的联锁表） 将进路表存入ROM中就是一个静态数据库。 若办理进路时，根据操作命令调出相应的进路表就可以找到静态数据库。 2.站场形数据结构 进路表自动生成程序 用计算机辅助设计软件，做一个进路自动生成程序，放在ROM中，办理进路时，根据操作命令，调用该进路自动生成程序，自动生成一个与命令相符的进路表。 （适用于车站较大，进路较多的情况） 进路自动生成程序为进路搜索程序。仍需一个静态数据库。对应平面图中的每一个监控对象：如信号机、道岔、轨道电路区段等。各设一个静态数据模块。在模块中列出表述其特性的数据以及进路搜索程序所需的一些标志。 每个静态

27、数据模块在ROM中要占用一个区域，第一个单元的地址称为该模块的首地址。（象6502的组合） 将其用图论的方式链接起来称为站场形数据结构 每个静态数据模块包括： 静态描述符+进路搜索程序所需要的标志数据 （数据场） （指针场） df：data field pf：pointer field例：道岔静态数据模块：单/双对向/顺向类型“/”/“”导向标志fdpfpfzpfw动态模块首址df数据场Pf指针场 fd设在对向道岔节点中,反位引向平行进路中的基本进路 无fd时,直股优先.有fd时,弯股优先. Pf:岔前节点首址; Pfz:岔后直股节点首址; Pfw:岔后弯股节点首址. 办理进路时,根据进路操作

28、命令为进路搜索程序指明进路的始端模块首址和终端模块首址. 进路搜索程序从站场形数据结构中搜索出与进路有关的全部模块 (一般按发车方向搜索,分向道岔少,效率高) 优点: 1.采用站场形数据结构比进路表占用的ROM 空间小. 2.有利于增加、修改。 3。可以用计算机辅助设计的方法生成。 （节点的链接在逻辑上是有序的，在ROM中的物理地址可以是无序的。） 办理进路后，自动生成的进路表存入RAM（可读写存储器），随着进路的使用及解锁，就于RAM中擦去。所以不占空间。 （三）、动态数据及其结构 1.操作输入变量 在RAM中需设一个操作变量表，集中存放操作变量。其逻辑地址应与它的输入通道地址一一对应。 2

29、.状态输入变量 反映监控对象状态的变量 其应周期性及时刷新。一般应不大于250ms。 存储方式： 将同类变量集中存放在一个变量表中。 只要给出变量表的首址及各个变量在表中的逻辑地址就能查到变量。 在站场形数据结构中应把状态变量的逻辑地址列入相应的静态数据模块中。 在RAM中为每一个监控对象开辟一个存储区，称为动态数据模块。 动态数据模块与静态数据模块一一对应，将动态数据模块的首址列入相应的静态数据模块中。 3.表示输出变量 既指向控制台、屏幕显示器输出的变量。 4.控制变量 指控制信号和道岔的变量，且均有双份。并且要求双份变量一致时才可形成控制命令输出。同时要求周期性刷新。 5.中间变量三、

30、联锁控制程序及其任务调度方式 （一）、联锁控制程序的基本模块 分为六个模块： 操作输入及操作命令形成模块 操作命令执行模块 进路处理模块 状态输入模块 表示输出模块 控制命令输出模块 操作输入及操作命令形成模块 即把操作命令记录下来 根据操作命令执行相应的程序，每一条操作命令有一个子模块。 在执行了进路搜索子模块后生成进路表后，对进路进行处理，有五个子模块 。 a检查进路选排一致，并形成控制道岔命令的子模块 b进路锁闭子模块 c信号开放子模块 d信号保持子模块 e自动解锁子模块 将信号、道岔、轨道电路区段的状态信息输入联锁机。 将已形成的各种表示信息通过相应的接口来驱动表示灯和显示器。 将已形成的道岔控制命令和信号控制命令通过相应的接口电路控制道岔和信号机。 （二）、任务调度方式 集中调度方式 另设一套实时调度程序，统一调度各个任务的执行。各任务之间没有联系。执行完返回调度程序，再执行下一任务。具体由调度程序安排。 分散调度方式 一个任务结束后，确定下一个任务。有顺序控制，但关系较复杂。 集中式较灵活、方便。四、 进路处理程序 （一）、操作命令 对应按钮的操作有一个按钮操作的分析程序。 符合要求形成操作命令 不符合要求给出“操作错误”提示，并有语音和文字提示。 但操作命令必须要满足执行要求才能被执行，否则会给出“操