计算机联锁系统的基本原理本

第二章计算机联锁系统的基本原理2023/4/31计算机联锁系统的基本原理本第一节计算机联锁系统硬件一、计算机联锁系统的技术基础典型的计算机联锁系统硬件组成如图所示。外部设备主机继电器结合电路现场监控对象过程输入/输出通道总线总线计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件组成1、工业控制计算机工业控制计算机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。（1）工业控制计算机的硬件组成工业控制计算机的硬件组成结构如图7－2所示，它主要由主机板、内部总线和外部总线、人－机接口、系统支持板、磁盘系统、通信接口和过程输入/输出通道等组成。计算机联锁系统的基本原理本（2）工业控制计算机的特点可靠性和可维护性好高抗干扰能力环境适应性强完善的输入、输出通道控制的实时性通用性和可扩充性好具有通信与联网能力适当的计算机精度和运算速度计算机联锁系统的基本原理本2、总线总线是一组公用信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，把计算机或计算机联锁系统中的各个模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。计算机联锁系统中的总线，一般根据其功能和规模分类。一般分为三类，即内部总线、外部总线和现场总线。（1）内部（系统）总线

内部总线（I-BUS）又称“系统总线”是通用微型计算机和测控系统用计算机内部所特有的总线。计算机的内部总线一般都是并行总线，系统总线是各种模板进行信息传送的通路，把测控计算机系统的各种模板插件连接起来，构成完整的计算机测控系统。常用的内部总线有STD总线、VME总线、ISA总线、PCI总线、等均是系统总线。计算机联锁系统的基本原理本（2）外部总线外部总线（E-BUS）又称“通信总线”，它是计算机系统之间或是计算机系统与其他系统（仪器、仪表、控制装置）之间信息传输的通路，常借用其他领域已有的总线标准。计算机的外部总线通常分为并行总线和串行总线两种。例如：IEEE－488总线为并行总线，RS－232总线、RS-422总线、RS-485总线为串行总线。并行总线的优点是信号线各自独立，每次同时传送一个数据字节，所以传输速度高，接口简单；缺点是电缆线数多，适用于短距离（数十米）的快速传输。串行总线的优点是电缆线数少，便于远距离传送；缺点是信号传输慢，每次传送一个比特的信息，接口比较复杂。串行通信一般可分为异步模式和同步模式常用的外部总线除了以上几种形式，还包括现场总线和工业以太网。计算机联锁系统的基本原理本（3）现场总线根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向串行传输、多分枝结构的通信网络。目前较流行的现场总线主要有：CAN、PROFIBUS、Lonworks、HART、FF。计算机联锁系统使用比较多的是CAN控制器局域网络。

计算机联锁系统的基本原理本3、过程输入/输出通道计算机联锁系统为了实现对生产过程的控制，需要将生产过程中的各种必要信号及时地检测传送、并转换成计算机能够接受的数据形式。计算机对送入数据进行适当的分析处理后，又以生产过程能够接受的信号形式实现对生产过程的控制。这种完成在过程信号与计算机数据之间变换传递的装置叫过程输入/输出通道。计算机联锁系统的基本原理本（1）通用I/O接口原理在计算机联锁系统中，外部通道是不能直接与中央处理单元（CPU）相连的，因为它们的速度、数据格式不一定相同，信号形式也不一定匹配。为了便于两者交换信息，往往需要一套连接CPU和外部通道的中间环节，即接口电路（简称接口）。接口是计算机联锁系统各通道中多个设备协调一致地运行的保证，它具有电平变换、数据转换、缓冲和状态信息提供等功能，所以接口是通道建立的基础。计算机联锁系统的基本原理本①I/O接口的寻址I/O接口的编址方式：包括存储器映射方式和隔离式编址方式（I/O编址方式）。I/O接口的地址译码：译码电路的构成形式通常有固定式端口地址译码和开关可选式地址译码两种。②常用的I/O接口计算机联锁系统的基本原理本输入输出通道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。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。计算机联锁系统的基本原理本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。(2)开关量输入通道开关量输入通道的作用：一是将二值开关量信息变换成寄存器能够接收的TTL两种电平；二是抗干扰，以保证输入信号的正确性。开关量输入通道的结构主要由输入缓冲器、输入电路、地址译码器等组成。开关量输入通道结构输入缓冲器输入电路地址译码器内部总线来自生产过程计算机联锁系统的基本原理本（3）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。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。开关量输出通道的结构开关量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、口地址译码器等组成，如图所示。输出锁存器输出驱动器地址译码器内部总线去生产过程计算机联锁系统的基本原理本二、计算机联锁系统的硬件结构

以工业控制机算机为核心构成的计算机联锁系统，由于其控制规模的大小不同，功能的完善程度不同，技术实现方法，经济因素以及研制的技术背景和历史背景的不同，景观在具体结构上存在着一定的差异，但大体上可从层次结构和冗余结构两个侧面来描述。系统的层次结构系统的冗余结构计算机联锁系统的基本原理本第二节计算机联锁系统硬件一、计算机联锁系统的体系结构

2023/4/316计算机联锁系统的基本原理本集中式控制与分散式控制结构集中式控制系统由室内、室外两部分构成，特点是联锁系统的各层功能均由一台计算机完成①控制台②联锁处理机③输入输出接口④电源设备⑤现场信号设备控制台联锁处理机输入输出接口室内室外操作信息表示信息状态信息控制命令计算机联锁系统的基本原理本分散式控制结构的特点是将联锁系统的功能按结构层次划分成若干相对独立又有一定联系的功能模块，均由相应的计算机来处理。由于功能模块的划分并非唯一，所以具体结构形式是多种多样的控制台监视控制机联锁机目标控制器与其他系统联系计算机联锁系统的基本原理本分散式控制结构①监视控制机（上位机）－信息管理计算机，人机会话功能，还用于实时记录信息及其再现，另外还有诊断功能；②联锁机（下位机）－实现信号设备的联锁逻辑处理功能，完成进来确选、锁闭、发出开放信号和动作道岔的控制命令，与执行层有两种方式：专线方式和总线方式③目标控制器－控制命令和状态信息的转送站，一方面接收和效核来自联锁机的控制代码，经译码后形成控制命令，以驱动相应的设备控制电路；另一方面由接收监控对象的状态信息，经编码传送到联锁机。联锁机输入输出接口监控对象室内室外联锁机室内室外总线控制器控制器控制器总线方式专线方式监控对象监控对象监控对象计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件三、计算机联锁系统的室内外联系方式

专线方式

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相对应。可用于既有继电集中联锁的改造。2023/4/320计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件总线方式

把室外的监控对象按地理位置划分为若干群。对于每一群设置一个由计算机构成的现场控制器（集中器）。各集中器分别与室内联锁机联系，由他做中介，实现联锁计算机与监控对象之间的联系。2023/4/321计算机联锁系统的基本原理本星形网联系方式总线网联系方式2023/4/322计算机联锁系统的基本原理本2023/4/323计算机联锁系统的基本原理本

（1）系统的可靠性冗余结构为了使系统的可靠性指标达到或者超过目标值而采取的冗余结构。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，往往采用双机热备二重系统，其原理结构图如图所示。模块A模块B1输入输出或门可靠性冗余结构图计算机联锁系统的基本原理本

（2）系统的安全性冗余结构为了使系统的安全性指标达到或者超过目标值而采取的冗余结构。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，其基本结构如图所示。模块A模块B&输入输出与门安全性冗余结构图计算机联锁系统的基本原理本（3）计算机联锁系统的冗余结构应用上位机即监视控制机由于它所处理的信息主要是操作人员的按钮操作信息合联锁系统的各种表示信息，因此不要求该机具有故障—安全特性。只要提高它的可靠性就可以了。监视控制机主机监视控制机备机输入输出切换开关上位机的冗余结构计算机联锁系统的基本原理本

联锁机采用的冗余结构对于联锁机来说，由于所处理的状态信息和控制命令均属于安全信息。因此，不仅需要采取可靠性冗余结构以提高它的可靠性，而且还要采取安全性冗余结构来确保它的安全性。

a、双机热备冗余结构

联锁机的冗余结构（一）输入输出计算机联锁系统的基本原理本b、二乘二取二冗余结构“二取二”指在一套子系统上集成两套CPU，两套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。“二乘”指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结构，两子系统形成可靠性冗余结构，这样，既提高了系统的可靠性，又提高了系统的安全性。计算机联锁系统的基本原理本c、三取二冗余结构

三取二冗余结构示意图如。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

执行层也要求采用可靠性和安全性冗余结构计算机联锁系统的基本原理本第三节计算机联锁系统的可靠性与安全性保障

一、可靠性与安全性技术基础系统的可靠性是指在规定的条件（或环境）下，规定的时间内，系统完成规定功能的概率。为了提高系统的可靠性，防止故障造成系统失效，人们在长期的研究中发展了两类基本技术。一类是防止和减少故障发生的技术，叫避错技术；另一类是当系统的某一部分发生故障时仍使系统保持正常工作的技术，叫做容错技术。计算机联锁系统的基本原理本1、避错技术避错技术的基本着眼点是通过质量控制（如设计审核、元件筛选、测试等）、环境保护（如对外部干扰采取屏蔽）和减载使用等措施设法消除产生故障的原因，从而防止故障的发生，延长系统的使用寿命。避错技术是提高系统可靠性的第一道防线，是必不可少的常规技术。（1）质量控制技术（2）环境防护技术计算机联锁系统的基本原理本2、容错技术（1）容错技术的基本概念①容错技术的含义当系统的某一部分发生故障时仍使系统保持正常工作的技术叫容错技术。容错技术的基本出发点就在于首先承认故障不可避免的事实，进而考虑解除故障影响的措施。为了实现这一思想，采取的主要手段就是用外加资源的冗余方法，来达到掩蔽故障影响或使系统从故障状态重新恢复正常工作的目的。②容错技术的分类容错技术又分为两种类型——故障掩蔽技术和系统重组技术（也称动态冗余技术）。计算机联锁系统的基本原理本

故障掩蔽技术是指防止系统中故障产生差错的各种技术，就是说要将发生的故障掩蔽起来。这一技术不要求在发生容忍故障前检测故障，但要求做到故障包容，即是使故障的影响局部化，防止故障的影响在系统中扩散从而影响整个系统的性能。这种技术中最常用的有纠错码、表决技术等，这是实现容错的第一途径。系统重组技术是防止系统中的差错导致系统失效的各种技术。系统重组要求首先进行故障检测，然后做到故障复位，最后做到系统恢复，即通过重组等手段使系统保持正常运行，这是实现容错的第二种途径。由于重组过程具有动态性质，所以也称为动态冗余技术。故障掩蔽技术和系统重组技术都是建立在冗余技术的基础上的，是以资源冗余为前提的，它是容错技术的核心。计算机联锁系统的基本原理本（2）实现容错技术的主要方法容错技术是依靠外加资源，即冗余的方法来换取系统的可靠性的。主要方法有： 硬件冗余 软件冗余 时间冗余 信息冗余计算机联锁系统的基本原理本二、计算机联锁系统的可靠性与安全性技术保障计算机联锁系统的可靠性冗余结构，就是指为了使系统的可靠性指标达到或者超过目标值而采取的冗余结构。目前，广泛使用和研究的计算机联锁系统冗余结构主要有双机热备动态冗余结构、三取二静态冗余结构、二乘二取二冗余结构。1、双机热备系统（1）双机热备系统的基本结构计算机联锁系统的基本原理本（2）双机热备系统的工作方式双机热各系统的工作方式为:根据开机顺序，首先投人运行的自动为工作机，后投人的为热备机；工作机运行中发生故障后自动退出运行状态，热备机自动转为工作机。因此热备双机有三种状态：即 停机状态 主机状态 热备状态。计算机联锁系统的基本原理本（3）双机热备系统的故障检测双机系统是通过切换进行重组来提高系统的可靠性和可用性的。系统重组能否成功在很大程度上依赖于故障检测技术“故障检测的目的在于：一是检测计算机内部是否发生了故障，当出现故障时，不能产生危险侧输出；二是在工作机发生故障后，及时驱动切换开关动作，将备机输出接向系统的输出；三是无论工作机还是备机发生故障时，应及时报警，通知维修人员进行修理。故障检测的原理和方法是多种多样的，常用的检测方法有： 比较法 自诊断法 比较—自诊断法 监督定时器法（或称看门狗法）计算机联锁系统的基本原理本（4）双机热备系统的通信与同步

双机通信与同步是双机热各系统的基本问题之一。双机热各系统大多采用比较法进行故障检测，双机的运行时需要同步。 同步的另一种含义是让备机及时了解工作机的运行状况，需要在主备双机之间建立通信联系，以便在工作机发生故障而终止控制命令输出时，备机能立即发动切换，接替控制命令的输出，从而防止诸如突发性关闭信号而造成对行车作业的影响。

双机之间的通信联系通常采用半双工通信方式，由备机作为通信主站，定时呼叫作为子站使用的工作机。双机同步可引用两机间的"定点"通信"信号"来实现，其通信周期和联锁程序循环运行周期相同，每隔一定的时间间隔，即联锁程序扫描一个周期，双机相互握手通信一次，确定双机的工作状态，保持双机同步，其同步过程可用图7-32表示。计算机联锁系统的基本原理本2、三机表决系统（三取二冗余系统）（1）三机表决系统的结构原理三机表决系统是一种利用故障屏蔽技术构成的可靠性和故障—安全系统。该系统由三台构造相同又彼此独立的计算机、表决器、接口电路和故障检测机构等组成。三台计算机同时执行一样的操作，其输出送到表决器，然后表决器按三取二的方式工作，即只要任何两个计算机输出一致时，则产生控制命令输出。这样，可以屏蔽任一计算机的故障对系统的影响。三取二静态冗余结构计算机联锁系统的基本原理本(2)主机如果三机表决系统中的两台主机发生了同样的故障，即共模故障，有可能会输出错误的危险测信息，从而危及行车作业的安全。产生共模故障的主要原因是三个模块的硬件和软件在设计上完全相同，而且存在设计错误，这种共同性的错误就导致相同的错误输出。避免共模故障的方法：一是对主机的硬、软件采用不同的设计方法；二是采取同样设计但确保不存在设计错误。(3)表决器表决器本身要具有很高的可靠性与安全性，它应当比三取二系统本身具有更高数量级的可靠性与安全性。表决器逻辑电路如图7-33所示，由三个两两比较器和一个或门组成。计算机联锁系统的基本原理本(4)故障机的及时切离与及时修复以及三台计算机同步运行问题当经比较发现结果不一致时，要及时地确认究竟是哪一台计算机出现了故障并及时地将其从系统中切除。同时，故障机一经发现就要在规定的时间间隔内予以修复。如果不及时修复，当又有一台计算机故障时，系统将停止运行，使整个系统呈现瘫痪状态。另外，由于三台计算机要进行频繁比较，所以它们要严格同步。同步的方法有两种：硬件同步和软件同步。硬件同步要有专门的同步电路，如时钟同步等。目前实现时钟级同步主要是采用三个时钟源强制同步技术。软件同步是以软件为主的同步方法，主要是通过对同步标志的测试、比较和计算来实现的。软件同步的方法具有较高的灵活性，但同步精度和效率相对硬件同步方式要低。在实际运用，可根据具体情况，合理选用。计算机联锁系统的基本原理本3、二乘二取二系统(1)二乘二取二系统的结构原理如图7-15所示，系统I与系统II中，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。在任意一个系统中，又由系统A和系统B构成，只有系统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。计算机联锁系统的基本原理本(2)二取二CPU电路图7-35为二取二CPU电路原理图。在一个计算机系统中有两个CPU，两个CPU的硬件、软件完全相同。两CPU的运算结果经比较回路检查，一致后形成有效的输出，否则无输出电源，使安全得到最有效的保证。计算机联锁系统的基本原理本(3)双系热备图7-36为二乘二取二系统的双机切换构成模式，双系之间采用的是热备的方式。在这种双系热备的方式中，输入/输出计算机均同时工作，同时产生输出；并且以并联的方式连接到被驱动的继电器上。因此，双系热备仅对I系和II系计算机而言，对于输入/输出计算机，双系均以二重系并联方式运行。计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件二、计算机联锁系统的层次结构

2023/4/345计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件三、计算机联锁系统的室内外联系方式

专线方式

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相对应。可用于既有继电集中联锁的改造。2023/4/346计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件总线方式

把室外的监控对象按地理位置划分为若干群。对于每一群设置一个由计算机构成的现场控制器（集中器）。各集中器分别与室内联锁机联系，由他做中介，实现联锁计算机与监控对象之间的联系。2023/4/347计算机联锁系统的基本原理本星形网联系方式总线网联系方式2023/4/348计算机联锁系统的基本原理本2023/4/349计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件四、计算机联锁系统的可靠性与安全性结构

可靠性安全性1、计算机联锁系统的可靠性与安全性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。SIL4

（SafetyIntegirtyLevel）安全完善性等级IEC61508中规定系统有4种安全完整性级别，SII4是最高的，SIL1是最低2023/4/350计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件2、避错技术和容错技术避错技术

质量控制技术、环境防护技术。容错技术硬件冗余、软件冗余、时间冗余、信息冗余。根据对故障处理方式的不同，分为：动态冗余和屏蔽冗余。2023/4/351计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件3、计算机联锁系统的冗余结构

故障切换结构（动态冗余技术）

双机热备结构、二乘二取二结构。

故障屏蔽结构（屏蔽冗余技术）

三取二系统。2023/4/352计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件4、计算机联锁系统的可靠性与安全性冗余结构

可靠性冗余结构

双机热备结构。

安全性冗余结构二取二冗余结构。2023/4/353计算机联锁系统的基本原理本可靠性与安全性结构

二乘二取二结构、三取二结构2023/4/354计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件五、一般计算机联锁系统的硬件构成

以双机热备为例。系统的层次结构系统的可靠性结构和安全性结构硬件构成示意图2023/4/355计算机联锁系统的基本原理本2023/4/356计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件六、切换开关电路和表决电路

1、切换逻辑控制与切换开关电路切换逻辑控制电路定时监视法动态信号监视法切换开关电路2023/4/357计算机联锁系统的基本原理本2023/4/358计算机联锁系统的基本原理本2023/4/359计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件2、三取二表决电路

V(a,b,c)=a·b+a·c+b·c2023/4/360计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件七、人机会话层的硬件

1、按钮操作的硬件控制台方式数字化仪方式鼠标方式键盘方式2023/4/361计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统硬件2、信息显示的硬件大屏幕显示器智能化图形控制卡

VGA显示卡、多屏显示卡2023/4/362计算机联锁系统的基本原理本第三节计算机联锁系统软件系统软件

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、网络软件应用软件

根据任务需要编制的各种程序。

2023/4/363计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件一、计算机联锁系统软件的功能与总体结构1、计算机联锁系统软件的功能

人机界面信息处理功能联锁控制功能执行控制功能自动检测与诊断功能其他功能

2023/4/364计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件人机界面信息处理功能操作信息处理表示信息处理维护与管理信息处理

2023/4/365计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件联锁控制功能建立进路进路锁闭信号开放信号开放保持进路正常解锁进路非正常解锁道岔单独操纵进路引导总锁闭

2023/4/366计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件执行控制功能输入控制功能输出控制功能其他功能平面调车溜放控制功能站内道口控制功能与调度集中/TDCS联系功能与其他系统，如站内调度、管理信息系统等的结合功能监测联锁设备状态功能2023/4/367计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件2、计算机联锁系统软件的任务划分

上位机系统人机会话机、维修机

下位机系统联锁机

2023/4/368计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件3、计算机联锁系统软件的总体结构

按系统层次结构分类人机会话层、联锁运算层、执行层每个层又根据功能需要划分为几个功能模块，如下图。

2023/4/369计算机联锁系统的基本原理本2023/4/370计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件

按冗余结构分类双机热备式的双版本软件结构和三取二系统的单软件结构。按联锁数据的组织形式分类联锁图表式软件结构和进路控制式的软件结构

2023/4/371计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件二、联锁数据与数据结构联锁数据是指在联锁计算机中，所有参与联锁运算的数据。计算机联锁系统中软件的运行是依据各种各样不同阶段产生的数据进行的。从计算机联锁系统中数据的变化情况可以分为逻辑变量和常量。2023/4/372计算机联锁系统的基本原理本逻辑变量逻辑变量又称作动态数据，主要指运算过程中变化的数据。它包括反映监控对象状态的输入状态变量；与操作动作相对应的操作变量；运算产生的中间结果；标志状态变量；如锁闭、解锁……等等。

2023/4/373计算机联锁系统的基本原理本常量运算中不会发生变化的数据是常量。也称作静态数据，包括（1）反映监控对象的性质与特点的数据，道岔、双动道岔、无岔区段、照查等等；(2)设备编号，如D1编为01H，D3编为02H'…等等；(3)反映设备相对位置的数据，如X=XX，Y=YY；(4)反映设备之间关系的数据，如某一道岔区段包含多少道岔数，超限绝缘检查地点……。2023/4/374计算机联锁系统的基本原理本2023/4/375计算机联锁系统的基本原理本参与联锁运算的数据量很大，它们在存储器中的组织方法称为数据结构。动态数据应存于读写存储器(RAM)中，以便读、写；而静态数据应存于只读存储器(ROM)中，以防丢失。因此有必要建立两种数据结构——动态数据和静态数据结构。数据的定义及数据结构的建立。应当容易理解，易于生成、易保证联锁程序的运用并且能保证数据的安全性与可靠性。数据的编码

数据的传输2023/4/376计算机联锁系统的基本原理本1、静态数据及其结构在计算机联锁系统中，首先需要一个静态数据库，该数据库是这样构成的：对应信号平面布置图(更确切地说是对应控制台盘面图)中的每一个监控对象，如信号机、道岔、轨道电路区段、侵限绝缘区段、特设的变通按钮、进路终端按钮（没有信号机）等，各设一个数据模块。在模块中列出表述该监控对象特性的数据以及联锁软件所需要的一些标志。2023/4/377计算机联锁系统的基本原理本（1）建立进路所需数据

进路性质，是列车进路还是调车进路；进路方向，是接车方向还是发车方向；进路的范围，即进路的两端，如果是迂回进路，还应指明变更点；防护进路的信号机；进路中的轨道电路区段及数量；进路中的道岔、应处的位置及数量；进路所涉及的侵限绝缘轨道区段及检查条件；2023/4/378计算机联锁系统的基本原理本进路的接近区段；进路的离去区段；进路末端是否存在需要结合或照查的设施，如闭塞设备、机务段联系、驼峰信号设备等。2023/4/379计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件的功能联锁数据常量变量数据结构建立进路所需数据2023/4/380计算机联锁系统的基本原理本（2）进路表的生成

若将上列各项纳入一个数据表中就构成了一个进路表。将一个车站的全部进路的进路表汇总在一起就构成了总进路表（它很像我们熟悉的进路联锁表）。由人工编制总进路表,特别是大型的总进路表,不仅繁琐而且容易出错。2023/4/381计算机联锁系统的基本原理本设计一种进路表生成软件-进路搜索程序。当办理进路时，由进路操作命令调用进路搜索程序，并寻找出存储在ROM中相应的静态数据，自动生成一个与进路操作命令相符的进路表，以供联锁软件使用。2023/4/382计算机联锁系统的基本原理本根据站场形数据结构所生成的进路表存于计算机的RAM中。在一个车站上，如果同时能办理n条进路，那么在RAM中就需要存n个进路表。这些进路表是随着办理进路而生成，又随着进路的解除而消失，所以占用RAM的空间是不大的。2023/4/383计算机联锁系统的基本原理本对应于信号平面布置图中的每一监控对象，如信号机、道岔、轨道电路区段及其他各种设备，各设一个静态数据模块。2023/4/384计算机联锁系统的基本原理本

由于这种数据结构在图形上具有站场形式，所以称它为站场形数据结构。这些静态数据都存储在计算机的ROM中，供进路表生成软件使用。

2023/4/385计算机联锁系统的基本原理本如果把所有的模块按照它们在信号布置图中相互位置链接起来，如图(b)所示，它很像6502电气集中的组合连接图。由于这种数据结构在图形上具有站场形式，所以称它为站场形数据结构，它相当于图论中的图形结构。2023/4/386计算机联锁系统的基本原理本当办理进路时，根据进路操作命令，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出与进路有关的全部模块，再从模块中找出进路联锁程序所需的数据，就可构成进路表了。2023/4/387计算机联锁系统的基本原理本假设有三个模块a、b和c，如图所示，2023/4/388计算机联锁系统的基本原理本2023/4/389计算机联锁系统的基本原理本一般来说，一个节点有左右两个链接节点，如果允许双方向搜索，则一个节点需有两个指针场以便记入两个链接节点的首址。图(d)是双向链接图，对它既可由a搜索到c，也可由c搜索到a。对于道岔节点来说，它有三个链接节点：一个是岔前节点，—个是岔后直股节点，再一个是岔后弯股节点。岔前节点的首址，pfz存放岔后直股节点首址，用pfw存放岔后弯股节点首址。2023/4/390计算机联锁系统的基本原理本对于站场形数据结构来说，仅沿一个方向进行搜索就可以了。从站场结构来看，沿着发车方向搜索时，遇到的分歧道岔(按搜索方向来说就是对向道岔)较少，所以搜索效率较高。因此，以后将以发车方向的单向搜索为准，来实现节点之间的链接。根据这一原则，前图(b)的各模块链接简图如图所示。

2023/4/391计算机联锁系统的基本原理本2023/4/392计算机联锁系统的基本原理本假设办理一条由S3至D7的调车进路。首先根据进路操作命令确定进路的始端节点是K(S3)——搜索的起始节点终端节点K(D7)——搜索的目标节点。由节点K(S3)出发，根据它的指针场中的地址码可以找到K(9DG)，进而找到K(9)。K(9)是一个对向道岔节点，它有两个后继节点K(11)和K(QX2)。2023/4/393计算机联锁系统的基本原理本2、动态数据及其结构（1）操作输入变量操作输入变量是反映操作人员操作动作的开关量，是形成操作命令的原始数据。在RAM中需各设一个区域存放操作输入变量（操作变量表）和由操作输入变量形成的操作命令（操作命令表）。一条操作命令形成后，就可以从操作变量表中删去相应的操作变量了。操作输入变量除了用以形成操作命令外，还作为表示信息的原始数据以及监测系统的记录内容。2023/4/394计算机联锁系统的基本原理本（2）状态输入变量状态输入变量是反映监控对象状态的变量，如轨道区段状态、道岔定位状态、道岔反位状态、信号状态、灯丝状态，以及与进路有关的其它设备状态。状态变量是参与联锁运算的安全数据，一般都要对其进行双采集。状态变量应周期性地及时刷新，以保证变量能确切反映监控对象的实际状态。状态变量除了参与联锁外，还作为表示信息和监测系统的原始数据。2023/4/395计算机联锁系统的基本原理本状态变量的存储方式集中存储方式分散存储方式2023/4/396计算机联锁系统的基本原理本

由于这种数据结构在图形上具有站场形式，所以称它为站场形数据结构。这些静态数据都存储在计算机的ROM中，供进路表生成软件使用。2023/4/397计算机联锁系统的基本原理本（3）表示输出变量表示输出变量是指向屏幕显示器提供的变量，通过这些变量反映有关列车或车列运行情况、操作人员的操作情况以及联锁设备工作状况。计算机联锁系统可提供比电气集中更丰富的信息和表现形式。这些信息需取自状态输入变量、操作输入变量、中间变量以及控制命令输出变量等。2023/4/398计算机联锁系统的基本原理本（4）控制变量控制变量是指控制信号和道岔的变量。任何控制对象都由联锁程序产生双份控制变量，只有双份控制变量一致时才可形成控制命令变量并经由安全输出通道输出。控制命令和控制变量都应周期性地刷新，以保证数据的实时性。（5）中间变量中间变量是指联锁程序执行过程中产生的一些变量。2023/4/399计算机联锁系统的基本原理本

由于这种数据结构在图形上具有站场形式，所以称它为站场形数据结构。这些静态数据都存储在计算机的ROM中，供进路表生成软件使用。2023/4/3100计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件三、人机会话软件1、人机会话软件的任务

按钮命令发送任务

按钮的分类按钮的操作原则

信息显示任务接收联锁机数据、处理接收的数据、显示处理后的数据区段状态、道岔状态、信号机状态、功能按钮状态、道岔名和信号名显示、操作提示、其他提示2023/4/3101计算机联锁系统的基本原理本显示界面12023/4/3102计算机联锁系统的基本原理本网络状态画面2023/4/3103计算机联锁系统的基本原理本四、联锁软件1、联锁软件的基本模块

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

进路选排一致性检查及道岔控制命令形成子模块进路锁闭子模块信号开放与保持子模块

2023/4/3104计算机联锁系统的基本原理本

进路正常解锁子模块取消进路子模块

状态输入模块表示信息输出模块控制命令输出模块2023/4/3105计算机联锁系统的基本原理本2、联锁软件的任务调度方式集中调度方式分散调度方式2023/4/3106计算机联锁系统的基本原理本3、操作命令执行程序操作人员的操作由人机对话计算机采集并传送到联锁计算机，由按钮分析模块对按钮操作进行分析后，形成操作命令并存储在操作命令表中，当主程序执行“操作命令执行模块”时，顺序的从存储区中取出命令并予以执行，当命令的执行条件满足而成功执行后，从存储区删去相应的命令。2023/4/3107计算机联锁系统的基本原理本i←1i>m取im中的命令i←i+1是否转出操作命令执行模块进路操作是否取消进路是否人工解锁是否是否进路搜索模块取消进路模块人工解锁模块2023/4/3108计算机联锁系统的基本原理本（1）操作命令类型与功能进路操作命令取消进路命令人工解锁命令进路故障解锁区段故障解锁重复开放信号非常关闭信号命令开放引导信号命令引导锁闭命令引导解锁命令道岔单独操作命令道岔单独锁闭命令道岔单独解锁命令2023/4/3109计算机联锁系统的基本原理本（2）操作命令的形成与任务分配进路操作命令的形成进路选路操作关闭信号操作解锁进路操作道岔操作命令的形成定操、反操、单锁、单解、封锁、封解其他的特殊任务操作非进路调车、平面溜放、闭塞手续的办理、场间联系2023/4/3110计算机联锁系统的基本原理本（3）道岔控制程序的实现道岔控制技术条件的检查道岔总定位、总反位单锁、单解封锁、封解道岔操作命令程序的结构流程

2023/4/3111计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3112计算机联锁系统的基本原理本4、进路处理程序进路搜索程序

动态生成进路从进路总表中选出进路利用计算机辅助设计方式来生成静态进路表进路处理模块

标准检查子模块进路处理基本子模块进路处理模块的调度2023/4/3113计算机联锁系统的基本原理本标准检查子模块进路空闲检查子模块道岔位置检查子模块照查条件检查子模块进路控制表设置子模块进路处理基本子模块进路选排及道岔控制命令生成模块子模块进路锁闭子模块信号开放与保持子模块进路正常解锁子模块取消进路子模块2023/4/3114计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3115计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3116计算机联锁系统的基本原理本

进路故障解锁子模块的流程

检查进路是否存在

命令无效

1

2

否

3

4

6

否

否

存在？

列车通过？

是

进路空闲?

是

进路解锁

5

是2023/4/3117计算机联锁系统的基本原理本进路处理模块的调度各条进路的处理一条进路的处理i←1i>mLi空？i←i+1对Li中的进路进行处理是是否否转出进路处理总框图2023/4/3118计算机联锁系统的基本原理本读取Li中的标志ff=？已形成fS？f=fXP是否已形成fXB？f=fS是否已形成fJS？f=fXB是否XP模块S模块XB模块JS模块转出进程处理流程图f=Fjs2023/4/3119计算机联锁系统的基本原理本5、过程输入输出程序安全输入程序

输入清零模块读入数据模块置回执模块安全输出程序

调用输出模块0

检查有无控制命令调用输出模块0

输出安全性检查一致性检查2023/4/3120计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统软件五、提高软件可靠性的措施避错检测屏蔽2023/4/3121计算机联锁系统的基本原理本第四节计算机联锁系统的通道与接口计算机联锁系统输入、输出信息与接口开关量输入通道开关量输出通道故障—安全输入/输出接口动态继电器动态驱动单元采集信息和驱动命令的接口电路计算机联锁与列控设备的接口计算机联锁与TDCS/CTC结合

2023/4/3122计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口一、计算机联锁系统输入、输出信息与接口

计算机联锁系统输入/输出信息的性质开关性安全性计算机联锁系统接口的采用状态信息的采集采用动态输入的方式控制信息的输出采用动态驱动的方式2023/4/3123计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口二、开关量输入通道2023/4/3124计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口信号形成电路的形式如图所示。2023/4/3125计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口信号形成电路的功能：变换隔离去抖开关量输入通道的形式：直接输入方式分组输入方式矩阵输入方式2023/4/3126计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口三、开关量输出通道2023/4/3127计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口控制对象：

执行继电器表示灯音响报警装置开关量输出通道的主要功能：

提高驱动能力实现计算机与外部设备之间的电气隔离2023/4/3128计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口继电器输出接口

2023/4/3129计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口表示灯输出接口

2023/4/3130计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口音响报警输出接口

2023/4/3131计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口四、故障—安全输入/输出接口故障—安全输入接口

静态故障—安全输入接口动态故障—安全输入接口故障—安全输出接口

代码→动/静态变换电路动/静态→电平变换电路2023/4/3132计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口静态故障—安全输入接口采用编码方式。假设取码长为n，则可组成2n个代码。2023/4/3133计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口动态故障—安全输入接口

2023/4/3134计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3135计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口故障—安全输出接口

信号机控制电路、道岔控制电路。

输出接口的任务：将控制信息从代码形式转换为电平形式，并将电平放大到足以驱动继电器工作。一般采用以下两级变换电路来实现。

（1）代码→动/静态变换电路（2）动/静态→电平变换电路2023/4/3136计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3137计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3138计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3139计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口五、动态继电器

JAC -1000型动态继电器

JARC-1000型动态继电器

JDXC-1700型动态继电器2023/4/3140计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3141计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3142计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口结合电路采集电路控制电路2023/4/3143计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3144计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3145计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3146计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3147计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3148计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3149计算机联锁系统的基本原理本计算机联锁系统的通道与接口七、采集信息和驱动命令的接口电路计算机采集的表示信息计算机输出的控制命令信号电灯电路道岔控制电路2023/4/3150计算机联锁系统的基本原理本信号机信号机采用集中供电，由室内电源屏供出220V电源，在信号机处设信号变压器变压后供给信号灯灯泡点灯。进站信号机有五个灯位：黄、绿、红、黄、白。显示：绿、黄、双黄、红、红白、绿黄。由LXJ、TXJ、ZXJ、LUXJ、YXJ控制。2023/4/3151计算机联锁系统的基本原理本设置：正线信号继电器——ZXJJWXC-1700YX通过信号继电器——TXJJWXC-1700YX绿黄信号继电器——LUXJJWXC-1700YX引导信号继电器——YXJJWXC-H340YX2023/4/3152计算机联锁系统的基本原理本点一个红灯：LXJ↓+YXJ↓点一个绿灯：LXJ↑+ZXJ↑+TXJ↑点一个黄灯：LXJ↑+ZXJ↑+TXJ↓+LUXJ↓点两个黄灯：LXJ↑+ZXJ↓+TXJ↓+2DJ↑点一个绿灯和一个黄灯：LXJ↑+ZXJ↑+TXJ↓+LUXJ↑+2DJ↑点一个红灯和一个月白灯：LXJ↓+YXJ↑+2DJ↑2023/4/3153计算机联锁系统的基本原理本2023/4/3154计算机联锁系统的基本原理本出站兼调车信号