车站信号自动控制教案-计算机联锁系统的软硬件结构

PAGEPAGE3课时授课计划编号：33授课日期月日月日授课时数授课班级19-信号60班19-信号61班2课题计算机联锁系统的软硬件结构教学目的了解计算机联锁软硬件组成掌握计算机联锁系统的硬件结构教学重点计算机联锁硬件系统组成教学难点计算机联锁系统的软件结构课堂类型及教学方法讲授课讲授法教具、挂图图例教学过程如下教研室主任签字：年月日任课教师：专业负责人提问简介详细难点简介简介重点重点结构图Ⅰ．复习旧知：计算机联锁系统的硬件组成特点。Ⅱ．引入新课：前面给大家介绍了计算机联锁系统显示操作的基本知识，下面给大家详细介绍有关计算机联锁软硬件结构组成的基本知识。Ⅲ．讲授新课：计算机联锁系统的软硬件结构一、计算机联锁系统软件的总体结构计算机联锁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，其软件的基本结构可归纳如下。1．按照系统层次结构分类按照软件的层次结构，可分为三个层次，即人机对话层、联锁运算层和执行层人机对话层完成人机界面信息处理；联锁运算层完成联锁运算；执行层完成控制命令的输出和表示信息的输入。2．按照冗余结构划分按照冗余结构，可分为三取二系统的单软件结构和双机热备系统的双版本软件结构。3．按照联锁数据的组织形式划分按照联锁数据的组织形式，可分为联锁图表式软件结构和进路控制式的软件结构二、计算机联锁系统的技术基础计算机联锁系统采用的是工业控制计算机系统，用以实现对铁路车站运输生产过程的监测与控制。它由工业控制计算机和生产过程两部分组成。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(1)工业控制计算机的硬件组成由主机板、内部总线和外部总线、人一机接口、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2)工业控制计算机的特点①可靠性和可维修性好。②高抗干扰能力。③环境适应性强。④完善的输入／输出通道。⑤控制的实时性。⑥通用性和可扩充性好。⑦具有通信与联网能力，，⑧适当的计算机精度和运算速度。2．总线总线足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。总线一般分为三类，即内部总线、外部总线和现场总线。(1)内部总线①STD总线②VME总线3.ISA总线④PCI总线(2)外部总线外部总线又称通信总线，它是计算机系统之间或计算机系统与仪器设备之间传输信息的通路，常借用其他领域已有的总线标准。外部总线分为并行通信总线和串行通信总线两种。常用的串行通信总线有Rs—232C总线、RS—422总线、Rs—485总线等(3)现场总线现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向申行传输、多分枝结构的通信网络。目的较流行的现场总线主要有：CAN、PROFIBus、Lunworks、HAHT、FF。这里仅介绍CAN，总线3过程输入／输出通道通用I／O接口原理：①I／O接口的寻址②常用的I/O接口I/O接口是计算机联锁系统的重要组成部分。它的设计灵活性很大，有的功能既可以用硬件实现，也可以用软件实现，若用硬件实现，在速度上较快；若用软件实现，可以方便系统功能的改变。(2)开关量输入通道：开关量输入通道的作用；—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，以保证输入信号的下确性。4．工业网络：计算机联锁系统一般都采用分散式控制系统，因此，计算机与计算机之间要沟通信息，共车资源，协同工作，于是，出现了用通信线路将各计算机连接起来的计算机机群，以实现资源共享和作业分布处理，这就是计算机网络。(1)集线器(2)网卡(3)局域网电缆(4)其他设备5．监控对象在计算机联锁系统中，现场信号设备统称为监控对象。现场信号设备是指室外的信号机、转辙机和轨道电路等，与继电集中室外设备相同。三、联锁数据与数据结构在计算机联锁系统中，凡参与联锁运算的有关数据统称为联锁数据，联锁数据在存储器中的组成方法称为数据结构。联锁数据包括静态数据(常量)和动态数据(变量)两大类，与之相对应的有静态数据结构和动态数据结构。]．静态数据及其结构联锁程序需要哪些静态数据以及这些数据在存储器中的组织形式，对于联锁程序结构有很大的影响。目前采用最多的是进路表型联锁和站场型联锁，对应的就存在两种不同的静态数据结构；进路表型静态数据结构和站场型静态数据结构。(1)进路表型静态数据结构在进路表型联锁控制系统中，信号机、道岔、轨道区段与进路之间的联锁关系是通过进路表的形式表示的，进路表中包含了所有进路及其联锁条件。当车站规模较大，进路数量较多时，总进路表势必十分庞大，占用RoM的容量很大，这就意味着增大了RoM检测程序的长度和执行时间，不利于系统的可靠性的。另外，当车站改建和扩健时，需要对总进路表进行较大的修改，这也是进路表结构的不足之处。(2)站场型静态数据结构对应信号平面布置图中的每一监控对象，如信号机、转辙机、轨道电路区段、侵限绝缘区段、特设的变通按钮、进路终端按钮等所有内容都存入RoM内，并各设—个静态数据模块。在模块中列出表述该监控对象特性的数据以及进路搜索程序所需要的一些标志。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7—20(b)所示，它很像6502电气集中的组合连接图。这种数据结构在图形上具有站场形式，所以称它为站场型静态数据结构。采用站场型静态数据结构有以下优点：a．该静态数据库所占存储空间小，有利于检测；b.站场型静态数据结构是节点之间链接而成的，在数据结构中任何地方增加或减少节点时，仅涉及指针场中的地址的修改，而不影响各节点在存储涨中的物理存储区，所以修改容易，这非常适应站场的改建或扩建；c.节点的类型是有限的，节点的内容和容量不变，各节点的链接只是在逻辑上是有序的，但是每个节点在存储器中具体区域可以是无序的(即相链接的节点在存储器中可以不相邻)，利用这种性质叮用计算机辅助设计生成数据结构。根据站场型静态数据结构所生成的进路表需存于RAM中。对于一个车站来说，能同时办理的进路是有限的，而且这些进路表随着进路解锁而消失，所以占用RAM空间是不大的。2．动态数据参与进路控制的动态数据主要包括操作输入变量、状态输入变量、表示输出变量以及联锁处理的中间变量等。四、联锁控制程序及其程序模块的管理1．联锁控制程序的基本模块联锁控制程序一般来说可分成六个模块：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、表示输出模块和控制命令输出模块2．程序模块的管理在计算机联锁系统中，如何把各个程序模块管理起来，使它们有序地工作，是设计软的重要环节。对于子程序的管理也称做程序模块的调度。一般来说，对程序的管理方法有集中和分散管理两种。四、联锁程序的执行1.操作命令及操作命令执行模块2．进路搜索程序模块进路搜索程序的功能是根据所形成的进路操作命令，从站场型静态数据库中选出符合进路需求的静态数据，构成一个进路表并存于进路总表中。3．进路处理模块进路处理模块是对已经搜索出来的进路进行处理的模块。它是各条进路所共用的模块。五、计算机联锁系统的硬件结构以工业控制计算机为核心的汁算机联锁系统，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的技术背景和历史背景的不同，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。系统的层次结构所谓层次结构，就是按进路的控制层次来描述系统的结构。计算机联锁系统从操作到监控刘象的进路控制可以分为人机对话层、联锁层和控制层，如图7—9所示。就系统的层次结构来说，如果各层的功能由同一台计算机来完成，就称为集中式控制结构；如果对应不同层次分别设置计算机，各层的功能分别由各自的汁算机来处理，则称为分散式控制结构。分散式控制结构应用非常广泛。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个相对独立又有—定联系的功能模块，各功能模块均由相应的计算机来处理，从而使系统在计算机的配置上形成多机分散式结构。⑴监视控制机——上位机：监视控制机是为了减轻联锁机的事务处理工作而设置的，它本身不具有联锁功能。因此不要求该机具有故障一安全特性。(2)联锁机——下位机：主要用于实现信号设备的联锁逻辑处理功能，完成进路确选、锁闭，发出开放信号和动作道岔的控制命令。联锁机以申行通信方式与监视控制机交换信息，而与执行层的联系方式有两种：专线方式和总线方式。(3)目标控制器：设于对象群附近，与所辖各对象之间采用专线联系方式。2．系统的冗余结构目前所选用的工业控制计算机而言．其质量水平尚不能满足联锁系统的高可靠性要求．况且更不具备故障一安全性能。这就需要从软、硬件方面对联锁系统各层组成模块采取冗余技术，构成多重化的冗余结构来确保整个系统的高可靠性和高安全性。计算机联锁系统采用冗余结构的实质在于用增加相同性能的模块来换取系统的叮靠性和安全性的。在这里，增加的模块从完成系统功能的角度来看是多余的．<R从提高系统运行的叮靠性和安全性角