车站信号计算机联锁控制系统－原理及应用

车站信号计算机联锁控制系统

------原理及应用

徐洪泽编著

（第1版）

中国铁道出版社

目录

第一篇原理篇

第1章综述..................................................错误！未定义书签。

1.1铁路信号系统...........................................错误！未定义书签。

1.2车站信号控制系统发展概述..............................错误！未定义书签。

第2章计算机联锁控制系统技术基础...............................错误！未定义书签。

2.1车站运营及联锁技术基础.................................错误！未定义书签。

2.2计算机控制技术基础.....................................错误！未定义书签。

2.3现场设备及其继电接口电路..............................错误！未定义书签。

第3章计算机联锁控制系统原理....................................................27

3.1车站联锁控制系统的层次结构..............................................27

3.2计算机联锁控制系统的分类及其硬件组成...................................28

3.3计算机联锁控制系统软件功能分解..........................................31

3.4联锁数据与数据结构......................................................35

3.5基本联锁控制软件功能模块................................................46

3.6其他软件功能模块.........................................................53

第4章计算机联锁控制系统的可靠性技术保障.................错误！未定义书签。

4.1故障分析...............................................错误！未定义书签。

4.2可靠性基本概念.........................................错误！未定义书签。

4.3联锁控制系统可靠性保障技术概述........................错误！未定义书签。

4.4系统级可靠性保障技术...................................错误！未定义书签。

4.5设备级可靠性保障技术...................................错误！未定义书签。

4.6网络通信可靠性保障技术.................................错误！未定义书签。

第5章计算机联锁控制系统故障-安全保障技术................错误！未定义书签。

5.1故障-安全概述...........................................错误！未定义书签。

5.2车站联锁控制系统的故障一安全保障技术概述..............错误！未定义书签。

5.3系统级故障-安全保障技术................................错误！未定义书签。

5.4设备级故障一安全保障技术..............................错误！未定义书签。

5.5I/O通道级故障-安全保障技术.............................错误！未定义书签。

5.6信息传输的故障-安全保障技术............................错误！未定义书签。

第6章TYJL系列计算机联锁控制系统解析..........................................91

6.1系统结构及功能解析.......................................................91

6.2软件系统及其功能解析....................................................92

6.3硬件系统及其功能解析....................................................94

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目录

6.4系统技术特点.............................................................97

6.5TYJL-TR9型计算机联锁控制系统...........................................98

第7章DS6系列计算机联锁控制系统解析............................................101

7.1系统结构及功能解析......................................................101

7.2软件系统及其功能解析....................................................102

7.3硬件系统及其功能解析....................................................102

7.4系统技术特点............................................................105

7.5DS6-K5B型计算机联锁控制系统解析......................................105

第8章JD系列计算机联锁控制系统解析.............................................109

8.1系统结构及功能解析......................................................109

8.2软件系统及其功能解析....................................................110

8.3硬件系统及其功能解析....................................................112

8.4系统技术特点............................................................114

8.5EI32-JD型计算机联锁控制系统............................................115

第9章CIS-1型计算机联锁控制系统解析.............................................116

9.1系统结构及功能分析......................................................116

9.2软件系统及其功能分析....................................................116

9.3硬件系统及其功能分析....................................................118

9.4系统技术特点............................................................120

9.5VPI型计算机联锁控制系统分析............................................122

第10章地方及厂矿铁路计算机联锁控制系统解析.....................................130

10.1JT-DE型计算机联锁控制系统解析.........................................130

10.2HS2000VSI型计算机联锁控制系统解析...................................134

10.3其它基于可编程控制器的联锁控制系统解析...............................136

参考文献..........................................................................140

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第1章综述

第1章综述

1.1铁路信号系统

铁路运输系统是一个由机车车辆、铁道线路、桥梁隧道和站场等基础设备组成的庞大系

统。在这个系统中必须设有指挥列车运行的铁路信号系统来保证列车按照行车计划安全高效

的运行。

防止列车冲突的传统做法是将铁路划分成若干段，把在车站之间的各段线路称作区间或

闭塞分区，在区间的两端设置信号机对区间进行防护，把车站内的线路称作进路，同样在进

路的两端设置信号机予以防护。在开放防护进路的信号前要检查进路是否空闲，进路中的道

岔位置是否正确，以及该进路是否和其它进路发生冲突等。只有在确定进路空闲、道岔位置

正确并锁闭、可能发生冲突的进路没有办理并L1锁闭的条件下，信号才能开放，允许列车驶

入。

可见，为了保证行车安全，信号、道岔与进路之间必须保持一定的制约关系和操作顺序,

常称这种制约关系和操作顺序为联锁。因此，又把车站信号系统称为车站联锁控制系统。

1.2车站信号控制系统发展概述

1.2.1发展历史

从1825年9月27日第一条铁路在英国诞生以来，安全与效率就成为铁路运输所面临的

主要问题。为了在保证运输安全的前提下提高运输效率，1830年出现了铁路信号，并于1856

年第一套简单的机械式车站联锁控制设备诞生。机械联锁是最古老的联锁方式，在机械联锁

中，信号机与道岔的控制杆相互锁闭，联锁关系遵循因果关联原则或者相关进路原则。随着

铁道运输业的不断发展以及技术的进步，车站联锁控制设备逐步发展成集中式机械联锁控制

系统，并在将近70年内一直占主导地位。

1927年基于布线逻辑的继电联锁控制系统问世。与机械联锁不同的是，继电联锁的联锁

逻辑由继电电路实现，道岔和信号机不再由控制杆控制。操作员按压进路的始端终端按钮发

出选路命令后，继电联锁控制系统将自动完成道岔和信号机安全控制。

继电联锁控制系统由不对称的重力式安全型继电器构成，该系统很好地实现了安全联锁

功能，并且在故障状态下能够保证控制系统的安全性，同时提高了作业效率。经过不断完善,

2

第1章综述

继电联锁控制系统得到了广泛的应用，直到近80年后的今天，它在我国铁路系统中仍占重要

地位。

随着电子技术的飞速发展，20世纪60年代人们开始尝试采用电子器件取代继电器来构成

铁路信号电子联锁控制系统。1978年，由瑞典研制的世界上第一套计算机联锁控制系统在瑞

典哥德堡站的成功应用，掀开了车站联锁控制系统研究与应用的新篇章，随后，各国竞相开

发研究计算机联锁控制系统，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。

20世纪80年代铁道科学研究院、铁道部通信信号总公司研究设计院、北方交通大学等科

学研究机构相继展开了计算机联锁控制系统的研制工作。1984年铁道部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控制系统，并成功地应用于地方铁路，填补

了我国计算机联锁控制系统的空白。1989年铁道科学研究院研制生产的计算机联锁控制系统

在郑州北编组站开通使用，使计算机联锁控制系统首次应用于国有铁路。1994年铁道科学研

究院、铁道部通信信号总公司研究设计院研制的计算机联锁控制系统分别在哈尔滨铁路局平

房站和上海铁路局交通站开通使用，这是我国铁路首次将国产的计算机联锁设备用于铁路客

货列车通过的车站。

冶金等其他行业的一些科研单位也对计算机联锁控制系统进行了应用研究，并取得了一

定的成果。

1.2.2计算机联锁控制系统的特点

目前广泛使用的联锁控制系统是电气联锁控制系统，即继电联锁控制系统。继电联锁控

制系统的性能稳定、抗干扰性强、可靠性高，但是存在着功能不够完善，功耗大，成本高，

占地面积大等缺点。下面就结合继电联锁控制系统从性能、经济等方面对计算机联锁控制系

统的特点进行描述。

1.优点：

（1）性能方面：

①与继电联锁控制系统相比，计算机联锁控制系统的设计、施工工作量大大减小，并且

系统可以方便地增加新功能，使得系统功能进一步完善。

②计算机联锁控制系统提供现代化的声、像、图文显示，人机交互的功能更加完善，内

容更丰富，信息量更大，工作效率更高。

③计算机联锁控制系统采取了必要的技术措施以后，系统的可靠性和安全性将更高；

⑵经济方面：

①随着电子与计算机技术的发展，计算机联锁的性能价格比更高，使得大站计算机联锁

控制系统的价格低于电气集中联锁控制系统；

②采用分布式系统结构时，计算机联锁控制系统可以省去干线电缆，大幅降低工程造价;

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第1章综述

~③体积小、占地面积小，且随车站规模增大，面积节省更为显著;

④安装费、运营费及维修费大幅度减少。

⑶维护方面：

①计算机联锁控制系统的维修工作量小，且具有自诊断、故障定位功能，降低了维护难

度并可通过远距离联网，实现远程故障诊断。

②继电部分结构简单，便于维护，而且继电器用量少，减少继电器检修工作量；

（4）其它方面：

①计算机联锁控制系统便于联网，为铁路信号系统向智能化和网络化方向发展创造了条

件，通过与列车控制系统、运行图管理系统联网，可根据调度计划实现进路程序控制，通过

与旅客向导服务系统、车次号跟踪系统联网，可构成全方位的计算机综合控制、管理系统，

增强了运输调度指挥自动化、智能化水平；

2.存在如下不足：

①计算机联锁控制系统应用大量的电子元件，需在抗电磁干扰及防止雷害等方面采取防

护措施。

②计算机联锁控制系统中实现联锁逻辑的联锁计算机•旦出现硬件故障影响面积会很

大，甚至使系统不能工作。因此计算机联锁控制系统需要采取必要的措施来提高可靠性和可

用性。

1.2.3现状及前景

目前，计算机联锁控制系统己处于实用阶段，随着实践经验的积累，系统的性能也在不

断提高。我国的计算机联锁控制系统主要采用由通用的工业控制计算机组成的双机热备系统,

少部分采用了由国外专用机组成的双机及多机系统。目前，计算机联锁控制系统已装备了国

铁近千个车站。

国外的计算机联锁控制系统大多采用硬件冗余比较表决方式实现系统的故障安全，并采

用双重或三重系统不停顿故障重组技术提高系统的可靠性和可用性，形成了系列化产品，具

代表性的有瑞典的EBILOCK系列、德国的SIMIS系列、英国的SSI系列、法国的SELMIS

系列、美国的VPI系列及日本的SMILE系列计算机联锁控制系统。

由于采用了先进的计算机技术和通信技术，计算机联锁控制系统将成为综合行车指挥控

制系统的基础设备和重要组成部分。系统通过各种制式的通信网络可实现多层次控制，使控

制范围扩大，即可由一个枢纽站控制周边的若干站及区间的道岔控制点，既优化了控制，又

减少了投资和运营成本。计算机联锁控制系统通过与运行图管理系统，旅客向导服务系统、

车次号跟踪系统联网，可构成全方位的计算机综合控制、管理系统。

总之，铁路信号计算机联锁控制系统将向低成本、高效率、高安全、高可靠及信息化、

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第1章综述

智能化、网络化和综合自动化的方向发展。

5

第2章计算机联锁控制系统技术基础

第2章计算机联锁控制系统技术基础

计算机联锁控制系统技术是铁路信号技术、电子及计算机测控技术、计算机通信技术以

及可靠性安全性技术有机结合的产物，因此，学习和研究计算机联锁控制系统必须对以下内

容有所了解：

（1）车站作业的技术规范，它是研究系统的基础和根本：

（2）铁路车站信号的联锁技术，它是车站作业的技术规范的具体体现，是动作道岔和信

号、建立进路必须遵循的条件和程序，是车站信号自动控制系统的主要内容。

（3）可靠性及安全性保障技术，可靠性是指系统应在规定的条件下，规定的时间内，完

成规定的功能。安全性则是指系统在运行过程中无论发生任何变故都不应产生危及行车安全

的因素。

（4）现场接口设备的控制及状态检测接口技术。

（5）电子技术、计算机技术、计算机控制与通信技术，它们是实现计算机联锁控制系统

必要的技术手段。

本章将就上述技术问题进行简单的描述。

2.1车站运营及联锁技术基础

车站是铁路办理客货转运作业的基地。它除了有与区间直接连通的正线外，还配有到发线、

调车线、牵出线、货物线等线路。这些线路用道岔连接起来，使得列车或调车车列能够从一

条线路转到另一条线路。车站匕道岔汇聚的地方称作车站的咽喉区。车站的技术作业可分为

列车作业和调车作业两类。无论是列车作业还是调车作业，都是指车列由某一指定地点运行

到另一指定地点。

无论是列车进路还是调车进路，它们的控制过程基本上是•样的。进路控制过程可分成

进路建立和进路解除两个阶段。进路建立阶段是指从车站操作人员开始办理进路，到该进路

建立，防护该进路的信号机开放：进路解除阶段是指从列车或车列驶入进路，到出清进路中

全部道岔区段，为了提高车站作业效率，通常逐段解锁进路中的轨道区段。

1.建立进路阶段

建立进路阶段又可以分解成若干小的阶段。其中，操作阶段是由人工办理的；其它阶段

由联锁控制系统自动完成。主要分为以下儿个阶段：①人员操作阶段，排列一条进路；②选

路阶段，选出相应的进路；③道岔位置确认阶段，确认与该进路有关的道岔位置符合进路要

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

求，否则转到预期的位置；④进路锁闭阶段，在道岔位置符合要求、进路空闲、敌对进路未

建立的条件下，将道岔和敌对进路锁闭，使道岔不能再转换、敌对进路不能建立；⑤开放信

号阶段，在进路锁闭后开放信号机：⑥信号保持阶段，在信号机开放期间还需不断地检查进

路空闲和道岔状态，一旦联锁条件不能满足，应使信号机立即关闭。

2.解除进路阶段

解除进路就是解除已建立进路的锁闭状态，包括解除对道岔和敌对进路的锁闭。在信号

开放后，当车列已接近进路，若此时进路错误地解锁了，进路中的道岔就可以转换，敌对进

路也可能建立，就有可能发生脱轨或冲撞事故。

根据解锁的条件和时机，有5种进路解锁方式，即取消进路、正常解锁、故障解锁、非常

解锁以及中途返回解锁。

2.2计算机控制技术基础

典型的计算机控制系统组成如图2.2」所示，下面分别对计算机控制中的关键技术进行简

要地介绍。

图2.2.1计算机过程控制系统的硬件组成框图

2.2.1工业控制计算机

过程控制是计算机一个很重要的应用领域.下面就从硬件和软件两个方面对工业控制计

算机的结构作简单介绍。

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

1.硬件系统

计算机控制系统的硬件主要是由主机、外部设备、过程输入输出设备和通信设备等组成。

（1）主机

中央处理器（CPU）和内存储器（RAM,ROM）构成的主机是计算机系统的核心。主机

根据输入设备送来的各种实时反映系统工作状况的信息，以及预定的算法，自动地进行信息

处理和运算，并通过输出设备发送控制命令等。

（2）内部总线和外部总线

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。由于总线的内容非常丰富，

将在2.2.3节对内部总线和外部总线作更详细地介绍。

（3）人一机接口

人一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

工业控制计算机的系统支持功能主要包括如下部分；

①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。

②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。

③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。后备存储器通常容量不大，它能在系统掉电后保证所存数据不丢失，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。

④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，届忖工业控制计算机应自动执行；另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。所有这些都要求必须配备实时时钟，且能在掉电

后仍然正常工作。

（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、硬盘和光盘等。

（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（A0）通道、数字量（或开关量）输入（D1）通道、数字量（或开

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

关量）输出（DO）通道，它有两个作用，其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；其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。

2.软件系统

计算机控制系统的硬件只能构成裸机，它只为计算机控制系统提供了物质基础。裸机只

是系统的能干，既无思维，又无知识和智能，因此必须为裸机提供或研制软件，才能把人的

思维和知识用于对生产过程的控制。软件的优劣不仅关系到硬件功能的发挥，而且也关系到

计算机对生产的控制品质和管理水平。软件内容丰富、种类繁多，通常根据软件用途可将其

分为系统软件、支持软件和和应用软件三个部分。

（1）系统软件

系统软件是管理、控制和维护计算机系统硬件资源与软件资源的程序集合，包括实时多

任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国Intel公司推出的iRMX86和美国WindRiver

公司推出的VxWorks等实时多任务操作系统，美国ReadySystem公司推出的嵌入式实时多任

务操作系统VRTX/OS。除了实时多任务操作系统以外，常常也可以使用MS-DOS和Windows

等系统软件。

系统软件是计算机正常运行不可缺少的，其中一些系统软件程序在计算机出厂忖直接写

入ROM芯片，例如，系统引导程序、基本输入输出系统（BIOS）、诊断程序等。有些则直接

安装在计算机的硬盘中，如操作系统。

（2）支持软件

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。

（3）应用软件

应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。它包括过程输入

程序、过程控制程序、过程输出程序、人一机接口程序、打印显示程序和公共子程序等，如

联锁程序。

随着硬件技术的高速发展，计算机控制系统对软件也提出了更高的要求。只有软件和硬

件相互配合，才能发挥计算机的优势，研制出具有更高性能价格比的计算机控制系统。

2.2.2数据通信技术

数据通信是工业测控网络和分散型测控系统的关键技术。不同系统或不同计算机之间的

通信主要采用并行通信或串行通信两种方式。并行数据通信是指数据的各位同时传送，可以

用字并行传送，也可以用字节并行传送，显然，并行传送的速度高，但传送的距离很短，通

常小于10m；串行数据通信是数据一位一位顺序传送，因此不同系统或计算机之间只用很少

的几条信号线即可完成数据交换，显然，串行传送的速度低，但传送的距离很长，通常可达

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

儿十至几千米，甚至更远。本节主要讨论串行通信方式。

1.串行通信方式

串行通信方式主要有单工通信、半双工通信和全双工通信三种。

(1)单工通信

单工方式是通信线的一端接发送器，另一端连接收器，数据只能按照一个固定的方向传

送，而不能进行相反方向的传送。

(2)半双工通信

半双工方式是通信线的两端各自接有发送器和接收器，数据可以双向传送，但在同一时

刻只限于向一个方向传送。

(3)全双工通信

如将数据传送线改为两根，每一根负责一个方向传送数据，就可以在同一时刻既发送数

据，又接收数据，这相当于把两个相反方向的单工通信方式组合在一起。

2.信号的传输方式

(1)基带传输

基带传输就是在数字通信的信道上直接传输数据的基带信号，即按数据波的原样进行传

输，不包含有任何调制，它是最基本的数据传输方式。基带网的数据速率范围为0~10Mbps,

线路工作方式只能为半双工方式或单工方式。

(2)载波传输

载波传输是采用数字信号对投波进行调制后再实行传输。最基本的调制方式有幅度键控

(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)三种。

(3)宽带网

随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据、文字、语音、图像等多种信号的任务愈

来愈重，于是，提出了宽带网传输的要求。宽带网可划分为多条基带信道，提供良好的通信

路径，数据速率范围为0~400Mbps。

(4)异步传输模式ATM(asynchronoustransfermode)

ATM是一种新的传输与交换数字信息技术，也是实现高速网络的主要技术。它支持多媒

体信息，包括数据、语音和视频信号，按需分配频带，具有低延迟特性，速率可达155Mbps

到2.4Gbps,也有25Mbps和50Mbps的ATM技术，可用于局域网和广域网。

2.2.3总线接口技术

任何•个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外

围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简

化硬件电路设计、筒化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制

定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。

计算机总线的种类很多，并在不断地发展和完善，下面仅对工业控制计算机中常用的内

部总线和外部总线加以介绍。

1.内部(系统)总线

内部总线(I-BUS)又称“系统总线”或“板级总线”，是通用微型计算机和测控系统计

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，就构成了完整的计算机测控系

统。常用的内部总线有STD总线、ISA总线、PCI总线、VME总线等。

(1)STD总线

STD总线是一个面向工业控制的微型计算机总线，它定义了8位微处理器总线标准，近

年来又定义了STD32总线标准。

(2)ISA总线

ISA(industrialstandardarchitecture)总线标准是IBM公司为推出PC/AT机而建立的系统

总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。它在

80286至80486时代应用非常广泛，以至于现在的奔腾机中还保留有ISA总线插槽。

(3)VME总线

该总线结构是为其各种模块之间的接口和充分发挥16/32位的微处理器MC68000的功能

而设计的。VME总线是一种性能极高的开放式总线。

(4)PCI总线

PCI(peripheralcomponentinterconnect)总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司

推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。与VESA、ISA总线相比，

PCI总线的功能有了极大的改善，它支持突发读写操作，最大传输速率可达132MB/S,并可同

时支持多组外围设备。虽然PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA(microchannel

architecture)总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。

(5)CompactPCI

CompactPCI的意思是“坚实的PCI”，是当今第个采用无源总线底板结构的PCI系统,

是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。

CompactPCI是在原来PCI总线基础上改造而来，它利用PCI的优点，提供满足工业环境应用

要求的高性能核心系统，同时还考虑充分利用传统的总线产品，如ISA、STD,VME或PC/104

来扩充系统的I/O和其他功能。

除此之外，常用的内部总线还有EISA总线和VESA总线等，这里不再详述。

2.外部总线

外部总线(E-BUS)又称“通信总线”，它是微机系统之间或是微机系统与其它系统(仪

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

器、仪表、控制装置)之间传输信息的通路，常借用其他领域己有的总线标准。计算机的外

部总线通常分为并行总线和串行总线两种。

(1)RS-232-C总线

RS-232-C是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一种串行物理

接口标准。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情

况下主要使用主通道，对于一•般的双工通信，仅需几条信号线就可实现，如•条发送线、一

条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受

此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；传输距离短的另一

原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此搬用于20m

以内的通信。

(2)RS-485总线

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平

衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测

低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任

何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。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。

(3)IEEE-488总线

上述两种外部总线是串行总线，而IEEE-488总线是并行总线接口标准。IEEE-488总线

可用来连接系统如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用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

器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为

20米，信号传输速度一般为500KB/S,最大传输速度为IMB/s。

2.2.4工业网络技术

计算机为用户提供了分散而有效的数据处理与计算能力。但在实际应用中，计算机和以

计算机为基础的智能设备除了处理本身'也务之外，往往还要求能与其它计算机沟通信息，共

享资源，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群，以实现资源

共享和作业分布处理，这就是计算机网络。随着以太网技术的成熟和普及，协议的标准化，

以太网技术进入了工业控制领域并迅速地发展了起来。

1.网络的拓扑结构

网络结构是指网络中的各台计算机、设备之间相互连接的方式。常用的网络结构有以下

三种：星形、环形和总线形。

12

第2章计算机联锁控制系统技术基础

星形环形总线形

图2.2.2常用的网络结构

（1）星形结构

星形结构是将分布于各处的多个站连到处于中心位置的主结点匕任何两个站之间的通

信都要通过主结点，主结点集中来自各分散站的信息，再把集中到主结点的信息转发给相应

的站。星形结构属于集中型网络，易于将信息流汇集起来，从而提高了全网络的信息处理效

率，适用于各站之间信息流量较大的场合，但是可靠性较低，如果主结点发生故障，将影响

全网络的通信。

（2）环形结构

环形结构的每个站都是通过结点（或称中继器）连接到环形网上，通过逐个结点传递来

达到线路共用，网上信息单方向围绕着线路进行循环（顺时针或反时针）。环形拓扑属于分散

型网络，网上结点是相对简单的信息接收和发送的中继器。环形网的信号经每个结点整形、

放大后再传送，不但传送距离远，而且能保证信号质量。但是因为它是共用通信线路，所以

不适用于信息流量大的场合。

（3）总线形结构

总线形结构采用了一条开环无源的电缆作为公共通信总线，所有的站都通过相应的硬件

接口直接挂在总线匕如图2.2.2所示。任何一个站的信息采用广播式沿总线传输，所有其它

站都能接收。总线形结构属于分散型网络，其结构灵活，易于扩展。由于采用无源传输总线,

一个站的故障不会影响其它站的工作，可靠性高。总线形结构的使用是最普遍的。

除了上述三种基本结构外，还有网形结构、树形结构以及各种混合形结构。这些结构相

对比较复杂，信息的传输可能有多条路径。

2.介质访问控制技术

介质访问控制方式有三种，载波监听多路访问/冲突监测（CSMA/CD）方式、令牌环（Token

Ring）方式、令牌总线（TokenBus）方式。

CSMA/CD方式采用随机访问技术的竞争型访问方法。在轻负载下，网络利用率高，但随

着负载的增加，由于传输冲突的增加，网络利用率会明显下降。该方式适合于结构简单、负

载轻、时实性低的网络。

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

令牌环局域网内设置一个令牌在网内循环传送，任何站点仅能在令牌通过该站时获得令

牌，并将令牌从空标志改为满标志，接着才能将信息发到环路上。令牌环方式当网络轻负载

时效率较低，重负载时效率提高，该方式结构复杂、不易扩展。

令牌总线方式在物理总线上建立了一个逻辑环，物理上是总线网，逻辑上是环形网。和

令牌环一样，在令牌总线中的站点只有获得令牌才能发送信息，因而不会发生冲突。当网络

重载时，采用令牌总线方式可大大提高网络利用率，该方式适合于工业自动化系统。

2.2.5现场总线技术

现场总线是应用在生产现场，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主要有以下五种CAN、PROFIBUS、Lonworks、HART和FF。

1.控制器局部网（CAN）

CAN总线最早由德国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国际标准组织制定为国际标准，并且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

时发送消息。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

一帧有效字节数为8个；当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。

2.PROFIBUS总线

PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线，包括

PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物

理层、数据链路层以及应用层。PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。

主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对■总线的控制权。取得控制权的主站，

可向从站发送、获取信息。PROF1BUS-DP可用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工

自动化领域。FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则可用

于过程自动化领域。

3.LonWorks

LonWorks是美国Echelon公司于1992年推出的局部操作网络,最初主要用于楼宇自动化,

但很快发展到工业现场网，现有3000多家公司支持并开发基于这•技术的产品。它采用了OSI

参考模型全部的七层协议结构。LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。

Neuron芯片可实现完整的LonWorks的LonTalk通信协议。其上集成有三个8位CPU,一个

CPU完成OSI模型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器：一个CPU是应用处理器，运

行操作系统与用户代码；还有一个CPU为网络处理器，作为前两者的中介，实现网络变量寻

址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

LonWorks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活。LonWorks的应用范围主要

包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。

4.HART

HART协议是由Rosemount公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控

制室设备间通信的一种协议。它包括ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。HART通

信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，

其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中

的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份

额。

5.FF

基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持并具有良好发展前景的一种技术。

其前身是以美国Fisher—Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公

司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首,联合欧洲等地150家公司制定的WorldFIP协议。

这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于国际上统一的现场总线协议

的开发。

基金会现场总线分为H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps,通信距

离可达1.9km,可支持总线供电和本质安全防暴环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps

两种，通信距离为750m和500m。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用

曼切斯特编码。基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链

路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动

化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。

FF总线包括FF通信协议、ISO模型中的2〜7层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作

接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块,

实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

将现场总线与以太网结合，从而实现底层生产与上层管理的紧密集成，已成为一种趋势。

2.2.6计算机控制系统的分类

1.集中式数字控制系统

集中式数字控制系统(DDC,DirectDigitalControl)在20世纪七八十年代占主导地位。它

采用单-片机、可编程逻辑控制器(PLC)、顺序逻辑控制器(SLC,SequenceLogicalController)

或微机作为控制器。集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，

在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度和安排。不足是对控制器本身要求很高，必须

具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

2.集散控制系统

集散控制系统(DCS,DistributedControlSystem)在20世纪八九十年代占主导地位。其核

心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机完成集中监视管理功能，若干

台下位机分散到现场实现分布式控制，上下位机之间通过控制网络互连以实现相互间的信息

传递。这种分布式控制系统结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可

靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展

和应用。

3.分级控制系统

现代微机、通信技术和CRT显示技术的进展，使得微机控制系统不但具有控制功能，而

且还有生产管理和指挥调度功能。在如图224所示的分级控制系统中，除了直接数字控制和

监督控制以外，还包含工厂级集中监督微机和企业级经营管理微机。在企业经营管理中，除

了管理生产过程的控制，还具有生产管理、收集经济信息、计划调度、产品订货和运输等功

能。

分级控制系统是工程大系统，它要解决的不是局部最优化问题，而是一个工厂、一个公

司乃至个区域的总目标或总任务的最优化问题，即综合自动化问题。最优化的目标函数包

括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、环境污染最小等指标，

它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求。

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

图2.2.4分级控制系统

2.3现场设备及其继电接口电路

为了实现车站技术作业，计算机联锁控制系统还应包括指挥列车运行的信号机，转换道

岔的电动转辙机，监督轨道有无车占用的轨道电路等现场设备及其继电接口电路。

2.3.1道岔

在车站联锁区内的每组道岔处，都要设置台用来转换道岔、锁闭道岔和反映道岔状态

的电动转辙机。

1.电动转辙机

目前，我国普遍采用ZD6型电动转辙机。它采用集中供电，由室内电源屏供出直流220V

道岔动作电源和交流220V道岔表示电源。

运营对电动转辙机的基本要求是：

①作为转换器，应具有足够大的拉力，带动尖轨作直线往复运动；当尖轨被阻不能继续

移动时，应随时通过操纵使尖轨向回移动恢复原位。

②作为锁闭器，当尖轨与基本轨不密贴时，不应对尖轨进行锁闭，没锁闭则不应使转换

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

过程结束；一旦锁闭，应保证不致因列车通过道岔时的振动，而使尖轨解锁。

③作为表示器，应能反映出道岔的三种状态：道岔在定位；道岔在反位；道岔不密贴或

被挤已处于四开状态。

④道岔被挤后，在未修复前，不应再使道岔转换。

为了完成上述要求，电动转辙机应具备下列器件：

⑤电动机。我国铁路选用的是直流串激可逆电动机。

⑥尖轨锁闭器。尖轨锁闭器是当道岔转换完了后，将尖轨锁在密贴的位置匕以防止列

车通过道岔时，将尖轨震开缝隙。

⑦自动开闭器。随着尖轨的解锁、转换和锁闭过程，在转辙机内部应有个自动开闭电

机电路和自动开闭道岔表示电路的接点系统，这个接点系统就叫做自动开闭器。把自动开闭

电机电路的接点叫做定位动作接点（DD）和反位动作接点（FD）。FD用来开闭道岔向反位转

的电路。把开闭道岔表示电路的接点叫做定位表示接点（DB）和反位表示接点（FB）o

此外，电动转辙机应具有挤岔装置等器件。其中，挤岔装置是在挤岔时，保护转辙机的

主要部件不受损坏。

2.道岔继电接口电路

目前道岔继电接口电路广泛采用四线制道岔控制电路，它可分为道岔启动电路和表示电路

两部分。启动电路使电动转辙机动作来转换道岔，表示电路则把转换后的道岔位置反映到信

号楼内来。以下分别对这两部分电路的构成原理作以说明。

（1）道岔启动电路的构成原理

为保证列车运行安全，道岔启动电路应保证实现以下技术条件：

①道岔区段有车时，道岔不应转换，此种锁闭叫做区段锁闭。

②进路在锁闭状态时，进路上的道岔都不应再转换。此种锁闭叫进路锁闭。

③维修道岔或值班人员因某种原因人为地把道岔锁在一•定位置时，该道岔不应再转换。

此种锁闭叫道岔单独锁闭。

④当道岔启动电路已经开始动作后，如果车随即驶入道岔区段，则应保证转辙机能继续

转换到底，不受上述区段锁闭的限制而使道岔停止转换。

⑤道岔启动电路动作后，如果因转辙机的自动开闭器接点接触不良或电动机的整流子与

炭刷间接触不良，以致电动机电路不通时，应自动切断启动电路的电源，保证道岔不会再转

换。

⑥为了便于维修和实验，以及在尖轨和基本轨间夹有障碍物（如道渣等）而使道岔不能

转换到底时，能使道岔转回原位，必须保证无论道岔转换到什么位置都可通过手动操纵随时

使它向反方向转换。

⑦道岔转换完毕，应自动切断电动机电路。

道岔启动电路对每组单动道岔或每组双动道岔的电路结构基本相同。下面就以单动道岔

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

启动电路为例来分析启动电路工作原理。电路如图231所示。

图2.3.1四线制道岔启动电路

道岔启动电路采用分级控制方式控制道岔转换，由第道岔启动继电器1DQJ检查联锁条

件，符合要求才能启动励磁；然后由第二道岔启动电路继电器2DQJ控制电机的转动方向，决

定电机将道岔转向定位还是反位；最后由直流电动机转换道岔。

如图231所示道岔在定位状态，当将该道岔选至反位时FCJ吸起，在确认进路解锁后，

由FCJ的第六组前接点将1DQJ的3-4线圈励磁电路接通。

1DQJ励磁后，用其前接点构成2DQJ的转极电路，转极后用2DQJ第四组接点切断1DQJ

的励磁电路。

由于1DQJ的吸起和2DQJ的转极，接通1DQJ的1-2线圈自闭电路，也是室外电机的送

电电路，使电动转辙机中直流电动机转动，将道岔从定位转换至反位。电机转动过程中保持

1DQJ自闭吸起。电机供电电路为：

DZ220—RD3—1DQJL2—1DQJ|2-U—2DQJUT3一外线X2一自动开闭器接点11-12（FD）-

电动机定子线圈2-3—电动机转子3-4—遮断器05-06—外线X4-2DQJ⑵.⑵一RD2—

DF220

在电动转辙机表示杆的作用下，道岔刚转换时，自动开闭器第二组动接点将41-42（定位

动作）接点接通，准备电动机反转回路；待道岔转换至反位后，自动开闭器第一组动接点将

11-12（反位动作）接点断开，使电机停止转动。同时切断1DQJ的1-2线圈电路，使1DQJ缓

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第2章计算机联锁控制系统技术基础

放后落下，用其第一组后接点接通道岔表示电路。在道岔转换过程中，2DQJ保持不动。

若要再将道岔转回定位，只需选路时DCJ吸起，则1DQJ又励磁，2DQJ的3-4线圈接通

又转极，直流电动机定子1-3线圈通电将道岔转至定位，自动开闭器41-42接点断开，电机停转,

1DQJ落下接通道岔定位表示电路。

(2)道岔表示电路的构成原理

道岔我示是重要的联锁信息，因此道岔表示电路必须满足以下技术要求：

①为了实现断线保护，只能用继电器的吸起状态与道岔工作状态(危险侧)相对应。继

电器的失磁状态与道岔的非工作状态(安全侧)相对应。因此对每一组单动或双动道岔要设

两个表示继电器，即道岔定位表示继电器DBJ和道岔反位表示继电器FBJ.

②为了实施混线保护，当室外的联系电缆芯线混线或混入了外部电源，必须使DBJ和FBJ

都处于失磁落下状态。

③当道岔处于转换和挤岔状态时，应保证DBJ和FBJ失磁落下，使道岔处于无表示状态。

实现卜一述技术条件，可设计出多种表示电路。图2.3.2是四线制道岔控制电路的表示电路

原理图。当道岔转至规定的位置后，由电动转辙机自动开闭器的定位表示接点或反位表示接

点接通道岔表示电路，将道岔位置反映到信号楼内，用自动开闭器的定位表示接点接通道岔

定位表示继电器DBJ,用反位表示接点接通道岔反位表示继电器FBJ.

图232四线制道岔表示电路

道岔表示电路的DBJ和FBJ由两个偏极继电器组成，由道岔表示变压器BB供电。道岔

在反位时，F