铁道信号专业毕业论文-计算机联锁设备故障分析及处理-.doc

呼和浩特职业学院呼和浩特职业学院 信号信号 13 级毕业论文级毕业论文 题题 目目 计算机联锁设备故障分析及处理计算机联锁设备故障分析及处理 系系 别别 铁道通信信号铁道通信信号 专专 业业 铁道信号铁道信号 年年 级级 13 级级 姓姓 名名 邓贺邓贺 指导教师指导教师 评评 语语 指导教师指导教师 （签章）（签章） 评评 阅阅 人人 评评 语语 评评 阅阅 人人 （签章）（签章） 成成 绩绩 答辩委员会主任答辩委员会主任 （签章）（签章） 年年 月月 日日 摘 要 计算机联锁系统是实现铁路现代化和自动化的基础设施之一，是一种高效、安 全的车站联锁设备，是提高车站通过能力的基础。同时，计算机联锁系统还具有故 障安全性能，与电气联锁系统相比，其在设计、施工和维护方面都较为便捷，且 便于改造和增加新功能，为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件。 本论文主要阐述了计算机联锁系统的硬件结构组成，设备选型及电源配置等原 则及处理方法。采用二乘二取二的体系结构的计算机联锁控制系统方案，其中设备 采用 K5B 型计算机联锁和 ZD6 型电动转辙机，轨道电路采用 25Hz 相敏轨道电路，完 成其对信号机、道岔的控制电路及其相关组合的内部配线和对信号机、道岔、轨道 电路等部分设备的状态信息采集电路以及与联锁机接口电路的工程设计。 通过本次设计，初步掌握了计算机联锁控制系统的工作原理、故障处理步骤、 方法、内容。 关键词 计算机联锁；K5B；接口电路；故障分析及处理 目 录 第 1 章 绪绪 论论.1 第 2 章计算机联锁系统结构.2 2.1 系统的硬件构成.2 2.1.1 联锁机.4 2.1.2 电子终端.4 2.1.3 控制台.5 2.1.4 电务维护台.5 第 3 章计算机联锁工作原理.6 3.1 系统结构与工作原理.6 3.1.1 人机对话层.6 3.1.2 联锁运算层.6 3.1.3 复核驱动层.6 3.1.4 结合电路层.6 3.1.5 监控对象层.7 3.2 可靠性及安全设计.7 第 4 章 故障维护及探讨.8 4.1 联锁设备常见故障分析处理.8 4.1.1 非潜伏性故障.8 4.1.2 潜伏性故障.8 4.2 计算机单元故障.9 4.2.1 联锁机.9 4.2.2 监控机.9 4. 3 通讯线路故障.9 4. 4 切换故障.10 4. 5 电源故障.10 结论.11 致谢.12 参考文献.13 基基 本本 内内 容容 第 1 章 绪绪 论论 铁路是国民经济的大动脉、全国沟通联系的纽带、国民经济建设的先行行业。与 其它运输方式相比，铁路运输具有运量大、成本低、速度快、安全可靠、能全天候运 输等众多优势。铁路承担全国客货周转量的 60%70%，这种状况在今后相当长的时间 内不会有太大的变化，铁路仍将是我国交通运输系统中的重要力量。 铁路信号是铁路运输的耳目，是保证行车安全和提高运输效率的有力工具。一旦 信号设备故障，铁路运输将陷于瘫痪，整个国民经济将遭受严重损失。从铁路一开始 出现，人们就吧把铁路信号中的故障安全技术作为一个专题进行研究。随着计算 机技术的发展，特别是对可靠性和冗余容错技术的深入研究，车站信号联锁安全技术 也正在不断的更新和发展。 目前，计算机联锁控制系统已处于实用阶段，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 计算机联锁控制系统。近年来，又推出了二乘二取二系统，由两个 CPU 构成一个子系 统执行联锁任务（主机） ，另外两个 CPU 处于热备状态（备机） ，这就大大提高了计算 机联锁控制系统的可靠性和安全性，而且方便维修，主要干线的技术改造都优先考虑 采用二乘二取二系统。目前，计算机联锁控制系统已装备了上千个车站。 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、智能化、网络化和综合自动化的方向发展。 第 2 章 计算机联锁系统结构 本次设计选用 DS6-K5B 型计算机联锁系统，它是通号设计院与日本京三公司联合 开发的新型计算机联锁系统。系统的联锁机和输入输出电路采用京三公司的 K5B 型产 品(K5B 型系统是日本京三制作所在 K5 型系统上采用 32 位处理器的升级系统)，该产品 所有涉及到安全信息处理和传输的部件均按照“故障-安全”原则采取了 2 重系结构设 计。 联锁处理部件采取双 CPU 共用时钟，对数据母线信号执行同步比较，发生错误时 使输出倒向安全。具备了“故障安全”性能。联锁 2 重系为主从式热备冗余，通过 高速通道进行数据交换，保证 2 重系同步运行，可实现不间断切换。 输入输出电路采用京三公司生产的电子终端，电路为 2 重系并行工作，具有“故 障-安全”性能。输入输出均采取静态方式。省去了“静态-动态”变换电路，简化继 电器接口电路设计。 DS6-K5B 系统内各计算机之间的通信全部通过光缆连接，提高了系统抗干扰能力和 防雷性能，保证系统具有高的运行稳定性。 DS6-K5B 系统的联锁软件，在通号院 DS6 系统联锁软件基础上移植生成。保留了通 过铁道部计算机联锁检验站测试的联锁软件的核心程序和数据结构。保证新系统的联 锁功能满足我国车站计算机联锁技术条件的要求。控显机和监测机的应用软件，由我 院承担，在 Windows NT 操作平台重新进行了开发，使得操作界面得到改善，功能进一 步提高。 DS6-K5B 系统把我院应用软件的开发成果和日本京三公司生产的具有高可靠性和高 安全性的专用计算机设备结合在一起，使系统的安全性、可靠性和适用性达到了新的 水平。 2.1 系统的硬件构成 K5B 计算机联锁系统由控制台、电务维护台、联锁机、电子终端(ET)、微机监测和 电源六个部分组成。如图 2-1 所示。 控制台由控显双机和车站值班员办理行车作业的操作和显示设备组成。操作设备 可以选择按钮操纵盘，鼠标或数字化仪。显示设备可选单元式表示盘或图形显示器。 每一台控显机内安装了两个采用光缆连接串行通信接口板，用于同联锁机的 2 重系通 信。控显双机的工作方式可选冷备或温备。控显机转换箱用于控制台操作显示设备与 控显双机之间的转换。 ET NET ET NET (ET) DC24V FSD486 FS486 IF486 FIFO FSD486 FS486 IF486 FIFO DC24V AC220V AC220V L24V B INIO CTC A INIO INIO UPS AC220V I24V 图 2-1 计算机联锁系统配置框图 电务维护台设备包括：监测机、键盘、显示器、打印机。监测机内安装两个采用 光缆连接串行通信接口板，用于与联锁机 2 重系通信，从联锁双机取得联锁系统维护 信息。监测机通过串行通信接口从计算机检测前置机取得模拟量检测信息。电务维护 人员可以通过键盘，显示器，打印机查询或大哟输出各类监测信息。 联锁机由 2 重系组成，以主从方式并行运行。两系之间通过并行接口建立的高速 通道交换信息，实现 2 重系的同步和切换。联锁机每一系各用一对光缆经过光分路器 与控显双机相连，使联锁的每一系都能够分别与两台控显通信。联锁机每一系用一对 光缆分别与监测机的两个光通信接口相连，联锁机每一系的维护信息分别送到监测机。 联锁机每一系有 5 个连接电子终端的通信接口，每个通信接口可连接一个电子终端机 架。 二乘二取二系统开关量输入输出接口采用电子终端机(简称 ET)。电子终端电路具 有 2 重系，2 重系的输入电路从继电器的同一组接点取得输入信号，分别发给联锁 2 重 系。联锁 2 重系的输出分别送给电子终端的 2 重系。电子终端 2 重系的输出并联连接 负载。 系统的电源由一套 UPS 和两路直流 24V 稳压电源组成。UPS 的输入由信号电源屏单 独提供的一路交流 220V 电源供给。 两路直流 24V 电源中一路称为逻辑 24V(用符号 L24 表示)，经联锁机和电子终端内 部的 DC-DC 转换产生 5V 电压，供逻辑电路工作，另一路直流称作接口 24V(用符号 I24 表示)，供电子终端的输出电路驱动继电器和输入电路采集表示信息。 2.1.1 联锁机 系统的联锁双机(1 系和 2 系)安装在一个 800330mm 的机架内。两系的组成完全 相同。每一系由 F486-2 联锁 CPU 板，IF486 电子终端接口板，FSD486 人机界面(控显 机、监测机)接口板三块电路板组成。每一系的机架有两个空闲插槽，需要时可插入与 其他系统通信的接口板(如 CTC 系统通信用 OPU 板等)。各板之间通过 VME 总线互连。 机架上空余的槽位用于安装其他选件。在本系统中不用。 联锁 1 系电源和联锁 2 系电源是两个输入直流 24V，输出直流 5V 的 DC/DC 电源。 用于分别向联锁 1 系和联锁 2 系的逻辑电路提供 5V 电源。 2.1.2 电子终端 系统的表示信息输入和控制信息输出接口称为电子终端(Electronic Terminal， 简称 ET)。ET 电路安装在 ET 机架内。一个 ET 机架内有 12 个插槽。机架正面左边的两 个插槽用于安装两个 ET-LINE 板。其余的 10 个插槽用于安装 PIO 板。ET-LINE 板上有 ET 与联锁机的通信接口和 DC24V-DC5V 电源。ET 为两重系并列结构。每个 ET 机架内必 须安装两个 ET-LINE 模块，一个与联锁机 1 系连接，另一个与联锁机 2 系相连。ET 与 联锁机的通信采用光纤连接。 2.1.3 控制台 操作显示设备设在运转室。根据用户要求操作设备可选择按钮盘、数字化仪或鼠 标。表示设备可选单元式表示盘或显示器。 控显机采用 PC 总线工控机。机箱内除安装连接操作显示设备的接口板外，安装 2 块带有光电转换的串行通信接口卡 INIO。用于同联锁机通信。 控显机采用双机互为备用。控制台的操作和显示设备：按钮盘或鼠标；表示盘或 显示器只设一套。通过控显机转换箱与工作的控显机连接。 2.1.4 电务维护台 电务维护台由监测机、显示器、键盘、打印机等组成。监测机采用 PC 总线工控机。 机箱内安装两块带有光电转换的串行通信接口卡 INIO。用于同联锁机 2 重系通信。监 测机接收来自联锁 2 重系的设备动作状态信息和监测报警信息。 监测机通过串行通信接口与微机监测设备的上位机通信，将开关监测信息发送给 微机监测设备。 第 3 章计算机联锁工作原理 3.1 系统结构与工作原理 从计算机系统的体系结构来看属于二级集散式控制系统，突破了旧有的集中式信 号系统模式，具有模块化、层次化等特点。模块化是指联锁机主模块、PLC 及信号结合 模块等，层次化是指系统具有操作表示层、联锁运算层、复核驱动层、结合电路层及 监控对象层等五个物理层次。这种结构的优点在于可根据车站规模的大小、作业需求 的不同，在不改变联锁软件的基础上通过修改站场静态数据并增设相应硬件模块，即 可满足系统的扩容要求，先进的控制体系结构结合工艺设计使得系统调试周期与现场 施工、开通周期均大为缩短，具有很好的经济与实用性。 3.1.1 人机对话层 将来自键盘、鼠标等操作输入，经串口送达联锁计算机，同时在图形显示器上显 示站场表示信息。在站场规模较大致使联锁计算机负担较重或需要多终端操作的情况 下，可设置操作命令采集机进行操作命令输入的有效性判别并转换成约定格式传送给 联锁计算机。 3.1.2 联锁运算层 联锁微机是系统的核心部分，承担着操作输入的判别、联锁信号的调理及分析、 逻辑运算、控制命令生成、故障诊断等任务，其可靠性、安全性对系统的总体故障 安全性能有较大影响，HJ04A 系统中设置了两台联锁微机，其中一台为冷备机，可进行 人工切换。 3.1.3 复核驱动层 复核驱动层由 PLC 组成，其承担着采集表示信息并将联锁微机下达的操作命令转化 为故障安全的控制信号的任务，作为系统安全性设计的重要环节之一，PLC 还承担着 对联锁微机形成的操作命令进行复核检查的屏障作用。 3.1.4 结合电路层 结合电路的任务之一是实现现场监控设备表示信息与 PLC 输出的驱动信号的安全逻 辑转换，使 PLC 的输入、输出信息均具有故障安全性能。任务之二是用专用电路规 范监控设备的测控过程，即包括表示信息采集机制与设备驱动流程。 3.1.5 监控对象层 监控设备是指联锁系统的现场设备，即道岔、信号机与轨道电路。 3.2 可靠性及安全设计 目前，国内外进行高可靠系统的容错设计多采用三模静态冗余方案或二模动态冗 余方案。其中前者完全是靠硬件冗余来提升可靠性的，后者则不仅使用了硬件冗余资 源，同时也使用了故障检测技术与软件冗余资源。这二种方案的共同特点是对硬件故 障具有较强的屏蔽与纠错能力。然而这二种方案均存在一定的实现难度与缺陷，三模 冗余系统必须实现三模的同步进程及表决器的高可靠设计，尤其需要解决时钟容错的 问题；二模动态冗余系统则要求冗余管理机构的高效与可靠性。目前这二类系统的可 靠性计算都是在设定表决器或冗余管理机构的可靠度 R(t)=1 的基础上进行的，同时由 于设备直接投资成本过高，因而在非航天、通讯等可靠性要求很高的领域应用不多。 在铁路信号领域，由于行车安全被认为是超过效率的重要考虑，因此相应对计算 机联锁系统的可靠性与安全性要求很高，针对这种情况，可以有二种方式供我们在设 计中进行选择。其一是强化系统的可靠性设计，这是基于可靠性理论包含了系统故障 的屏蔽效应，因而用高可靠性换取系统的低故障率，以此隐含了对安全性的相对提升。 但可靠性技术总是受一定的条件所限制，如硬件冗余资源使用、采用高可靠器件等， 这完全取决于系统的可靠性要求及财力许可。其次我们可以基于这样一个思路来考虑 问题：如果计算机联锁系统在保证一定可靠性要求基础上并结合故障安全技术来得 以实现，实质上也就是说牺牲少量的效率来避免昂贵的成本并换取系统的高安全性， 同样也能满足铁路信号对联锁系统的性能要求 第 4 章 故障维护及探讨 4.1 联锁设备常见故障分析处理 运用中的设备故障出现有一定的随机性，也有一定的规律性，从以下几个方面分 类，对故障的发生逐个分析。按故障的表现可分为非潜伏性故障1和潜伏性故障2。 4.1.1 非潜伏性故障 发生后能及时被发现的故障。即设备在运用中通过电路本身的自诊技术直观表现 出来的故障。如道岔断表示，灯泡主丝断丝等故障。 4.1.2 潜伏性故障 故障发生后不能及时表现出来，只有在与另一故障构成组合时方可显示出故障现 象，如电源单极接地等故障。按故障的原因分类： 1.责任原因，因维修不良或违章作业造成的设备故障。如：设备超期使用发生故 障、人为短路烧断保险等属责任故障。 2.非责任原因，因突发因素或因无法抗拒和防止的外界干扰，自然灾害和无法检 查发现的电务设备在周期范围内材质不良及不属维修部门管理的其它设备、项目等造 成的故障属非责任故障。具体表现在以下几个方面： ( l )环境不良，如高温、潮湿、有害物质的侵蚀。 ( 2 )气候不良。如：雷击、暴雨、冰雪等影响。 ( 3 )无知行为或故意不良行为的干扰。如：小孩砸破透镜、及备被盗等； ( 4 )周期内器材不良。如：线圈断线等。 按故障的性质分类： 1.断线故障：线路上某处出现分压现象而导致设备不能正常工作为断线故障。 处理步骤：首先检查判断是室内配线还是室外配线找出故障点。 2.混线故障： (1)短路故障：电源两极的输送线路相混对负载进行分流而导致设备不能正常工作， 甚至烧断电源保险为短路故障。 处理步骤：首先检查判断输入电源是否符合设备正常工作电压值，或者是设备自身 配件烧毁，在有是配线错接（如：电源正负极性接反）找出故障点。 (2)电源接地故障：电源一极与大地相连而形成另一极对地有漏泄电流产生。 此故障现象一是设备本身接地，二是配线接地。 总之出现故障时,维修人员少进继电器室，首先要清楚故障现象，理清思路，“读 懂”控制台的显示，然后抓住主线作全盘分析，运用一些有效的处理故障手段，将故 障范围限定在一个很小的区域内，只能在有把握的情况下，判断出故障不在室外，才 进室内核实查找，最后将故障排除。 4.2 计算机单元故障 4.2.1 联锁机 STD 板故障，具体表现在：STD 层运行灯停止闪烁，接受灯、中断灯灭，采集层、 驱动层指示灯停闪，故障表示为 CPU 板故障， 处理方法：更换 CPU 板；STD 层中断 2 灯灭，运行闪灯，但接发灯闪烁有一些灭灯， 根据灭灯的位置，更换 STD-01 板（与监控机通信和联锁机通讯） 。 BJ-A0 板故障，STD 层运行灯、中断灯、报警灯均不闪烁，采集层工作灯正常。 处理方法：更换 BJ 板或紧固插座。 4.2.2 监控机 PC-01 网卡故障，其联锁机 STD 层第一组接发灯闪烁不对，其他灯正常，并有“以 联锁机通讯中断”的提示；以太网卡出现故障时提示为监控机与维修机通信中断，VGA 显卡有故障时，显示屏无显示或者图形有缺陷。 处理方法：更换 PC-01 网卡则恢复正常，需要更换显卡或插接不牢。 4.3 通讯线路故障 总线插头松动或插接不良，联锁机无法与监控机通信。而 LS 插头松动或插接不良， 联锁机的工作机与备机不能同步， 处理方法：检查插头是否松动，只有完全接触良好，在按联机按钮方可同步。 4.4 切换故障 联锁机零层切换板故障时，切换校核报错，某一监控机与联锁机通信中断。排除 上述故障，控制台监视器和数字化仪切换板故障，会导致控制台显示屏和数字化仪不 能正常随着监控机的切换而切换到工作中的监控机上，也可造成显示屏上无任何显示。 处理方法：此时排除外界电源因素的影响，1.则需要更换切换板，2.需要换切换 板，排除故障。 4.5 电源故障 动态稳压电源故障，其故障会导致所有动态继电器的驱动失效，不能驱动室外设备。 计算机电源故障，UPS 电源、STD 电源、采集电源、驱动电源及监控机电源出现故 障后，其所带的负载均无法开启。 处理方法：检查输入电源工作情况，输出电源工作情况如果都正常，需要根据故障 点更换电源板件，恢复故障现象。 无论故障原因和故障现象如何变化，作为一名合格的信号维修工作者，只要平时在 工作中认真总结自己在工作中遇到的故障现象，坚持不断的学习，熟悉设备工作性能， 才能在准确判断出故障处所。 结 论 通过本次毕业论文探讨学习。使我在计算机联锁系统接口电路和故障处理方面， 根据计算机联锁系统的技术要求与功能需求，选用二乘二取二计算机联锁系统为本次 设计的系统方案，方法有了进一步的提高。并详细了介了计算机联锁系统（DS6-K5B) 的硬件构成。