（计算机应用技术专业论文）基于lonworks的车站联锁控制系统设计与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 铁路车站信号控制系统是保证车站范围内行车安全的主要设备，现有的 车站联锁控制系统大多数还是沿用了6 5 0 2 继电联锁发展而来的控制系统，在 执行层仍然是继电器来完成控制，由于含有较多的继电器等设备，导致了在 使用和维护过程中，需要耗费大量的人力物力来维持系统的正常运行使用。 而随着现代化计算机、网络通信等技术的发展，现场总线技术已经成为工业 自动化领域广为使用的技术，对现场总线的研究、开发，使其应用于铁路信 号自动化控制系统，从而促进我国铁路信号计算机联锁系统技术得到进一步 的提高和发展是十分有工程实践意义的。所以在保证故障一安全的基础上，完 善现有的继电设备的功能，实现车站铁路信号计算机联锁控制系统，以便进 一步提高车站行车安全，提高车站的运输能力，发展全电子计算机联锁控制 系统是非常必要的。 本论文就是根据现在计算机联锁控制系统所存在的问题，使用l o n w o r k s 现场总线和全电子执行单元来取代原有的计算机联锁控制系统的继电设备部 分，从而实现全电子计算机联锁控制系统。首先简要介绍了目前国内外几种 典型的现场总线的使用情况，并着重介绍了l o n w o r k s 现场总线的技术特点， 依据l o n w o r k s 总线规范原理，以智能节点和全电子执行单元作为执行层组 成了全电子计算机联锁控制系统，设计了基于l o n w o r k s 总线的计算机联锁 系统的硬件结构；在系统硬件配置中，采用冗余结构，提高系统的安全性和 可靠性。软件方面，使用l o n w o r k s 智能节点软件开发了节点控制程序，设 计了d d e 软件接口，与联锁机交换信息。 最后，对全文的研究工作进行了总结，并展望了全电子计算机联锁控制 系统进一步还需要研究的问题。 关键词：l o n w o r k s ：神经元：计算机联锁；全电子化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t r a i l w a ys t a t i o n ss i g n a lc o n t r o ls y s t e mi st h em a i ne q u i p m e n tt oe n s u r et h e t r a f f i cs a f e t yi nt h es c o p eo ft h es t a t i o n s m o s to ft h ee x i s t i n gs t a t i o ni n t e r l o c k i n g c o n t r o ls y s t e m sa r ed e v e l o p e df r o mt h e6 5 0 2r e l a yi n t e r l o c kc o n t r o ls y s t e m i nt h e i m p l e m e n t a t i o nl a y e r , m o s to ft h ef u n c t i o n sa r ec o m p e l e t e db yr e l a y s ，a n dt h e s y s t e mc o n t a i n sal o to fr e l a y s ，s oi tn e e dan u m b e ro fm a n p o w e ra n dm a t e r i a l st o i n s u r ei t sn o r m a lo p e r a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n i z a t i o no fc o m p u t e r , n e t w o r k i n ga n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , f i e l d b u st e c h n o l o g yh a sw i d e l yu s e d i nt h ea r e ao fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n 。i ti sa ne f f e c t i v e w a yt oa d v a n c et h e d e v e l o p m e n t o ft h ei n t e r n a l r a i l w a ys i g n a lc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e m t e c h n o l o g yb ys t u d y i n ga n de x p l o i t i n gt h ef i e l d b u s t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt o p e r f e c tt h ee x i s t i n gr e l a ye q u i p m e n tb a s e d a c h i e v et h ef u n c t i o no fr a i l w a y s i g n a l s y s t e m o nt h er u l eo ff a u l t s a f e t yi no r d e rt o c o m p u t e r - b a s e di n t e r l o c k i n g c o n t r o l t h i sp a p e ri sa i m e dt os o l v et h ep r o b l e m st h a tc a u s e do nt h eb a s i so f e x i s t i n gc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gc o n t r o ls y s t e mt h r o u g ht h ei m p l e m e n t a t i o no f l o n w o r k sf i e l d b u sa n da 1 1 e l e c t r o n i cu n i tt or e p l a c et h er e l a ye q u i p m e n to ft h e o r i g i n a lc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gc o n t r o ls y s t e m i no r d e rt oa c h i e v ea l l e l e c t r o n i c c o m p u t e ri n t e r l o c k i n gc o n t r o ls y s t e m f i r s to fa 1 1 t h i sp a t e rb r i e f l yi n t r o d u c e s s e v e r a lt y p i c a lf i e l d b u su s a g ea th o m ea n da b r o a d w i t ha l le m p h a s i so nt h e l o n w b r k sf i e l d b u st e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do nn o r m a t i v ep r i n c i p l e so f l o n w b r k sb u s ，a l l e l e c t r o n i cc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db y u s i n gi n t e l l i g e n tn o d e sa n da 1 1 e l e c t r o n i ci m p l e m e n t a t i o nu n i t a sp a r to ft h e i m p l e m e n t a t i o nl a y e r c o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r ei sa l s o d e s i g n e db a s e do nl o n w 6 r k sb u s i nt h es y s t e mh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n 。s y s t e m s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yi si m p r o v e db yu s i n gr e d u n d a n ts t r u c t u r e a n di ns o f t w a r e t h en o d ec o n t r o l p r o c e d u r e sa l ed e v e l o p e dt h r o u g ht h eu s eo fl o n w b r k s i n t e l l i g e n t n o d et e c h n o l o g y , a n dt h i s p r o c e d u r ed e s i g n s t h ed d es o f t w a r e i n t e r f a c et oe x c h a n g ei n f o r m a t i o nw i t hi n t e r l o c km a c h i n e f i n a l l y , t h ew h o l er e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e da n ds o m ef u r t h e rs t u d i e s n e e d e dt od oo faf u l le l e c t r o n i cc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gc o n t r o l s y s t e ma le p r o p o s e d k e y w o r d s ：l o n w o r k s ；n e u r o n ；c o m p u t e r - b a s e di n t e r l o c k i n g ：c o m p e l e t e e l e c t r o n i c 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名鸱召瓮指导老师签名： 日期：沙口勺妒，铲 日期：肋，夕，铱 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 实现了全电子信号灯和道岔执行单元，取代了原有的继电器组合执行 单元； 2 使用l o n w o r k s 现场总线，实现了执行层的全电子化； 3 设计了基于l o n w o r k s 总线的计算机联锁系统的硬件结构；在系统硬件 配置中，采用冗余结构，提高系统的安全性和可靠性。软件方面，使用 l o n w o r k s 智能节点软件开发了节点控制程序，设计了d d e 软件接口，与联 锁机交换信息。 互彩承 沙a 节，￥，中 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 截至目前，我国铁路线上已有千余车站安装使用了计算机联锁控制系统， 这些设备正在为我国铁路运输事业做着积极的贡献。已经广为使用的计算机 联锁系统都是从继电联锁过渡发展来的，在这些系统中，计算机只完成了联 锁运算，而真正动作室外设备( 信号机、轨道、道岔) 的部件仍是有接点的 电磁继电器，所以从这方面来讲，目前的计算机联锁系统还不是真正意义上 的全电子计算机联锁控制系统。 目前国内投入使用的计算机联锁都是从继电电气集中过渡发展起来的， 还都不是以计算机技术为核心的全电子联锁系统，既要定期维修继电器部分， 又要维修计算机系统，尤其是上道投入运行的计算机联锁系统数目增加后， 问题会更突出，很难实现减员增效的目的，也难以达到工厂化施工的目标。 同时，由于继电器设备的限制，6 5 0 2 电器集中系统已经日渐显露出它的缺陷。 国内使用的计算机联锁控制系统所保留的电磁继电器仍有相当的数量，这给 设备维护单位带来了一定的问题，定期检测继电器是一项相当繁重的任务， 耗费大量的人力、财力，如能以微电子器件控制现场的信号机、道岔、轨道， 并与其它主要现场设备建立无接点联系，由微处理器为核心的系统来完成联 锁逻辑运算，采取完善的故障安全措施实现计算机联锁控制系统的全电子 化，必将推动铁路应用科技的发展，提升我国铁路技术装备在世界上的地位。 因此，继电器执行电路的升级换代时必然的趋势，而具体措施就是综合 运用计算机软硬件技术、网络通信技术、电力电子控制技术等多种最新技术， 研究设计具有智能化和控制监督监测一体化的全电子模块执行机，并与最新 的容错联锁机一起共同构成全电子化计算机联锁系统，为铁路运输高速安全 的总目标提供重要的基础技术装备，是非常有必要的。 1 2 全电子计算机联锁系统研究现状 1 8 5 6 年世界上第一套简单的机械式车站联锁控制设备诞生，1 9 2 7 年基于 布线逻辑的继电联锁控制系统问世，随着电子技术的飞速发展，2 0 世纪6 0 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。1 9 7 8 年，由瑞典研制的第一套计算机联锁控制系统在哥德堡车站的成功 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 应用，掀开了车站计算机联锁控制系统研究与应用的新篇章。 我国的联锁控制系统也经历了机械联锁、电气集中联锁、计算机联锁三 个大的发展阶段。自从1 9 8 4 年第一套计算机联锁控制系统开通运行以来，国 内几家著名研制单位相继推出了以双机热备为主流设备的计算机联锁控制系 统，在车站联锁控制技术的发展史上和铁路运输建设的活动中，留下了深深 的印记。其中，主要的产品有：铁道科学研究院研制的t y j l i i 型计算机联 锁控制系统、通信信号总公司研究设计院研制的d s 6 11 型计算机联锁控制系 统、北京交通大学研制的j d 1 a 型计算机联锁控制系统。 9 0 年代以后，电子技术得到了迅猛的发展，国外计算机联锁已经向全电 子化方向发展。如a b b 、京山、西门子公司，从系统运行的情况来看，效果 是很明显的，既保证了安全，又提高了技术水平。 发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点课题，国际上 现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放 发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次 严峻的挑战。现场总线技术是控制、计算机、通信技术的交叉与集成，设计 的内容十分广泛，应不失时机地抓好我国现存总线技术与产品的研究与开发。 自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影 响是十分深刻的。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影 响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的 现场总线技术有：智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态技术，包括 网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、 网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系统集成技术。现场 总线属于尚在发展中的技术，对我国相关行业的发展，对自动化技术、设备 的更新，无疑具有重要的作用，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要 向着趋于开发统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技 术涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程 自动化、制造加工、楼宇自动化、家庭自动化等等。另外，从以上介绍也可 以看到，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。 现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网 络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动 化相关行业的发展。 因此，鉴于l o n w o r k s 的独特特点和计算机联锁系统的特点，l o n w o r k s 现场总线将能够在计算机联锁系统中发挥应有的作用。 1 3 论文主要内容 本文通过仔细分析和研究现有计算机联锁系统的技术条件、系统需求规 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 范、设备配置，设计了全电子化计算机联锁控制系统结构及各子系统功能， 使用l o n w o r k s 技术实现系统的控制及监测。 对全电子计算机联锁控制系统研究的关键问题是针对各类室外及继电接 口电路( 如区间闭塞电路、场间联系电路等) ，设计出相应的模块。这些模块 包括：道岔控制模块、调车信号模块、i o 接口模块、智能控制节点硬件电 路、智能节点软件控制模块等。本论文的研究内容是设计一种通用的列车信 号模块，实现列车信号控制电路的全电子化，该模块能适用各类列车信号， 包括进站信号机、出站信号机、接( 发) 车进路信号机。 在该模块的设计过程中，应用到先进的计算机技术、网络通信技术、微 电子器件等，这些技术包括：以含神经元芯片n e u r o n 的微处理器为核心、利 用l o n w o r k s 总线的通信技术来实现信号模块与联锁机的通信、采用i l o n l 0 0 服务器实现远程控制、应用小型安全继电器等有关电子器件控制信号点灯电 路及道岔控制电路。最终实现以下目标： 1 实现了全电子信号灯，道岔执行单元； 2 实现了l n sd d e 客户端能够成功的与l n sd d es e r v e r 通信。 3 使用n e u r o nc 设计了信号灯和道岔控制程序。 4 使用i l o n l 0 0 实现对关键数据的远程监控。 第一章绪论。首先介绍了继电联锁控制系统以及计算机联锁控制系统等 现有系统现状，并简单介绍了基于l o n w o r k s 的全电子计算机联锁控制系统。 第二章简要介绍了现场总线的特点及发展，从硬件配置和软件使用及通 信协议上详细说明l o n w o r k s 控制网络技术。 第三章完成全电子化计算机联锁控制系统总体结构设计，并详细说明了 全电子智能控制节点的硬件接口与软件控制部分的设计。 第四章在v i s u a lc + + 环境下，使用d d e m l 开发d d e 客户端，完成与 l o n w o r k sl n sd d es e r v e r 的信息交互，从而建立与上位机的通信。 第五章使用l o n w o r k s 总线的i l o n l 0 0 服务器，实现对关键数据的远 程监控。 结论对本文进行的工作进行了总结，并对下一步工作中应该解决的问题 作了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章l o n w o rk s 控制网络技术 现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成，广泛 应用于各类自动化控制系统中。本章简单介绍了现场总线的概念和特点。 2 1 现场总线技术概述 现代工业过程控制领域对测控系统的速度、精度、成本等方面提出了更 高的要求，全数字、双向、多节点的现场总线应运而生。现场总线是一种串 行的数字通信链路，它沟通了生产领域中现场设备之间以及更高层次控制过 程设备之间的联系。现场总线的出现带来了自动控制领域的革命性变革，为 实施大范围智能控制提供了强大的技术支持。 2 1 1 现场总线系统的特点 现场总线是应用在生产现场和在微机化测量控制设备之间实现双向串行 数字通信的系统。它在制造业、工业过程、交通和楼宇等自动化系统中具有 广泛的应用前景。与传统控制技术相比，现场总线技术具有以下鲜明的特点： ( 1 ) 开放式控制网络 开放式控制网络允许许多智能设备之间相互通信，而不需要加入监控设 备并能负责整个系统级的控制算法。网络上的设备构成对等( p e e rt op e e r ) 结构，即每个设备负责直接将信息发布到网络上的其他设备，信息由设备的 发送器以数据包形式发出，一个或多个接收器接收这些数据包。 ( 2 ) 分布式智能 网络已出现许多年了，除了大型计算机系统外，通常还没有应用到网络 控制设备，绝大多数通信协议仍被用来进行计算机或个人之间的数据通信。 随着微处理器价格的不断下降，可以将微处理器嵌入到价格低廉的控制器和 控制设备。在这个意义上说，控制设备具有通信和信息处理的能力( 承担传 感测量、补偿计算、数据处理和控制任务) ，该设备亦称为“智能设备 【j 。 ( 3 ) 强大的网络功能 在传统网络中，采用的通信协议通常服务于网络性能的优化。然而在控 制网络中，通信协议主要提供智能设备间频繁、可靠、安全的通信，设备间 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 对等的信息传输。现场总线技术采用自由拓扑结构，现场设备自治，以点对 点通信方式实现分散基础上的信息融合。通过各种智能网关、桥接器和路由 器不仅实现线程设备的分段成组，还可以实现线程控制网络系统向信息系统 的集成。 2 1 2 现场总线技术的发展 2 0 世纪5 0 年代前，过程控制仪表使用气动标准信号，6 0 - - 一7 0 年代发展 了4 - - 一2 0 m a ( d c ) 标准信号，直到现在仍在使用。2 0 世纪9 0 年代初，用微 处理器技术实现过程控制以及智能传感器的发展，导致需要用数字信号取代 4 - - 2 0 m a ( d c ) 模拟信号，这就形成了一种先进工业测控技术现场总线。 现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向和多站 点的串行通信网络，从各类变送器、传感器有关装置获取信息，通过控制器 向执行器传送信息，构成现场总线控制系统f c s 。现场总线不单是一种通信 技术，也不仅是用数字仪表代替模拟仪表，而是用新一代的现场总线控制系 统( f c s ) 代替传统的分散型控制系统( d c s ) 8 1 。它与传统的d c s 相比有 很多优点，是一种全数字化、全分散式、全开放和多点通信的底层控制网络， 是计算机技术、通信技术和测控技术的综合集成。 目前国际上有几种现场总线技术已逐渐形成其影响，并在一些特定的应 用领域显示了自己的优势。它们分别为基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，f f ) 、l o n w o r k s 现场总线、c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k s ) 总线和h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 总线等。其中l o n w o r k s 总线以其 支持i s o o s i 七层模型、支持多种通信媒介及易于实现等诸多特征，受到广 泛的关注。 表2 1 几种现场总线产品及性能比较 产品特性现场总线产品 l o n w o r kc a np r o f i b u sh a r t f f s 应用对象所有方离散控制过程控制一次仪所有方面 面表 o s i 层次1 7l 、2 、71 、2 、71 、2 、71 、2 、7 系统类型网络总线总线总线总线 介质访问 c s m a cc s w c d 主从、令牌主从、令主从、令牌 a 牌 错误校正 c r cc r cc r cc r cc r c 通信介质同轴电双绞线、光双绞线、光纤双绞线双绞线、光纤、 缆、电源纤红外发射 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 线、光 纤、无线 电、红外 线 寻址方式广播单点、多点单点、多点广单点、多单点、多点广播 广播播点广播 传输速率 3 0 0 b p s 一15 k b p s - 1 m b9 6 k b p s 一12 m b3 u p d a t e s 31 2 5 k b p s 一2 5 m 2 5 m b p sp sp s s b p s 传输距离 2 7 k m1 0 k m 1 0 0 m 1 0 k m3 k m5 0 0 m 1 9 k m 网络供电是不是是是不是 优先级支持支持支持支持支持 系统控制命令、状命令命令、状态命令、状命令、状态 态态 在过去几年里，世界上出现了多种现场总线的企业、集团和国家标准。 目前流行的现场总线主要有c a n 、p r o f i b u s 、h a r t 、f f 、l o n w o r k s 。在 这些现场总线技术中，l o n w o r k s 现场总线是唯一一种涵盖s e n s o rb u s 、d e v i c e b u s 和f i e l d b u s 9 】三种应用层次的总线技术，它可以达到“无缝连接”，实现 互操作。表2 1 为几种现场总线产品及性能的比较。 以下简单介绍几种现场总线： f f 现场总线 现场总线基金会( f f ) 1 0 】是国际公认的唯一不附属于某企业的公正的非 商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定单一的国际现场总线标准，无专栏 许可要求，可供任何人使用。基金会现场总线以i s o o s i 开发系统互联模型 为基础，取其物理层、数据链路层和应用层为f f 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模块。f f 分低速 h 1 和高速h 2 两种通信速率。 c a n 总线 控制器局域网c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k s ) 是由德国b o s c h 公司为汽 车的检测和控制而设计的，逐步发展到用于其它工业部门的控制。c a n 已成 为国际标准化组织i s 0 1 1 8 9 8 标准。c a n 有如下特征： 1 1c a n 通信速率在1 0 k m 范围内为5 k b p s ，节点数为1 1 0 个，传输介质为 双绞线和光纤等。 2 ) c a n 采用点对点、一点对多点及全局广播等几种方式发送接受数据。 3 ) c a n 可实现全分布式、多机系统，且无主、从机之分，每个节点均可主 动发送报文。因此可方便地构成多备份系统。 4 ) c a n 采用非破坏性总线优先级仲裁技术。当两个节点同时向网络上发送 信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 影响地继续发送信息。按节点类型分成不同的优先级，可满足不同的实 时要求。 h a r t 现场总线 h a r t 现场总线被称为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 统转变过程中的产品。h a r t 采用统一的设备描述语言d d l ，主设备运用 d d l 技术来理解这些设备的特性参数，而不必为这些设备开发占用的接口。 但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的 通信接口芯片。 l o n w o r k s 现场总线 在各种现场总线中，美国e c h e l o n 公司开发的l o n w o r k s 技术无论在技术 先进性、可靠性、开放性、灵活性上都具有独特的优势。l o n w o r k s 网络由智 能节点构成，这些节点之间可以通过多种不同的传输介质交换信息。 l o n w o r k s 通信协议采用l o n t a l k 网络模型的全部7 层协议，从而具有完善的 网络支持功能；网络拓扑结果可以是总线型、星型、环型和混合型，可实现 真正的自由拓扑；通信速率最高可达1 2 5 m b p s ，直接通信距离可达2 7 0 0 米 ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，使用中继器可实现更远的通信距离；通信介质支持双绞 线、同轴电缆、光纤、射频、红外线及电力线等。目前l o n t a l k 网络协议已 经成为诸多组织、行业的标准。世界范围内有几千个采用l o n 方案的几百万 节点设备正在运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第3 章全电子计算机联锁控制系统的总体结构 计算机联锁控制系统是实现铁路站场内信号、道岔、进路联锁三者联锁 关系的技术保障系统，其主要功能是实现对铁路站场实时的监控和自动调度， 是针对企业自备铁路与正线编组站场的高安全性、高可靠性要求以及较低使 用维护水平现状而专门研制的。系统从结构上分为人机对话层、联锁运算层、 监控对象层、i 0 接口层等几个部分组成，能够完成铁路上的各种信号联锁 功能，使用在各种规模的铁路站场。 3 1 车站计算机联锁控制系统的层次结构 车站联锁系统是以技术手段实现进路控制和联锁的。在我国，目前广为 使用的继电联锁系统是6 5 0 2 电气集中联锁系统。从系统的设备组成来看，电 气联锁系统主要由室外的色灯信号机、动力转辙机、轨道电路、室内的联锁 机构、控制台、电源，以及这些设备之间的连接电路所组成。而通常室外的 信号机、转辙机和轨道电路统称为监控对象。计算机联锁控制系统按采用的 冗余结构的不同，可以有双机热备、3 取2 、双套2 取2 【l 刈等不同结构，但无 论哪种结构，都具备同样的层次结构，都可划分为三个层次：人机交互层、 联锁层、i o 接口层。如图3 1 所示。 l 塾堡：望竺：篁兰墨竺墨望兰兰 i 图3 - 1 计算机联锁控制系统层次结构 人机交互层：操作人员通过操作向联锁机构输入操作信息，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。 联锁层：根据来自上、下两层的操作信息和状态信息，以及联锁机构内 部当前信息，产生相应的输出命令，即信号控制命令、道岔操作命令。 i 0 接口层：接收来自联锁层的控制命令，直接或通过相关的控制电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 动作室外设备，向联锁机构传输室外设备的状态信息。 3 2 现有计算机联锁控制系统结构 计算机联锁系统是一套由室内与室外的软硬件构成的车站信号实时控制 系统。其中室内系统由控制台、联锁机和监控机组成，控制台、联锁机、监 控机之间通过局域网通信。然后通过采用现场总线与局域网相互连接，从而 对室外车站的信号机、道岔和轨道电路等设备进行安全控制。 根据计算机联锁控制系统按采用的冗余结构的不同，可以有各种各样的 系统结构，图3 2 所示的是在我国应用最广泛的双机热备计算机联锁控制系 统 1 6 】的结构。 3 2 1 硬件结构 唰掣 iif 塞外设备接口部分 uuu 室外设备 图3 2 双机热备计算机联锁控制系统结构 计算机联锁系统的硬件设备包括控制与表示设备、实现各种功能的微型 计算机等。目前在计算机联锁系统中仍保留一些继电器，用以控制信号机和 转辙机。而通常讨论的系统结构主要指微型机部分和特殊的安全接口电路。 简化的联锁框图如图3 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 状态 安全 通用 输入 接口接口 控制安全通用 输出接口接口 图3 - 3 计算机联锁系统框图 其中操作输入通道是接受来自控制台的操作信息，即把操作按钮的节点 动作变化成电信号输入到联锁机中；表示输出通道是将联锁机向操作人员提 供的各种表示信息传送到控制台或显示器上。状态输入通道是把监控对象的 状态输入到联锁机的。具体讲，是把轨道继电器、道岔表示继电器、信号继 电器、灯丝监督继电器等的节点动作传送到联锁机中。联锁机的控制输出通 道是输出控制命令的，或者说，控制信息经由控制输出通道驱动信号继电器 和道岔继电器等动作的。 3 2 2 安全性硬件结构 计算机联锁系统由于功能或经济原因，一般需由多个微机组成。在这些 微机中，只有那些涉及安全逻辑变量的微机应具有故障安全性能。其中以实 现联锁功能为己任的微机联锁机必须是故障安全的。 一个典型微机实时控制系统的硬件包括微处理器、内存储器、各种接口、 开关量输入输出通道、模拟量输入输出以及人机联系设备等。它们通过系统 总线连接在一起，构成了一个完整的系统。在计算机联锁系统中，要根据我 们的实际需要，根据控制过程的特点，在上述基础上采取一些安全技术措施 使之符合我们的故障安全性能，图3 3 是一个简化的联锁机框图。由于联锁 机有非安全类信息的输入和输出以及安全类信息的输入和输出。所以在途中 画出了4 类通道及相应的接口。 由于操作输入通道，表示输出通道所传送信息都是非安全性的，因此可 采用类似于微机监测系统中开关量输入输出通道和接口，而无需采用故障 安全技术措施。状态输入通道是把监控对象的状态输入到联锁机的。具体讲， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 是把轨道继电器、道岔表示继电器、信号继电器、灯丝监督继电器等的接点 动作传送到联锁机中。由于这些继电器的动作具有安全性，因此须考虑当状 态输入通道发生故障时，使联锁机收到的状态信息处于安全侧。为此在通道 上必须采用安全输入接口电路及相应的软件措施。 事实上，不仅要保证安全信息的输入输出的安全，而且必须考虑计算机 内部故障也不致造成危险侧输出。然而计算机本身是由通用的集成电路组成 的，它不具有故障安全性能，因此也需要采用一些特殊的技术措施。如采用 安全型继电器切断输出模板的关键电源，用安全型继电器取代了类似于“看 门狗”的检控器；采用实时检测技术，一种直接发现故障的技术。在某些场 合下，也可用硬件检查故障；采用实时比较技术，一种间接发现故障的技术， 一种比较方法是将数据的标准值与实测值比较，如果两个值不一致，就认为 发生了故障；还有一种方法是把两个本应相同的数据进行比较，如果不一致， 则认为是故障引起的。联锁机所处理的安全变量，从输入到输出的过程中， 需经过多种变换。在计算机联锁系统中，安全逻辑变量有3 中表达形式，即 电平形式、代码形式和动静形式。与这些逻辑表达式，也就是逻辑信号相对 应的信号的变换，电平动静变换、动静代码变换、代码动静变换、动静 电平变换。 3 3 全电子计算机联锁控制系统结构 3 3 1 系统总体结构 对于计算机联锁系统，既要求具有比较好的可靠性，又要求具有比较好 的安全性。这是因为该系统不仅需要昼夜不停地连续运转，而且一旦出现故 障，就有可能导致人员伤亡或者财产的重大损失。这就需要计算机联锁系统 利用逐渐发展起来而且目前已经比较成熟的冗余技术，使其自身构成容错控 制系统。 利用冗余技术构成的具有容错控制功能的计算机联锁系统，无论在其硬 件结构方面还是在其软件结构方面均有其自身特点。在基于l o n w o r k s 总线 的计算机联锁系统中，使用l o n w o r k s 总线构成分布式冗余计算机联锁控制 系统。 3 3 1 1 动态冗余容错控制 动态冗余【1 7 】的主要方式是多重模块相继运行来维持设备( 系统) 正常工 作。当检测到工作模块出现故障时，一个备用模块立即接替故障模块并投入 工作。显然，这是一些列的检测、切换和恢复过程，故为动态冗余容错控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 输入转换 _ 珂习雠 装置 二匝 一 一 图3 4 动态冗余容错控制结构图 n 重待机转换冗余系统的可靠度为： r d = k 1 r i + k 2 r 2 + k n r n ( 3 1 ) 式中，k l ，k 2 ，k n 为各模块失效效率构成的系数。当n = 2 且r 2r l = i b 时有： 凡= r o ( 1 - i nr o )( 3 - 2 ) 动态冗余容错控制的主要特点是： 1 仅有一个模块消耗能量； 2 模块数目可随任务而改变，不会影响系统工作； 3 转换装置和检测装置中任一故障都会导致系统失效。 3 3 1 2 系统的可靠性与安全性冗余结构 计算机联锁系统要求系统具有安全性、可靠性。 量度可靠性的定量标准是可靠度，计算机联锁系统的可靠度是用其平均 故障间隔时间m t b f 1 8 】来表征。本控制器采用的是一般的电子元件或集成芯 片进行设计的，其板级m t b f 约为1 0 4 小时，而采用双m c u 构成的冗余结 构，其m t b f 可能达到1 0 7 1 0 8 小时。对于计算机联锁系统，根据有关的技 术标准，要求其m t b f 值达到1 0 6 小时，由此可知，该控制器能够达到计算 机联锁系统的可靠度。 计算机联锁系统的安全性要求系统产生不安全性输出的平均间隔时间为 1 0 1 1 小时以上，而对于m t b f 为1 0 6 小时的可靠性冗余系统而言，必须进行 必要的安全性技术措施，才能达到安全性要求。为了达到规定的安全性指标， 使用冗余的联锁机构与计算机联锁系统中，构成冗余结构。 图3 - 5 安全性与可靠性冗余结构框图 为了使系统既具有可靠性又具有安全性，采用二重冗余构造，其结构如 图3 5 所示。 3 3 1 3 系统总体结构 由于计算机联锁系统在功能、。i 一工- b 日_ z - , 匕匕方面的要求均比较高，因此在其系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 构成方面，必须研究其构成结构。 计算机联锁系统要求具有友好而准确的人机界面，同时要求联锁测控效 果的高可靠性与高安全性。为此，整个系统按功能进行分层，分为监控层、 联锁逻辑层、全电子控制层。其构成框图如图3 - 6 所示。 操作表示计算帆维蕾计算机 ll 一 局域网j 一 一一一 1 一 一 i 逻辑控制机构主机逻辑控制机构备机 j1t m n 一t一 一上t 一 i 十 一 一 f 全电子控制 全电子控制 模块 模块备用 一_ 二一 一 一 _ 矗 m 。 4h 图3 - 6 计算机联锁系统结构图 1 监控层 监控层主要包括有监控机、维修机和控制台等，他们之间采用以太网进 行通信。监控机是计算机联锁控制系统的人机接口控制计算机，用于接收处 理操作命令及提供图像显示。它可以根据控制台发送的控制命令初选进路， 同时向维修机发送操作信息、站场变化信息、设备工作状况等信息。安置维 修机的目的是为了方便电务维修人员更好的维护计算机联锁系统。它可以记 录站场信息和操作命令，为维护分析故障提供了可靠的科学依据，然后利用 远程诊断功能将记录发送到各级维修中心。控制台主要用于操纵道岔、办理 进路以及显示站场图像，它是全电子计算机联锁控制系统的人机接口设备。 2 联锁逻辑层 联锁逻辑层主要由联锁机组成，它可以根据站场结构和操作要求进行联 锁逻辑处理和控制。联锁逻辑层的主要功能有： 实现了与上位机的通信调度。采用循环呼叫应答方式，如果通信不通， 则超时报警并退出，接着呼叫下一设备。在联机状态下，联锁机备机可 以定时呼叫主机进行信息交换和信息比较； 实现了信号设备的联锁逻辑处理功能，可以完成进路确选、锁闭、发出 开放信号以及动作道岔的控制命令； 可以采集现场信号设备的状态。例如轨道状态、道岔表示状态、信号机一 状态等： 可以输出控制命令，并且通过现场总线控制执行模块动作现场设备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 3 全电子控制层 全电子控制层包括了原有联锁系统的采集驱动层和执行层的功能。该层 由智能节点和全电子执行单元构成。智能节点可以输出联锁逻辑层所发出的 控制命令，也可以采集现场信号设备的状态，并对所采集的信号设备状态进 行分析后，反馈给联锁逻辑层。全电子执行单元具备了执行层的功能，可以 直接对现场设备进行驱动，或者将从现场设备采集到的状态信息作为输入， 传送给联锁逻辑层。该单元包括道岔控制执行单元、列车信号单元、调车信 号单元、i o 接口单元等。各个单元通过l o n w o r k s 总线与联锁机相连，实时 接收控制总线上的信息，经校验取得目标模块地址，并与模块所处排列位置 定义的地址作比较，只有一致时，才能接收处理。 又由于计算机联锁系统所需测控的对象数量比较多，或者测控对象所分 布的地理位置范围比较大，这就要求整个控制系统具有比较适合的控制结构。 由于l o n w o r k s 现场总线的优越性和其显著的特点，采用l o n w o r k s 现场 总线技术构成分层的、分散式的计算机联锁控制系统。 3 3 2 计算机联锁系统硬件结构 全电子计算机联锁系统的硬件设备包括控制与表示设备、实现各种功能 的微型计算机、电源、智能节点、以及监控对象信号机、动力转辙机和 轨道电路等，全电子计算机联锁控制系统结构如图3 7 所示，图中的一个智 能节点和全电子执行单元完成一个信号组合的功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 l 芹l 剧l 秭# lii l 彘懿鳆髑 l i _ _ 一一+ 1i 一一二1 i 兰严一一彳= j i 2 7 i 桃 l k t1 ”。 i f n 嘲砷 蝉辨 fiil l 令管缸l 。 i 夸嚣钉i 上l 洲 图3 7 全电子计算机联锁控制系统结构 另外，整个系统硬件结构以p l c 控制器【l 州做主站，监控站连接到局域网 上。这样监控站可以通过网络，完成远程监控及参数化等功能。整个系统共 分4 层：监控层、联锁逻辑层、全电子控制层【2 。监控层和联锁逻辑层通过 工业局域网实现层间结点之间的通信；联锁逻辑层和全电子控制层之间通过 冗余的l o n w o r k s 总线进行互连，以保证联锁逻辑层和全电子控制层之间的 可靠通信；全电子控制层还要完成控制命令的执行。 其中，智能节点和全电子执行单元代替了原有计算机联锁控制系统中的 继电器部分，智能节点之间能够相互通信，通过智能节点之间的相互制约能 够完成部分联锁功能，例如禁止敌对信号之