计算机联锁系统教材.doc

计算机联锁系统内容简介本书对计算机联锁系统的总体结构，硬件构成，软件构成，系统可靠性与安全性技术保障等方面的内容作了详细的阐述，同时对计算机监测系统以及目前铁路上采用的四家研发单位的产品作了介绍，并对由兰州交通大学开发的全电子计算机联锁系统进行了说明。本书为从事铁路信号的人员学习与掌握计算机联锁系统及其技术而编写，也可作为铁路信号专业的大学本科和专科的教材和参考用书 。目录1.计算机联锁系统概述41.1.铁路运输与铁路信号系统41.2.铁路信号系统的安全性与可靠性41.3.车站信号机的布置与进路51.4.联锁与进路控制51.5.从电气联锁到计算机联锁系统51.6.计算机联锁系统的现状与发展62.现代工业控制计算机技术72.1.现代计算机技术72.2.工业控制计算机系统的特点72.3.几种主要的计算机总线标准82.4.用于过程控制的标准接口83.系统的硬件结构103.1.计算机联锁系统的体系结构103.2.系统的硬件结构113.3.系统的硬件构成123.4.大型车站的系统硬件结构123.5.容错计算机系统的硬件结构124.系统的软件结构154.1.软件的功能与总体结构154.2.联锁数据与数据结构164.3.联锁控制程序及其任务调度方式175.人机会话层的构成215.1.人机会话层的任务215.2.人机会话层的硬件支持系统215.3.人机会话层的软件支持系统216.系统可靠性与安全性技术保障236.1.安全性与可靠性236.2.系统的安全性保障236.3.I/O通道的安全性保障246.4.无接点安全输出接口电路256.5.计算机系统的安全保障256.6.系统的可靠保障266.7.故障掩蔽技术和系统重组技术266.8.故障检测与诊断方法267.系统可靠性与安全性评估287.1.系统的可靠性和安全性估算287.2.单机系统的故障-安全模型287.3.三重冗余系统可靠性和安全性评估288.计算机监测系统298.1.系统的功能及技术条件298.2.监测系统的结构299.系统的检验与测试319.1.系统检测的意义与发展趋势319.2.系统的检验方法319.3.检验系统的功能和结构311. 计算机联锁系统概述 本章主要介绍铁路信号的一些相关概念，在此基础上对车站信号的一些重点知识进行简要的说明（例如：车站信号机的布置，进路的控制等内容）。然后介绍车站信号从电气联锁发展到计算机联锁的过程，从而介绍计算机联锁的发展，特点等内容。1.1. 铁路运输与铁路信号系统1. 铁路运输：是以机车车辆等移动设备和铁路线路桥梁隧道，站场等固定为基本设备，以车站为运输生产基地的实现旅客和货物运输的庞大系统。2. 区间：为了保证行车安全和必要的通过能力，将铁路线路分成若干段，每段称为区间。3. 联锁：为了保证行车安全，信号、道岔与进路之间必须以技术手段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。4. 1927年发明了轨道电路，用它在检查线路是否空闲，为实现铁路信号自动控制创造了条件。5. 铁路信号的作用 是直接指挥行车的工具，保证行车安全，提高运输效率和改善劳动条件。1.2. 铁路信号系统的安全性与可靠性1. 影响行车安全的因素 路外因素：例：洪水、塌方等自然灾害和人为的祸害等路内因素：例：设备故障和违章作业等2. 信息的安全程度取决于是否实现下列要求：（1）信号显示应能反映所防护的线段是否在空闲状态；（2）信号显示应能反映所防护的线段内是否存在危及行车安全的因素；（3）信号显示应能指示安全运行速度3. 系统的安全性表现在以下两个方面（1）功能安全：即系统在无故障地正常工作中有保证行车安全的性能；（2）技术安全：即系统发生故障后其后果仍能导致行车安全4. 故障安全原则当信号设备发生故障时，应倒向安全侧而不危及行车安全的原则，称为故障安全原则。1.3. 车站信号机的布置与进路1. 进路：是指列车或车列所经过的路径或通路。根据性质分为：列车进路和调车进路，而列车进路又分为接车进路，发车进路，通过进路和饶场进路。2. 信号机的布置方法该项内容作为车站信号的基础知识应熟练掌握，因该部分的内容在基础专业课运营基础中已进行了详细的讲解。此节的内容只需将图给的站场进行简单的说明即可。1.4. 联锁与进路控制1. 进路建立：分为进路的建立和进路解锁两个阶段。(1) 进路建立是指从车站值班人员开始办理进路到防护该进路的信号开放这一阶段。其中包括：1) 进路选择2）道岔控制2) 进路锁闭3）信号控制(2) 进路解锁是指从列车或车列驶入进路到越过进路中全部岔道区段这一阶段，或者是指操作人员解除已建的进路的阶段。) 取消进路) 人工解锁) 正常解锁) 中途折返解锁) 故障解锁)1.5. 从电气联锁到计算机联锁系统1. 车站联锁系统 是以技术手段实现以进路控制为主要内容的联锁功能的系统。系统的一般层次结构图如下图所示：2. 电气联锁系统 一般来说，继电电路的模块化和定型化程度愈高，愈有利于设计、施工和维护，所使用的继电器的数量也愈多。我国的650&系统的模块化和定型化程度很高，使用的继电器的数量也很大。折合到每组道岔大致在30台以上。这就增加了继电器的检修工作量。3. 用计算机取代继电电路构成的联锁机构原因：(1) 计算机的逻辑功能与继电逻辑电路具有共同的理论基础；(2) 由于可靠性技术和咎错技术和安全技术的进步，使得用计算机实现联锁控制成为可能；(3) 工业控制级计算机商品化，为保证系统可靠性和降低造价提供了条件；(4) 为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件。4. 计算机联锁系统的优点(1) 减少继电器检修工作量；(2) 减少系统的设计、施工和维护的工作量；(3) 减少建筑使用面积；(4) 当采取分布式系统结构时，可以节省干线电缆，从而降低工程造价；(5) 当采取必要的提高系统的可靠性和安全性的技术措施后，系统的可靠性和安全性将得到提高；(6) 便于改造(7) 便于增加新功能。1.6. 计算机联锁系统的现状与发展由于70年代电子业的发展，世界上（1971年11月Intel4004）产生了第一台微型计算机，此后它几乎是每隔两年更新换代一次，使得它影响到各行各业，当然也渗透到铁路系统。瑞典、日本、英国等国家相继开展了计算机联锁系统的研究。1978年瑞典首先在歌德堡车站使用了计算机联锁系统。1. 我国目前车站联锁的状况(1) 我国目前的车站联锁，主要是650&型继电电气集中。至“九五”期末，全路已装备了集中联锁（包括继电集中联锁和计算机联锁）5232站占运营车站总数的90.4%。(2) 20世纪80年代以来，随着计算机技术、现代通信技术、网络技术的发展。车站联锁进入了计算机联锁时代，由于它的诸多优点，显示了它在车站联锁领域发展的广阔前景。(3) 铁道部运输局基础部科技司于1998年10月共同组织了专家组对11个研制单位的产品进行了筛选，考核认证和测评，最终选定了4家研制生产责任单位，同时确定了4个国内硬件生产厂家。(4) “九五”以来，出现了如武广线成段车站采用计算机联锁的趋势；并正在考虑采用区域计算机联锁。2. 我国车站计算机联锁概况(1) 19841989起步阶段(2) 19901996平稳发展阶段(3) 19971998无序发展阶段(4) 1999目前 为整顿规范阶段3. 铁路行车中的四个智能系统列车间隔调整系统、计算机联锁系统、调度管理信息系统以及调度专家系统。习题：1进路的控制可分为哪几个阶段？2什么是车站联锁系统，画出其中一般的层次框图。3计算机联锁的特点。2. 现代工业控制计算机技术2.1. 现代计算机技术1. 处理器的更新(1) 内置浮点数运算功能(2) 超标量结构：解码/执行管线至少要有两条，在一个周期内具有能够获取两个以上指 令进入管线的能力，并能够在同一时间内，有两条指令以上的结果产生速写回内存。(3) 外部采取64位宽度的数据/内存总线(4) 内置分离式的高速缓冲器Cache RAM(5) Pentium或Pentium Pro加入MM2. 存储器的进步(1) 快速闪存Flash Memory(2) 32位传输72Pin设计的FAM DRAM (3) EDO DRAM(4) 64位传输 168Pin设计的SDRAM(5) 内存需求的判断3. 磁盘驱动器的发展(1) 硬盘驱动器(2) 与硬盘驱动器匹配的接口(3) 硬盘的工作模式4. 光盘驱动器CD-ROM(1) CD-ROM(2) CD-ROM CD-R MD与VCD(3) CD-ROM的接口5. 显示器与显示卡(1)显示器的主要规格： 分辨率与点距 ，模拟调整与数字调整，环保省电功能，防电辐射与防静电处理，支持即插机用功能p&p消磁功能。 (2)PCI BUS 显示卡与AGP图形加速卡6. 声卡2.2. 工业控制计算机系统的特点特点(1) 实时性强。（实时性：是指工业控制计算机系统应该具有的在限定的时间内对外来事件作出的反应的特性。）(2)具有充分的过程输入与输出功能。（对P45的表的内容进行详细的介绍）(3) 标准化和系统化。 (4) 高可靠性a) 在设计与构造阶段要使系统具有很高的平均无故障时间MTBF或平均故障间隔时间（MTBF）。b) 具有很强的抗干扰能力。c) 系统总线要具有充裕的驱动能力。d) 具有定时自动重新启动功能。e) 具有硬件自检功能。(5) 模块化的系统结构(6) 系统的开发环境(7) 通信与联接能力(8) 产品质量保障体系和服务保障体系2.3. 几种主要的计算机总线标准 1总线及其标准(1) 概念) 总线：是一组公用信号线的集合，通过这一组公用信号线把计算机或计算机测控系统中的各个摸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。) 总线规格) 总线标准(2) 总线的标准化) IEEE总线标准) 广泛流行的总线 例如：PC/XT PC/AT PCI等(3) 总线的种类) 系统总线) 通信总线a. 并行通信总线b. 串行通信总线c. 现场总线2. STD总线标准3. ISA/PCI总线标准4. VME总线5. 嵌入式PC及其连接总线标准2.4. 用于过程控制的标准接口1. 开关量输入/输出的标准接口(1) DI/DO信号的标准接口 组成：总线接口逻辑 输入缓存器和输出缓存器 I/O电器接口(2) DI信号的调理电路（见P74图27）(3) DO信号的驱动电路1) TTL电户三态门输出电路（见P75图28）2) 开路集电极(OC门)输出电路（见P76图29）3) 门电路外增加晶体管功率驱动级（见P76图210）4) 达林顿陈列驱动器功率输出电路（见P77图211，12）2. 模拟量输入接口电路 该部分的内容应在微机原理与接口技术中加以详细的介绍，在此且作简单的概述。习题：1什么是实时性，需考虑的两个因素是什么？2工业控制计算机系统的特点？3. 系统的硬件结构3.1. 计算机联锁系统的体系结构 根据6502电气集中的组成,功能及技术特点,对计算机联锁的要求应当是,在系统组成上系统是模块化结构,这样可以根据车站的规模和作用需要选用功能不同和数量不等的模块组装而成,这样做不仅是经济的而且节省设计,生产和施工的时间且便于维护;在功能上除了能完成6502所具有的功能外,还应充分利用计算机的软件资源,增加新功能,做到比6502电气集中功能更丰富更易于操作;在安全,可靠性方面要利用各种技术措施,达到比6502电气集中具有更高的可靠性和安全性。 与6502电气集中的组成相比,计算机联锁系统与6502电气集中在层次结构上是很相似的,一般把计算机联锁功能划分为三层,即人-机对话层,联锁运算层和输入输出运算层.由于控制规模功能的完备程度,经济因素以及技术背景的不同,往往这三层的设备(下图为计算机联锁系统的层次结构)。 构成及功能划分不尽相同,这样就形成了微机联锁系统多种不同体系结构.下面就对这三层一般的设备结构构成及功能划分方法作些讨论。1. 人-机对话层一般来说,该层的功能是用以输入操作命令和显示各种表张.从设备构成方面来说,可以采用控制台方式,控制台加显示器方式和工业PC机方式,有些也决定了该层与联锁运算层的联系是采用并行方式还是串行方式;从可靠性方面来说,可采用避错技术和动态符技术,而切换方式可以是自动切换也可以是人工切换。2. 联锁运算层该层的主要任务是接收来自人-机对话层的操作命令和通过输入输出控制层采集状态信息,进行联锁运算,将形成的控制命令经用输入输出控制层输出以及将各种表示信息传给人-机对话层联锁系统是整个系统的核心部分.从设备构成而言,可以用可偏程序控制器(PLC),也可以用工业控制机;从可靠性和安全技术方面而言,可采用各种避错技术和容错技术.避错技术包括质量控制,环境防护和减载使用等措施,容错技术主要采用冗余措施,包括硬件冗余,软件冗余,信息冗余和时间冗余等,其中硬件冗余又可分为静态冗余和动态冗余.软件冗余可采用双套软件和比较它们执行结果的方法.信息冗余用在串行通讯的检错码或纠错码和并行处理器中冗余偏码.从联锁运算层和输入输出控制层之间的连接方式而言,可采用专线方式或总线方式.专线方式是指在联锁系统中基本上保留了6520电气集中的道岔和信号机的控制电路,联锁运算层和输入输出控制层之间采用并行的方式连接;总线方式是指把室外的监控对象按地理位置划分成若干个群,对每个对象群,在其附近设置一个由微机构成的现场控制器,它与联机运算微机之间的以串行的方式连接,以达节省干线电缆的目的.从联锁软件的偏号方法而言,可采用接线图式或电路搜索式的方法.由上述可见,联锁运算式的构成是灵活多样的.下面仅就采用三取二的静态冗余技术构成的三模冗余结构和采用动态冗余技术的双机结构作些介绍.这两种结构在实际的微机联锁系统中用的较多,具有代表性.(1)三取二冗余结构图 采用这种结构时，需要着重解决的问题是：) 在保证硬件设计无错的基础上，采用自检程序或互检技术，防止三个模块发生共模故障，保证故障安全性能。) 要有高可靠和故障安全性能的表决器，同时要具有子模块故障检测功能，即当任何一个模块发生故障时能及时检出以便尽早修复。) 要保证三个模块能同步工作，这就需要三个模块具有相同版本的软件和同步时钟。(2)双模动态冗余结构特点是两个模块各有自己独立的故障检测功能并各有一个检测输出信号，可用检测信号的组成构成一个故障检测器来控制切换开关。双机结构的关键技术是不断地检测微机内部是否发生故障，其目的有三，一是在发生故障时不能产生危险侧输出；二是在工作机发生故障时及时驱动切换开关动作，将备用机的输出作为联锁机的输出；三是无论工作机还是备用机发生故生故障后及时报警。这就是需要通过软件冗余，信息冗余时间冗余以及自检程序等技术来实现。(3)输入输出控制层 这一层分两部分) 输入输出接口（I/O） 它是用以输出控制命令和采集状态信息的通道，因它传递的都是涉安信息（把联锁系统中那些涉及行车安全的信息称为涉安信息），所以必须具有高可靠性和故障安全性能。这就需要设计安全型输入输出接口电路，在电路本身发生故障时使用导向安全侧。) 监控对象的控制电路微机联锁系统的监控对象就是室外设备，即信号机，动力转换机和轨道电路。对这三类监控对象都应有相应的控制电路。构成这些电路的方法有两种，一是把6502电气集中所用的轨道电路，道岔控制电路和信息灯光控制电路应用到微机联锁系统中来（其中要对道岔启动的电路作少量修改），优点是可以简化电路设计，缺点是使微机联锁系统所用继电器数量仍然较多。另一种方法是利用因态器件并配以相应的硬软件检测防护措施构成经济的安全控制电路，以减少继电器用量。3.2. 系统的硬件结构1. 系统的可靠性冗余结构(1) 定义：该系统在规定的时间内，在规定的条件内，在规定的条件下完成规定功能的能力。(2) 可靠性冗余结构图2. 系统的安全性冗余结构(1) 定义：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。(2) 安全性冗余结构图3. 系统的可靠性与安全性冗余结构(1) 三取二冗余结构（前节已将过）(2) 三取二冗余结构需解决的技术问题) 三台计算机的同步运行问题) 高指标表决器问题) 故障机的及时切离与及时修复问题4. 分布式结构的系统的体系结构3.3. 系统的硬件构成1.系统的技术要求(1) 系统的功能1) 人机会话功能（能够接受操作并表示系统状态）2) 联锁控制功能3) 对系统主要组成设备的工作状态进行监测的功能4) 能够与上一级通信网络实现联网的功能(2) 系统的性能(3)系统的可行性数据 1)MTBF10E3h ; 安全度10E11h 2)系统的环境适应性数据3. 一般规模车站的硬件的构成（25组道岔）) 系统的层次结构) 系统的可靠性结构与安全性结构) 硬件构成示意图P94 3-7和3-82. 硬件结构的形象图P96 3-93. 人机会话计算机的硬件构成图P98 3-104. 联锁计算机输入与输出信号的流动图P99 3-113.4. 大型车站的系统硬件结构 P101 图3-123.5. 容错计算机系统的硬件结构1. 采用TRICON容错控制器的容错联锁主机系统是在采用美国TRICONEX公司的容错控制器的基础上，经我国铁路科技人员研究，开发与利用而构成的容错联锁主机系统，以该主机为核心的联锁设备已经在我国铁路运营线上安装使用。(1) 容错的联锁主机构成原理容错微机联锁系统的容错联锁主机，其容错能力是通过从输入模块，主机处理模块，输出模块三大部分的全面三重化来实现的，这样保证了系统中的任何部分在发生单永长久故障时，或者由于各种原因造成瞬间故障发生时，容错微机联锁系统均能够无差错地不间断地工作。容错微机联锁系统的每一个I/O模块均有三条独立的分电路。输入模块上的每条采集分电路分别采用相关继电器的接点，并将采集结果经过三条I/O总线送到相应的主处理器，在每一个联锁扫描周期，三个主处理器通过专门的高速总线系统TRI总线进行同步通倍，表决输入数据。每个主处理器模块根据表决后的输入数据执行联锁程序，然后将联锁程序产生的输出数据经过三条I/O总线送到输出模块，在输出模块上进行表决后输出，最后推动相应的继电器。对于每一个I/O模块，容错微机联锁系统均支持热备功能，若主模块在运行中发生故障，容错联锁计算机系统能够立即换入联锁运算，保证了系统的不同间断运行。(2) 主处理器模块 容错微机联锁系统的主模块的原理如下：容错微机联锁系统有三个主处理器模块插在主机架上，每个主处理器模块完全独立地与I/O系统通信并执行联锁程序。三个主处理器在每个循环周期比较数据，从而构成三取二系统。每个主处理器模块的时钟,稳压电源,电路均完全独立.每个主处理器模块有三个处理器并行运行以分别完成各自的任务.) 联锁主处理器:32位25MHZ的NS32GX32,2MB内存.负责执行联锁程序,其内存用于存储联锁程序,I/O数据,诊断与通信数据) I/O数据处理器: 12MHZ的C 31,. I/O通信的传输速度为375kb/s,负责交换主处理器模块与I/O模块间的采集数据,驱动数据.三重化的I/O总线装在机架背面,另外通过I/O总线电缆可以从原机架延伸到另一个机架.) 通讯处理器: 16MHZ的80C152,其通信的传输速率为2Mb/s,负责交换主处理器模块与通信模块间的命令数据,表示数据 另外,在每一个主处理器模块,均有一套高速表决总线TRI总线,它在三个主处理器模块间负责完成如下工作:) 诊断数据与通信数据的传递) 对所有采集数据的传递与硬件表决) 对上次联锁程序的输出数据,中间数据的传递与硬件表决) 对联锁程序代码进行比较 TRI总线为完成隔离,串行通信,传递速率为4Mb/s.一个DMA控制,它独立于联锁软件,以完成同步传输,表决,数据纠正.容错联锁系统广泛的功能,可以安观对每个主处理器模块,I/O模块和通信通道的完好进行检验.当诊断到瞬间故障时,可以将其记录,并通过硬件表决电路来屏蔽;诊断到永久性故障时,可以对故障模块进行热更换.主处理器的主要诊断功能如下:) 检验联锁程序代码和内存) 测试所有处理器的指令和操作代码) 检验每个I/O通信处理器和分电路间的双口RAM) 检验cpu,每个I/O通信处理器和分路间的握寻信号和中断信号) 检验cpu每个I/O通信处理器和分路处理器的RAM双口RAM,RS-485收发器的反馈.) 检验TRICluck和TRI总线接口每个主处理器模块底部有一个RS-232R可供系统工作人员做诊断分析用.主处理器模块可接受双重化电源供电,电源母线排列在主机架内,一个电源或电源母线发生故障时,不会影响联锁系统正常工作.(3) 通信模块上位监控机通过通信模块发送车务值班员的操作命令,并读取三个主处理器模块中信号,道岔,区段等设备的现场状态和联锁逻辑状态,提供实时图形显示.2. 总线紧密结合型容错联锁主机系统(1) 容错联锁主机系统的结构P117 图3-20(2) 涉安信息输入电路的结构 P119 图3-21(3) 涉安信息输出电路的结构P120 图3-22 习题:1.计算机联锁系统可靠性,安全性定义?2.分析三取二冗余系统的工作原理,需解决的技术问题有哪些?4. 系统的软件结构4.1. 软件的功能与总体结构1. 软件的功能(1) 人机界面信息处理功能) 操作信息处理 对正常的操作进行处理,形成有效的操作命令,并在屏幕上给出相应的表示,以便值班员确认自己的操作;对错误的操作进行处理,并在屏幕上给出相应的提示,以便使值班员能够立即发现自己的错误操作及时采取措施纠正错误的操作.) 表示信息处理 对现场的信号设备的状态,在屏幕上实时地给出显示,使值班员随时监督现场设备的运营情况.) 维护与管理信息处理 对现场的信号设备的故障状态,在屏幕上及时地给出相对的显示,以便使维护人员迅速,准确地查找故障;自动记录并存出值班员办理作业的时间的被操作的按扭,完成与其它周边系统的联系.(2) 进路控制功能(基本联锁控制) 进路选出(建立) 进路锁闭) 信号开放) 信号保持开放) 进路解锁,正常/非正常) 道岔单独操作) 进路引导锁闭等(3) 执行控制功能) 输出控制:根据联锁软件生成的控制命令来驱动现场设备的控制电路) 输入控制:采集现场设备的状态信息,为联锁运算提供数据.(4) 自动检验与诊断功能 主要是在执行联锁程序的过程中检测故障的外在现象,检查硬件资源的物理失效,软件的缺陷以及故障的位置.(5) 其他功能(非电路调导,站内道口控制功能等) 在这些软件中,人机界面信息处理软件,基本联锁软件,执行控制软件,自动监测与诊断软件,是微机联锁系统必须具备的.2. 软件的总体结构(1) 按照系统层次结构分类(2) 按照冗余结构分 可分为三取二的单软件结构和双机热备的双版本软件结构. 其中双版本软件结构为:(3) 按联锁数据的组织形式划分 小站规模的联锁图表式软件结构和中站以上规模的进路式控制式的软件结构(模块化结构) 可见,各个模块之间相对独立,只有数据交换,没有程序上的联系,使得系统结构清晰,设计,偏现场可实现标准化.4.2. 联锁数据与数据结构 1.联锁数据(是指在微机联锁中,所有参与运算的数据)(1) 静态数据及其结构 建立任何一条进路都必须指明该进路的特性和有关监控对象的特征及其数量等,这包括:) 进路的性质) 进路的方向) 进路的范围) 防护进路的信号机) 进路中的轨道电路区段(名称)及数量) 进路中的道岔(名称),应处理的位置,数量) 进路中所涉及的侵限绝缘轨道区段(名称)及检查条件) 进路的接近区段(名称) 进路的离去区段(名称) 进路的末端是否存在需要结合或多重的设施(2) 总进路表示数据结构(3) 站场形数据结构 对应于信号平面图(更确切地说是对应于控制占盘面图)中的每个监控对象,如信,道,轨,侵限绝缘区段.特设的多重按扭,进路终端按扭等,各设一个静态数据模块.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的一些标志.下面举例说明数据模块的设计方法. 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地址和终端模块地址,进路搜索程序从站场形数据结构中搜出与电路有关的全部模块,再从模块中找出进路联锁程序所需的数据,就可以构成进路表。 现在问题是如何把模块连接起来,以便进行搜索程序进行搜索.为此,需要把每个模块的空间加以扩展,并划分为两部分,即数据场df和指针场pf,用数据场存放原来的数据,用指针场存放近邻模块的地址。 为绘图和说明方便起见,常以圆圈表示数据模块并称之为节点,以有向连线表示链接. 对于站场行数据结构来说,仅沿一个方向搜索就可以了.从站场结构来看,沿着发车方向搜索时,遇到的分歧道岔较多,所以搜索效率较高,因此,以后以发车方向的单向搜索为准,来实现节点点的连接,根据这一原则,上例中模块链接简图如下: 进路搜索程序再进一步从这些节点中提出该进路联锁程序所需的数据,并生成一个进路表,就完成了任务. 采用站场形数据结构具有的优点:) 该静态数据库占用ROM的空间远比总进路表数据库要求,有利于检测) 站场形数据结构是由节点仅涉及指针场中的地址的修改,而不影响各节点在有储存器中的物理存储区,所以容易修改,这非常适应站场的改建或扩建.) 站场形数据结构本质上是节点的链接表,节点的类型是有限的,节点的内容和容易是不变的,节点的链接共是在逻辑上是有序的(按站场形分布沿着站场线路按搜索方向链接),但是每个节点在存储器中的具体物理位置可以是无序的(指两个链界的节点在存储器中可以不相邻),由于这些性质,这种数据结构可以用计算机辅助设计方法生成,甚至当用计算机进行控制台盘面设计或进行CRT站场形画面设计时同时能生成站场形数据库. 说明,根据站场形数据结构所生成的进路表需存于RAM中.在一个车站上,如果同时办理m条进路,那么在RAM中就需存储m个进路表.不过,这些进路表是随着办理进路而生成的,又随着进路的解除而消失,所以占用RAM的空间是不大的.2.动态数据及其结构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,控制输出变量以及联锁处理中的中间变量.) 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.在RAM中需设一个操作变量易集中地存放操作变量.每个操作变量在变量表中的逻辑地址应与它的输入通道的地址一一对应.操作变量表根据系统的硬件体系结构,可能存于人机会话计算机或存于;联锁计算机中.在联锁系统中,为了防止误动一个操作而形成操作命令,一般需要用两次或两次以上的操作才能形成操作命令,例如办理一条基本进路需按在进路始端和终端按扭.所以,操作输入变量是形成操作命令的原始数据.在RAM中应开辟一个区域集中地存放操作命令,称这些操作命令的集合为操作命令表.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控系统的记录内容.为了记录,需将操作变量表的内容复制一份存于监控系统中,保存时间应不小于8h) 状态输入变量是反映监控对象状态的变量.状态变量应周期性地及时刷新,以保证变量能确切地反映监控对象的实际状态.刷新周期一般不应大于250ms.状态变量在RAM中有两种基本组织方式,一种组织方式是将同类输入变量集中在一个变量表中.状态变量的另一种组织方式是分散存储表中.) 表示输出变量 是指向控制台,表示盘或屏幕显示器提供的变量,一般是将表示输出端集中在一个存储区以便输出。) 控制变量 是指控制信号和道岔的变量.控制变量可存放在动态数据模块中,而控制命令存放在专辟的控制命令表中.控制命令的传输地址与输出通道一一对应。 控制变量和控制变量都应周期性地刷新,以保证数据的实时性。) 中间变量4.3. 联锁控制程序及其任务调度方式(1) 联锁控制程序的基本模块) 操作输入及操作命令的形成) 操作命令执行模块) 进路处理模块) 状态输出模块) 表示输出模块) 控制命令输出模块 说明进路处理模块进路处理模块是在执行了进路搜索子模块对所办进路已形成了进路表之后,对进路处理的模块.将其划分为三个阶段:) 进路选排一致性检查及道岔控制命令形成子模块) 进路锁闭模块) 信号开放子模块) 信号保持子模块.在信号放后,该模块不间断地检查信号开放条件,条件满足时使信号保持开放,否则使信号关闭.) 自动解锁子模块(2) 调度方式第四节.进路处理程序(1) 操作命令对应于按扭的操作有一个按扭操作的分析程序.它的任务就是对输入的按扭操作按照车站信号的要求进行分析.符合要求的形成操作命令存于操作命令表中,以便进一步进路.不符合要求的给出”操作错误”的语音及文字提示,提醒操作人员改正自己的错误操作.根据联锁要求,即使是合法的操作命令也必须在规定的条件满足之后才能执行.当执行一条操作命令时,如果它的执行条件没有满足,则应向操作人员提供”操作命令无效”的信息,以便操作人员采取相应的措施,例如取消命令等:) 进路操作命令) 取消进路命令) 人工延时解锁命令) 进路故障解锁命令) 区段故障解锁命令) 重复开放信号命令) 非常关闭信号命令) 开教引导信号命令) 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(2) 操作命令执行模块 思路: 操作人员的操作由人机会话计算机采集并传给联锁计算机,由按扭分析模块对按扭操作进行分析后,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,顺序地从操作命令表取出命令予以执行;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.1)取消进路子模块的流程2)人工解锁子模块的流程3)进路故障解锁子模块流程4）进路搜索程序模块功能是根据前面所提到的形成的进路操作命令,从站场形静态数据中选出符合进路需要的静态数据构成一个进路表并存于进路总表中.具体的讲完成下列任务。) 根据操作命令只能达出一条符合操作要求的进路2）判明进路操作命令的合法性3）判明已搜索出的进路是否有建立的可能性4）如果能够建立进路,则再与该进路有关的所有变量模块中设置一个占用标志,以防其他进路再有占用这些模块地可能5）指明与进路有关道岔应在定位还是反位6）形成一个进路表存于进路总表中供联锁处理程序使用在搜索进路时,选基本进路不能选变通进路,选变通进路不能选基本进路,这里采取如下措施:) 根据进路操作命令,确定相邻的指定节点时,按”节点对”分段依次搜索. 2）设置导向标志,确定优选搜索策略 若有导向标志,弯股优先;若没有导向标志,直股优先.例在k(2),k(6),k(10)各设一个方向标志 假设k(a)-k(f),则搜索进路不符合操作意图。3）在节对点之前的搜索过程中,只允许沿着同类渡线进行搜索.（3）进路处理模块1）进路处理总框图2）进路处理流程图1.选排一致检查及道岔控制命令生成模块a) 功能:i. 当进路中的道岔位置符合进路要求时,将进路的进程标志置成锁闭状态ii. 当某一道岔位置不符合要求时,则生成相应的道岔控制命令iii. 在生成道岔控制命令之前,检查道岔所在区段是否空闲,该道岔是否被单独锁闭 iv. 道岔控制命令的保持时间不大于规定时间,若超过规定时间道岔仍选排不一致.,则强制取消该控制命令.(2)流程图(P164 图4-18) 2.进路锁闭模块(1) 功能a. 检查进路中的所有区段空闲,包括侵限的道岔区段的检查b. 检查道岔位置正确c. 检查照查条件满足d. 在满足条件时,实现进路锁闭,在条件不满足时,调用诊断程序,分析原因,给出提示.(2) 流程图(P160 图4-19)3.信号开放模块(1) 功能a. 进路空闲b. 道岔位置正确并锁在规定的位置c. 照查条件满足并符将敌对进路锁在未建立状态上d. 若为列车进站或正线出站进路,则应检查红灯灯位是否完好e. 若在复合调车进路,则应检查前一条进路是否已经开放信号f. 当条件满足时,给出开放信号的控制命令,当条件不满足时,调用诊断程序,分析原因,给出相应的提示g. 信号开放控制命令应当有时限,超时应强制取消开放命令(2) 流程图(P118 图4-21)4.信号保持开放模块(1) 功能:保持信号开放阶段(2) 流程图(P118 图4-21)5.进路自动解锁模块(1) 功能a. 确定调车信号的关闭时机b. 实现进路正常解锁c. 实现中途返回解锁) 无头有尾形依据 在牵出进路的中途有折返信号机;该折返信号机曾开放过待解锁的各个轨道区段已经空闲折返信号机内方第一轨道区段有车占用) 有头有尾形依据(牵出)进路曾被占用,如果车列未驶入过该进路,那么它也不应自动解锁;进路已经空闲的同时,进路的接近区段有车.在正常情况下,这个条件能够反映车列已经退出进路进路的接近区段空闲(2) 流程图(P172 图4-23) 第五节.过程输入输出程序1. 安全输入程序(1)算法:1) 输入表清零) 读入数据) 数据转换处理) 设置相应的标志2.安全输出程序(1) 算法:) 调用输出模块) 检查有无控制命令) 调用输出模块) 输出安全性检查) 一致性检查 习题:1联锁数据?2说明场站形数据结构的优点?3在进路搜索中,为了选出符号操作意图的进路,应采取哪些措施?5. 人机会话层的构成5.1. 人机会话层的任务1. 按扭任务发送任务1） 列车按扭2） 调车按扭3） 道岔按扭4） 功能按扭5） 闭塞按扭2信息显示任务1）区段显示2）道岔显示3）信号显示4）功能按扭名显示5）道岔名和信号名显示6）操作提示7）其他提示5.2. 人机会话层的硬件支持系统1. 按扭操作部分) 控制台方式) 工程数字化仪方式) 鼠标方式) 键盘方式2. 信息显示部分) 大屏幕显示器2）智能化图形控制卡5.3. 人机会话层的软件支持系统DOS Windows3.x Windows98 Windows NT 操作系统第三节 人机会话层的软件的实现和特点1 人机会话层的软件的实现(1) 按扭发送任务的实现) 通过程序扫描被按下的按扭) 将该按扭的编号发送到联锁机(2) 信息显示任务的实现) 接收联锁机的数据) 处理接收到的数据) 将处理的数据在屏幕上显示出来2. 机会话层的软件的特点 最重要的是软件的标准化和模块化6. 系统可靠性与安全性技术保障6.1. 安全性与可靠性1.安全与故障-安全(1) 安全性:是指设备在运行过程中无论发生什么变故都不会产生有可能造成人民生命财产损失的危险因素(2) 铁路信号的作用) 保证行车安全) 提高运输效率) 减轻劳动强度) 向运输管理信息系统提供数据(3) 故障-安全:当设计者把系统设计得在任何部分发生故障及系统处于任何可能的外界环境中时系统的输出均处于安全状态(4) 危险比(不对称指数)2.可靠性定义与指标(1) 定义:(前面已介绍)(2) 指标:f(t) F(t) R(t) & (t) 失效概率密度f(t) 失效率& (t) 积累失效概率F(t) 可靠度R(t) 平均故障间隔时间MTBF) 可信度A3.安全性定量指标(1) 危险侧故障率(2) 平均危险侧故障间隔时间MTBFAS6.2. 系统的安全性保障1.对控制系统而言,信息处理包括以下几个环节(1) 原始信息的采集(2) 控制信息的输出(3) 信息(含内部信息)的存储(4) 信息的处理2.安全保障(1) 涉安信息I/O通道的硬件设计符合故障-安全原则(2) 计算机系统的数据储存,运算与处理是正确和安全的.6.3. I/O通道的安全性保障1.必须考虑的硬件故障(1) 元件级故障 电子器件的元件级故障包括电阻,电容,晶体管,二极管,稳压二极管,三极管,场效应管,可控硅整流器,光耦合器等.(2) 门级故障) 输入粘“0”和输入粘“1”故障) 输出粘“0”和输出粘“1”故障) 桥接线“与”和桥接线“或”故障(3) 芯片级故障存储器单元故障,寄存器故障,译码器故障,总线故障,运算器故障,互扰故障,时延故障永久性故障,瞬间故障,间歇故障2.涉安信息的表达形式(1) 电平形式(2) 代码形式 例: 寄存器为8位.N=8 假设道岔解锁为:01010101 取另一代码”10101010”为道岔锁闭,半假设计算机内一个代码因故畸变为另外一代码的概率相同。动/静形式3.典型的安全性输入接口电路图P219 图6-13(a)工作原理分析:GD1的输出级和GD2的输入级并联连接,并由继电器的接点控制其电源的通断. GD2的输入接向计算机的一个输入.在正常情况下(继电器的前接点闭合和电路未发生故障的情况下),先输出一个高电平使GD1截止,从而使GD2导通,于是GD2输出一个低电平供计算机读入.计算机读入该信号后,接着再输出一个低电平使GD1导通,则GD2截止,于是GD2输出一个高电平供计算机读入.在此种情况下,计算机输出10信号,则在输入端必然收到01信号,这就实现了高电平到脉冲串的变换当继电器落下,成电路的任何一点发生故障时,GD2的输出端必然呈现稳定电平(1或0),计算机读入该稳定信号,则表明收到了安全侧信息.该电路采用了两个充电耦合器GD1.GD2以防电路故障时计算机的输出脉冲串到输入端,另外还起到电源间隔和一定的抗干扰作用.4. 典型的安全性输出接口电路(1) 代码-动/静变换) 方法:软件方法) 方法:软硬件结合.(2) 动/静-电平转换) 采用变压器的动态电路分析:P222 图6-16 脉冲串径进充电耦合器驱动晶体管T1工作,在T1的集电极接有脉冲变压器.该变压器的输出经整流后使继电器吸起.当该电路发生故障时,继电器不吸起,因而是故障-安全的.) 采用晶体管推挽输出的动态电路分析: P223 图6-17 当电路的输入端(IN)有脉冲串输入时,晶体管T1和T2交替地导通和截止.当T1导通和T2截止时,电路C1经由T1和T2充电;当T1截止和T2导通时,C1经由T2,偏极继电器和D2放电.根据脉冲串的频率和占空比,适当选择R1和C1的数值,能使继电器借助C1的放电电流可靠地吸收,而且能保证不致因一两个脉冲干扰而使继电器错误吸起.当电路发生故障时, 继电器不应吸起,但R通常阻值很小,当C1,D2同时短路时,将有一个较大的电流流过继电器,为避免此电流使继电器错误吸起,该电路要求采用偏极继电器.(3) 采用光控可控硅电路分析:P224 图6-18 .该电路的前级同(2)电路相同,输入脉冲在前级电路和平滑电容C2的工作下在光控可控硅初级产生一个稳定的电流,使光控可控硅初级稳定发光,次级可靠导通在次级回路中等效为一个整流二极管以及与无级继电器并联的RC平滑支路的作用下,继电器可靠吸起.当电路发生故障时,继电器不应吸起,如果光控可控硅的一侧有击穿而成一个二极管的可能,则将是十分危险的,它将使无级继电器无条件吸起.6.4. 无接点安全输出接口电路1.双向晶闸管电路 分析:SSR的输出端并联了两条检测线(B.C),正常时,驱动负载动作;若故障时通过检测线,强制交流防护继电器(JFJ)落下,切断交流电源以达到故障-安全的目的.,2.单向晶闸管电路. 分析:P228 图6-20 用交流电源驱动直流负载的优点在于当晶闸管发生短路时,直流负载不会动作,增强了电路的故障-