计算机联锁结合电路教案

结合电路 计算机与外部设备进行信息交换时，必须经过通道与接口电路(以下简称接口)将信息进行变换处理。同时，为了防止外部电路的干扰信号进入计算机，必须通过接口电路实现计算机与外部设备电路的隔离。计算机联锁系统接口电路一部分是人机对话接口，这一接口是传输操作信息和表示信息的，这两个信息属于非安全性信息，因此人机对话接口可以采用通用的接口。由于表示信息的输出是通过与系统总线连接的通用显示卡直接驱动显示器，这里不做介绍。计算机联锁系统接口电路的另一部分是计算机与监控对象之间的接口，通过这部分接口要采集设备状态信息和输出对现场信号设备的控制信息，这两个信息都属于安全性信息，因此,这部分接口不能采用通用的接口，而必须采用专门为计算机联锁设计的故障安全接口，这也是计算机联锁系统不同于其它领域自动控制系统的特点。下面分别介绍操作信息采集接口、状态信息采集接口和控制信息输出接口的电路原理。1 操作信息输入接口电路图1是矩阵式输入接口电路，这是操作信息采集接口的一种典型电路形式。图2是一个按钮采集单元的电路，按钮的操作是通过光电耦合管G送入计算机的，光电耦合管具有光电隔离的功能，即外部电路与计算机只能通过光电耦合传送信息，没有电路联系，这样就防止了外电路的电流进入计算机。在图2中，按钮接点断开时，光电耦合管G截止，相应的列线为低电位。若行线为低电位时，即使按压了按钮光电耦合管G也不能导通，相应的列线上仍为低电位。只有行线为高电位时，按压按钮后，光电耦合管G导通，相应的列线变为高电位。从图2可以看出，各按钮以矩阵的形式将输出口的行线（H线）和输入口的列线（L线）相连。由CPU控制向输出口发送扫描信号，控制H线电位。H线为“0”时，按钮按下动作无效。H线为“1”时，按钮按下动作有效。即将行线的“1”转成L线的“1”，该信息经输入口送入计算机，计算机即采集到该按钮被按下的操作信息。D0 Q0D1 Q1D2 Q2D3 Q3D4 Q4D5 Q5D6 Q6D7 Q7LE OEB0 A0B1 A1B2 A2B3 A3B4 A4B5 A5B6 A6B7 A7EDIR74LS24574LS373输出口输入口CS0D0D1D2D3D4D5D6D7CS1L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 L 6 L 7 L 8H1H2H3H4H5H6H7H8图1 矩阵式输入接口GA+5VR3R1R2图2 按钮采集单元电路接H线接L线2 状态信息采集接口电路状态信息采集接口电路有两种形式，一种是对静态信息的采集，另一种是对动态信息的采集。两种电路都是故障安全输入电路，下面分别介绍：2.1 静态故障安全输入接口静态故障安全输入接口电路的设计思想是采用编码方式，将反映监控对象状态的二值开关量用多元代码来表示。假设代码的码长为n，取其中一个作为危险侧代码，一个作为安全侧代码，那么其余2n2个代码为非法码。当n足够大发生故障时，一个安全侧代码错成危险侧代码的概率极小，而错成非法码的可能性很大。系统对非法码均作安全侧信息处理，利用这种非对称的出错性质，就可以实现二值信息在存储、传送和处理过程中的故障安全。KFR2+5V通用并行输入口R1KZGJG1图3静态故障安全输入接口电路联锁微机G2G3G4 这种输入接口电路的结构如图3所示。图中以采集轨道继电器(GJ)的状态为例。当GJ励磁吸起时，四个光电耦合管全部导通，各端输出均为高电平。这样轨道电路的危险侧状态由电平信息变成代码1111，经由通用并行输入口送入计算机。反之，当GJ失磁落下时，光电耦合器全部截止，其输出端均为低电平，轨道电路的安全侧状态变换成代码0000，经由通用并行输入口送入计算机。计算机对四个码元进行“与”运算，结果为“1”说明轨道电路在空闲状态；如果结果为“0”，说明轨道电路在占用状态。显然电路发生故障时，运算的结果为“0”的概率远远大于运算结果为“1”的概率，实现了故障导向安全。从理论上讲，这是一种信息冗余技术。冗余程度愈高，即码元数愈多，安全性愈高，但可靠性和经济性也愈低。实际应用时，一般选4位或8位码元代表一个信息。2.2 动态故障安全输入接口+5VR3R1D1输入口通用接口输出口联锁微机KZKFGJC1G2G1R2图4 动态故障安全输入接口电路 动态故障安全输入接口的电路形式如图4所示，仍以采集轨道继电器的状态为例。图中用了两个光电耦合器G1和G2。G1的输入级和G2的输出级串联。G2导通时，由GJ前接点控制G1的导通与截止。G2的输入级由计算机的输出口控制它的通断，G1的输出则接向计算机的输入口。在GJ前接点闭合的情况下，若计算机输出高电平“1”信号，则使G2导通，从而使G1亦导通。于是G1输出端输出一个低电平“0”信号送入计算机。反之，若计算机输出一个低电平“0”信号，则G2截止，G1亦截止，读入计算机的则是高电平“1”信号。因此，计算机的输入输出互为反向关系。当系统需要采集GJ的状态信息时，由计算机输出脉冲序列，例如1010，在GJ前接点闭合(危险侧)且电路未发生故障的情况下，返回计算机的必然是反向脉冲序列0101；而当GJ落下(安全侧)或电路任何一点发生故障时，G2的输出端必然呈稳定电平(1或0)。计算机读入该稳定信号，则表明收到了安全侧信息。动态输入采集接口，从计算机输入输出的关系看，实际上是一个闭环形式的动态脉冲电路。它是通过计算机校验输入代码是否畸变来判断输入电路是否故障，从而实现故障安全。3 控制信息输出接口电路计算机输出的控制信息的目的是要控制执行部件即信号继电器，为了实现故障安全，大多数情况下均采用动态输出驱动的方式，即采用动态继电器。图5动态继电器原理图。其工作原理是：在电路正常情况下，当计算机没有控制命令输出时，A端为低电平，光电耦合器G1截止，由控制电源经由R2、D1和D2向电容器C1充电。当充电电压接近电源电压时，充电过程结束，此刻电路处于稳态。由于R3、C2没有电流流过，电容器C2两端没有电压，此时偏极继电器J处于释放状态。当有控制命令输出时，传送到A端的则是脉冲序列。当A端处于高电位时，G1导通，电容器C1放电，C1放电的电流一方面通过G1的集射极、偏极继电器J的线圈、D3形成回路，使J吸起；另一方面经R3向电容器C2充电。当A端由高电平变为低电电平时，G1又重新截止，电容器C1恢复充电。此时靠C2的放电时J维持不落。这样，在脉冲序列作用下，随着A端电平的高低变化，G1不断地导通截止，C1和C2也就不断地充放电，使继电器励磁并保持吸起，直到A端无控制命令(脉冲序列)输入，G1截止，C2得不到能量补充，待其端电压降到继电器落下值时，J才失磁落下。该电