第9章 总体设计

1、第九章第九章 计算机控制系统总体计计算机控制系统总体计 9.1 9.1 设计步骤和方法设计步骤和方法 9.2 9.2 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 9.3 9.3 铁路信号微机监测系统铁路信号微机监测系统 9.1 9.1 计算机控制系统的设计步骤和方法计算机控制系统的设计步骤和方法 计算机控制系统的设计应当包括以下几个内容： 1、系统总体方案设计； 2、控制系统的硬件设计； 3、控制系统的软件设计；4、系统的仿真和调试。 一、控制系统总体方案的确定一、控制系统总体方案的确定 确定计算机控制系统的总体方案是进行系统设计的最重要 的一步。总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的投资、调 节品

2、质和功能。总体方案的设计可以从以下几个方面进行考虑： 1 1、系统的功能要求、系统的功能要求 在确定控制系统的设计方案前，必须对现场进行充分的调 查和了解，明确该控制系统的祥细功能和要求，如下面所示： (1)被控对象中哪些物理信号需要进行输入、输出或处理， 各类信号的类型和数值范围，信号处理的精度和实时性要求等。 (2) 控制功能的要求:开环控制还是闭环控制，要求达到的控 制品质，如时间特性，稳定性等。 (3) 人机界面的要求:包括显示、报警、打印、输入/输出操 作的要求等。 (4)系统运行环境:温度、湿动、震动、各类干扰等。 (5) 系统的可靠性和可维护性。 2 2、根据功能要求，粗选实现的

3、硬件和软件、根据功能要求，粗选实现的硬件和软件 (1) 硬件：包括传感器，微型计算机、输入/输出通道、执行 机构、各类外设等。 (2)软件：包括操作平台、管理监控程序等系统软件和控制算 法、数据采集及处理等应用软件。 3 3、画出整个控制系统的原理图，编写祥细的设计技术文件、画出整个控制系统的原理图，编写祥细的设计技术文件 结合工业流程，画出控制系统的总的原理图，编写祥细的 技术文件，征求委托者和现场操作人员的意见，经过反复修改， 直到双方满意后确定总体方案。 二、控制系统的硬件设计二、控制系统的硬件设计 在系统的总体方案完成之后，可进行系统的硬件设计，将 总体设计中粗选的硬件进行细化和实施。

4、 1 1、 确定控制系统的方案确定控制系统的方案 根据功能要求，决定采用数据采集、直接数字控制，计算机 监控还是分布式控制。 2 2、 选择计算机选择计算机 根据不同的控制方式，可选择不同的计算机： （1）机型：采用单片机，PLC、STD工控机还是PC工控机。 （2）计算机的档次：位数：4位、8位、16位、32位。 存储器：内、外存类别和容量； 外设与系统的可兼容性和可扩展性要求等 3 3、检测元件和执行机构的选择、检测元件和执行机构的选择 检测元件影响控制系统精度，测量各种参数的传感器和变 送器种类繁多，可查阅手册和厂家的说明书进行正确和细微的 选择。 执行机构要与控制算法匹配，同时由被控对

5、象的实际情况 决定。电动执行器响应速度快，与计算机接口容易，成为计算 机控制系统的首选。气动执行器结构简单，操作方便，使用可 靠。液压执行器输出功率大、结构紧凑、控制调节方便。可根 据不同的系统进行选择。 4 4、 输入输入/ /输出通道及外围设备的选择输出通道及外围设备的选择 输入/输出通道应根据被控对象参数的多少来确定，并根据 系统的功能要求配备适当的外围设备，选择时应考虑以下几个 问题： （1）被控对象参数的数量； （2）数据的类型、字长和位数； （3）串行操作还是并行操作，数据的传送速率； （4）对显示打印有何要求。 输入/输出通道可以购买现成的接口板，如A/D、D/A转换接 口板，开

6、关量I/O板，实时时钟板，电机控制板等，这主要适用 于工业PC和STD总线工业控制机系统。 另一种方案是根据系统的实际需要，选用合适的芯片自行 设计，一般用于单片机控制系统；设计内容包括存储器，显示 器，模拟量输入 /输出通道，开关量输入/输出通道等。 5 5、 操作面板操作面板 操作面板又称操作台，是人机对话的纽带。操作面板应当 使用方便，操作简单，安全可靠，并且有自动保护能力，以避 免误操作带来的不良后果。 操作面板的主要功能有： （1）输入源程序到微机的存储器中； （2）监视控制系统的执行情况； （3）根据工艺要求，修改控制参数和给定值，选择工作方式和 控制回路； （4）打印、显示结果，

7、设置报警状态； （5）完成多种画面的显示 （6）完成手动自动的无扰动切换。 为了完成上述功能，操作台设量了许多的按钮和开关，并 通过接口与主机连接。为了安全、操作面板上应当设置电子锁。 6 6、其它、其它 电源、时钟、负载匹配，抗干扰等问题。电源、时钟、负载匹配，抗干扰等问题。 硬件设计的最后成果是画出祥细的硬件电路图，提供给生 产厂家生产。 三、控制系统的软件设计三、控制系统的软件设计 控制系统的系统软件主要由操作系统，诊断系统，开发系 统和信息处理等软件组成，完成资源的管理，系统故障诊断， 各类语言的编译等任务。目前购买的微型计算机中系统软件一 般配置齐全，只需按要求选用，不用自行设计。

8、控制系统的应用软件主要由过程监视，过程控制，控制算 法。各类公共服务程序等软件组成。应用软件通常是根据用户 需要和系统控制功能，自行设计。 1 1、控制系统对应用软件的要求、控制系统对应用软件的要求 （1）实时性 工业控制系统是实时控制系统，要求在规定的时间间隔内 完成系统的计算、处理和控制，因此对应用软件的执行速度有 要求。 为了提高软件的执行速度，控制系统的应用软件一般采用 汇编语言或汇编语言与高级语言的混合编写方法。常用的高级 语言有C语言、PC/M语言和FORTH语言等。 （2）灵活性和通用性 采用结构化程序方式，将共用程序编写成子程序。这种模 块结构设计方法可使应用软件具有通用性和灵

9、活性，使程序设 计过程大大简化。 （3）可靠性 在微型机控制系统中，系统的可靠性至关重要，它是控制 系统正常工作的基本保障。为保证软件的可靠性，可设计一个 诊断程序，定时对系统进行诊断，近年来广泛采用watchdog方 法，增加软件的可靠性。 2 2、控制系统应用软件的分类、控制系统应用软件的分类 在设计控制系统应用软件时，常将其分成主程序、子程序 和中断服务程序三大类。 （1）主程序 主程序应当包含各种控制参数的初始化，I/O接口、堆栈、 存取数据区的地址设置，子程序的入口地址和调用，中断矢量 和中断控制方式的设定等。 （2）子程序 子程序完成控制系统的各种功能。一个完整的控制系统可 能包含

10、以下功能子程序。 标准时间子程序 各类算术和逻辑运算子程序 A/D，D/A转换子程序 数字滤波子程序 控制算法子程序 标度变换子程序 显示与报警子程序等 （3）中断服务程序 中断服务程序用于外设与CPU间的信息传递和发生故障时 进行紧急处理。 3 3、应用软件的开发过程、应用软件的开发过程 （1）将控制统按功能要求划分成功能模块； （2）确定哪能些任务和功能用子程序完成，哪些任务为中断 源，用中断服务程序解决，在此基础上设计主程序； （3）画出各类程序的流程框图； （4）选择适合的计算机语言编写各类程序； （5）上机调试。 四、系统的调试和运行四、系统的调试和运行 在硬件设计和软件设计完成后，

11、可对系统进行调试并试运 行，以便检测设计效果和存在的问题。 1 1、 硬件调试硬件调试 硬件调试可排除设计错误、安装工艺性故障和样机故障。 （1）脱机检测 拔出全部集成芯片，给系统供电，用万用表和逻辑仪检查 芯片各管脚电位和连接，排除接线错误、开路和短路，确定无 误后，再插上芯片。 （2）联机调试 若已经有调试好的样机，可将要调试系统的CPU和EPROM拔 掉，将样机接入并运行，观察各部分接口电路的工作状态是否 满足设计要求。还可通过运行一些简单的程序观察各部件的工 作是否正常。 2 2、 软件调试软件调试 软件调试的目的是检验应用软件的功能并修正软件的错误。 （1）人工汇编 将设计软件源程序

12、的每一条指令进行人工译码，然后输入 到样机中的静态RAM中进行调试，若发现错误则进行更正，此 方法无需增加设备，又较简捷，但速度慢。 （2）仿真 采用仿真软件可在PC机上调试汇编语言程序，完成后再移 转到硬件系统中去调试。 完成调试后，用EPROM写入器将目标 代码写入EPROM中，系统就可以投入运行。 3 3、硬、软件联合调试、硬、软件联合调试 经过硬件、软件单独调试后的系统，在运行中仍可能发生 硬、软件不相匹配的地方，因此还需要进行联合调试。在联合 调试中可能会找到设计中的不足和错误，需要时要对设计方案 进行反复修改，直到满意为止。实验室调试工作完成后，即可 组装成整机，移至现场进行实地运

13、行和进一步调试，直至能稳 定工作为止。 9.2 9.2 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 温度是工业对象中最主要的被控参数之一。特别是在冶金、 化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反 应炉等。 由于炉子的种类不同，因此所采用的加热方法及燃料也不 同，如煤气、天然气、油、电等等。其控制系统本身的动态特 性来说，基本上都属一阶纯滞后环节，因而在控制算法上基本 上相同。 用计算机对炉窑进行控制，可提高产品质量和数量、节约 能源，改善劳动条件。 本节主要介绍由8051系列单片机组成的温度控制系统组成 原理及程序设计方法。 一、温度控制系统的组成（图一、温度控制系统的组成（图9-19

14、-1） 该系统被控对象为用天然气加热的退火炉8座，天然气烧嘴 为自带空气形式。退火炉主要用于钢材的热处理，以改变钢材 的物理性能。 被测参数主要是温度，测量范围为0-1000。为此，我们 采用8031单片机作为主机。其原理框图如图9-1所示。 (1)被测参数温度经热电偶T-1测量后转换成mV信号； (2)经变送器转换成0-5V电压信号； (3)经多路开关，把8座退火炉的温度测量信号分时地送 到采样/保持器和A/D转换器进行模拟/数字转换； (4)转换后的数字量经I/O接口读入到CPU，在CPU中经数据处理 后，送显示，并判断是否有报警。 (5)计算值与给定值进行比较，然后根据偏差值由CPU确定

15、控输 出。 (6)控制器输出经D/A转换器转换成4-20mA电流信号，以带动电 动执行机构动作。 (7)当采样值大于给定值时，把天然气阀门关小，反之将开大阀 门。这样通过改变进入退火炉的天然气的流量，达到控制温度 的目的。 本系统不但可以进行恒温控制，而且可以通过软件设计使 其能按着一定的升温曲线控制。 二、温度控制系统硬件设计二、温度控制系统硬件设计 控制系统的硬件是实现温度控制的基础，因此，温度控制 系统硬件设计是非常重要的。 主要设计内容包括温度测量、A/D转换、单片机系统、键 盘操作系统、温度显示电路、报警电路、D/A转换等。下边介 绍部分硬件电路设计方法。 (一)检测元件及温度变送器

16、 退火炉的温度测温范围为0-1000，检测元件选用镍铬- 镍铝热电偶（分度号为K），其对应输出信号为0-41.2643mV。 表9-1 温度/数字对照表 温度（）0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1010 热电偶输出 （mV） 0 4.1 8.1 12.2 16.4 20.6 24.9 29.1 33.2 37.3 41.5 变送器输出 （V） 0 0.49 0.98 1.97 2.48 2.99 3.50 4.00 4.48 5.00 A/D输出 （H） 000 191 322 4B3 64E 991 B33 CCD E56 FFF 温度变送器选用现

17、成的集成一体化变送器，在0-1010时 对应输出为0-5V。由于本系统使用12位A/D转换，故系统采样分 辨度为1010/40960.25/LSB。其温度数字量对照表如表9-1 所示。 （二）A/D转换器及数据采样（图9-2） 本系统采用AD574 12位A/D转换器，其与8031的接口电路 如图9-2所示。 CD4051：多路开关 LF398：采样保持器 74LS373：锁存器 AD574： A/D转换器，双极性、左对齐 （1）被测参数经多路开关CD4051选通后，送到采样/保持器的 输入端。到底哪一路被选中，由多路开关的选择控制端A、B、C 以及允许锁存端INH控制。 （2）采样/保持器的

18、工作状态由A/D转换器的转换结束标志STS 的状态控制。当A/D转换正在进行（或未进行时），STS输出为 高电平，经反相后，变为低电平，送到S/H的逻辑控制端 （Logic），使S/H处于保持状态，即可开始A/D转换。转换后 的数字量由8031的数据总线分两次读到CPU寄存器。 （3）转换结束后，STS由高电平变为低电平，反相后呈高电平， 因而使S/H翻转为采样状态。 这种方法不必单独送S/H控制信号，所以使系统运行速度 加快。 (三)键盘/显示接口电路（图9-3） 为了使操作人员能够观察炉子的温度变化情况，设计了4位 LED显示器。第一位为通道号，第2-4位用来显示温度，最大为 999。 显

19、示方法设计有两种方式： （1）自动循环显示：在这种方式下，计算机可自动地把采样 的1# 8#退火炉的温度进行循环显示，同时显示通道号； （2）定点显示：即操作人员可随时任意查看某一个退火炉的 温度，并且两种显示方式可任意切换。 系统专门设计了一个44矩阵键盘，其中0-9为数字键，A- F为功能键。键盘的主要功能是完成参数设置，自动/手功选择 以及系统的启动和停止。 键盘与显示电路是通过可编程接口8255A与单片机相连，其 原理电路如图9-3所示。 （1）8255A的B口作为显示接口 （2）本系统采用静态显示，74LS273为锁存器，74LS48为 共 阴极译码/驱动器，LED数码管采用CS51

20、37T。 （3）键盘为44矩阵键盘，8255A口的PA3-PAO为行扫描接口， 从B口PB3-PBO读入列值，键盘处理采用中断方式。 （4）8255A的B口工作在两种方式下，在显示状态下为输出方 式，在键盘中断服务程序处理过程中为输入方式。只需在相应 操作前重新设置8255A的工作方式即可。 （四）报警显示电路（图9-4） 系统专门设计一个报警电路。采用双色发光二极管，当 LAi为高电平时，Lbi为低电平时，发光二极管为绿色；当LAi 为低电平，Lbi为高电平时，发光二极管为红色；当两个均为 高电平时，为黄色。 系统每个发光二极管代表一座退火炉，当温度正常时为绿 色，高于上限值时为红色，低于下

21、降值时为黄色。操作人员根 据双色发光二极管的颜色，即可了解每座退火炉工作是否正常。 报警电路控制分别由8255A的C口（PC.7-PC.O）和8031的P1口 (P1.7-P1.0)来完成。为了引起操作人员注意，系统还设计一 个报警声音电路。用8255A的PA7驱动晶体二极管，控制语音芯 片9561带动喇叭发音。 （五）译码电路（图9-5） 为了使系统各个接口能正能正常工作，系统专门设计一个 译码器电路。由于本系统接口比较多，所以采用74LS154四-十 六译码器可译出16个地址。 在图9-5中，地址总线A15、A14控制译码器的控制端G1， A13、A12控制译码器的控制端G2。A11-A9

22、接译码器选择控制端 D、C、B、A。译码器各输出端口的片选信号如图所示，可分析 出各端口地址如表9-2： 本系统还有8个D/A转换电路，采用DAC 0832输出为4-20mA, 关于D/A转换接口此处不再叙及。 A15A14 A13 A12A11A10A9 A8 A7A0 1 1 1 1 0 0 0 0 00Y0F000H 1 1 1 1 0 0 0 1 00Y1F100H 1 1 1 1 0 0 1 0 00Y2F200H 1 1 1 1 0 0 1 1 00Y3F300H 1 1 1 1 0 1 0 0 00Y4F400H 1 1 1 1 0 1 0 1 00Y5F500H 1 1 1 1

23、 0 1 1 0 00Y6F600H 1 1 1 1 0 1 1 1 00Y7F700H 1 1 1 1 1 0 0 0 00Y8F800H 1 1 1 1 1 0 0 1 00Y9F900H 1 1 1 1 1 0 1 0 00Y10FA00H 1 1 1 1 1 0 1 1 00Y11FB00H 1 1 1 1 0 0 0 0 00Y12FC00H 1 1 1 1 0 0 0 0 00Y13FD00H 三、温度控制系统数字控制器数学模型三、温度控制系统数字控制器数学模型 在温度调节系统中，由于炉子的时间常数很大（相对于 采样周期而言），所以其闭环调节系统可以用一个一阶滞后 环节来近似，其调

24、节原理方块图如图9-6所示。 由于整个系统为纯滞后节，所以应用前面所介绍的大林算 法来设计数字控制器。 炉子的传递函数为 （9-1） 式中:退火炉时间常数；K:调节系统总的放大倍数 :系统的纯滞后时间，且=NT，T为采样周期。 把D/A转换器划归零阶保持器内，则整个对象加上零阶保 持器的广义传递函数为： （9-2） 可求出其广义脉冲传递函数： s e s K sG 1 )( s s K s e esHG Ts 1 1 1 )( （9-3） 根据大林算法，其系统的整个闭环脉冲传递函数为 1 1 1 1 1 1 )1 ( 1 1 )()( Ze e K S s Ke S s e z sGZzHG

25、T T N Z NTT 1 1 1 )1 ( )( ze ze T N T zGc 根据数字控制器的设计式，可得： （9-4） 式中：T-采样周期；1-对象的时间常数； -闭环系统的时间常数。 式（9-4）为退火炉按大林算法得出的数字控制器的数学模型。 为了用计算机实现比较方便，我们把式（9-4）再进一步化简 为： （9-5） 11 1 1 1 )1 (1)1 ( )1)(1 ( )(1)( )( )( N TT T T T zezeeK eze zGczHG zGc zD 1 2 1 1 1 10 1 )( N zbzb zaa zD 其中： （9-6） 当我们由系统的特性曲线确定出及后，系

26、数a0,a1,b1,b2则 可分别求出。将式（9-5）所示的数字控制器用差分方程表示， 则 （9-7） 式中，U(k):数字控制器的输出；E(k):偏差信号。式（9-7）即 为设计数字控制器的数学模型。 T T T T T T T T eb eb a a eK ee eK e 1 2 1 )1( 1 )1( 1 0 1 )() 1 ( 1 1 ) 1()() 1() 1()( 1021 kEakEaNkUbkUbkU 四、温度控制系统软件设计四、温度控制系统软件设计 在完成系统硬件设计并求出数学模型之后，即可着手进行 控制系统的软件设计。该系统软件设计采用模块式结构，主要 分三部分： （1）主

27、程序 （2）键盘中断服务程序 （3）定时采样及处理程序。 （一）控制系统的主程序（一）控制系统的主程序 主程序主要进行初始化、分配内存单元及设置定时器参数。 本系统数据通道比较多，再加上一些给定值，如温度上、下限 报警给定值，控制曲线设定值等，所占内存单元很多，故本系 统将使用内部RAM及外部RAM，这两种RAM传送数据方法不同。 系统的采样周期为5s，只用一个定时器是不够的，可以采 用两个定时器串联的方法，即设T0为定时方式，设T1为计数方 式。 系统采用T0和T1串联的纯硬件定时方式。 设T0为定时方式1，定时的时间间隔为100ms，时钟频率选 6MHZ，代入公式T=（216-X）*12*

28、1/fosc,可得出T0应装入的时 间常数X=3CBOH，可分别装入TH0和TL0。 设T1为计数方式2，计数值为50（即32H）。T1应装入的时 间常数为205（CDH），将该值分别装入TH1和TL1。 定时器0、定时器1均允许中断。当计数器T1计满后，即 可产生5S中断申请。 （二）（二） 定时采样处理中断服务程序定时采样处理中断服务程序 定时采样处理中断服务是本系统的主要组成部分，其任务 是： （1）数据采集（2）数字滤波（3）标度变换 （4）报警处理 （5）显示通道号及温度 （6）控制计算与输出等 为了使程序设计请楚、简单，将每一部分任务设计成一个 模块形式。下面介绍几个主要模块。 1

29、 1、数据采集模块、数据采集模块 数据采集程序的主要任务是巡回检测8个退火炉的温度系数， 并将检测的结果存入外部RAM中。 巡回检测是指依次将8个通道各采样一次，然后再采样第二、 第三次， ，直到每个通道采样次数达到设定的采样次数为止。 系统用延时方式进行采样，其流程图如图9-8所示。本程序 A/D转换采用了延时方法，若要求实时性高，可改用中断方式。 2 2、报警处理模块、报警处理模块 根据本系统时报警的要求，可画出报警流程图如图9-9所示。 程序设计时设定8座退火炉上限报警值和下限报警值的有效 区间，并将上、下限报警值与检测值比较，将比较后的相应报 警标志存入相应的内存之中。 如图9-4所示

30、，下限报警信号必须待两个控制信号LAi和LBi 同时为高电平时才呈现黄色。因此，本程序在输出模型之前必 须先做一个处理，如将下限报警信号及正常信号合并后再由 8031的P1口和8255A的C口分别输出。 3 3、数字控制器的程序设计、数字控制器的程序设计 数字控制器是控制系统的核心，由式（9-7），本系统的数 字调节器模型为： ) 1()() 1() 1()( 1021 kEakEaNkUbkUbkU 首先将式中各系统 a0，a1，b0，b1算出，再将其存入相 应的内存单元。 为提高运算精度，可采用三字节浮点运算，各个数据占3 个存储单元。 上述程序只画出了流程图，相关程序没有给出，读者可 参

31、照书中各章节自行编写。另外的一些程序，如数字滤波， 标度变换、显示等也不再一一叙述。 主程序 设置堆栈 8255初始化 RAM地址分配 定时器工作方式 定时器0初始化 定时器1初始化 开中断 等待中断 PCTL8255：EQU 0F103H PC8255： EQU 0F102H PB8255： EQU 0F101H PA8255： EQU 0F100H DA1： EQU 0F400H DA2： EQU 0F500H DA3： EQU 0F600H DA4： EQU 0F700H DA5： EQU 0F800H DA6： EQU 0F900H DA7： EQU 0FA00H DA8： EQU 0

32、FB00H AD574： EQU 0FC00H LS175： EQU 0FD00H CDATA：EQU 00H; 数据采集单元首地址 FDATA：EQU 50H；数字滤波数据首地址 SDATA：EQU 60H；标度变换数据元首地址 SETTEMP：EQU 70H；设定温度首地址 TEMPMAX： EQU 80H；报警上限首地址 TEMPMIN：EQU 90H；报警下限首地址 FFDATA：EQU 0A0H；采样温度首地址 ALARMAX： EQU 00H；报警上限标志位首地址 ALARMIN：EQU 08H；报警下限标志位首地址 COUNT： EQU 22H；采样次数 CHADDR：EQU 2

33、3H；采样通道号 BUFF： EQU 24H；采样数据缓冲 DPLBUFF：EQU 25H；显示缓冲 FETEMP： EQU 26H；设定温度首地址（浮点数） COFF： EQU 3EH；数字控制器系数 ORG0000H LJMP MAIN ORG0003H LJMP INT0 ORG000BH LJMP INTT0 ORG001BH LJMP INTT1 ORG100H MAIN：MOV SP，#69H MOV A， #80H MOV DPTR，#PCTL8255 MOVX DPTR，A ；清数据采集和显示缓冲等单元 MOV 20H，#00H MOV 21H，#00H MOV R0，#00H

34、 MOV R1，#50H MOV A，#00H CLE1：MOVX R0,A INCR0 DJNZ R1,CLE1 MOV TMOD,#61H MOV TH1,#0CDH MOV TL1,#0CDH SETB TR1 MOV TH0,#3CH MOV TH1,#0B0H SETB TR0 SETB ET0 SETB ET1 SETB EA 9.3 9.3 铁路信号微机监测系统铁路信号微机监测系统 铁路信号微机监测系统是计算机联锁系统的配套铁路信号微机监测系统是计算机联锁系统的配套 系统，用于科学的、有效的对车站的信号设备进行管系统，用于科学的、有效的对车站的信号设备进行管 理和维护。理和维护。

35、 铁路信号微机监测系统研制的必要性：铁路信号微机监测系统研制的必要性： 1 1、提高信号设备电气测试水平、提高信号设备电气测试水平 人工测量工作量大、采集的数据量少、无法反应设人工测量工作量大、采集的数据量少、无法反应设 备的全天候运行状态和潜在性的故障。备的全天候运行状态和潜在性的故障。 2 2、可捕捉间歇性故障，有利于故障分析和诊断。、可捕捉间歇性故障，有利于故障分析和诊断。 3 3、有利于信号设备的维护、有利于信号设备的维护 信号设备的维护由计划检修变为状态检修，提高了信号设备的维护由计划检修变为状态检修，提高了 信号设备的维护科学性，保证了行驶列车的安全。信号设备的维护科学性，保证了行

36、驶列车的安全。 一、监测系统的技术要求一、监测系统的技术要求 1 1、系统在任何条件下，不能影响联锁设备的正常、系统在任何条件下，不能影响联锁设备的正常 运行，要求监测设备和联锁设备具有良好的电气隔离；运行，要求监测设备和联锁设备具有良好的电气隔离； 各种监测，报警电路必须构成独立的电路系统。单独各种监测，报警电路必须构成独立的电路系统。单独 设置电源，不准借用信号联锁条件，不准借用接点或设置电源，不准借用信号联锁条件，不准借用接点或 共用接点组等等。共用接点组等等。 2 2、较强的抗干扰能力和可靠性。、较强的抗干扰能力和可靠性。 3 3、有好的实时性，可及时检测出电气集中设备的、有好的实时性

37、，可及时检测出电气集中设备的 性能、参数和状态的变化，为设备的日常维修，使用性能、参数和状态的变化，为设备的日常维修，使用 和故障排除提供可靠的测试数据。和故障排除提供可靠的测试数据。 4 4、系统满足联网要求，实现站、系统满足联网要求，实现站大工区大工区电务段电务段 三级数据联网。三级数据联网。 5 5、系统的软硬件应按标准化，规范化，系列化，系、系统的软硬件应按标准化，规范化，系列化，系 列化，模块化设计。做到大，中，小站兼容，并具有列化，模块化设计。做到大，中，小站兼容，并具有 现场变更扩充的可能，有较好的性能价格比。现场变更扩充的可能，有较好的性能价格比。 二、铁路信号监测系统的技术指

38、标二、铁路信号监测系统的技术指标 （一）模拟量在线监测（一）模拟量在线监测 1 1、电源屏监测、电源屏监测 （1 1）监测内容：电网输入状态、电源屏输出电压）监测内容：电网输入状态、电源屏输出电压 （2 2）监测点：各种电源屏的输入、输出端）监测点：各种电源屏的输入、输出端 （3 3）测量路数：最大）测量路数：最大3232路，精度：路，精度：2%2%以内以内 （4 4）量程：）量程：AC380VAC380V，AC220VAC220V、AC110VAC110V、AC24VAC24V、 AC12VAC12V、DC220VDC220V、DC60VDC60V、DC24VDC24V、DC6VDC6V （

39、5 5）测试方式：周期巡测，周期）测试方式：周期巡测，周期1S1S，缺相记录并，缺相记录并 报警、错相记录并报警、断电（电压低于额定值报警、错相记录并报警、断电（电压低于额定值65%65% 以下，时间超过以下，时间超过140ms140ms）记录并报警）记录并报警 （6 6）电网输入监测：电网输入电压大于额定值的）电网输入监测：电网输入电压大于额定值的+15+15 、-20-20时记录并报警时记录并报警 2 2、转辙机监测、转辙机监测 （1 1）测试机型：直流电动转辙机、三相交流电动转）测试机型：直流电动转辙机、三相交流电动转 辙机（辙机（DF-6DF-6为主要参考）为主要参考） （2 2）测量

40、容量：）测量容量：6464个回路，随机测试，采样速率个回路，随机测试，采样速率 40ms40ms （3 3）监测点：动作回线）监测点：动作回线 （4 4）监测量程：动作电流）监测量程：动作电流 0-10A0-10A，动作时间，动作时间6-20s6-20s （5 5）测量精度：电流不大于）测量精度：电流不大于3%3%，时间不迟于，时间不迟于0.1s0.1s （6 6）测试方式：随机测试）测试方式：随机测试 3 3、轨道电路监测、轨道电路监测 （1 1）类型：交流连续式轨道电路，检测轨道继电器）类型：交流连续式轨道电路，检测轨道继电器 两端交流电压两端交流电压 （2 2）监测点：轨道继电器端）监测

41、点：轨道继电器端 （3 3）量程：）量程：0 040V40V （4 4）容量：）容量：128128路，精度：路，精度：2%2% （5 5）测试方法：周期巡测，时间）测试方法：周期巡测，时间2 2分钟，轨道继电分钟，轨道继电 器励磁时测调整电压，失磁时测分路电压；命令监测，器励磁时测调整电压，失磁时测分路电压；命令监测， 根据需要随时以命令方式监测残压根据需要随时以命令方式监测残压 4 4、电缆绝缘监测、电缆绝缘监测 （1 1）监测内容：电缆芯线全程对地绝缘）监测内容：电缆芯线全程对地绝缘 （2 2）监测点：分线盘或电缆测试盘处）监测点：分线盘或电缆测试盘处 （3 3）测试电压：）测试电压：DC

42、500DC500 （4 4）量程）量程:0:020M, 20M, 超出量程值时显示超出量程值时显示“2020兆欧兆欧” （5 5）测量精度：士）测量精度：士1010 （6 6）测试方法）测试方法: :人工启动后自动测量人工启动后自动测量 5.5.电源对地漏泄电流监测电源对地漏泄电流监测 （1 1）监测内容：输出电源对地漏泄电流）监测内容：输出电源对地漏泄电流 （2 2）监测点：电源屏输出瑞）监测点：电源屏输出瑞 （3 3）容量：最大）容量：最大4848路路 （4 4）监测量程：）监测量程：AC 0300mAAC 0300mA，DC 010mADC 010mA，精度，精度 10%10% （5 5

43、）测试方法：在天窗点内人工启动，通过）测试方法：在天窗点内人工启动，通过1 1电电 阻测试电源对地漏泄电流值阻测试电源对地漏泄电流值 、区间自动闭塞监测、区间自动闭塞监测 （1 1）监测类型：集中式移频、）监测类型：集中式移频、UM710UM710 （2 2）监测内容：闭塞分区轨道电路发送、接受端电）监测内容：闭塞分区轨道电路发送、接受端电 压压 （3 3）监测点：发送器（盒）功出电压、接受器（盒）监测点：发送器（盒）功出电压、接受器（盒） 限（接）入电压限（接）入电压 （4 4）监测量程：发送电压）监测量程：发送电压200200，接受电压，接受电压55 （5 5）测量精度：士）测量精度：士

44、（6 6）测试方式：周期巡测，巡测周期小于等于）测试方式：周期巡测，巡测周期小于等于2min2min 动态监测，轨道有车占用时监测；命令监测，根据需动态监测，轨道有车占用时监测；命令监测，根据需 要随时以命令方式监测要随时以命令方式监测 、站内电码化监测、站内电码化监测 （1 1）监测类型：移频、）监测类型：移频、 UM710UM710 （2 2）监测内容：电码化轨道电路发送端电流、电）监测内容：电码化轨道电路发送端电流、电 压压 （3 3）监测点：分线盘和检测盒处。）监测点：分线盘和检测盒处。 （4 4）监测量程：）监测量程： ，01000100 （5 5）测量精度：士）测量精度：士 （6

45、6）监测方法：周期巡测，巡测周期小于等于）监测方法：周期巡测，巡测周期小于等于 2min2min动态监测，分路状态时测发动态监测，分路状态时测发 送端电流送端电流 （二）开关量在线测试（二）开关量在线测试 1 1监测类型：按钮状态、控制台表示、功能型继电监测类型：按钮状态、控制台表示、功能型继电 器状态。器状态。 2 2监测内容：开关量实时状态变化。监测内容：开关量实时状态变化。 (1) (1) 监测列车信号主灯丝断丝，可按信号机架或架监测列车信号主灯丝断丝，可按信号机架或架 群报警。群报警。 (2) (2) 对组合架零层、组合侧面以及控制台的主副熔对组合架零层、组合侧面以及控制台的主副熔 丝

46、转换装置进行监测。丝转换装置进行监测。 (3) (3) 记录集中式（或有小循环）的区间信号机点灯、记录集中式（或有小循环）的区间信号机点灯、 区间轨道电路占用状态。区间轨道电路占用状态。 (4)(4)站内电码化发码、传输继电器状态监测并记录。站内电码化发码、传输继电器状态监测并记录。 (5) (5) 道岔表示缺口监测，道岔表示缺口、道岔实际位道岔表示缺口监测，道岔表示缺口、道岔实际位 置，对道岔表示缺口超限记录。置，对道岔表示缺口超限记录。 (6)(6)道岔实际位置与室内表示不一致动态监测并记录。道岔实际位置与室内表示不一致动态监测并记录。 (7)(7)道岔电路道岔电路SJSJ第八组接点封连进

47、行动态监测并记录。第八组接点封连进行动态监测并记录。 3 3监测点：按钮状态原则上从按钮表示灯电路采集，监测点：按钮状态原则上从按钮表示灯电路采集， 对于无表示灯电路的按钮，对于无表示灯电路的按钮， 采按钮空接点；控制台所采按钮空接点；控制台所 有表示灯从表示灯电路采集；其他继电器状态，根据有表示灯从表示灯电路采集；其他继电器状态，根据 系统软件实现监测功能的需要，具体选定继电器进行系统软件实现监测功能的需要，具体选定继电器进行 采集。采集。 4 4开关量采样周期：不大于开关量采样周期：不大于250ms250ms，采集容量：最，采集容量：最 大大10241024路路 （三）故障报警（三）故障报

48、警 1 1一级报警一级报警 (1) (1) 报警内容：涉及到行车安全的信息。报警内容：涉及到行车安全的信息。 (2) (2) 报警方式：声光报警；人工确认后停止报警，报警方式：声光报警；人工确认后停止报警， 并传送到站机、车间（领工区）机及段机。并传送到站机、车间（领工区）机及段机。 2 2二级报警二级报警 (1) (1) 报警内容：影响行车和设备正常工作的信息。报警内容：影响行车和设备正常工作的信息。 (2) (2) 报警方式：声光报警；报警后，延时适当时间报警方式：声光报警；报警后，延时适当时间 自动停报，并传送到站机及车间（领工区）机。自动停报，并传送到站机及车间（领工区）机。 3 3三

49、级报警三级报警 (1) (1) 报警内容：电气特性超标。报警内容：电气特性超标。 (2) (2) 报警方式：红色显示报警；电气特性恢复正报警方式：红色显示报警；电气特性恢复正 常后自动停报常后自动停报 （四）技术要求（四）技术要求 1 1采集机采集机 采集机应具有良好的可靠性和实时性，并具有抗采集机应具有良好的可靠性和实时性，并具有抗 干扰及自检功能。采集机与被测设备之间必须具有干扰及自检功能。采集机与被测设备之间必须具有 良好的电气隔离措施。良好的电气隔离措施。 采集机必须采用高可靠的开关量和模拟量采集器采集机必须采用高可靠的开关量和模拟量采集器 件。件。 采集机应留有与调度管理信息系统（采

50、集机应留有与调度管理信息系统（DMISDMIS）等有关）等有关 的开关量采集端于和数据通信接口。的开关量采集端于和数据通信接口。 采集机应根据功能划分，采集容量须满足不同监测采集机应根据功能划分，采集容量须满足不同监测 规模的要求，并适应分散和集中两种设置方式。规模的要求，并适应分散和集中两种设置方式。 采集机的电路板、插件等应进行可靠性和可维修性采集机的电路板、插件等应进行可靠性和可维修性 设计。采集机的电路板、面板、组合、机柜尺寸符合设计。采集机的电路板、面板、组合、机柜尺寸符合 GBGBT3047T30472 2或或TB476TB476的相关规定。的相关规定。 2 2站机、车间（领工区）

51、机与段机站机、车间（领工区）机与段机 (1) (1) 站机必须采用可靠的工业级控制微机。站机必须采用可靠的工业级控制微机。 (2) (2) 站机、车间（领工区）机与段机的应用程序站机、车间（领工区）机与段机的应用程序 应在具有图形用户界面，并支持多任务和网络功能的应在具有图形用户界面，并支持多任务和网络功能的 高可靠操作系统上运行。高可靠操作系统上运行。 (3)(3)站机应具有与既有计算机联锁设备联机通信功能，站机应具有与既有计算机联锁设备联机通信功能， 从计算机联锁获取相关信息。从计算机联锁获取相关信息。 3 3通信通道通信通道 (1)(1)监测信息传输应采用光纤数字通道，也可采用实监测信息

52、传输应采用光纤数字通道，也可采用实 回线或载波话路。回线或载波话路。 (2)(2)站机以上各信息传输通道的传输速率不低于站机以上各信息传输通道的传输速率不低于 14.4Kbit/S14.4Kbit/S 4 4监测系统室内工作环境监测系统室内工作环境 (1)(1)环境温度：环境温度：0-400C (2) 0-400C (2) 相对湿度：不大于相对湿度：不大于9090。 5 5监测系统的地线利用既有设备的地线。监测系统的地线利用既有设备的地线。 6 6监测系统供电电源监测系统供电电源 (1)(1)监测系统采用工频单相交流供电，站机电源应监测系统采用工频单相交流供电，站机电源应 从电源屏两路转换稳压

53、后经从电源屏两路转换稳压后经UPSUPS引入。引入。 (2)(2)监测系统供电电源应与被监测对象电源可靠隔监测系统供电电源应与被监测对象电源可靠隔 离。离。 (3)(3)监测系统应采用在线式监测系统应采用在线式UPSUPS供电，供电，UPSUPS容量应保容量应保 证交流断电后维持监测系统可靠电证交流断电后维持监测系统可靠电10min10min以上。以上。 三、信号微机监测系统的结构和各部分的功能要求三、信号微机监测系统的结构和各部分的功能要求 （一）系统的层次结构（如图（一）系统的层次结构（如图9-119-11） 根据管理、维修和监测的需要及电务段所需各站的根据管理、维修和监测的需要及电务段所

54、需各站的 地理位置，监测系统分为三个层次：电务段、车间地理位置，监测系统分为三个层次：电务段、车间 （领工区）层和车站层。（领工区）层和车站层。 一一电务段调度监视机电务段调度监视机 1 1、采用服务器、采用服务器 + + 终端，终端，windowsNT windowsNT 操作系统。操作系统。 外设：显示器，外设：显示器，UPSUPS电源，键盘，鼠标和声报警设电源，键盘，鼠标和声报警设 备。备。 2 2、功能、功能 （1 1）各类图形的生成、存储及再现）各类图形的生成、存储及再现 （2 2）表格的生成、存储及再现）表格的生成、存储及再现 电务段级调度监控机电务段层 车间级计算机 车间层 车站

55、级计算机 车站层 道岔采集机 综合采集机 轨道电路采集机 接各部份采集点和传感器 （3 3）报警信息的存储和再现）报警信息的存储和再现 （4 4）接受和执行分局监测系统的命令）接受和执行分局监测系统的命令 （5 5）对车间机进行管理）对车间机进行管理 （6 6）向上层网传递数据）向上层网传递数据 二二车间机车间机 1 1、采用、采用IPCIPC工控机，工控机，windowsNTwindowsNT操作系统，配置相应操作系统，配置相应 外设。外设。 2 2、功能：（、功能：（1 1）对站机进行管理）对站机进行管理 （2 2）接受段机的控制命令，向段机传递数据和提供报）接受段机的控制命令，向段机传递

56、数据和提供报 警信息警信息 （3 3）实现人机对话）实现人机对话 （4 4）图形、表格的生成、存储及再现）图形、表格的生成、存储及再现 （5 5）报警信息的存储和再现）报警信息的存储和再现 三三站机站机 1 1、采用工控机（、采用工控机（IPCIPC），），WINDOWS-NTWINDOWS-NT操作系统，配操作系统，配 置相置相 应的外设。应的外设。 2 2、功能：、功能： （1 1）图形的生成、存储和再现）图形的生成、存储和再现 A A：电源屏输入：电源屏输入 / /输出电压的月、年曲线输出电压的月、年曲线 B B：轨道电路接收端电压的日、月、年曲线：轨道电路接收端电压的日、月、年曲线 C

57、 C：转辙机动作电流曲线：转辙机动作电流曲线 D D：站场运行状态显示图：站场运行状态显示图 （2 2）表格的生成、存储和再现）表格的生成、存储和再现 A A：电源屏实时测试表和：电源屏实时测试表和2424小时日报表小时日报表 B B：电缆绝缘测试表和：电缆绝缘测试表和2424小时日报表小时日报表 C C：转辙机动作次数表：转辙机动作次数表 D:D:电缆绝缘测试表电缆绝缘测试表 E E：漏电流测试表：漏电流测试表 F F：进路状态和进路时刻再现表：进路状态和进路时刻再现表 （3 3）报警信息的存储、再现及报警，根据故障性质）报警信息的存储、再现及报警，根据故障性质 分为三级分为三级 （4 4）

58、接受车间机的控制命令，向车间机传道数据，）接受车间机的控制命令，向车间机传道数据， 提供报警信号提供报警信号 （5 5）人机对话）人机对话 四四采集机采集机 采集机负责被监测设备各种原始数据的实时采集和采集机负责被监测设备各种原始数据的实时采集和 预处理，并完成与站机的通信如图预处理，并完成与站机的通信如图9-129-12所示。所示。 采集的信息分为模拟量和开关量两大类。根据系统采集的信息分为模拟量和开关量两大类。根据系统 的功能要求采集机具有高可靠性、与信号设备有完整的功能要求采集机具有高可靠性、与信号设备有完整 的电气隔离。的电气隔离。 采集机根据监测内容及分布，分为电源屏采集机、采集机根

59、据监测内容及分布，分为电源屏采集机、 综合采集机、轨道采集机、道岔采集机、开关量采集综合采集机、轨道采集机、道岔采集机、开关量采集 机等。机等。 四、采集机构成四、采集机构成 采集机采用模块化设计，由采集机采用模块化设计，由CPUCPU板、通用接口板、板、通用接口板、 专用接口板和电源组成，可适应大、中、小车站和不专用接口板和电源组成，可适应大、中、小车站和不 同用途的要求，对不同的功能要求，选用不同的接口同用途的要求，对不同的功能要求，选用不同的接口 板并用总线连接可构成不同规模和用途的采集机。为板并用总线连接可构成不同规模和用途的采集机。为 了提高系统的可靠性，各种接口板均采用了光电隔离了

60、提高系统的可靠性，各种接口板均采用了光电隔离 技术。技术。 （一）（一）CPUCPU板板 CPUCPU板是采集机的核心，本系统采用板是采集机的核心，本系统采用80C196KB80C196KB单片单片 机作为主板的机作为主板的CPUCPU。并扩充了。并扩充了RAMRAM和和EPROMEPROM。 80C196KB80C196KB是一种是一种1616位的单片机，其特点如下：位的单片机，其特点如下： 1 1、采用、采用R-RR-R结构，结构，CPUCPU的操作直接面向的操作直接面向256256字节的字节的R R， 提高了信息处理的速度。提高了信息处理的速度。 2 2、片内具有、片内具有A/DA/D转