计算机联锁系统的基本原理

可靠性与安全性目录Contents学习目标1、可靠性2、安全性冗余结构计算机联锁系统利用冗余技术，使自身构成容错控制系统，实现故障导向安全。可靠性安全性冗余结构可靠性系统A系统B或门一般电子产品MTBF=105h计算机联锁系统技术标准MTBF=106h即至少在系统进行技术改造前（大修前一般15年）不出故障。

可靠性冗余结构图系统在规定的时间内、规定的条件下完成规定功能的能力。用平均故障间隔时间MTBF表示。安全性系统A系统B与门安全性冗余结构图标准：要求产生不安全输入的平均间隔时间为1011h以上。对106h的可靠性冗余系统采取安全性技术措施即为安全性冗余结构。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财产重大损失的性能。用平均危险侧输出表示。二乘二取二系统A系统B与门系统A系统B与门或门

为了使统既具有可靠性又具有安全性，就需要采用多重冗余结构，如二乘二取二系统，利用了四台计算机系统，其中的两个系统处于热备状态。二乘二取二二取二在一套子系统上集成两套CPU，两套CPU严格同步，实时比较，只有双机运行一致才对外输出运算结果。二乘用两套完全相同的二取二子系统构成双机并用或热备系统。三取二异或系统C表决器输出系统A系统B异或异或故障表示要解决的技术问题：1、连机同步；2、高指标表决器；3、故障的检测与修复。按照故障处理的方式，冗余结构分：故障切换结构和故障屏蔽结构。故障切换技术故障屏蔽技术采用动态冗余结构，目前采用这种结构的有双机热备和二乘二取二系统结构。采用故障屏蔽冗余技术，属于这种结构的目前有三取二。计算机联锁系统硬件目录Contents学习目标1、基本原理2、工控机特点3、工控机硬件组成4、计算机联锁硬件结构基本原理

计算机联锁系统采用工业控制计算机系统，用以实现对铁路车站运输生产过程的监测与控制。工业控制计算机指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，包括硬件和软件两部分。工控机特点1、可靠性和可维修性好2、高抗干扰能力3、环境适应性强4、完善的输入/输出通道5、控制的实时性6、通用性和可扩充性好7、具有通信与联网能力8、适当的计算机精度和运算速度工控机硬件组成主机板模拟量输入通道人机接口系统支持磁盘系统通信接口数字量输入通道模拟量输出通道数字量输出通道外部总线内部总线工控机硬件组成CPURAMROM磁盘系统人机对话设备其他计算机系统人机接口通信接口内部总线通用I/O接口开关量输入通道通用I/O接口开关量输出通道继电器结合电路现场监控对象过程输入/输出通道主机外部设备总线

总线是一组公用信号线的集合，定义了各引线的信号、电气、机械特性，把计算机或计算机联锁系统中的各个模块以及各种设备连接成一个整体，以遍彼此之间进行信息交换。计算机联锁系统中的总线，一般根据其功能和规模可分为三类：内部总线（板级总线）（STD、VME、ISA、PCI）、外部总线（通信总线）（RS-232C、RS-422C、RS-485）、现场总线（局域控制）（CAN）。计算机联锁硬件结构人机会话层联锁测控层控制层监控对象双机备用双机热备、二乘二取二、三取二安全型继电器控制电路执行层计算机联锁系统软件功能软件功能1、人机界面信息处理功能（1）操作信息处理对正确的操作命令，形成有效的操作命令，并在屏幕中给出表示。对错误的操作命令。在屏幕中给出提示。（2）表示信息处理对现场的信号设备状态，在屏幕中实时地给出显示。（3）维护与管理信息处理（☆）对设备的故障状态，在屏幕中及时地给出特殊显示。自动记录并储存值班员办理作业的时间及所操作的按钮。完成与其他周边系统的联系。软件功能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进路正常解锁进路非正常解锁道岔单独锁闭进路引导总锁闭完全实现继电联锁的功能，只能比其拥有更多的功能。

软件功能3、执行控制功能①输出控制根据联锁软件生成的控制命令来驱动现场设备控制电路。②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、自动监测与诊断功能（计算机联锁特有）5、其他功能在这些软件中，人机界面信息处理软件、基本联锁控制、执行控制软件、自动检测与诊断软件，是计算机联锁系统必须具备的。6、与其他系统的结合功能7、监测联锁设备状态功能计算机联锁系统软件结构目录Contents学习目标1、层次结构2、层次功能3、冗余结构4、数据组织形式总体结构

计算机联锁系统以计算机为主要核心技术实现车站联锁要求的实时控制系统，为此，系统软件的基本结构应设计成实时操作系统或实时调度程序支持下的多任务的实时系统。层次结构层次功能人机对话层：联锁运算层：执行层：完成人机界面信息处理。完成联锁运算。1、完成控制命令的输出；2、表示信息的输入。冗余结构实时操作系统A模块B模块分层比较模块A输入模块输出模块B输入模块双版本软件结构分为：三取二的单软件结构；双机热备制式的双版本软件结构。数据组织形式调度系统按优先级实时调度操作模块搜索模块联锁模块输入模块输出模块……分为：小站规模的联锁图表式软件结构；中站以上规模的进路控制式软件结构。进路控制式软件结构联锁数据和数据结构目录Contents学习目标1、联锁数据2、数据结构联锁数据

联锁数据：指在联锁计算机中，参与联锁运算的数据。数据结构：参与联锁运算的数据在存储器中的组织方法。根据计算机联锁数据的变化情况可分为：逻辑变量（动态数据）读写存储器（RAM）常量（静态数据）只读存储器（ROM）存于联锁数据静态数据：指运算中不会发生变化的常量数据。如：反映监控对象的特点的数据。如：调车信号、列车信号、单动道岔、双动道岔、设备编号等。动态数据：指运算过程中变化的数据，又称为逻辑变量。如：状态输入变量、操作输入变量、表示输出变量、控制输出变量等。静态数据模块：存放静态数据的数据模块，其反映监控对象的固有特性。动态数据模块：存放动态数据的数据模块，其反映监控对象的某一时刻的特性。联锁数据例：信号机的静态数据模块应反映出性质：调车、列车；方向：发、接；是否为出站兼调车；是：并置、单置、差置；尽头型；是否有照查关系；例：信号机的动态数据模块应反映出：XJ的状态；DJ的状态熔丝的状态请求开放状态请求关闭状态数据结构（1）进路表型静态数据结构进路表型静态数据结构指的是联锁表。联锁表反映信号机、道岔、轨道区段与进路之间的联锁关系。联锁表里有所有的进路及其联锁条件。

缺点：当车站规模较大，进路数量很大时，总进路表势必十分庞大，占用ROM的容量很大，这就意味着增大了ROM检测程序的长度和执行时间，这是不利于系统的可靠性的。另外，当车站改建和扩建时，需要对总进路表进行较大的修改。

数据结构数据结构每个静态数据模块包括：静态描述符+进路搜索程序所需要的标志数据（数据场）（指针场）df：datafieldpf：pointerfield例：道岔静态数据模块：单/双对向/顺向类型“/”/“\”导向标志fdpfpfzpfw动态模块首址df数据场Pf指针场数据结构fd设在对向道岔节点中,反位引向平行进路中的基本进路无fd时,直股优先.有fd时,弯股优先.Pf:岔前节点首址;Pfz:岔后直股节点首址;Pfw:岔后弯股节点首址.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首址和终端模块首址.进路搜索程序从站场形数据结构中搜索出与进路有关的全部模块(一般按发车方向搜索,分向道岔少,效率高)联锁控制程序目录Contents学习目标1、基本模块2、程序模块管理3、联锁程序的执行基本模块联锁控制程序一般来说可分成六个模块。（1）操作输入及操作命令形成模块操作输入是指车站值班员把操作按钮、键盘、鼠标或光笔等形成的操作信息输入到计算机中并记录下来。该模块的主要功能：记录操作信息，分析操作信息是否能构成合法的操作命令。（2）操作命令执行模块该模块是根据操作命令执行相应功能的程序模块。在该执行模块中包括许多子模块，有多少种操作命令就有多少个子模块。基本模块（3）进路处理模块

该模块是在执行了进路生成模块且对所办进路已形成进路表后，对进路进行处理的模块。对进路处理模块执行可以划分为四个阶段，所以进路处理程序也就分成了四个子模块。

①检查进路选排一致性和形成道岔控制命令子模块。该模块的功能是检查道岔位置是否符合要求，若不符合要求，则应形成相应道岔控制命令，使该道岔转至规定位置。

②进路锁闭与信号开放子模块。该模块的功能是检查锁闭条件是否满足，若满足后锁闭进路，并形成防护信号机开放命令。

③信号保持子模块。在信号开放后，应不间断地查询开放信号条件是否满足，若条件满足使信号保持开放，否则取消信号开放命令，使信号机关闭。

④自动解锁子模块。该模块实现进路的正常解锁和调车进路的中途折返解锁。

基本模块（4）状态输入模块

该模块功能是将信号机、道岔和轨道电路的状态信息送入到计算机的RAM中，并将这些信息分析和处理。

（5）表示信息输出模块

该模块是将已形成的各种表示信息通过相应的接口，来驱动表示灯和使CRT工作。

（6）控制命令输出模块

该模块是将已形成的道岔控制命令和信号控制命令通过相应的输出通道，来控制道岔控制电路和信号控制电路。程序模块管理集中调度方式另设一套实时调度程序，统一调度各个任务的执行。各任务之间没有联系。执行完返回调度程序，再执行下一任务。具体由调度程序安排。程序模块管理分散调度方式一个任务结束后，确定下一个任务。有顺序控制，但关系较复杂。二者相比集中式较灵活、方便。联锁程序的执行1.操作命令及操作命令执行模块（1）进路操作命令该命令的任务是选出一条具体的进路。当采用站场型静态数据结构时，该命令的任务是从站场型静态数据库中选出一组符合所选进路需要的数据，形成一个进路表，并将该表存于进路总表中。（2）取消进路命令该命令的任务是取消已建立的进路。还有人工延时解锁命令、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、开放引导信号命令、引导锁闭命令、引导解锁命令、道岔单独操作命令和道岔单独锁闭及道岔单独解锁命令。

对应每种操作命令都有一个执行程序子模块。操作命令执行模块联锁程序的执行2、进路搜索程序模块

功能：根据前面所提到的形成的进路操作命令，从站场型静态数据库中选出符合进路需求的静态数据，构成一个进路表并存于进路总表中。

在进路搜索中，根据操作命令必须仅能选出一条符合操作意图的进路，即在仅指明进路的始端和终端时只能选出一条基本进路而不应选出绕弯的或平行的迂回进路。如果需要选出迂回进路，则操作人员必须增加附加操作，指明变更点。联锁程序的执行进路搜索必须采取的措施：①按照进路的操作命令，确定相邻的指定节点对，按节点对分段依次搜索。②设置搜索引导标志Yd，确定优先搜索方向。

直股优先：当搜索遇到每个对向道岔（以搜索方向为准）节点时，先沿直股搜索下去，当搜索不到目标节点（节点对中第二个节点）时，再返回到道岔节点，沿弯股搜索。

弯股优先：在对向道岔节点中设置（弯优先）引导标志Yd，这样可先搜索弯股，然后再搜索直股。若指定节点对为K（D1）和K（SⅡ，本应选出一条由K（D1）到K（SⅡ）的基本进路，但由于在K（1）和K（17）中均有弯股优先引导标志Yd，这样当搜索到K（1）时先沿弯股搜索而找到K（17），而找到K（17后，又沿弯股搜索到K（SⅡ），这显然不符合操作意图。

联锁程序的执行进路搜索必须采取的措施：

③在节点对之间的搜索过程中，只允许沿着同类渡线进行搜索。这样就不致搜索出绕弯的迂回进路了。所谓同类渡线搜索，就是在搜索一条进路时都按八字一撇或八字一捺进行搜索，而不能在一次搜索过程中同时出现八字的撇和捺（除变更进路外）渡线。例如：由K（D1）到K（SⅡ）的基本进路的搜索，不能出现由K（D1）节点搜索到K（D13），然后由K（D13）→K（17）→K（19）→K（19DG）→K（SⅡ）错误的搜索过程。联锁程序的执行3、进路处理模块

进路处理模块是对已经搜索出来的进路进行处理的模块。它是各条进路所共用的模块。一条进路处理过程主要分成四个阶段，即四个处理子模块：ａ.选排一致性检查及道岔控制命令形成阶段（简称XP模块）；ｂ.进路锁闭与信号开放阶段（简称S模块）；ｃ.信号保持阶段（简称XB模块）；

d.进路自动解锁阶段（简称JS模块）；这些子模块执行采用顺序方式。为了表明处理进程，设四个进程标志：FXP、FS、FXB、FJS。当F=FXP时，进路处理进入XP模块；当F=FS时，进路进入S模块处理；当F=FS时，进路进入S模块处理；当F=FXB时，进路进入XB模块处理；当F=FJS时，进路进入JS模块处理。在处理某个具体子模块时，其执行条件不一定满足，为了不延误计算机运行时间，当处理某一模块时，若条件满足，则处理该模块，待该模块执行完毕后立即处理它的后续模块。否则立即转出，进行对另一条进路的处理。

联锁程序的执行最多m条进路存放的进路单元为Lii←1i>m？Li空？i←i+1对Li中的进路进行处理是是否否转出进路处理总框图联锁程序的执行进程处理流程图联锁程序的执行结合电路目录Contents学习目标1、采集电路2、驱动电路3、执行电路采集电路

计算机联锁系统通过采集电路监督室外设备的状态，通过驱动电路完成对室外设备的控制。一、采集电路

1、信号（1）进站兼进路信号LXJ、ZXJ、YXJ、LUXJ、TXJ、DJ、2DJ

（2）一方向出站兼调车LXJ、DXJ、DJ

（3）二方向出站兼调车LXJ、DXJ、ZXJ、DJ

（4）调车信号DXJ、DJ2、轨道区段

GJ↑、GJ↓3、道岔

DBJ、FBJ、四开接口架：计算机房与继电器室相联系的接线端口。

采集电路驱动电路

就我国目前而言，信号和道岔的控制器件仍然是继电器，而继电器是由计算机联锁系统输出的控制命令驱动的。1、驱动电路（1）信号①进站兼进路信号LXJ、ZXJ、TXJ、LUXJ、YXJ②一方向出站兼调车信号LXJ、DXJ③二方向出站兼调车信号LXJ、DXJ、ZXJ④调车信号DXJ（2）道岔DCJ、FCJ、SFJ驱动电路执行电路

信号机点灯电路仍沿用继电联锁所用的信号机点灯电路。道岔控制电路包括完成道岔动作的启动电路和反映道岔位置的表示电路两个部分，道岔表示电路与继电联锁相同，而启动电路要稍作了改动。执行电路举例：道岔原来在定位，需要到反位，需送出控制命令使得SFJ↑、FCJ↑

→IDQJ↑→2DQJ转极。

1DQJ↑电路：

KZ→SFJ42-41

→DGJ↑→IDQJ3-4→2DQJ141-142→FCJ31-32

→KF2DQJ转极电路：

KZ→IDQJ41-42

→2DQJ2-1→FCJ31-32

→KF

其他部分与继电联锁同。思考：反位→定位启动电路的工作？I/O通道故障-安全保障技术目录Contents学习目标1、逻辑变量2、故障-安全输入接口3、故障-安全输出接口逻辑变量

计算机联锁系统安全逻辑变量的表达形式基本上有3种：电平形式、代码形式、动/静形式。1、电平形式用高电平表示危险侧,用低电平表示安全侧。如:安全性继电器前接点接通危险侧前接点断开安全侧逻辑变量

2、代码形式用n个二值码元可组成2n个代码取两个差异最大的分别表示变量的危险侧和安全侧。其余的代码均视为无效或非法。在传输过程中，安全侧代码错成危险侧代码的概率很小。而错成非法码或无效码的概率要大的多。

逻辑变量3、动/静形式用一个脉冲串（动态）表示危险侧用稳态（高或低电平）表示安全侧由于电路故障使电路产生脉冲串的可能性远远小于电路没有任何反映的情况，如断路。实现上述三种逻辑变量相互变换的电路就可用作安全逻辑量的并行输入/输出接口电路。输入接口电路(1)故障－安全输入接口故障－安全输入接口采取了两项措施：

a.采用光电隔离技术。

b.采用静态输入或动态输入方式，以便有效地实现故障－安全原则。①静态故障－安全输入接口静态故障－安全输入接口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达。假设取码长为n，则可组成2n个代码。若取其中的一个代码代表危险侧信息，另取其补码作为安全侧信息，称这两个代码为合法码，那么余下的2n－2个代码为非法码。当n足够大时，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。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。输入接口电路静态故障－安全输入接口电路以采集轨道继电器（GJ）的状态为例:

当GJ↑时,四个光电耦合器全部导通，各端输出均为高电平,1111→计算机,“与”运算,结果为1，说明轨道电路在空闲状态（危险侧）。当GJ↓时,四个光电耦合器全部截止，其输出端均为低电平，0000→计算机,“与”运算,结果为0，说明轨道电路在占用状态或发生了故障（安全侧）。故障-安全特性分析：当GJ↑时，若G1的二极管开路，0111→计算机,“与”运算,结果为0，说明轨道电路在占用状态或发生了故障，因此故障导向了安全。

输入接口电路动态故障－安全输入接口电路a.电路结构

G2的输入级由微机的一个输出口控制它的通断。

G2的输出级与G1的输入级串联，当G2导通时，由GJ的接点控制G1的导通与截止。

G1的输出接向微机的一个输入口。输入接口电路动态故障－安全输入接口电路a.电路结构

G2的输入级由微机的一个输出口控制它的通断。

G2的输出级与G1的输入级串联，当G2导通时，由GJ的接点控制G1的导通与截止。

G1的输出接向微机的一个输入口。b.工作原理

(a)输出口送出“0”→反相器输出“1”→G2导通，同时GJ↑→G1导通→反相器输入“0”并输出“1”→输入口收到“1”。

(b)输出口送出“1”→反相器输出“0”→G2截止，不论GJ↑或↓→G1截止→反相器输入“1”并输出“0”→输入口收到“0”。

结论：输入口与输出口互为反相的关系。输入接口电路如何采集GJ的状态？

(c)微机的输出口输出0、1相间隔的动态的脉冲序列（01010101），在GJ↑且电路无故障的情况下，微机的输入口必定收到反相的0、1相间隔的动态的脉冲序列（10101010）。微机收到该信号，表明收到了危险侧信息（GJ↑，区段空闲）。

(d)微机的输出口输出0、1相间隔的动态的脉冲序列（01010101），在GJ↓且电路无故障的情况下，微机的输入口必定收到稳态的电平（全“0”或全“1”）。微机收到该信号，表明收到了安全侧信息（GJ↓，区段占用）。

输入接口电路故障-安全特性分析

(e)例如G1的二极管开路，在GJ↑的情况下，微机的输出口也照样送出0、1相间隔的脉冲序列，但返回微机的必然是稳态的电平“0”，该信号为安全侧信息，因此实现了故障-安全的思想。输入接口电路(2)故障－安全输出接口

在输出接口的设计中，一般是采用代码→动/静态和动/静态→电平两级变换电路实现的。

①代码→动/静态变换电路电路的基本原理计算机先将危险侧控制代码并行送入移位寄存器中，然后移位寄存器将代码返送回计算机，在检查代码没有因故障而发生畸变后，启动控制时钟，推动移位寄存器输出脉冲序列，完成代码→动/静态转换。在代码→动/静态变换过程中，利用了闭环检测方法。当移位寄存器或时钟发生故障时，均不会有脉冲序列输出。因此，这个变换电路是故障－安全的。

输出接口电路②动/静态－电平变换电路a.电路结构

J：偏极继电器,能鉴别电流的极性；

C1、C2：采用电解电容器，具有正负极之分；

D1、D2、D3：二极管，具有单向导电性能；

A点：代码→动/静态变换电路送出的0、1相间隔的动态脉冲序列。输出接口电路b.电路原理

(a)A点无控制命令时，G1截止，C1充电（左+右-的电源）。

C1的充电电路：KZ→R2→D1→C1→D2→KF。

(b)A点有控制命令即动态的脉冲序列（如10101010，一般为8位）

A点为“1”时，G1导通→C1放电、C2充电(下+上-的电源），同时J上有少量电流流过。

C1的放电电路：C1（+）→G1c-e→C2→R3→D3→C1（-）

JA点为“0”时，G1截止→C1充电。输出接口电路

这样随着A端电平的高低变化，G1就不断地导通和截止，C1和C2就不断地进行充电和放电。当C2两端达到继电器J的吸起值时，继电器励磁并保持吸起。

(c)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的落下值时，才失磁落下。该电路保证不致因一两个脉冲的干扰而使继电器误动。为了防止当C1和D3都击穿时造成继电器的错误吸起，必须采用偏极继电器以鉴别电流方向。输出接口电路(d)故障-安全特性分析

A点有01010101这样的动态脉冲序列，此时电路故障如G1的二极管开路。

A点为“0”时，C1充电；

A点为“1”时，因G1截止，C1不能放电，C2不能继续充电→J↓（安全侧）。计算机联锁系统操作与显示目录Contents学习目标1、计算机联锁系统的操作2、计算机联锁系统的显示操作一、计算机联锁系统的操作1．操作工具计算机联锁系统采用按钮盘或鼠标等设备作为操作工具。当采用鼠标器作为操作工具时，对应按钮盘上安装的每一个按钮，在显示器上就有一定的操作区域，用鼠标点击显示器上规定区域即相当于按下了相对应的按钮。2．按钮设置（1）进路按钮信号按钮包括列车和调车进路始端按钮、终端按钮，变通按钮，通过进路始端按钮，坡道延续进路终端按钮，引导信号按钮，用于确定进路的其他按钮。某些列车进路始端按钮可兼作列车终端按钮；某些调车进路始端按钮可兼作列车终端按钮；某些调车按钮可兼作变通按钮；变通按钮既可作列车进路变通按钮也调车进路变通按钮。操作（2）道岔按钮对应每组道岔在操作盘面上设有对应的道岔按钮。设在站形图上方时双动或多动道岔共用一个道岔按钮，但在道岔按钮设于岔尖时是分别设置的。（3）区段按钮对应每个道岔区段，在操作盘上都设置有对应的区段按钮，无岔区段可没有区段按钮。（4）功能按钮功能按钮包括总取消按钮，总人解按钮，总定位按钮，总反位按钮，单锁按钮，封锁按钮，引导总锁闭按钮，区段故障解锁按钮，办理闭塞所需的按钮，办理结合作业及实现其他功能所需的按钮。此外，根据需要还设有清除屏幕提示、清除错误操作、显示信号或道岔名称、切换屏幕显示等专用按钮。对于采用按下保留方式的功能按钮，如引导总锁、单锁、封锁按钮等，在采用鼠标器作为操作工具时，对每个这样的按钮都增加了该按钮拉出的按钮，如引导总解、单解、解封等。操作3．操作方法