第七章计算机联锁系统的基本原理课件

第七章计算机联锁系统的基本原理

BY：WWQLOGO计算机联锁系统的基本原理计算机联锁系统硬件

(一)计算机联锁的硬件基本结构各种型号的计算机联锁系统由于设计思路不同，所采用的硬件不完全相同。即使同一种型号的系统，其控制的车站规模不同，所需要的硬件数量也不相同。但各种系统的基本功能和基本任务大致一样，因此它们的硬件组成的基本形式差异不大。

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BY：WWQ操作设备大屏幕CRT人机对话接口键盘CRT电务维修机其它操作表示机通信网络联锁处理机开关量I/O接口板光电隔离板继电器组合架计算机系统

计算机联锁硬件结构框图计算机联锁系统硬件

1、主机主机是计算机联锁系统的核心，它要完成所有信息的处理、接口管理及与外部设备的信息交换。由于计算机联锁系统接收和处理的信息很多，而且许多信息在时间上重叠，为了避免信息丢失，提高系统的运行速度，目前应用的各种型号的计算机联锁设备均采用多主系统。即将人机对话、联锁运算、系统监测等功能分别用不同的主机来处理。

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(1)上位机:一是接收车务人员的操作命令，将操作信息通过网络通信传给联锁机；二是接收来自联锁机的状态信息和提示信息等，控制显示器显示系统及监控对象的状态，及时显示各种提示信息和报警信息；三是将各种表示信息、报警信息及时转发给电务维修机。

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(2)下位机：一方面接收上位机下发的操作命令,另一方面通过输入接口采集现场信号设备的状态信息。对输入的信息进行逻辑处理、联锁运算。根据运算结果，形成控制命令和表示信息。控制信息通过输出接口电路控制组合架的继电器动作。表示信息是将现场信号设备的状态信息、提示信息、报警信息等及时传给上位机。

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(3)电务维修机:它是专门为电务维修人员配备的机器。其主要任务是接收操作表示机发来的状态信息、操作信息、提示信息和报警信息等，通过显示器可及时显示。同时将各种信息的数据储存记忆，以便查询。

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2、人—机对话设备目前使用的计算机联锁系统，人—机对话设备均采用操纵与表示分离的方式，操纵设备主要有按钮盘或数字化仪、鼠标等，表示设备有大屏幕显示器及大屏幕表示盘。此外还有供电务维修人员维护监测使用的键盘、鼠标及显示器等。

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3、通道与接口通道与接口是连接主机与外部设备的纽带。在计算机联锁系统中，主机一方面通过人—机接口接收值班员的操作命令，同时为显示设备提供各种表示信息；另一方面，通过与监控对象之间的输入通道和接口采集现场设备的状态信息，经过逻辑运算后，形成控制命令，通过与监控对象之间的输出通道和接口控制现场的信号设备。

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由于在现有的计算机联锁系统中，监控对象的执行部件仍然是继电器，因此，与主机相连时，需要通过输入通道将继电器接点的开关状态变换成计算机能够接收的数字信号(数据)后，才能经由接口送入计算机。同样，计算机输出的控制命令也需要输出通道的变换和传送才能驱动继电器。

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外部设备与主机之间的连接还必须解决两者之间诸如工作速度匹配、通信联络，有时还要完成信息数据的串/并或并/串数据转换等任务。这些任务都是通过接口电路来完成的。由于操作信息和表示信息与安全不直接相关，因此，称这类信息为非安全性信息。传输非安全性信息的人—机对话接口通常采用通用的标准接口。而表示现场设备状态的信息和计算机输出的控制信息直接关系到行车的安全，因此，称这类信息为安全性信息。传输安全性信息的计算机与监控对象之间的接口必须采用为计算机联锁系统专门设计的故障—安全接口。

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4、继电器结合电路由于铁路信号对系统的安全性要求非常高，目前国内的计算机联锁系统受到软、硬件技术水平的限制，还不能完全取消继电器。控制、监督室外信号设备的最后一级执行部件仍然用继电器。一般的系统主要设置以下继电器：

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对应轨道区段保留轨道继电器(GJ)；对应信号机保留信号继电器(XJ)和灯丝继电器(DJ)等；对应道岔控制电路保留道岔启动继电器(1DQJ、2DQJ)和表示继电器(DBJ、FBJ)等。这样可以保证继电器对室外信号设备的控制与6502电气集中基本一样。此外，还有控制系统实现双机转换的有关继电器。

因此，一般的计算机联锁系统所用的继电器的数量仍为6502电气集中的三分之一左右。

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(一)计算机联锁系统的信息传输由于计算机联锁系统在硬件设计上均采用多主系统，子系统内部及各子系统之间要进行大量的信息传输，实现信息共享，信息传输的速度和质量直接影响计算机联锁系统的安全性和可靠性。下面简要介绍一下计算机联锁系统的几种信息传输方式。

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(一)总线传输1．总线及总线标准所谓总线是指计算机系统各部件连接到一组公共信息的传输线。通过总线传输信息，可以方便快捷地实现计算机控制系统各模块或各子系统之间的信息共享与交换。为了保证安全规范地传输信息，必须对总线信号、传输规则、物理介质和机械结构等制定统一的标准，各系统共同遵守，一般由计算机标准化国际组织批准，这一标准被称为总线标准。

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2．总线的类型（1）片总线由微处理器芯片内部引出的总线，被称为片总线。片总线由地址总线、数据总线和控制总线三部分组成。

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1)地址总线：在指令操作时，通过地址总线选择CPU要操作的数据存储器单元或I/O设备。它是单向传输信息的总线。微处理器的档次不同，地址总线的数目不同，一般16位机有20或24条地址总线。

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2)数据总线：数据总线用来实现从CPU读出或向CPU写入数据，它是双向传输的总线。微处理器的档次不同，数据总线的数目不同。16位机有16条数据总线，32位机有32条数据总线。

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3)控制总线：控制总线用来传送保证计算机同步和协调工作的定时信号和控制信号，从而保证正确地通过数据总线传送各项信息的操作。不同型号的微处理器有不同数目的控制总线，且其方向和用途也不一样，但几乎所有的控制总线都与系统的同步有关。一般的微处理器都有读出线和写入线、中断请求线和中断响应线、同步(选通或时钟)信号线、保持及等待就绪线等。

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（2）内总线(I—BUS)内总线又称“系统总线”或“板级总线”，在工控机的机箱内用系统总线来实现各模板插件之间的信息传输。系统总线是最重要的总线，常用的系统总线标准有STD总线、ISA/PCI总线、VME总线等。

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（3）外总线(E—BUS)外总线也称通信总线，用来实现计算机系统之间或计算机系统与其它系统(如：仪器、仪表、控制装置)之间的信息传输。它往往借用电子工业已有的总线标准。通信总线有并行总线和串行总线两类。

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1)并行通信总线并行总线即在信息传输过程中，每次同时传送一个数据字节。并行总线传输速度高，但抗干扰能力差。一般是用于短距离(数十米)的快速传输。2)串行通信总线串行总线即在信息传输过程中，每次传送一个比特(1bit)的信息。串行总线传输速度低，使用的电缆少，且抗干扰能力强。一般是用于较远距离的数据传输。

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2．嵌入式PC机及PC/104栈接式总线标准嵌入式PC机即PC机的CPU和标准的PC机芯片组装在一个面积很小的印刷电路板上，制作成嵌入式计算机模块。选择适当的模块组装起来即可形成一套体积很小的计算机控制系统，这样的系统靠自然通风可正常工作，一般不需要在机箱增加电风扇。PC/104栈接式总线标准即采用104根信号线，它没有总线母板，不用插槽滑道，模块采用层叠式封装结构，模块之间采用栈接方式，它与ISA总线完全兼容，只比ISA总线增加6根电源线。

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局域网传输局域网也称以太网、CAN网(ControllerAreanetwork的简称),自动控制系统中所有的计算机通过各自的网络接口板（网卡）直接连到局域网上。每一网卡均有不同的网络地址，通过网络集线器完成信息交换。许多计算机联锁系统的子系统之间均采用双冗余网络并联的通信方式。即每一子系统均设置两块网卡，每一网卡均采用不同的节点地址，分别与A网、B网相连，两网同时传输数据保证有一个网卡或一条网络故障时，不影响系统的通信。

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（三）光纤信息传输光纤信息传输即用光纤作为网线，每一子系统设置两块光通信卡，完成光电信号的转换，用光集线器完成信息交换。由于光纤的信息传输速度快、抗干扰能力强，因此这种信息的传输方式更加迅速、安全、可靠。计算机联锁系统的信息传输特别是远距离传输时均采用光纤传输方式。

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计算机联锁系统的冗余结构1.冗余结构的概念所谓冗余结构是指为了提高系统的可靠性、安全性而增加的结构。

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(1)可靠性冗余结构：模块A和模块B经或门输出，两个模块只要有一个模块正常输出即可保证整个系统不停机，提高了系统工作的可靠性。在实际应用中，对安全性要求不高的处理人机对话信息的上位机一般采用可靠性冗余结构。

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2、安全性冗余结构：模块A和模块B经与门输出，两个模块同步工作，只有两个模块输出一致才能保证整个系统不停机，只要有一个模块故障，系统将不能正常输出。这样，提高了系统工作的安全性，减少了危险侧输出的概率。在实际应用中，对安全性要求较高的联锁控制机采用安全性冗余结构。

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2.双机储备系统(1)双机储备系统的基本结构图中的A、B是两台完全相同的计算机，其中一台处于在线运行状态，它的输出通过切换开关引向外部，称之为主机或工作机；另一台处于待命接替状态，称为备用机(简称备机)。由故障检测机构对系统的运行进行检测，当主机运行发生故障时，通过控制切换开关切除主机，并将备用机状态输出。

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BY：WWQ12n12m···安全输入口工作机(A)备用机(B)安全输入口故障检测机构安全输出口···切换开关总线A总线B···双机储备系统的结构框图计算机联锁系统硬件

(2)双机储备系统的工作方式双机储备系统具有两种工作方式，一是双机冷备，二是双机热备。所谓双机冷备是指工作机加电运行时，备用机停机，当主机发生故障时，再启动备用机。这种方式的缺点一是启动时间长，二是故障切换时容易造成信息的丢失。一般对安全性能要求不高的上位机采用这种工作方式，而对安全性能要求较高的联锁处理机必须采用双机热备的方式。

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所谓双机热备是指主、备机输入相同的信息，两机同时独立运行相同的程序，定期同步，主机经输出口输出，备机假输出。系统运行前，先打开的联锁机为主机，当主机发生故障时，自动切换到备机输出。这样故障切换时，可不影响系统工作，理想的系统可以实现“无缝切换”。

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采用双机储备方式的计算机联锁系统，各子系统之间一般采用局域网的通信方式，为保证系统的通信及时可靠，一般均采用双重冗余网络结构。

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(3)双机储备系统的故障检测双机储备系统的核心是故障检测环节，采用故障检测的目的，一是保证系统发生故障不产生危险侧输出，提高系统的安全性；二是保证能及时实现切换，提高系统的可靠性；三是给出报警信息，以便及时排除故障，使系统迅速恢复正常的工作状态。

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BY：WWQ输出中断中断输入主机（A）备机