城市轨道交通联锁课件：计算机联锁系统的基本原理

计算机联锁系统的基本原理城市轨道交通联锁

第一节

计算机联锁系统硬件第三节

计算机联锁系统的通道与接口目录CONTENT第四节复习思考题第二节计算机联锁系统软件

计算机联锁系统的基本原理

第一节

计算机联锁系统硬件一、计算机联锁系统的体系结构计算机联锁系统一般是由多个计算机构成的。若把每个计算机看成是系统的一个模块，则计算机联锁系统是多模块结构。多模块结构对于设计、生产维护和扩充都有它的优越性。由于系统的功能划分方法并非是唯一的，而模块之间的联系方式也是多样的，因此存在着多种体系结构。二、计算机联锁系统的层次结构就控制的层次而论，计算机联锁系统可分为人机对话层、联锁层和监控层，相应地可由人机对话计算机、联锁计算机以及控制器(也称做集中器)来承担各层的任务。这样，整个系统可以分为上下两层，即上层为人机会话层，下层为联锁层。(1)人机对话计算机人机对话计算机的主要任务是接收来自控制台、键盘或鼠标等的操作输入，判明操作输入能否构成有效的操作命令，并将操作命令转换成约定的格式，由串行口输送给联锁计算机。另外，接收来自联锁计算机的表示信息，将它们转换成显示器或控制台能够接受的格式。(2)联锁计算机联锁计算机是联锁系统的核心部分，实现高可靠性的与高安全性的联锁功能。联锁计算机接收来自人机对话计算机的操作命令，接收来自人机对话计算机的室外监控对象的状态信息，进行联锁逻辑运算，发出控制道岔转换和开放信号的控制命令。(3)控制器控制器用来实现对象群与室内联锁机之间的联系。目前采用接口继电器。

三、计算机联锁系统的可靠性与安全性结构1．避错技术和容错技术

（1）避错技术避错技术是通过对系统进行完善设计，力求使系统避免发生故障的一种技术。在实际应用中，避错技术主要包括质量控制技术和环境防护技术。避错技术有相当的局限性。

计算机联锁系统的基本原理（2）容错技术

容错，即当系统出现硬件或软件故障时，程序不会因系统中的故障而终止或被修改，并且执行结果也不会包含系统中故障引起的差错。

①硬件冗余

通过硬件的堆积冗余或待命储备冗余来达到容错。

②软件冗余

提高软件可靠性有两种方法，一是研究无错软件，二是研究容错软件。

③时间冗余

通过消耗时间资源来达到容错。

④信息冗余

增加信息的多余度来提高可靠性。

计算机联锁系统的基本原理2．计算机联锁系统冗余结构（1）故障切换结构

故障切换结构采用动态冗余技术。

这类结构又分为双机热备结构和2×2取2结构。在双机热备系统中，一个CPU执行联锁(主机)，另一CPU虽然也进行联锁运算(热备)，但无控制输出。在2×2取2系统中，两个CPU构成一个子系统执行联锁任务(主机)，另两个CPU处于热备状态(备机)。（2）故障屏蔽结构

故障屏蔽结构采用屏蔽冗余技术。属于这类结构的目前只有3取2系统。3．计算机联锁系统的可靠性与安全性冗余结构（1）计算机联锁系统的可靠性冗余结构计算机联锁系统的可靠性冗余结构，往往采用双机热备系统。

计算机联锁系统的基本原理（2）计算机联锁系统安全性冗余结构使系统具有安全性并且使安全性指标达到规定水准的途径也是要为系统导入冗余资源。常采用双机同时工作并彼此间进行频繁比较的2取2冗余结构。（3）计算机联锁系统的可靠性与安全性冗余结构

为了使系统既具有可靠性又具有安全性，可采用了多重冗余构造，构成2×2取2系统，共利用了四台计算机，其中的两台处于热备状态。

也可采用三取二系统，即三台计算机同时工作，两两进行比较，当有两个结果相同(当然包括三个结果完全相同)时，则认为正确无误。

计算机联锁系统的基本原理四、一般计算机联锁系统的硬件构成1.系统的硬件构成

见各具体系统。2.系统的层次结构

从功能方面划分，系统采用两层结构，即人机会话层和联锁层。人机会话层选用工机IPC，而联锁层选用工业控制总线的测控系统用计算机。3.系统的可靠性结构与安全性结构

为了使系统达到所要求的可靠度，联锁计算机的硬件结构采用双机热备的二重冗余系统。4.硬件构成示意图图2-11是计算机联锁系统硬件结构图，各种型号计算机联锁系统的实际结构详见本书、、。其中，人机对话微机和联锁机，以及联锁机和联锁机之间的通信方式很多，最早采用RS-232等标准串行通信，随着网络技术和电子技术的发展，采用成熟的以太网。现又出现了一些面向控制系统的基于现场总线的网络，如LONWORK、CAN等，为计算机控制系统的联系方式提供了新的选择。

计算机联锁系统的基本原理

计算机联锁系统的基本原理图2-11

计算机联锁系统硬件结构五、切换开关电路和表决电路1.切换逻辑控制与切换开关电路（1）切换逻辑控制电路

常用的切换逻辑控制电路有定时监视法和动态信号监视法两种。

动态信号监视法和定时监视法的工作原理相类似，只是用动态信号检测器代替可再触发单稳态触发器，具体电路与动／静—电平输出接口电路相同。

计算机联锁系统的基本原理（2）切换开关电路

切换开关电路可以由多种器件构成。

2．三取二表决电路三取二冗余计算机联锁是利用静态屏蔽技术构成的的联锁系统，它共有三个主机，每个主机是联锁机的一个子模块，只要三个中的任意两个的输出是一致的，就把这个一致性的输出作为主机的输出，且认为联锁机的主机在可靠的工作，而不管第三个主机是否发生了故障。

计算机联锁系统的基本原理

计算机联锁系统的基本原理

六、人机会话层的硬件1．按钮操作的硬件

目前均采用鼠标方式。第三节

计算机联锁系统软件

一、计算机联锁系统软件的功能与总体结构1．计算机联锁系统软件的功能

（1）人机界面信息处理功能

①操作信息处理

②表示信息处理

③维护与管理信息处理

计算机联锁系统的基本原理2．信息显示的硬件(1)大屏幕显示器(2)智能化图形控制卡（①VGA显示卡、②多屏显示卡）

计算机联锁系统的基本原理（2）联锁控制功能

①建立进路；

②进路锁闭；

③信号开放；

④信号开放保持；

⑤进路正常解锁；

⑥进路非正常解锁

⑦道岔单独操纵；

⑧进路引导总锁闭。（3）执行控制功能

①输入控制功能

②输出控制功能

（4）自动检测与诊断功能

（5）其他功能

①非进路调车控制功能；

②平面调车溜放控制功能；

③站内道口控制功能；

④与调度集中/调度监督系统联系功能；

⑤与其他系统，如站内调度、管理信息系统等的结合功能；

⑥监测联锁设备状态功能等。2．计算机联锁系统软件的任务划分上位机系统的人机会话由人机会话机实现，维修诊断由电务维修机实现。下位机系统的联锁运算、输入和输出由联锁机实现。联锁机软件完成：按钮操作处理及站场信息处理；联锁运算；输入和输出。人机会话机软件完成：对操作命令进行接收、判断与发送；站场信息显示；系统信息提示。电务维修机软件完成：站场状态跟踪与回放；操作命令记录与故障记录；输入／输出故障定位。3．计算机联锁系统软件的总体结构（1）按照系统层次结构分类按照软件的层次结构，可分为三个层次，即人机会话层、联锁运算层和执行层。

计算机联锁系统的基本原理

（2）按照冗余结构分类

按照冗余结构，可分为双机热备制式的双版本软件结构和三取二系统的单软件结构。（3）按照联锁数据的组织形式分类

按照联锁数据的组织形式，可分为联锁图表式软件结构和进路控制式的软件结构。

计算机联锁系统的基本原理二、联锁数据与数据结构1.联锁数据（1）数据的编码必须采取多个码元编码，以多元代码代表开关量，才是故障—安全的。编码技术是冗余技术在信息领域里的具体应用。（2）数据的传输为了克服数据在传输中出错，一般采取避错和容错相结合的技术。2.静态数据及其结构（1）静态数据静态数据即常量，在联锁运算中它保持不变。建立任何一条进路，它的静态数据包括：①进路性质，是列车进路还是调车进路；②进路方向，是接车方向还是发车方向；③进路的范围，即进路的始端和始端，如果是迂回进路，应指明变更点(相当于变通按钮所对应的位置)：

计算机联锁系统的基本原理④防护进路的信号机(信号机名称)；⑤与建立进路相敌对的信号机及敌对条件；⑥进路中的轨道电路区段(名称)及数量；⑦进路中的道岔(名称)、所处的位置、数量；⑧进路所涉及的侵限绝缘轨道区段(名称)及检查条件；⑨进路的接近区段(名称)和离去区段(名称)；⑩进路末端是否存在需要结合或照查的设施，如闭塞设备、驼峰信号设备、机务段联系等。（2）静态数据结构进路表结构若将各项数据纳入一个数据表中就构成了一个进路表。将一个车站的全部进路(包括迂回进路)的进路表汇总在一起就构成了总进路表(很像联锁表)。总进路表存于ROM中就是一个静态数据库。②站场形结构站场形结构是指各个数据块在联结形式上和站场形状是一样的。

计算机联锁系统的基本原理3.动态数据及其结构（1）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。（2）状态输入变量

状态输入变量是反映监控对象状态的变量。

①集中存储方式

集中存储方式是将同类输入变量集中在一个变量表中。

②分散存储方式

分散存储方式是在RAM中为每一监控对象开辟一个存储区，称做动态数据模块，动态数据模块与静态数据模块一一对应。

计算机联锁系统的基本原理（3）表示输出变量

表示输出变量是指向控制台、表示盘或显示器提供的变量。通过这些变量反映有关列车或调车车列运行情况、操作人员的操作情况以及联锁设备工作状况。（4）设备控制变量

设备控制变量是指控制信号机和转辙机的变量。对于任何一个控制对象都由两套程序产生双份控制变量，只有双份变量一致时才可形成有效控制命令并经由安全输出通道输出。

控制变量和控制命令都应周期性地刷新，以保证数据的实时性。（5）中间变量

中间变量是指联锁程序执行过程中产生的一些变量。

计算机联锁系统的基本原理三、人机会话软件1.人机会话软件的任务（1）按钮命令发送任务（2）信息显示任务

①接收联锁机数据

②处理接收的数据

③显示处理后的数据

区段状态

道岔状态

信号机状态

功能按钮状态

道岔名和信号名显示

提作提示

计算机联锁系统的基本原理2.人机会话软件的实现（1）按钮接收与发送任务的实现

①通过程序扫描被按下的按钮

②将该按钮的编号发送到联锁机（2）信息显示任务的实现

①接收联锁机的数据

②处理接收到的数据

③将处理过的数据在屏幕上显示出来（3）人机会话软件的调度模式及流程

计算机联锁系统的基本原理

①DOS系统下的软件调度模式

②WINDOWS系统下的软件调度模式

计算机联锁系统的基本原理3．人机会话软件的特点在计算机联锁系统人机会话层程序的设计中必须遵循软件设计的标准化和模块化。四、联锁软件1．联锁软件的基本模块（1）操作输入及操作命令形成模块（2）操作命令执行模块（3）进路处理模块

①进路选排一致性检查及道岔控制命令形成子模块

②进路锁闭模块信号开放与保持子模块

④进路正常解锁子模块

⑤取消进路子模块

计算机联锁系统的基本原理（4）状态输入模块（5）表示信息输出模块（6）控制命令输出模块2.联锁软件的任务调度方式（1）集中调度方式集中调度方式是在各个程序模块之外，另设计一套实时调度程序，由它统一调度各个任务的执行。

（2）分散调度方式不设专门的调度程序而将调度的功能由各个任务分别承担。

计算机联锁系统的基本原理3.操作命令执行程序（1）操作命令类型与功能

①进路操作命令

②取消进路命令

③人工解锁命令

④进路故障解锁

⑤区段故障解锁命令

⑥重复开放信号命令

计算机联锁系统的基本原理⑦非常关闭信号命令⑧开放引导信号命令⑨引导锁闭命令⑩道岔单独操纵命令道岔单独锁闭命令道岔单独解锁命令（2）操作命令的形成与任务分配

①进路操作命令的形成a．进路选路操作b．关闭信号操作c．解锁进路操作

②道岔操作命令的形成

③其他的特殊任务操作

其他的特殊任务操作如非进路调车、平面溜放、闭塞手续的办理，场间联系等根据站场的作业需要而设置的任务。

（3）道岔控制程序的实现

①道岔控制技术条件的检查a．道岔总定位、总反位b．单锁、单解c．封锁、封解

计算机联锁系统的基本原理②道岔操作命令程序的结构流程

4.进路处理程序(1)进路搜索程序

①动态生成进路

②从进路总表中选出进路(2)进路处理模块

①标准检查子模块

计算机联锁系统的基本原理a．进路空闲检查子模块

b．道岔位置检查子模块

计算机联锁系统的基本原理c．照查条件检查子模块d．进路控制表的设置子模块②进路处理基本子模块a．进路选排及道岔控制命令生成模块子模块

计算机联锁系统的基本原理b．进路锁闭子模块

计算机联锁系统的基本原理c．信号开放与保持子模块

计算机联锁系统的基本原理d．进路正常解锁子模块

计算机联锁系统的基本原理

e．取消进路子模块

计算机联锁系统的基本原理

③进路处理模块的调度a.各条进路的处理

计算机联锁系统的基本原理b．一条进路的处理

5．过程输入输出程序（1）安全输入程序

①输入清零模块

②读入数据模块

③置回执模块（2）安全输出程序安全输出程序的算法如下：

①调用输出模块0。

②检查有无控制命令

③调用输出模块1。

④输出安全性检查

⑤一致性检查

计算机联锁系统的基本原理6．提高软件可靠性的措施

类似于提高硬件可靠性的措施，也是从避错、检测和屏蔽三方面来考虑的

检测软件故障的技术多采用双软件技术（软件冗余）。软件故障屏蔽技术主要是采用三个功能相同的软件，就其运算结果进行多数表决。

计算机联锁系统的基本原理第三节

计算机联锁系统的通道与接口一、计算机联锁系统输入、输出信息与接口1．计算机联锁系统输入／输出信息的性质（1）开关性（2）安全性2．计算机联锁系统接口的采用非安全接口是不涉及行车安全数据的接口，无论是并行还是串行，均可采用通用的标准接口。尽管利用编码理论可以实现电子电路内部的故障—安全要求，然而目前对安全性信息的输入和输出仍由继电器来完成。二、开关量输入通道开关量输入通道是将二值开关量信息变换成计算机能接收的两种电平信号，并抗干扰，保证输入信号的正确性。

计算机联锁系统的基本原理

信号形成电路应具有变换、隔离和去抖功能。①变换②隔离③去抖

计算机联锁系统的基本原理三、开关量输出通道

联锁计算机输出的开关量用来控制执行继电器、表示灯或音响报警装置。

1．继电器输出接口

计算机联锁系统的基本原理2．表示灯输出接口

3．音响报警输出接口

计算机联锁系统的基本原理四、故障—安全输入／输出接口1．故障—安全输入接口故障一安全输入接口必须做到以下两点：①采用光电隔离技术,以便有效地抑制接点输入电路的电磁干扰。②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

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(2)动态故障—