14820104 - 毕业设计修改稿-闫毅

西南交通大学网络教育毕业设计（论文） 第6页 统实现信号、进路与道岔间的联锁关系，因此它实质上是一个满足故障——安全信号原则的联锁逻辑运算系统，计算机在系统中的作用是将操作命令与现场各种输入的表示信息读入，再根据计算机内部状态等条件进行逻辑运算，判断后输出控制信息至执行机构，实现多变量数字输入和多变量数字输出这样一个复杂传递函数的变换。

2.4 计算机联锁系统基本原理

从计算机系统的体系结构来看属于二级集散式控制系统，突破了旧有的集中式

信号系统模式，具有模块化、层次化等特点。模块化是指联锁机主模块、PLC及信号结合模块等，层次化是指系统具有操作表示层、联锁运算层、复核驱动层、结合电路层及监控对象层等五个物理层次。这种结构的优点在于可根据车站规模的大小、作业需求的不同，在不改变联锁软件的基础上通过修改站场静态数据并增设相应硬件模块，即可满足系统的扩容要求，先进的控制体系结构结合工艺设计使得系统调试周期与现场施工、开通周期均大为缩短，具有很好的经济与实用性。 1.人机对话层

将来自键盘、鼠标等操作输入，经串口送达联锁计算机，同时在图形显示器上显示站场表示信息。在站场规模较大致使联锁计算机负担较重或需要多终端操作的情况下，可设置操作命令采集机进行操作命令输入的有效性判别并转换成约定格式传送给联锁计算机。

2.联锁运算层

联锁微机是系统的核心部分，承担着操作输入的判别、联锁信号的调理及分析、逻辑运算、控制命令生成、故障诊断等任务，其可靠性、安全性对系统的总体故障—安全性能有较大影响，HJ04A系统中设置了两台联锁微机，其中一台为冷备机，可进行人工切换。 3.复核驱动层

复核驱动层由PLC组成，其承担着采集表示信息并将联锁微机下达的操作命令转化为故障—安全的控制信号的任务，作为系统安全性设计的重要环节之一，PLC还承担着对联锁微机形成的操作命令进行复核检查的屏障作用。 4.结合电路层

结合电路的任务之一是实现现场监控设备表示信息与PLC输出的驱动信号的安

西南交通大学网络教育毕业设计（论文） 第7页 全逻辑转换，使PLC的输入、输出信息均具有故障—安全性能。任务之二是用专用电路规范监控设备的测控过程，即包括表示信息采集机制与设备驱动流程。 5.监控对象层

监控设备是指联锁系统的现场设备，即道岔、信号机与轨道电路。

2.5计算机联锁所用的冗余结构

目前，国内外进行高可靠系统的容错设计多采用三模静态冗余方案或二模动态

冗余方案。其中前者完全是靠硬件冗余来提升可靠性的，后者则不仅使用了硬件冗余资源，同时也使用了故障检测技术与软件冗余资源。这二种方案的共同特点是对硬件故障具有较强的屏蔽与纠错能力。然而这二种方案均存在一定的实现难度与缺陷，三模冗余系统必须实现三模的同步进程及表决器的高可靠设计，尤其需要解决时钟容错的问题：二模动态冗余系统则要求冗余管理机构的高效与可靠性。目前这二类系统的可靠性计算都是在设定表决器或冗余管理机构的可靠度R(t)=1的基础上进行的，同时由于设备直接投资成本过高，因而在非航天、通讯等可靠性要求很高的领域应用不多。

在铁路信号领域，由于行车安全被认为是超过效率的重要考虑，因此相应对计算机联锁系统的可靠性与安全性要求很高，针对这种情况，可以有二种方式供我们在设计中进行选择。其一是强化系统的可靠性设计，这是基于可靠性理论包含了系统故障的屏蔽效应，因而用高可靠性换取系统的低故障率，以此隐含了对安全性的相对提升。但可靠性技术总是受一定的条件所限制，如硬件冗余资源使用、采用高可靠器件等，这完全取决于系统的可靠性要求及财力许可。其次我们可以基于这样一个思路来考虑问题，如果计算机联锁系统在保证一定可靠性要求基础上并结合故障—安全技术来得以实现，实质上也就是说牺牲少量的效率来避免昂贵的成本并换取系统的高安全性，同样也能满足铁路信号对联锁系统的性能要求。随着计算机技术的迅速发展，尤其是高可靠性技术及容错理论与技术的发展，计算机在铁路信号联锁设备的应用也逐渐广泛。由于计算机联锁系统处理涉及安全的信息，而它主要是由大规模和超大规模的集成电路芯片组成，集成电路芯片具有对称的错误特性，即芯片的短路故障和断路故障的概率是相同的，因此必须使采用集成电路芯片电路的计算机联锁具有故障安全特性。

一般来讲，计算机联锁系统是采用避错技术和容错技术来提高系统的可靠性。

西南交通大学网络教育毕业设计（论文） 第8页 避错技术采用高可靠性芯片，以减少故障概率。但是不能保证系统绝对可靠，因为芯片可靠性的提高是有限度的，越过这个限度将付出巨大的代价。在这种情况下，要想进一步提高系统的可靠性，就要用到容错技术。容错技术的基本 发点是承认故障不可避免的事实，进而考虑解除故障影响的措施。为实现这一目的，主要手段就是投入更多的所需资源，如硬件冗余、软件冗余、时间冗余等，主要是硬件和软件冗余。

2.6 联锁系统中的硬件及要求

计算机中硬件部分在联锁系统的特点限制下，其安全可靠性的技术需要从联锁

系统的三个部分分析研究：

1.上位机部分，计算机的上位机是向所有的联锁机构进行操作信息输入的部分，它能够接收对应的联锁机构所输出的一系列信息。对于联锁上位机设备的选择要求很高，机箱必须能够散热、防潮，同时具有隔热和防尘的作用，上机位的驱动器则应采用避震的措施，保证机箱的机械强度和强烈的抗电磁干扰能力。

同时我们要求使用与上位机配置相同的联锁系统维修机，当系统发生故障时可以自动进行切换，并在切换时不会影响现场所有的设备，以此提高设备的可靠性。在上机位人机接口界面的设计中可以设置安全登陆口令以及操作员权限等，保证联锁系统可以安全可靠的执行。

2 .联锁机部分，信号控制系统的核心就是联锁机，该部分的常见硬件是三重冗余系统，该系统是在三个相同主机的系统中，分块对主机进行分析，使三个模块能够进行同样的操作，在表决器的输入端输入模块输出的信息，再将表决器输出的信息作为整个系统的输出信息，在三取二的表决方式下得到最终的输出信息，实现输出信息的安全可靠性。如果两个主机出现了相同的故障，造成系统错误的信息输出，将会危及行车安全，因此，从安全的角度分析，可以明确，消除计算机软硬件中的设计错误是避免上述问题的有效措施。为避免不同主机相同故障的发生，通常采用的技术有单机自检和主机之间互检，在故障检测范围的扩大下，尽量消除外在干扰因素引起的影响。

为使三重冗余技术能够实现表决一致而得出正确结果，并且及时发现错误模块，要求保证三台计算机同步工作，为实现联锁系统的安全可靠性，必须确保对运行状态进行在线诊断，并且具有专门的对应安全检查的程序，而且对于已经发现的

西南交通大学网络教育毕业设计（论文） 第9页 故障要立即断开计算机信息的输出，与此同时，做到及时的报警。 同样的，光电隔离技术是运用在联锁机部分的另一种重要的手段， 通过静态和动态的输入方式保证系统的安全可靠，避免故障的发生。

3.接口部分，计算机联锁系统接口电路一部分是人机对话接口，采用通用接口；另一部分是计算机与监控对象之间的接口，采用专门设计的故障-安全接口。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后，才能经由接口送入计算机，而我国铁路中一直使用重力式的安全继电器，因此，计算机联锁系统在进行接口电路处理时仍将采用安全继电器，以此作为联锁结构和室外的控制电路之间的接口。而安全继电器根据重力式的设计原理，保证了计算机联锁系统的安全运行。

因此，在目前国内的计算机联锁系统中，由于受到软、硬件技术水平的限制，还不能完全取消继电器，安全继电器仍在信号、轨道电路和道岔等控制、监督室外信号设备的最后一级执行部件中使用。而输入接口的根本任务就是把一定的逻辑数据有效可靠地采集运用到联锁机。

4.其他方面考虑计算机联锁系统硬件设备的其他方面的安全可靠性，对包括电源、计算机、数据通讯线路、输入输出接口、机柜结构及地线设置等方面采取了电磁兼容设计和防雷设计，以保证在规定等级的运用环境中，设备必须正常工作，不产生任何指标下降和功能上非期望值的偏差。

2.7 联锁系统中的软件部分

在计算机联锁系统里，各种复杂的功能主要依靠软件来实现，计算机联锁软件

则是由联锁数据和联锁程序组成。嵌入在安全控制系统中的软件，不仅要能完整地实现系统的控制功能，还要能保证实现系统在发生意外时的安全防护。

一般在计算机联锁系统中，普遍采用以下软件技术来提高系统的安全可靠性： 1. 联锁控制、输入输出等程序均采用双套程序，独立版本，同时运行，将程序运行结果进行比较，两者一致时才可输出，即软件设计采用了安全性冗余的方式，提高了系统的安全性。

2. 采用信息编码技术，以便出错时能被及时识别。

3. 采用联锁程序分层次运行的方式，便于联锁条件的检查和发现程序运行错