计算机联锁讲义(修改)

第一章计算机联锁基础

第一节计算机联锁概述

车站信号设备是一个很复杂的自动控制系统，它经历了从机械联锁到继电联锁的发展过程。采用继电联锁固然有很高的安全性和可靠性。但是继电联锁设备造价高、信息少、体积大，而且不便于与其它自动控制系统进行信息交换。随着计算机技术的不断发展，在世界各国正采用计算机设备来实现对车站联锁的控制，即计算机联锁。从长远观点看，计算机联锁系统将成为继电联锁的替代设备。它已成为铁路信号技术设备自动化、信息化的标志，是保证铁路运输安全高效的关键设备。本章就计算机联锁的基础知识作以介绍。

一、计算机联锁的基本原理

众所周知，继电联锁是靠继电器的线圈、接点组成一套复杂的开关量控制电路，实现对信号设备的联锁控制。而计算机是一个能够对二进制代码进行各种复杂运算的智能机器，要用计算机取代继电器实现联锁控制就必须将各种开关量转换为1、0相间的代码，构成一套复杂的控制系统。

图1—1计算机联锁基本原理框图

图1—1是计算机联锁控制的原理框图，实现联锁控制主要经过信息输入、联锁运算和信息输出三个环节。计算机一方面通过操作输入通道和接口接收由操作设备(控制台)产生的操作信息；另一方面通过状态输入通道和接口采集室外信号设备的状态信息，将上述两种开关量的动作变为二进制代码送入计算机。信息代码进入计算机以后,计算机按照联锁程序的要求对输入的信息进行分析处理和复杂的逻辑运算(这里称为联锁运算)，其结果形成了对信号设备的控制信息和各种表示信息。控制信息通过输出通道和接口控制道岔转换和信号变换显示；表示信息则通过表示输出通道和接口控制显示器的显示。

1

二、计算机联锁设备的基本功能

随着现代计算机控制技术的发展，计算机联锁设备的功能已远远超过继电联锁设备，许多功能是继电联锁无法实现的。下面介绍一下计算机联锁设备的功能：

1、联锁控制功能

计算机联锁设备具有6502电气集中联锁设备的所有功能，主要包括：

(1)对进路的控制：能够实现进路的自动选排、锁闭及解锁。

(2)对信号的控制：能够实现信号的自动开放、关闭及防止信号因故关闭后的自动重复开放。

(3)对道岔的控制：能够实现对道岔的单独操纵、单独锁闭及单独解锁。

2、显示功能

由于采用大屏幕彩色显示器，计算机联锁系统能够提供非常直观、清晰、形象的各种显示。

(1)站形显示：在显示器上，平时用蓝色的线条显示出车站的站形，当道岔位臵改变时，显示器上的道岔开通方向会随之改变。进路锁闭时，相关的线条变为白色；有车占用时，变为红色。

(2)现场信号设备状态显示：显示器上不但能清晰地显示道岔的位臵，还能显示轨道区段和信号机的各种状态。

(3)按钮操作提示：值班员按下某一按钮后，在显示器上有相应的提示，以确认操作动作是否正确。

(4)系统的工作状态、故障报警显示：在屏幕上，不但能够显示系统的工作状态，而且当系统发生故障时，显示器上还有报警提示。

3、记录储存和故障诊断功能

计算机联锁系统最突出的优点是储存容量大，具有较强的记忆功能，系统不但能够及时的提供当前的信息显示，而且还能提供历史的信息。

(1)自动记录功能：计算机联锁系统能够随时自动记录值班员的操作，现场信号设备的动作，车列的运行情况。上述所有的信息均保存不少于48小时或一个月(甚至更长的时间)，需要查询设备的动作或分析系统的故障时，可随时调用记忆期限内任意时刻的各种信息。

(2)提供图像作业再现功能：计算机联锁系统不但能保存信息，而且可以将记忆期限内任一时间的作业情况重新再现。根据需要可以选择快进、步进和正常三种再现速度。

2

(3)集中监测报警功能：计算机联锁系统一方面能够自动监测系统自身运行的状况，另一方面，在室外信号机、道岔或轨道电路灯信号设备发生故障或参数异常时，及时给出报警提示，以便及时处理。

4、结合功能

由于计算机联锁系统可以与调度监督、调度集中等远程自动化系统直接进行数据交换和信息传送，因此可以灵活地与其它系统结合，以实现多网合一，节省设备。

实践证明，计算机联锁设备与继电联锁设备相比还有较强的优越性。在技术上，计算机联锁系统功能完善，设备可靠性强，安全性高，灵活性大，便于维护。在经济上，设备投资成本低，占地面积小，可节省基建费用。由于计算机联锁设备具有较高的性能价格比，从长远观点看，发展计算机联锁具有广阔的前景。

三、计算机联锁系统的特点

1、人—机对话设备更新：计算机联锁系统操纵设备已由过去操纵表示合一的按钮式控制台，变为操纵表示分离的数字化仪和大屏幕显示器，采用光笔或鼠标操作，既形象直观又方便灵活。

2、软、硬件设计模块化：各种计算机联锁系统，在软、硬件设计时，均以信号设备即信号机、道岔、轨道区段为设计对象，根据站形选择不同数量的数据模块进行链接，便于系统的设计和调试。

3、硬件高可靠性：为了提高计算机联锁系统的可靠性，各个环节的计算机均采用高可靠性的工业控制机，在系统设计时，采用动态冗余，故障切换等方式，减少系统停机的概率，保证系统可靠工作。

4、软件采用双套程序：在软件设计时，采用不同版本，不同思路的两套软件。输入相同的信息，两套程序同时分别运行，结果比较，若两结果一致，才可以输出。这样可以防止程序运行时发生错误。此外，各种信息采用冗余编码，即用多个码元表示一个信息，这样在信息传输错误时，可以防止产生错误结果。

5、信息传输：采用光缆或通信电缆作为传输线路，通信速度快；用同步或异步通信的方式传输信息，可以大大减少信息的传输错误。

6、系统采取抗干扰措施：计算机联锁系统采用隔离变压器和高抗干扰稳压电源，外部设备和计算机之间采用光电耦合，保证系统不受外界干扰。

7、功能齐全：计算机联锁系统除了具有较强的联锁控制和显示功能外，还增加了较完善的系统自动测试和故障诊断功能。

3

4 8、预留接口：计算机联锁系统预留的接口可以与其它信息化设备直接连接，交换信息非常方便。

随着计算机技术在自动控制领域的不断应用，计算机联锁技术也正在迅速发展，它的功能不断增强，成本不断降低。计算机联锁设备的应用，已由点到线不断扩展，并将与TMIS 、DMIS 等系统同步发展。成为代表中国铁路信号现代化水平的标志。

第二节 计算机联锁系统的硬件组成

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。

计算机联锁系统主要由人机对话设备、联锁控制计算机系统(简称主机) 、输入/输出通道与接口、继电器结合电路及其监控对象(信号机、道岔、轨道电路) 等部分组成。图1—2是计算机联锁系统的硬件结构框图。

下面对各组成部分作以简要说明。

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

图1—2 计算机联锁硬件结构框图

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。因此，图1—1 的计算机系统(主机)是由几个子系统组成，一般包括上位机(也称操作表示机或控制显示机或监视控制机)、下位机(也称联锁处理机)、电务维修机(也称监测机)等。而且，为了提高系统的可靠性，上位机采用双机冗余控制，联锁机采用双机热备、三机表决或2×2取二控制，如图1—2所示。各部分计算机的功能如下：

(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。

(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。

(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。

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。

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。

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，

5

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。

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。

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。一般的系统主要设臵以下继电器：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。

二、计算机联锁系统的冗余结构

(一)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。

1、可靠性冗余结构：如图1—3，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。

2、安全性冗余结构：如图1—4，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，

6

7

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。

(二)双机储备系统

1、双机储备系统的基本结构

图1—5是双机储备系统的结构框图，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。

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。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

图1—3可靠性冗余结构

图1—4

安全性冗余结构

图1—5双机储备系统的结构框图

8

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”。

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。

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。

故障检测设备一般采用软件和硬件结合的方式，故障检测的方式很多，图1—6是利用比较—自诊断法实现故障检测的框图，这是一种典型的故障检测方式。

如图所示，主备机均运行正常时，输出状态一致，比较器输出为“1”。此时，门1打开，系统将A 机状态输出。当主机与备机输出不一致，即某一机器故障时，比较器输出为“0”，系统将通过中断方式启动自诊断程序对系统进行自动检测。若为主机故障，则通过判别器关闭A 机控制门，将无故障的B 机状态输出，这样就实现了自动切换。当然，B 机故障时，A 机继续输出。

4、双机储备系统主备机的同步过程

采用双机动态冗余方式的关键是A 、B 机传送给比较器的信息应当同时送到，因此，要求A 、B 机的必须同步工作，只有同步才能及时交换信息。为了实现同步，一般的系统采用半双工的通信方式，备机定期向主机呼叫，扫描一个周期，交换一次信息，即握手一次。双机热备系统同步过程可用图1—7表示

5、双机储备系统的状态转换

这种由双机动态切换实现冗余的方式，称为动态冗余。双机热备系统的工作状态可用图1—8表示

工作

热 备 图1—8联锁机双机状态转换图

图1—7双机同步过程

9 (三)三机表决系统

1、三机表决系统的结构原理

三机表决系统也称三取二系统，图1—9是三机表决系统的结构框图，系统共有A 、B 、C 三个相同的主机，每个主机可以把它看成是系统中的一个模块。三个模块执行相同的操作，其输出送到表决器的输入端，将表决器的输出作为系统

三机表决系统首先承认“多数模块的输出是正确的”，按照“少数服从多数”的原理，用三取二的表决结果作为系统的正确输出。这样有一个模块发生故障，不影响系统的输出。可以屏蔽任一个模块的故障对系统的影响。

三机表决系统是利用故障屏蔽技术组成的冗余结构，称这种冗余方式为静态冗余。这种方式既提高了系统的可靠性又提高了系统的安全性。但由于增加了系统的硬件，使系统的造价也相应提高了。

应当指出，当两个模块发生共模故障时，表决器将输出故障的结果。设计时，可以采用单机自检或主机间互检的方法，消除共模故障。

2、多数表决器

三机表决系统的核心是多数表决器，用表决器的逻辑电路实现“少数服从多数”的功能。先分析一下系统的逻辑表达式：假设三个模块A 、B 、

C 的输出分别为a 、b 、c ，则表决器的逻辑表达式为：

V(a ,b ,c)=ab+bc+ac

因此其逻辑电路如图1—10所示。

图1—10的电路能够实现表决器的逻辑功能，但它不能实现故障导向安全。由于表决器是对安全性信息进行表决的，它必须保证在表决器电路任一环节发生故障时不致造成危险侧输出。

图1—11是多数表决器一个比较单元的电路原理图，它相当于图2—9中的一个与门。下面分析一下这个电路的工作原理：

A 、

B 机的输出a 、b 一致时，在由分配器产生的四个脉冲CP 1～CP 4周期内，

图1—9三机表决系统结构框图

将在X

8和X

7

端产生一个左移脉冲一个右移脉冲，送入双向移位寄存器，若双向

移位寄存器预先臵入“1、0”，则在CP

1～CP

4

的推动下，移位寄存器输出“1、

0”相间的脉冲。

A、B机的输出不一致时，在CP

1～CP

4

的四个脉冲周期内，将产生连续两次

左移脉冲或两次右移脉冲，使移位寄存器变为“0 0 ”，此后无论如何推动，移位寄存器只能输出稳定的“0”。

在系统设计时，将系统的正常输出设定为“1、0”相间的脉冲，而稳定的“0”或稳定的“1”均为非正常输出。在表决器电路发生故障时，即图1—11 中X

1

～

X

8

任一点发生粘“0”或粘“1”故障时，双向移位寄存器不能输出连续的“1、0”相间的脉冲，只能输出稳定的“0”或输出一个单脉冲后变为稳定的“0”。发现这一结果，系统将自动变为安全侧输出，实现了故障导向安全。

3、故障机的确定

三机表决系统中，有一台主机出现故障时，虽然可以被掩盖过去，但系统已失去了容错的能力。若不及时修复，当另一模块再发生故障时，将使表决失误。为此，三机表决系统必须具有故障检测能力。图1—12是三机系统模块故障检测示意图，检测电路将系统最后的输出与各主机的输出分别进行“异或”比较，不一致时输出为“1”，给出故障指示。这样，可以发现故障机，并及时报警。

要保证三机表决系统工作可靠，A、B、C三机必须同步工作，在系统软件或硬件设计时，必须采取相应的措施，实现同步。

(四) 2×2取二系统

1.2×2取二系统的概述

(1)二取二的含义：在一套子系统上集成两套CPU，两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。

(2)2×2的含义：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。

10

11 每一子系统内部为安全性冗余控制，两子系统形成可靠性冗余控制，这样，既提高了系统的可靠性又提高了系统的安全性。

2、2×2取二系统的结构原理

如图1—13所示，系统Ⅰ或系统Ⅱ只要有一个系统正常输出即可保障整个系统正常工作，从而提高了系统的可靠性。在系统Ⅰ或系统Ⅱ每一个子系统均由系统A 和系统B 构成，只有A 、B 两个系统同时工作正常时，系统Ⅰ或系统Ⅱ才能有输出，从而提高了系统的安全性。

在实际应用中，计算机联锁系统的联锁机采用 2×2取二系统，输入输出处理机采用两二取二系统并用方式，两环节主机为I 系，备机为II 系。每环节为双机四主热备控制，两环节构成四机八主系统，两环节之间采用光纤双冗余网络通信。联锁机发生故障时，可自动完成主备系切换。

I 系和II 系的输入输出处理机同时接收主联锁机的输出信息，备联锁机的输出信息只作校核用不作为输出；两输入输出处理机同时运行，两输出并行同时控制执行继电器。

三、计算机联锁系统的接口电路

计算机与外部设备进行信息交换时，必须经过通道与接口电路(以下简称接口)将信息进行变换处理。同时，为了防止外部电路的干扰信号进入计算机，必须通过接口电路实现计算机与外部设备电路的隔离。

计算机联锁系统接口电路一部分是人—机对话接口，这一接口是传输操作信息和表示信息的，这两个信息属于非安全性信息，因此人—机对话接口可以采用通用的接口。由于表示信息的输出是通过与系统总线连接的通用显示卡直接驱动显示器，这里不做介绍。

图1—13 2×2取二系统原理框图

12 计算机联锁系统接口电路的另一部分是计算机与监控对象之间的接口，通过这部分接口要采集设备状态信息和输出对现场信号设备的控制信息，这两个信息都属于安全性信息，因此, 这部分接口不能采用通用的接口，而必须采用专门为计算机联锁设计的故障—安全接口，这也是计算机联锁系统不同于其它领域自动控制系统的特点。

下面分别介绍操作信息采集接口、状态信息采集接口和控制信息输出接口的电路原理。

(一)操作信息输入接口电路

图1—14是矩阵式输入接口电路，这是操作信息采集接口的一种典型电路形

图1—15是一个按钮采集单元的电路，按钮的操作是通过光电耦合管G 送入计算机的，光电耦合管具有光电隔离的功能，即外部电路与计算机只能通过光电耦合传送信息，没有电路联系，这样就防止了外电路的电流进入计算机。 在图1—15中，按钮接点断开时，光电耦合管G 截止，相应的列线为低电位。若行线为低电位时，即使按压了按钮光电耦合管G 也不能导通，相应的列线上仍为低电位。只有行线为高电位时，按压按钮后，光电耦合管G 导通，相应的列线变为高电位。

H 1 H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 H 8 图1-14 矩阵式输入接口

从图1—14可以看出，各按钮以矩阵的形式将输出口的行线（H线）和输入口的列线（L线）相连。由CPU控制向输出口发送扫描信号，控制H线电位。H 线为“0”时，按钮按下动作无效。H 线为“1”时，按钮按下动作有效。即将行线的“1”转成L线的“1”，该信息经输入口送入计算机，计算机即采集到该按钮被按下的操作信息。

(二)状态信息采集接口电路

状态信息采集接口电路有两种形式，一种是对静态信息的采集，另一种是对动态信息的采集。两种电路都是故障—安全输入电路，下面分别介绍：

1.静态故障—安全输入接口

静态故障—安全输入接口电路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示。假设代码的码长为n，取其中一个作为危险侧代码，一个作为安全侧代码，那么其余2n－2 个代码为非法码。当n足够大发生故障时，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。系统对非法码均作安全侧信息处理，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。

图1—16静态故障—安全输入接口电路

这种输入接口电路的结构如图1—16所示。图中以采集轨道继电器(GJ) 的状态为例。当GJ励磁吸起时，四个光电耦合管全部导通，各端输出均为高电平。这样轨道电路的危险侧状态由电平信息变成代码1111 ，经由通用并行输入口送入计算机。反之，当GJ失磁落下时，光电耦合器全部截止，其输出端均为低电平，轨道电路的安全侧状态变换成代码0000 ，经由通用并行输入口送入计算机。计算机对四个码元进行“与”运算，结果为“1”说明轨道电路在空闲状态；如果结果为“0”，说明轨道电路在占用状态。显然电路发生故障时，运算的结果为“0”的概率远远大于运算结果为“1”的概率，实现了故障导向安全。

13

从理论上讲，这是一种信息冗余技术。冗余程度愈高，即码元数愈多，安全性愈高，但可靠性和经济性也愈低。实际应用时，一般选4位或8位码元代表一个信息。

2.

动态故障—安全输入接口的电路形式如图1—17所示，仍以采集轨道继电

器的状态为例。图中用了两个光电耦合器G

1和G

2

。G

1

的输入级和G

2

的输出级串联。

G 2导通时，由GJ前接点控制G

1

的导通与截止。G

2

的输入级由计算机的输出口控

制它的通断，G

1

的输出则接向计算机的输入口。在GJ前接点闭合的情况下，若

计算机输出高电平“1”信号，则使G

2导通，从而使G

1

亦导通。于是G

1

输出端输

出一个低电平“0”信号送入计算机。反之，若计算机输出一个低电平“0”信号，

则G

2截止，G

1

亦截止，读入计算机的则是高电平“1”信号。因此，计算机的输

入输出互为反向关系。

当系统需要采集GJ的状态信息时，由计算机输出脉冲序列，例如1010 ，在GJ前接点闭合(危险侧)且电路未发生故障的情况下，返回计算机的必然是反向脉冲序列0101；而当GJ落下(安全侧)或电路任何一点发生故障时，G

2

的输出端必然呈稳定电平(1或0) 。计算机读入该稳定信号，则表明收到了安全侧信息。

动态输入采集接口，从计算机输入输出的关系看，实际上是一个闭环形式的动态脉冲电路。它是通过计算机校验输入代码是否畸变来判断输入电路是否故障，从而实现故障—安全。

(三)控制信息输出接口电路

计算机输出的控制信息的目的是要控制执行部件即信号继电器，为了实现故障—安全，大多数情况下均采用动态输出驱动的方式，即采用动态继电器。

图1—17动态故障—安全输入接口电路

14

图1—18动态继电器原理图。其工作原理是：在电路正常情况下，当计算机

没有控制命令输出时，A端为低电平，光电耦合器G

1截止，由控制电源经由R

2

、

D 1和D

2

向电容器C

1

充电。当充电电压接近电源电压时，充电过程结束，此刻电路

处于稳态。由于R

3、C

2

没有电流流过，电容器C

2

两端没有电压，此时偏极继电器

J处于释放状态。当有控制命令输出时，传送到A端的则是脉冲序列。当A端处

于高电位时，G

1导通，电容器C

1

放电，C

1

放电的电流一方面通过G

1

的集—射极、

偏极继电器J的线圈、D

3形成回路，使J吸起；另一方面经R

3

向电容器C

2

充电。

当A端由高电平变为低电电平时，G

1又重新截止，电容器C

1

恢复充电。此时靠

C

2

的放电时J维持不落。这样，在脉冲序列作用下，随着A端电平的高低变化，

G 1不断地导通截止，C

1

和C

2

也就不断地充放电，使继电器励磁并保持吸起，直到

A端无控制命令(脉冲序列) 输入，G

1截止，C

2

得不到能量补充，待其端电压降

到继电器落下值时，J 才失磁落下。该电路不仅能防止一两个脉冲的干扰而使继电器误动。同时由于J采用了偏极继电器，能够鉴别电流方向，还可以防止当

C 1和D

3

都击穿时造成继电器错误吸起。

各厂家实际的动态继电器控制电路虽然不尽相同，但都是基于上述电路的基

本原理设计的。

第三节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。

一、总线传输

(一)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

图1—18动态继电器原理图

15

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。

(二)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。

(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。

(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。

(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。

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。

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、控制装臵)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。

(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

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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。

(二)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。

二、局域网传输

局域网也称以太网、CAN网(Controller Area network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。即每一子系统均设臵两块网卡，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。

三、光纤信息传输

光纤信息传输即用光纤作为网线，每一子系统设臵两块光通信卡，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。

第四节计算机联锁系统的软件简介计算机联锁的软件由联锁数据和联锁程序组成，各种型号的计算机联锁系统最大的区别就是软件的不同，而且各家公司对其软件均采取保密措施，具体程序均不对外公布。当然维修单位也没有必要掌握具体的程序，这里对计算机联锁系统的软件只作简单的介绍。

一、联锁数据

在计算机联锁系统中，所有的信息进入计算机后均变为数据，计算机只能对这些数据进行运算处理，凡参与联锁运算的有关数据统称为联锁数据。在联锁运算中有些数据是固定不变的，如表示设备的编号或位臵的数据。这些在联锁运算

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中不发生变化的数据被称为静态数据，也称常量。而在联锁运算中发生变化的数据，如表示状态输入信息、操作数入信息的数据，被称为动态数据，也称作逻辑变量。在联锁程序运行的过程中有大量的静态和动态数据参与联锁运算，各种数据存放在存储器中，数据在存储器中的组成方法被称为数据结构。

1、数据编码

代表信号设备状态或控制命令的开关量有两个状态被称为二值逻辑变量。为了实现故障—安全, 一般用多位二进制数表示一个二值逻辑变量。即用码长为n 的二进制代码，取其两个码与二值逻辑量对应，其它2n-2个代码均为非法码，两个有效码一个对应安全侧另一个对应危险侧(次安全侧)。如果由于信息受到干扰，而产生非法码时，计算机将其作为安全侧信息处理，从而实现故障导向安全。这种方式称为信息冗余。

实践证明，在数据编码时，取1、0相间的代码对应危险侧，则安全性更高。在数据存储时，将同一数据存入不同的单元，数据输出时采用比较法和多数表决法还可进一步提高系统的安全性。

2、静态数据

在静态数据库中，将进路的特性及与该进路有关的监控对象的特征用一组数据表示出来，这组数据与联锁表相似，在这里被称为进路表。

一般的系统进路表均采用站场形数据结构。其构成方法是先将信号平面布臵图上各监控对象及操作按钮的位臵数据化，这些数据存放在只读存储器中，即每一个信号设备对应有一个数据块，各设备的数据合起来形成一个小型静态数据库，即站形数据库。然后由进路表生成软件，在建立进路时根据站形数据库，将进路中各监控对象对应的数据块链接起来，自动生成一个进路表，存于读写存储器中。这样，就不必将每一条进路的进路表预先存于机器内，可以节省大量的存储空间。

3、动态数据

动态数据主要包括以下四部分：

(1)操作输入数据—表示操作的输入数据

操作数据的首址与输入通道的地址对应。两个及两个以上操作才能形成操作命令。在一般的计算机联锁系统中, 操作数据存放在上位机中，而且应复制到系统的电务维修机中。

(2)状态输入数据—反映信号设备状态的数据

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为了提高系统的可靠性，一般的计算机联锁系统状态数据均采用两个通道输入，进入机器后比较两者一致才可接收。在系统运行的过程中状态数据周期性刷新，扫描周期一般为100ms ～200ms。状态数据可集中放在变量表中，也可分散存放，建立一个与静态模块一一对应的动态数据模块。

(3)表示输出数据—用于提供各种显示的变量。

表示输出数据受状态数据、操作数据、控制数据的控制。

(4)控制输出数据—控制信号显示及道岔转换的变量。

这些数据是将控制命令的信息存放在命令表中，逻辑地址与输出通道对应。

二、联锁程序的组成及功能

计算机联锁系统的软件大体上分为系统软件和应用软件。系统软件包括实时处理软件、设备管理软件机、调试软件。应用软件也称联锁程序，大多采用C语言编写，设计时将程序分为若干个程序模块(软件包)，一般包括联锁控制软件包、输入输出软件包、监测软件包及网络通信软件包等，每个程序模块又分为若干各子模块。各个程序模块相互独立，同时在主程序的调度下又可协调工作。

联锁程序的组成如图1—19所示。

图1—19联锁程序组成框图

各程序模块的功能简要介绍如下：

1、操作输入及操作命令形成模块

将值班员的操作信息送入计算机，由操作命令输入模块形成操作信息，由操作命令形成模块对操作信息进行记录、检查、判断，从而形成操作命令。

2、操作命令执行模块

操作命令很多，如：排列进路、重复开放信号、取消解锁、人工解锁等。因此，操作命令执行模块分为许多子模块，每一子模块完成一种操作命令的执行功

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能。操作命令执行完毕自动删除，不能执行时给出提示。

3、进路处理模块—分为四个子模块

(1)进路选排(XP)子模块：检查道岔位臵是否符合进路的要求，如果不符形成相应的道岔控制命令。

(2)锁闭(S)子模块：检查进路锁闭条件是否满足，若满足则锁闭进路，并形成开放信号的命令。

(3)信号保持(XB)子模块：信号开放后，不间断地检查开放信号的条件，条件满足则保持信号开放，否则关闭信号。

(4)进路解锁(JS)子模块；在进路正常解锁及调车进路中途返回解锁时，完成解锁条件的检查，实现进路的自动解锁。

4、状态信息输入模块

将道岔、信号机、轨道区段的状态信息送入到计算机记录处理。

5、表示信息输出模块

将已形成的各种表示信息，经相应接口驱动表示灯及显示器的显示。

6、控制命令输出模块

将已形成的的控制命令，通过输出通道分别送给道岔控制电路和信号点灯电路。

三、计算机联锁软件的设计特点

由于计算机联锁的软件直接影响着车站联锁设备的可靠性和安全性，关系着行车安全，因此软件设计不同于其它通用的工业控制软件，必须充分考虑“故障—安全”。

一般的联锁程序均具有以下的特点：

1、双套程序比较

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、程序的数据模块化

对应每一信号设备均有一个相对独立的数据模块，站场改造时，便于软件修改。

3、程序结构分层次

借鉴6502电路网状电路结构的设计思路，联锁程序分层次运行，便于联锁

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条件的检查和发现程序运行错误。

4、采用信息冗余技术

由多位二进制代码表示一个信息，增加信息的冗余度，减少危险侧信息的输出概率，防止发生信息干扰故障时，产生危险侧的输出。

5、有完善的自诊断功能

除了联锁程序之外，系统还有自诊断程序，随时监督系统的硬件、和软件运行故障，发生故障时，停止危险侧输出，并及时提供报警信息。

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