簡(jiǎn)述城市軌道交通中使用的iLOCK計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

王軍

【摘 要】本文介紹了在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中應(yīng)用的iLOCK計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)構(gòu)成、特點(diǎn)及基本的工作原理。

【關(guān)鍵詞】iLOCK；ZLC；計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖；二乘二取二

0 概述

iLOCK系統(tǒng)是卡斯柯信號(hào)有限公司從ALSTOM引進(jìn)成熟的安全型專用聯(lián)鎖機(jī)技術(shù)，結(jié)合中國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)技術(shù)條件，經(jīng)過二次開發(fā)而成的一種具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型“2*2取2”安全型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ZLC）。iLOCK系統(tǒng)在一般的“2取2”硬件冗余結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用NISAL-數(shù)字集成安全保證邏輯（Numerically Integrated Safety Assurance Logic）技術(shù)，增加了獨(dú)立的“反應(yīng)故障—安全”校驗(yàn)用VPS模塊，多種“故障—安全”模式的應(yīng)用及編碼技術(shù)確保整個(gè)系統(tǒng)的高安全性。隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的快速發(fā)展，目前在城軌信號(hào)系統(tǒng)中iLOCK計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，本文對(duì)該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、各子系統(tǒng)作用及硬件工作原理做簡(jiǎn)單的分析。

1 iLOCK系統(tǒng)構(gòu)成

城軌信號(hào)系統(tǒng)中使用的iLOCK系統(tǒng)一般采用分布式控制方式，包括以下五個(gè)子系統(tǒng)：聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)（IPS）、人機(jī)界面子系統(tǒng)（HMI）、冗余網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（RNET）、維護(hù)診斷子系統(tǒng)（SDM）、冗余電源子系統(tǒng)（RPWR）。

1.1 聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)（IPS）

聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)（IPS）由硬件和軟件組成。

1.1.1 聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)的硬件

IPS子系統(tǒng)的硬件主要由安全邏輯運(yùn)算板（VLE）、安全校驗(yàn)板（VPS）、輸入輸出總線接口板（I/OBUS2）、輸入輸出總線擴(kuò)展板（I/OBE2）、16路雙采安全輸入板（VIIB16）、8路安全型雙斷輸出板（VOOB8）、連接各板卡的母板（MB）以及機(jī)箱間連接電纜組成，硬件構(gòu)成見圖1。其中VLE板、VPS板、I/OBUS2板按順序安裝于系統(tǒng)機(jī)箱（SYS機(jī)箱）內(nèi)，I/OBUS2板的數(shù)量取決于I/O機(jī)箱的數(shù)量，最多配置12塊；I/OBE2板、VIIB16、VOOB8板按順序安裝于I/O機(jī)箱內(nèi)，每個(gè)I/O機(jī)箱的第一個(gè)槽道必須安裝I/OBE2板，剩余的13個(gè)槽道根據(jù)配置安裝VIIB16板和VOOB8板；SYS機(jī)箱與I/O機(jī)箱之間通過屏蔽電纜連接。

1.1.2 IPS子系統(tǒng)的硬件原理

聯(lián)鎖機(jī)使用雙CPU作為核心控制器，兩個(gè)CPU通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和任務(wù)級(jí)同步。CPU1和CPU2分別引出兩條總線，CPU1控制I/O總線的通道一，對(duì)應(yīng)于VIIB16是一端的采集總線，對(duì)應(yīng)于VOOB8是正電的輸出和校驗(yàn)；CPU2控制I/O總線的通道二，對(duì)應(yīng)于VIIB16是另一端的采集總線，對(duì)應(yīng)于VOOB8是負(fù)電的輸出和校驗(yàn)。雙CPU對(duì)各自的內(nèi)存進(jìn)行檢查（包括雙口RAM），也對(duì)各自的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查，這些檢查的結(jié)果產(chǎn)生主校核字；雙CPU也分別對(duì)輸出端口的正電和負(fù)電進(jìn)行檢查，生成重校核字。雙CPU將主重校核字發(fā)給VPS板，VPS板經(jīng)過安全的校驗(yàn)確認(rèn)主重校核字都正確后提供勵(lì)磁電壓給安全型繼電器（VRD繼電器），安全性繼電器吸起后提供輸出電源給VOOB8板，經(jīng)VOOB8板將DC24V電源輸送至組合架上相應(yīng)繼電器的接點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器吸起，從而控制相應(yīng)的設(shè)備。

1）VLE板是整個(gè)聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)的核心。它執(zhí)行各種與聯(lián)鎖相關(guān)的邏輯操作，包括輸入輸出地址控制等；將系統(tǒng)啟動(dòng)的信息及故障信息傳送給SDM等。VLE板采用了高性能的嵌入式計(jì)算機(jī)板，具有高集成度和大運(yùn)算能力的特點(diǎn)，并時(shí)刻接受VPS板的安全監(jiān)督，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

VLE板采用雙CPU的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)CPU各自獨(dú)立運(yùn)算，運(yùn)算采用的數(shù)據(jù)互不相同，這些數(shù)據(jù)包括安全采集數(shù)據(jù)，安全輸出數(shù)據(jù)，安全通信數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)，它們都是通過冗余編碼選擇而得，一個(gè)CPU內(nèi)部每個(gè)變量的數(shù)值也不相同。只有兩個(gè)CPU模塊運(yùn)算結(jié)果相同時(shí)，才允許輸出。

2）VPS板是iLOCK系統(tǒng)的安全型監(jiān)視機(jī)構(gòu)，它與VLE板一起，構(gòu)成聯(lián)鎖機(jī)的安全檢查核心。它以一定的間隔接收到一組編碼檢查信息，如經(jīng)檢查這組信息正確，則輸出一個(gè)安全型數(shù)字信號(hào)，這個(gè)信號(hào)通過一個(gè)安全型濾波器濾波并用于驅(qū)動(dòng)VRD繼電器，用以證明系統(tǒng)自檢正常。所有通向iLOCK系統(tǒng)的安全型輸出的電源都經(jīng)過該繼電器的前接點(diǎn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有錯(cuò)誤時(shí)（硬件錯(cuò)誤、噪聲干擾等），VPS板立即關(guān)掉輸出使VRD繼電器立即失磁，切斷iLOCK所有的安全型輸出的電源。使故障的聯(lián)鎖機(jī)切出工作狀態(tài)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一套聯(lián)鎖機(jī)控制，保證外部繼電器不會(huì)因原來控制輸出的聯(lián)鎖機(jī)故障而失磁落下。VRD繼電器在VPS板經(jīng)過7個(gè)周期連續(xù)檢查后，證明系統(tǒng)是正常時(shí)才能再度勵(lì)磁，以確保系統(tǒng)安全。

3）I/OBUS2板是VLE板和輸入輸出板交換信息的通道，I/OBUS2為輸入板的測(cè)試數(shù)據(jù)和輸出板的端口校驗(yàn)數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間；同時(shí)它也包含邏輯和時(shí)序電路，以控制輸出端口的連續(xù)校驗(yàn)。I/OBUS板能與I/OBE2板交換信息，通過I/OBE2板實(shí)現(xiàn)差分驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)雙斷輸出板。

4）VIIB16板為安全型雙斷輸入板。每一塊VIIB16板上有16個(gè)相互獨(dú)立的輸入通道，可以同時(shí)采集16個(gè)輸入端口的狀態(tài)。VLE板通過控制VIIB16板卡來獲得外部端口的狀態(tài)。每塊VIIB16板有16個(gè)輸入端口，每個(gè)輸入端口對(duì)應(yīng)一個(gè)指示燈，當(dāng)某端口有輸入信號(hào)時(shí)，相應(yīng)指示燈亮。

5）VOOB8板又稱安全型雙斷輸出板。VLE板通過VOOB8板產(chǎn)生輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)接口設(shè)備，并且系統(tǒng)能時(shí)時(shí)檢測(cè)VOOB8板輸出的正確性，輸出與實(shí)際驅(qū)動(dòng)的一致性。作為雙斷輸出板，VOOB8板為“2取2”系統(tǒng)的兩個(gè)CPU分別提供正負(fù)電控制對(duì)象。每塊VOOB8板有8對(duì)輸出，每對(duì)輸出設(shè)一個(gè)正電輸出和一個(gè)負(fù)電輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)有效輸出。每對(duì)輸出端口設(shè)一個(gè)指示燈，當(dāng)正電和負(fù)電輸出同時(shí)有效時(shí)，相應(yīng)的指示燈閃亮。在每塊板上，還有二個(gè)附加指示燈，顯示了與I/OBE2板的通信狀態(tài)。

6）母板是iLOCK聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)中各印制電路板之間連接的橋梁，通過母板VLE板可以進(jìn)行I/O選址，可以與VPS板交換信息，通過母板I/OBE2板可以與I/O板交換數(shù)據(jù)，從而使整個(gè)聯(lián)鎖處理子系統(tǒng)之間的信息互通。

1.1.3 IPS子系統(tǒng)的軟件

IPS子系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，VLE板上的芯片分為系統(tǒng)芯片和應(yīng)用芯片。

系統(tǒng)芯片中寫入的是系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件包含聯(lián)鎖機(jī)的執(zhí)行軟件、仿真測(cè)試接口和診斷軟件等。這些軟件是在IPS的系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上，不隨具體應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用對(duì)象而改變的，即除非選用不同系列的iLOCK系統(tǒng)，否則每個(gè)站的系統(tǒng)軟件都是相同的。

應(yīng)用芯片中寫入的是應(yīng)用軟件，應(yīng)用軟件是一套描述系統(tǒng)所應(yīng)用的聯(lián)鎖邏輯功能的經(jīng)過編碼的應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。包括通過I/O選址讀取輸入/輸出信息、進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算、與HMI、SDM、其他iLOCK系統(tǒng)通信等。應(yīng)用軟件由應(yīng)用工程師在BOOL-CAD軟件包的支持下完成，以滿足不同車站的數(shù)據(jù)和聯(lián)鎖規(guī)則要求。應(yīng)用軟件必須經(jīng)CAA軟件包編譯檢查，生成iLOCK系統(tǒng)專用的應(yīng)用數(shù)據(jù)（ADS）后，才能被系統(tǒng)所接受執(zhí)行。應(yīng)用軟件中還包括仿真測(cè)試數(shù)據(jù)安全切出、切入設(shè)計(jì)。

1.2 人機(jī)界面子系統(tǒng)（HMI）

人機(jī)界面子系統(tǒng)也稱為車站現(xiàn)地控制工作站。在車站級(jí)控制的車站現(xiàn)地控制工作站，用于在車站級(jí)控制情況下，對(duì)本聯(lián)鎖區(qū)聯(lián)鎖設(shè)備的控制。操作臺(tái)人機(jī)界面對(duì)話窗主要由聯(lián)鎖、線路、道岔、信號(hào)機(jī)、進(jìn)路、車站以及故障報(bào)警等部分組成。在相應(yīng)的對(duì)話窗中可以對(duì)相應(yīng)的控制對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控。

HMI采用液晶顯示器作為計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，顯示站場(chǎng)信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)，車站值班員以鼠標(biāo)為主、鍵盤為輔辦理各種作業(yè)。車站現(xiàn)地控制工作站工作于Windows 7或更高版本的WINDOWS多任務(wù)操作系統(tǒng)，使用高可靠的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口與聯(lián)鎖機(jī)交換信息。

正線HMI的顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、音響及工控機(jī)安裝于車控室的控制臺(tái)。HMIA、B分別連接至ATS子網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與聯(lián)鎖機(jī)之間的通信。

1.3 冗余網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（RNET）

聯(lián)鎖子系統(tǒng)配置兩層冗余的通信傳輸通道，一層用于ATS子網(wǎng)，一層用于ATP/ATO子網(wǎng)。

聯(lián)鎖A機(jī)、聯(lián)鎖B機(jī)、車站現(xiàn)地控制工作站和系統(tǒng)維護(hù)診斷臺(tái)各提供2個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，接入冗余的基于TCP/IP協(xié)議的ATS子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)相互之間信息交換。同時(shí)，接入ATC骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)和中心ATS之間的信息交換。

聯(lián)鎖A/B機(jī)通過另外獨(dú)立的兩個(gè)網(wǎng)口接入冗余的基于FSFB2協(xié)議的ATP/ATO子網(wǎng)，通過DCS接入ATC骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)和中心軌旁ATP/ATO，車載ATP/ATO之間的信息交換。

這兩層通信傳輸通道，均采用冗余的方式，因此一旦冗余網(wǎng)絡(luò)中的一條網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，各子系統(tǒng)仍可以通過另一條網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

網(wǎng)路鏈接狀態(tài)信息傳遞給SDM子系統(tǒng)，便于現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)查詢和維護(hù)。

1.4 維護(hù)診斷子系統(tǒng)（SDM）

在各設(shè)備集中站、車輛段及停車場(chǎng)設(shè)置本地維護(hù)工作站（SDM），主要為計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖完成系統(tǒng)維護(hù)及接口設(shè)備監(jiān)測(cè)的功能。SDM對(duì)聯(lián)鎖設(shè)備和接口設(shè)備實(shí)施在線監(jiān)視和記錄，同時(shí)也可打印設(shè)備操作信息、日期和時(shí)間記錄。除此以外，還提供了一種先進(jìn)的“電子向?qū)健钡脑\斷手段，通過它，電務(wù)維修人員可以快速直觀的查詢故障信息，及時(shí)有效的排除故障。SDM硬件主要由工控機(jī)、液晶顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)及激光打印機(jī)組成，安裝于信號(hào)設(shè)備室內(nèi)的維護(hù)臺(tái)。

1.5 冗余電源子系統(tǒng)（RPWR）

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)所采用的iLOCK計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)工作所采用的電源是由電源屏提供的兩路經(jīng)UPS和穩(wěn)壓器凈化的AC220V冗余電源以及一路由電源屏提供的AC220V非UPS電源組成。三路電統(tǒng)一從電源屏供至聯(lián)鎖C柜內(nèi)的電源機(jī)箱，然后由電源機(jī)箱分配給系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備，其中UPS電源供給聯(lián)鎖機(jī)柜內(nèi)DC5V、DC12/24V電源模塊、柜內(nèi)交換機(jī)、SDM工控機(jī)及其顯示器使用，非UPS電源主要供給機(jī)柜內(nèi)散熱風(fēng)扇、SDM打印機(jī)使用。人機(jī)界面子系統(tǒng)所采用的UPS電源直接由電源屏提供。

2 結(jié)束語

隨著當(dāng)前城市軌道交通的迅速發(fā)展，高可靠、高安全的iLOCK計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，掌握其硬件結(jié)構(gòu)及工作原理對(duì)于維護(hù)人員十分重要。本文對(duì)iLOCK的硬件結(jié)構(gòu)及基本原理做了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)于日常維護(hù)有一定的借鑒意義。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：湯靜]