計算機聯(lián)鎖工作原理

張文祥　王赫

摘要：本論文主要闡述了計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成，設(shè)備選型及電源配置等原則及處理方法。采用二乘二取二的體系結(jié)構(gòu)的計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)方案，尤其是對于可靠性技術(shù)和容錯技術(shù)的深入研究，計算機聯(lián)鎖技術(shù)已日趨成熟，在大力推廣使用。根據(jù)各國對計算機聯(lián)鎖的研究和使用情況來看，由于計算機在邏輯功能和信息處理方面具有很強的功能，完成其對信號機、道岔的控制電路及其相關(guān)組合的內(nèi)部配線和對信號機、道岔、軌道電路等部分設(shè)備的狀態(tài)信息采集電路以及與聯(lián)鎖機接口電路的控制。

關(guān)鍵詞：計算機聯(lián)鎖；安全性

一、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)硬件組成

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)采用的是工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，用以實現(xiàn)對鐵路車站運輸生產(chǎn)過程的監(jiān)測與控制。它由工業(yè)控制計算機和生產(chǎn)過程兩大部分組成，工業(yè)控制計算機是指按生產(chǎn)過程控制特點和要求而設(shè)計的計算機，它包括硬件和軟件兩部分。對鐵路信號領(lǐng)域來說，生產(chǎn)過程就是指工業(yè)控制計算機通過過程輸入＼輸出通道和繼電結(jié)合電路對現(xiàn)場監(jiān)控對象如道岔和信號機等進(jìn)行實時監(jiān)控。典型的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

由于計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)，因此車站聯(lián)鎖系統(tǒng)由繼電裝置向計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)轉(zhuǎn)化已成為一種不可扭轉(zhuǎn)的趨勢。具體來說計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在適時性、安全性、可靠性、可維護(hù)性及性價比等若干方面。

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是利用目前已有的工業(yè)控制計算機，研制一套專用的硬件與軟件系統(tǒng)實現(xiàn)信號、進(jìn)路與道岔間的聯(lián)鎖關(guān)系，因此它實質(zhì)上是一個滿足故障——安全信號原則的聯(lián)鎖邏輯運算系統(tǒng)，計算機在系統(tǒng)中的作用是將操作命令與現(xiàn)場各種輸入的表示信息讀入，再根據(jù)計算機內(nèi)部狀態(tài)等條件進(jìn)行邏輯運算，判斷后輸出控制信息至執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)多變量數(shù)字輸入和多變量數(shù)字輸出這樣一個復(fù)雜傳遞函數(shù)的變換。

二、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)基本原理

從計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)來看屬于二級集散式控制系統(tǒng)，突破了舊有的集中式信號系統(tǒng)模式，具有模塊化、層次化等特點。模塊化是指聯(lián)鎖機主模塊、PLC及信號結(jié)合模塊等，層次化是指系統(tǒng)具有操作表示層、聯(lián)鎖運算層、復(fù)核驅(qū)動層、結(jié)合電路層及監(jiān)控對象層等五個物理層次。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于可根據(jù)車站規(guī)模的大小、作業(yè)需求的不同，在不改變聯(lián)鎖軟件的基礎(chǔ)上通過修改站場靜態(tài)數(shù)據(jù)并增設(shè)相應(yīng)硬件模塊，即可滿足系統(tǒng)的擴(kuò)容要求，先進(jìn)的控制體系結(jié)構(gòu)結(jié)合工藝設(shè)計使得系統(tǒng)調(diào)試周期與現(xiàn)場施工、開通周期均大為縮短，具有很好的經(jīng)濟(jì)與實用性。

1、人機對話層

將來自鍵盤、鼠標(biāo)等操作輸入，經(jīng)串口送達(dá)聯(lián)鎖計算機，同時在圖形顯示器上顯示站場表示信息。在站場規(guī)模較大致使聯(lián)鎖計算機負(fù)擔(dān)較重或需要多終端操作的情況下，可設(shè)置操作命令采集機進(jìn)行操作命令輸入的有效性判別并轉(zhuǎn)換成約定格式傳送給聯(lián)鎖計算機。

2、聯(lián)鎖運算層

聯(lián)鎖微機是系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著操作輸入的判別、聯(lián)鎖信號的調(diào)理及分析、邏輯運算、控制命令生成、故障診斷等任務(wù)，其可靠性、安全性對系統(tǒng)的總體故障—安全性能有較大影響，HJ04A系統(tǒng)中設(shè)置了兩臺聯(lián)鎖微機，其中一臺為冷備機，可進(jìn)行人工切換。

3、復(fù)核驅(qū)動層

復(fù)核驅(qū)動層由PLC組成，其承擔(dān)著采集表示信息并將聯(lián)鎖微機下達(dá)的操作命令轉(zhuǎn)化為故障—安全的控制信號的任務(wù)，作為系統(tǒng)安全性設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一，PLC還承擔(dān)著對聯(lián)鎖微機形成的操作命令進(jìn)行復(fù)核檢查的屏障作用。

4、結(jié)合電路層

結(jié)合電路的任務(wù)之一是實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備表示信息與PLC輸出的驅(qū)動信號的安全邏輯轉(zhuǎn)換，使PLC的輸入、輸出信息均具有故障安全性能。任務(wù)之二是用專用電路規(guī)范監(jiān)控設(shè)備的測控過程，即包括表示信息采集機制與設(shè)備驅(qū)動流程。

5、監(jiān)控對象層

監(jiān)控設(shè)備是指聯(lián)鎖系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備，即道岔、信號機與軌道電路。

三、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性及安全技術(shù)

目前，國內(nèi)外進(jìn)行高可靠系統(tǒng)的容錯設(shè)計多采用三模靜態(tài)冗余方案或二模動態(tài)冗余方案。其中前者完全是靠硬件冗余來提升可靠性的，后者則不僅使用了硬件冗余資源，同時也使用了故障檢測技術(shù)與軟件冗余資源。這二種方案的共同特點是對硬件故障具有較強的屏蔽與糾錯能力。然而這二種方案均存在一定的實現(xiàn)難度與缺陷，三模冗余系統(tǒng)必須實現(xiàn)三模的同步進(jìn)程及表決器的高可靠設(shè)計，尤其需要解決時鐘容錯的問題；二模動態(tài)冗余系統(tǒng)則要求冗余管理機構(gòu)的高效與可靠性。目前這二類系統(tǒng)的可靠性計算都是在設(shè)定表決器或冗余管理機構(gòu)的可靠度R（f產(chǎn)1的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，同時由于設(shè)備直接投資成本過高，因而在非航天、通訊等可靠性要求很高的領(lǐng)域應(yīng)用不多。

總之，在鐵路信號領(lǐng)域，由于行車安全被認(rèn)為是超過效率的重要考慮，因此相應(yīng)對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性與安全性要求很高，針對這種情況，可以有二種方式供我們在設(shè)計中進(jìn)行選擇。其一是強化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計，這是基于可靠性理論包含了系統(tǒng)故障的屏蔽效應(yīng)，因而用高可靠性換取系統(tǒng)的低故障率，以此隱含了對安全性的相對提升。但可靠性技術(shù)總是受一定的條件所限制，如硬件冗余資源使用、采用高可靠器件等，這完全取決于系統(tǒng)的可靠性要求及財力許可。其次我們可以基于這樣一個思路來考慮問題：如果計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)在保證一定可靠性要求基礎(chǔ)上并結(jié)合故障安全技術(shù)來得以實現(xiàn)，實質(zhì)上也就是說犧牲少量的效率來避免昂貴的成本并換取系統(tǒng)的高安全性，同樣也能滿足鐵路信號對聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能要求。