计算机联锁系统的基本原理本.ppt

第二章第二章 计算机联锁系统的基本原理计算机联锁系统的基本原理2024/5/11 周六1.第一节 计算机联锁系统硬件一、计算机联锁系统的技术基础典型的计算机联锁系统硬件组成如图所示。外部设备主机主机继电器结合电路现场监控对象过程输过程输入入/输输出通道出通道总线总线.计算机联锁系统硬件组成1、工业控制计算机工业控制计算机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。（1）工业控制计算机的硬件组成 工业控制计算机的硬件组成结构如图72所示，它主要由主机板、内部总线和外部总线、人机接口、系统支持板、磁盘系统、通信接口和过程输入/输出通道等组成。.（2）工业控制计算机的特点可靠性和可维护性好高抗干扰能力环境适应性强完善的输入、输出通道控制的实时性通用性和可扩充性好具有通信与联网能力适当的计算机精度和运算速度.2、总线 总线是一组公用信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，把计算机或计算机联锁系统中的各个模板以及各种设备连接成一个整体，以便彼此之间进行信息交换。计算机联锁系统中的总线，一般根据其功能和规模分类。一般分为三类，即内部总线、外部总线和现场总线。（1）内部（系统）总线 内部总线（I-BUS）又称“系统总线”是通用微型计算机和测控系统用计算机内部所特有的总线。计算机的内部总线一般都是并行总线，系统总线是各种模板进行信息传送的通路，把测控计算机系统的各种模板插件连接起来，构成完整的计算机测控系统。常用的内部总线有STD总线、VME总线、ISA总线、PCI总线、等均是系统总线。.（2）外部总线）外部总线 外部总线（E-BUS）又称“通信总线”，它是计算机系统之间或是计算机系统与其他系统（仪器、仪表、控制装置）之间信息传输的通路，常借用其他领域已有的总线标准。计算机的外部总线通常分为并行总线和串行总线两种。例如：IEEE488总线为并行总线，RS232总线、RS-422总线、RS-485总线为串行总线。并行总线的优点是信号线各自独立，每次同时传送一个数据字节，所以传输速度高，接口简单；缺点是电缆线数多，适用于短距离（数十米）的快速传输。串行总线的优点是电缆线数少，便于远距离传送；缺点是信号传输慢，每次传送一个比特的信息，接口比较复杂。串行通信一般可分为异步模式和同步模式常用的外部总线除了以上几种形式，还包括现场总线和工业以太网。.（3）现场总线根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向串行传输、多分枝结构的通信网络。目前较流行的现场总线主要有：CAN、PROFIBUS、Lonworks、HART、FF。计算机联锁系统使用比较多的是 CAN控制器局域网络。.3、过程输入/输出通道 计算机联锁系统为了实现对生产过程的控制，需要将生产过程中的各种必要信号及时地检测传送、并转换成计算机能够接受的数据形式。计算机对送入数据进行适当的分析处理后，又以生产过程能够接受的信号形式实现对生产过程的控制。这种完成在过程信号与计算机数据之间变换传递的装置叫过程输入/输出通道。.（1）通用I/O接口原理在计算机联锁系统中，外部通道是不能直接与中央处理单元（CPU）相连的，因为它们的速度、数据格式不一定相同，信号形式也不一定匹配。为了便于两者交换信息，往往需要一套连接CPU和外部通道的中间环节，即接口电路（简称接口）。接口是计算机联锁系统各通道中多个设备协调一致地运行的保证，它具有电平变换、数据转换、缓冲和状态信息提供等功能，所以接口是通道建立的基础。.I/O接口的寻址I/O接口的编址方式：包括存储器映射方式和隔离式编址方式（I/O编址方式）。I/O接口的地址译码：译码电路的构成形式通常有固定式端口地址译码和开关可选式地址译码两种。常用的I/O接口.输入输出通道非安全接口是不涉及行车安全数据的接口，均可采用通用的标准接口。对传输安全数据的串行接口电路来说，可采用编码理论中的差错控制技术发现数据错误，所以可采用标准通用接口。输安全数据的并行接口电路，不能简单地用通用标准接口，须采用故障安全输入输出接口。.下面主要介绍开关量输入/输出通道和故障安全输入输出接口。(2)开关量输入通道 开关量输入通道的作用：一是将二值开关量信息变换成寄存器能够接收的TTL两种电平；二是抗干扰，以保证输入信号的正确性。开关量输入通道的结构 主要由输入缓冲器、输入电路、地址译码器等组成。开关量输入通道结构输入缓冲器输入电路地址译码器内部总线来自生产过程.（3）开关量输出通道联锁计算机输出的开关量是用来控制执行继电器、表示灯或音响报警装置的。开关量输出通道的主要功能：一是提高驱动能力；二是实现了计算机与外部设备之间的电气隔离。开关量输出通道的结构开关量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、口地址译码器等组成，如图所示。输出锁存器输出驱动器地址译码器内部总线去生产过程.二、计算机联锁系统的硬件结构 以工业控制机算机为核心构成的计算机联锁系统，由于其控制规模的大小不同，功能的完善程度不同，技术实现方法，经济因素以及研制的技术背景和历史背景的不同，景观在具体结构上存在着一定的差异，但大体上可从层次结构和冗余结构两个侧面来描述。系统的层次结构系统的冗余结构.第二节第二节 计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件一、计算机联锁系统的体系结构一、计算机联锁系统的体系结构 2024/5/11 周六16.集中式控制与分散式控制结构集中式控制系统由室内、室外两部分构成，特点是联锁系统的各层功能均由一台计算机完成 控制台联锁处理机输入输出接口电源设备现场信号设备控制台联锁处理机输入输出接口室内室外操作信息表示信息状态信息控制命令.分散式控制结构的特点是将联锁系统的功能按结构层次划分成若干相对独立又有一定联系的功能模块，均由相应的计算机来处理。由于功能模块的划分并非唯一，所以具体结构形式是多种多样的 控制台监视控制机联锁机目标控制器与其他系统联系.分散式控制结构监视控制机（上位机）信息管理计算机，人机会话功能，还用于实时记录信息及其再现，另外还有诊断功能；联锁机（下位机）实现信号设备的联锁逻辑处理功能，完成进来确选、锁闭、发出开放信号和动作道岔的控制命令，与执行层有两种方式：专线方式和总线方式 目标控制器控制命令和状态信息的转送站，一方面接收和效核来自联锁机的控制代码，经译码后形成控制命令，以驱动相应的设备控制电路；另一方面由接收监控对象的状态信息，经编码传送到联锁机。联锁机输入输出接口监控对象室内室外联锁机室内室外总线控制器控制器控制器总线方式总线方式专线方式专线方式监控对象监控对象监控对象.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件三、计算机联锁系统的室内三、计算机联锁系统的室内外联系方式外联系方式 专线方式专线方式 每一监控对象都有专门的控制每一监控对象都有专门的控制命令输出口和状态信息输入口相命令输出口和状态信息输入口相对应。可用于既有继电集中联锁对应。可用于既有继电集中联锁的改造。的改造。2024/5/11 周六20.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件总线方式总线方式 把室外的监控对象按地理位置划分为若干群。对于每一群把室外的监控对象按地理位置划分为若干群。对于每一群设置一个由计算机构成的现场控制器（集中器）。各集中器设置一个由计算机构成的现场控制器（集中器）。各集中器分别与室内联锁机联系，由他做中介，实现联锁计算机与监分别与室内联锁机联系，由他做中介，实现联锁计算机与监控对象之间的联系。控对象之间的联系。2024/5/11 周六21.星形网联系方式星形网联系方式总线网联系方式总线网联系方式2024/5/11 周六22.2024/5/11 周六23.（1）系统的可靠性冗余结构 为了使系统的可靠性指标达到或者超过目标值而采取的冗余结构。计算机联锁系统的可靠性的定义是：该系统在规定的时间内、在规定的条件下完成规定功能的能力。度量可靠性的定量标准是可靠度，计算机联锁系统的可靠度往往用其自身的平均故障间隔时间MTBF来表征。计算机联锁系统的可靠性冗余结构，往往采用双机热备二重系统，其原理结构图如图所示。模块A模块B1输入输出或门可靠性冗余结构图.（2）系统的安全性冗余结构 为了使系统的安全性指标达到或者超过目标值而采取的冗余结构。计算机联锁系统的安全性的定义是：当系统的任何部分发生故障时，其后果不会导致人身伤亡或者财产的重大损失的性能。度量系统安全性的技术指标是系统产生不安全性输出的平均间隔时间。计算机联锁系统的安全性冗余结构，往往采用双机同时工作并彼此间进行频繁比较的与门二重冗余构造，其基本结构如图所示。模块A模块B&输入输出与门安全性冗余结构图.（3）计算机联锁系统的冗余结构应用 上位机即监视控制机 由于它所处理的信息主要是操作人员的按钮操作信息合联锁系统的各种表示信息，因此不要求该机具有故障安全特性。只要提高它的可靠性就可以了。监视控制机主机监视控制机备机输入输出切换开关上位机的冗余结构.联锁机采用的冗余结构 对于联锁机来说，由于所处理的状态信息和控制命令均属于安全信息。因此，不仅需要采取可靠性冗余结构以提高它的可靠性，而且还要采取安全性冗余结构来确保它的安全性。a、双机热备冗余结构 联锁机的冗余结构（一）输入输出.b、二乘二取二冗余结构 “二取二”指在一套子系统上集成两套CPU，两套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。“二乘”指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。每一子系统内部为安全性冗余结构，两子系统形成可靠性冗余结构，这样，既提高了系统的可靠性，又提高了系统的安全性。.c、三取二冗余结构 三取二冗余结构示意图如。采用三取二冗余结构需要妥善解决一些技术问题，这些技术问题主要是：、三台计算机的同步运行问题 、高指标表决器问题 、故障机的及时切离与及时修复问题 执行层 也要求采用可靠性和安全性冗余结构.第三节 计算机联锁系统的可靠性与安全性保障 一、可靠性与安全性技术基础 系统的可靠性是指在规定的条件（或环境）下，规定的时间内，系统完成规定功能的概率。为了提高系统的可靠性，防止故障造成系统失效，人们在长期的研究中发展了两类基本技术。一类是防止和减少故障发生的技术，叫避错技术；另一类是当系统的某一部分发生故障时仍使系统保持正常工作的技术，叫做容错技术。.1、避错技术 避错技术的基本着眼点是通过质量控制（如设计审核、元件筛选、测试等）、环境保护（如对外部干扰采取屏蔽）和减载使用等措施设法消除产生故障的原因，从而防止故障的发生，延长系统的使用寿命。避错技术是提高系统可靠性的第一道防线，是必不可少的常规技术。（1）质量控制技术（2）环境防护技术.2、容错技术（1）容错技术的基本概念容错技术的含义当系统的某一部分发生故障时仍使系统保持正常工作的技术叫容错技术。容错技术的基本出发点就在于首先承认故障不可避免的事实，进而考虑解除故障影响的措施。为了实现这一思想，采取的主要手段就是用外加资源的冗余方法，来达到掩蔽故障影响或使系统从故障状态重新恢复正常工作的目的。容错技术的分类容错技术又分为两种类型故障掩蔽技术和系统重组技术（也称动态冗余技术）。.故障掩蔽技术是指防止系统中故障产生差错的各种技术，就是说要将发生的故障掩蔽起来。这一技术不要求在发生容忍故障前检测故障，但要求做到故障包容，即是使故障的影响局部化，防止故障的影响在系统中扩散从而影响整个系统的性能。这种技术中最常用的有纠错码、表决技术等，这是实现容错的第一途径。系统重组技术是防止系统中的差错导致系统失效的各种技术。系统重组要求首先进行故障检测，然后做到故障复位，最后做到系统恢复，即通过重组等手段使系统保持正常运行，这是实现容错的第二种途径。由于重组过程具有动态性质，所以也称为动态冗余技术。故障掩蔽技术和系统重组技术都是建立在冗余技术的基础上的，是以资源冗余为前提的，它是容错技术的核心。.（2）实现容错技术的主要方法 容错技术是依靠外加资源，即冗余的方法来换取系统的可靠性的。主要方法有：硬件冗余软件冗余时间冗余信息冗余 .二、计算机联锁系统的可靠性与安全性技术保障 计算机联锁系统的可靠性冗余结构，就是指为了使系统的可靠性指标达到或者超过目标值而采取的冗余结构。目前，广泛使用和研究的计算机联锁系统冗余结构主要有双机热备动态冗余结构、三取二静态冗余结构、二乘二取二冗余结构。1、双机热备系统（1）双机热备系统的基本结构.（2）双机热备系统的工作方式双机热各系统的工作方式为:根据开机顺序，首先投人运行的自动为工作机，后投人的为热备机；工作机运行中发生故障后自动退出运行状态，热备机自动转为工作机。因此热备双机有三种状态：即停机状态主机状态热备状态。.（3）双机热备系统的故障检测双机系统是通过切换进行重组来提高系统的可靠性和可用性的。系统重组能否成功在很大程度上依赖于故障检测技术“故障检测的目的在于：一是检测计算机内部是否发生了故障，当出现故障时，不能产生危险侧输出；二是在工作机发生故障后，及时驱动切换开关动作，将备机输出接向系统的输出；三是无论工作机还是备机发生故障时，应及时报警，通知维修人员进行修理。故障检测的原理和方法是多种多样的，常用的检测方法有：比较法自诊断法比较自诊断法监督定时器法（或称看门狗法）.（4）双机热备系统的通信与同步 双机通信与同步是双机热各系统的基本问题之一。双机热各系统大多采用比较法进行故障检测，双机的运行时需要同步。同步的另一种含义是让备机及时了解工作机的运行状况，需要在主备双机之间建立通信联系，以便在工作机发生故障而终止控制命令输出时，备机能立即发动切换，接替控制命令的输出，从而防止诸如突发性关闭信号而造成对行车作业的影响。双机之间的通信联系通常采用半双工通信方式，由备机作为通信主站，定时呼叫作为子站使用的工作机。双机同步可引用两机间的定点通信信号来实现，其通信周期和联锁程序循环运行周期相同，每隔一定的时间间隔，即联锁程序扫描一个周期，双机相互握手通信一次，确定双机的工作状态，保持双机同步，其同步过程可用图7-32表示。.2、三机表决系统（三取二冗余系统）（1）三机表决系统的结构原理三机表决系统是一种利用故障屏蔽技术构成的可靠性和故障安全系统。该系统由三台构造相同又彼此独立的计算机、表决器、接口电路和故障检测机构等组成。三台计算机同时执行一样的操作，其输出送到表决器，然后表决器按三取二的方式工作，即只要任何两个计算机输出一致时，则产生控制命令输出。这样，可以屏蔽任一计算机的故障对系统的影响。三取二静态冗余结构.(2)主机如果三机表决系统中的两台主机发生了同样的故障，即共模故障，有可能会输出错误的危险测信息，从而危及行车作业的安全。产生共模故障的主要原因是三个模块的硬件和软件在设计上完全相同，而且存在设计错误，这种共同性的错误就导致相同的错误输出。避免共模故障的方法：一是对主机的硬、软件采用不同的设计方法；二是采取同样设计但确保不存在设计错误。(3)表决器表决器本身要具有很高的可靠性与安全性，它应当比三取二系统本身具有更高数量级的可靠性与安全性。表决器逻辑电路如图7-33所示，由三个两两比较器和一个或门组成。.(4)故障机的及时切离与及时修复以及三台计算机同步运行问题当经比较发现结果不一致时，要及时地确认究竟是哪一台计算机出现了故障并及时地将其从系统中切除。同时，故障机一经发现就要在规定的时间间隔内予以修复。如果不及时修复，当又有一台计算机故障时，系统将停止运行，使整个系统呈现瘫痪状态。另外，由于三台计算机要进行频繁比较，所以它们要严格同步。同步的方法有两种：硬件同步和软件同步。硬件同步要有专门的同步电路，如时钟同步等。目前实现时钟级同步主要是采用三个时钟源强制同步技术。软件同步是以软件为主的同步方法，主要是通过对同步标志的测试、比较和计算来实现的。软件同步的方法具有较高的灵活性，但同步精度和效率相对硬件同步方式要低。在实际运用，可根据具体情况，合理选用。.3、二乘二取二系统(1)二乘二取二系统的结构原理如图7-15所示，系统I与系统II中，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。在任意一个系统中，又由系统A和系统B构成，只有系统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。.(2)二取二CPU电路图7-35为二取二CPU电路原理图。在一个计算机系统中有两个CPU，两个CPU的硬件、软件完全相同。两CPU的运算结果经比较回路检查，一致后形成有效的输出，否则无输出电源，使安全得到最有效的保证。.(3)双系热备图7-36为二乘二取二系统的双机切换构成模式，双系之间采用的是热备的方式。在这种双系热备的方式中，输入/输出计算机均同时工作，同时产生输出；并且以并联的方式连接到被驱动的继电器上。因此，双系热备仅对I系和II系计算机而言，对于输入/输出计算机，双系均以二重系并联方式运行。.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件二、计算机联锁系统的层次结构二、计算机联锁系统的层次结构 2024/5/11 周六45.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件三、计算机联锁系统的室内三、计算机联锁系统的室内外联系方式外联系方式 专线方式专线方式 每一监控对象都有专门的控制每一监控对象都有专门的控制命令输出口和状态信息输入口相命令输出口和状态信息输入口相对应。可用于既有继电集中联锁对应。可用于既有继电集中联锁的改造。的改造。2024/5/11 周六46.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件总线方式总线方式 把室外的监控对象按地理位置划分为若干群。对于每一群把室外的监控对象按地理位置划分为若干群。对于每一群设置一个由计算机构成的现场控制器（集中器）。各集中器设置一个由计算机构成的现场控制器（集中器）。各集中器分别与室内联锁机联系，由他做中介，实现联锁计算机与监分别与室内联锁机联系，由他做中介，实现联锁计算机与监控对象之间的联系。控对象之间的联系。2024/5/11 周六47.星形网联系方式星形网联系方式总线网联系方式总线网联系方式2024/5/11 周六48.2024/5/11 周六49.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件四、计算机联锁系统的可靠性与安全性结构四、计算机联锁系统的可靠性与安全性结构 可靠性可靠性 安全性安全性1、计算机联锁系统的可靠性与安全性要求、计算机联锁系统的可靠性与安全性要求 平均故障间隔时间平均故障间隔时间MTBF值达到值达到106h；故障故障安全系统的安全完善度等级必须达到安全系统的安全完善度等级必须达到SIL4级。级。SIL4（Safety Integirty LevelSafety Integirty Level）安全完善性等级）安全完善性等级IEC61508IEC61508中规定系统有中规定系统有4 4种安全完整性级别，种安全完整性级别，SII4SII4是最高的，是最高的，SIL1SIL1是最是最低低2024/5/11 周六50.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件2、避错技术和容错技术、避错技术和容错技术 避错技术避错技术 质量控制技术、环境防护技术。质量控制技术、环境防护技术。容错技术容错技术 硬件冗余、软件冗余、时间冗余、信息冗余。硬件冗余、软件冗余、时间冗余、信息冗余。根据对故障处理方式的不同，分为：动态冗余和屏蔽冗余。根据对故障处理方式的不同，分为：动态冗余和屏蔽冗余。2024/5/11 周六51.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件3、计算机联锁系统的冗余结构、计算机联锁系统的冗余结构 故障切换结构（动态冗余技术）故障切换结构（动态冗余技术）双机热备结构、二乘二取二结构。双机热备结构、二乘二取二结构。故障屏蔽结构（屏蔽冗余技术）故障屏蔽结构（屏蔽冗余技术）三取二系统。三取二系统。2024/5/11 周六52.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件4、计算机联锁系统的可靠性与安全性冗余结构、计算机联锁系统的可靠性与安全性冗余结构 可靠性冗余结构可靠性冗余结构 双机热备结构。双机热备结构。安全性冗余结构安全性冗余结构 二取二冗余结构。二取二冗余结构。2024/5/11 周六53.可靠性与安全性结构可靠性与安全性结构 二乘二取二结构、三取二结构二乘二取二结构、三取二结构2024/5/11 周六54.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件五、一般计算机联锁系统的硬件构成五、一般计算机联锁系统的硬件构成 以双机热备为例。以双机热备为例。系统的层次结构系统的层次结构 系统的可靠性结构和安全性结构系统的可靠性结构和安全性结构 硬件构成示意图硬件构成示意图2024/5/11 周六55.2024/5/11 周六56.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件六、切换开关电路和表决电路六、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、切换逻辑控制与切换开关电路 切换逻辑控制电路切换逻辑控制电路 定时监视法定时监视法 动态信号监视法动态信号监视法 切换开关电路切换开关电路2024/5/11 周六57.2024/5/11 周六58.2024/5/11 周六59.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件2、三取二表决电路、三取二表决电路 V(a,b,c)=ab+ac+bc2024/5/11 周六60.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件七、人机会话层的硬件七、人机会话层的硬件 1、按钮操作的硬件、按钮操作的硬件 控制台方式控制台方式 数字化仪方式数字化仪方式 鼠标方式鼠标方式 键盘方式键盘方式2024/5/11 周六61.计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件2、信息显示的硬件、信息显示的硬件 大屏幕显示器大屏幕显示器 智能化图形控制卡智能化图形控制卡 VGA显示卡、多屏显示卡显示卡、多屏显示卡2024/5/11 周六62.第三节第三节 计算机联锁系统软件计算机联锁系统软件系统软件系统软件 标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件数据库管理系统、网络软件应用软件应用软件 根据任务需要编制的各种程序。根据任务需要编制的各种程序。2024/5/11 周六63.计算机联锁系统软件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一、计算机联锁系统软件的功能与总体结构1 1、计算机联锁系统软件的功能、计算机联锁系统软件的功能 人机界面信息处理功能人机界面信息处理功能 联锁控制功能联锁控制功能 执行控制功能执行控制功能 自动检测与诊断功能自动检测与诊断功能 其他功能其他功能 2024/5/11 周六64.计算机联锁系统软件计算机联锁系统软件人机界面信息处理功能人机界面信息处理功能 操作信息处理操作信息处理 表示信息处理表示信息处理 维护与管理信息处理维护与管理信息处理 2024/5/11 周六65.计算机联锁系统软件计算机联锁系统软件联锁控制功能联锁控制功能 建立进路建立进路 进路锁闭进路锁闭 信号开放信号开放 信号开放保持信号开放保持 进路正常解锁进路正常解锁 进路非正常解锁进路非正常解锁 道岔单独操纵道岔单独操纵 进路引导总锁闭进路引导总锁闭 2024/5/11 周六66.计算机联锁系统软件计算机联锁系统软件执行控制功能执行控制功能 输入控制功能输入控制功能 输出控制功能输出控制功能其他功能其他功能 平面调车溜放控制功能平面调车溜放控制功能 站内道口控制功能站内道口控制功能 与调度集中与调度集中/TDCS/TDCS联系功能联系功能 与其他系统，如站内调度、管理信息系统等的结合功能与其他系统，如站内调度、管理信息系统等的结合功能 监测联锁设备状态功能监测联锁设备状态功能2024/5/11 周六67.计算机联锁系统软件计算机联锁系统软件2 2、计算机联锁系统软件的任务划分、计算机联锁系统软件的任务划分 上位机系统上位机系统 人机会话机、维修机人机会话机、维修机 下位机系统下位机系统 联锁机联锁机 2024/5/11 周六68.计算机联锁系统软件计算机联锁系统软件3 3、计算机联锁系统软件的总体结构、计算机联锁系统软件的总体结构 按系统层次结构分类按系统层次结构分类 人机会话层、联锁运算层、执行层人机会话层、联锁运算层、执行层每个层又根据功能需要划分为几个功能模块，如下图。每个层又根据功能需要划分为几个功能模块，如下图。2024/5/11 周六69.2024/5/11 周六70.计算机联锁系统软件计算机联锁系统软件 按冗余结构分类按冗余结构分类双机热备式的双版本软件结构和三取二系统的双机热备式的双版本软件结构和三取二系统的单软件结构。单软件结构。按联锁数据的组织形式分类按联锁数据的组织形式分类联锁图表式软件结构和进路控制式的软件结构联锁图表式软件结构和进路控制式的软件结构 2024/5/11 周六71.计算机联锁系统软件计算机联锁系统软件二、联锁数据与数据结构二、联锁数据与数据结构联锁数据联锁数据是指在联锁计算机中，所有参与联锁运算的数据。是指在联锁计算机中，所有参与联锁运算的数据。计算机联锁系统中软件的运行是依据各种各样不同阶段计算机联锁系统中软件的运行是依据各种各样不同阶段产生的数据进行的。从计算机联锁系统中数据的变化情产生的数据进行的。从计算机联锁系统中数据的变化情况可以分为况可以分为逻辑变量逻辑变量和和常量常量。2024/5/11 周六72.逻辑变量逻辑变量逻辑变量又称作逻辑变量又称作动态数据动态数据，主要指运算过程中变化的数，主要指运算过程中变化的数据。它包括反映监控对象状态的输入状态变量；与操作据。它包括反映监控对象状态的输入状态变量；与操作动作相对应的操作变量；运算产生的中间结果；标志状动作相对应的操作变量；运算产生的中间结果；标志状态变量；如锁闭、解锁态变量；如锁闭、解锁等等。等等。2024/5/11 周六73.常量常量运算中不会发生变化的数据是常量。也称作运算中不会发生变化的数据是常量。也称作静态数据静态数据，包括，包括（1 1）反映监控对象的性质与特点的数据，道岔、双动道岔、）反映监控对象的性质与特点的数据，道岔、双动道岔、无岔区段、照查等等；无岔区段、照查等等；(2)(2)设备编号，如设备编号，如D1D1编为编为01H01H，D3D3编为编为02H02H等等；等等；(3)(3)反映设备相对位置的数据，如反映设备相对位置的数据，如X=XXX=XX，Y=YYY=YY；(4)(4)反映设备之间关系的数据，如某一道岔区段包含多少道岔反映设备之间关系的数据，如某一道岔区段包含多少道岔数，超限绝缘检查地点数，超限绝缘检查地点。2024/5/11 周六74.2024/5/11 周六75.参与联锁运算的数据量很大，它们在存储器中的组织方参与联锁运算的数据量很大，它们在存储器中的组织方法称为法称为数据结构数据结构。动态数据应存于读写存储器。动态数据应存于读写存储器(RAM)(RAM)中，中，以便读、写；而静态数据应存于只读存储器以便读、写；而静态数据应存于只读存储器(ROM)(ROM)中，中，以防丢失。因此有必要建立两种数据结构以防丢失。因此有必要建立两种数据结构动态数据动态数据和和静态数据结构静态数据结构。数据的定义及数据结构的建立。应当容易理解，易于生数据的定义及数据结构的建立。应当容易理解，易于生成、易保证联锁程序的运用并且能保证数据的安全性与成、易保证联锁程序的运用并且能保证数据的安全性与可靠性。可靠性。数据的编码数据的编码 数据的传输数据的传输2024/5/11 周六76.1 1、静态数据及其结构、静态数据及其结构在在计计算算机机联联锁锁系系统统中中，首首先先需需要要一一个个静静态态数数据据库库，该该数数据据库是这样构成的：库是这样构成的：对对应应信信号号平平面面布布置置图图(更更确确切切地地说说是是对对应应控控制制台台盘盘面面图图)中中的的每每一一个个监监控控对对象象，如如信信号号机机、道道岔岔、轨轨道道电电路路区区段段、侵侵限限绝绝缘缘区区段段、特特设设的的变变通通按按钮钮、进进路路终终端端按按钮钮（没没有有信信号号机机）等等，各各设设一一个个数数据据模模块块。在在模模块块中中列列出出表表述述该该监监控控对对象象特特性性的数据以及联锁软件所需要的一些标志。的数据以及联锁软件所需要的一些标志。2024/5/11 周六77.（1 1）建立进路所需数据）建立进路所需数据 进路性质进路性质，是列车进路还是调车进路；，是列车进路还是调车进路；进路方向进路方向，是接车方向还是发车方向；，是接车方向还是发车方向；进进路路的的范范围围，即即进进路路的的两两端端，如如果果是是迂迂回回进进路路，还还应应指指明变更点；明变更点；防护进路的信号机防护进路的信号机；进路中的轨道电路区段及数量进路中的轨道电路区段及数量；进路中的道岔进路中的道岔、应处的位置及数量；、应处的位置及数量；进进路所涉及的侵限绝缘轨道区段及检查条件；路所涉及的侵限绝缘轨道区段及检查条件；2024/5/11 周六78.进路的接近区段；进路的接近区段；进路的离去区段进路的离去区段；进进路路末末端端是是否否存存在在需需要要结结合合或或照照查查的的设设施施，如如闭闭塞塞设设备备、机务段联系、驼峰信号设备等。机务段联系、驼峰信号设备等。2024/5/11 周六79.计算机联锁系统软件的功能计算机联锁系统软件的功能联锁数据联锁数据常量常量变量变量数据结构数据结构建立进路所需数据建立进路所需数据2024/5/11 周六80.（2 2）进路表的生成）进路表的生成 若若将将上上列列各各项项纳纳入入一一个个数数据据表表中中就就构构成成了了一一个个进进路路表表。将将一一个个车车站站的的全全部部进进路路的的进进路路表表汇汇总总在在一一起起就就构构成成了了总总进进路路表表（它它很很像像我我们们熟熟悉悉的的进进路路联联锁锁表表）。由由人人工工编编制制总总进进路路表表,特特别别是是大大型型的的总总进进路路表表,不不仅仅繁繁琐琐而且容易出错。而且容易出错。2024/5/11 周六81.设设计计一一种种进进路路表表生生成成软软件件-进进路路搜搜索索程程序序。当当办办理理进进路路时时，由由进进路路操操作作命命令令调调用用进进路路搜搜索索程程序序，并并寻寻找找出出存存储储在在ROMROM中中相相应应的的静静态态数数据据，自自动动生生成成一一个个与与进进路路操作命令相符的进路表，以供联锁软件使用。操作命令相符的进路表，以供联锁软件使用。2024/5/11 周六82.根根据据站站场场形形数数据据结结构构所所生生成成的的进进路路表表存存于于计计算机的算机的RAMRAM中。中。在在一一个个车车站站上上，如如果果同同时时能能办办理理n n条条进进路路，那那么在么在RAMRAM中就需要存中就需要存n n个进路表。个进路表。这这些些进进路路表表是是随随着着办办理理进进路路而而生生成成，又又随随着着进进路路的的解解除除而而消消失失，所所以以占占用用RAMRAM的的空空间间是是不不大的。大的。2024/5/11 周六83.对应于信号平面布置图中的每一监控对象，如信号对应于信号平面布置图中的每一监控对象，如信号机、道岔、轨道电路区段及其他各种设备，各设一机、道岔、轨道电路区段及其他各种设备，各设一个静态数据模块。个静态数据模块。2024/5/11 周六84.由于这种数据结构在图形上具有站场形式，所以称它为由于这种数据结构在图形上具有站场形式，所以称它为站场形数据结构。这些静态数据都存储在计算机的站场形数据结构。这些静态数据都存储在计算机的ROMROM中，中，供进路表生成软件使用。供进路表生成软件使用。2024/5/11 周六85.如果把所有的模块按照它们在信号布置图中相互位如果把所有的模块按照它们在信号布置图中相互位置链接起来，如图置链接起来，如图(b)(b)所示，它很像所示，它很像65026502电气集中的电气集中的组合连接图。由于这种数据结构在图形上具有站场组合连接图。由于这种数据结构在图形上具有站场形式，所以称它为形式，所以称它为站场形数据结构站场形数据结构，它相当于图论，它相当于图论中的图形结构。中的图形结构。2024/5/11 周六86.当办理进路时，根据进路操作命令，为进路搜索程当办理进路时，根据进路操作命令，为进路搜索程序指明进路的序指明进路的始端模块首址始端模块首址和和终端模块首址终端模块首址，进路，进路搜索程序从站场形数据结构中搜出与进路有关的全搜索程序从站场形数据结构中搜出与进路有关的全部模块，再从模块中找出进路联锁程序所需的数据，部模块，再从模块中找出进路联锁程序所需的数据，就可构成进路表了。就可构成进路表了。2024/5/11 周六87.假设有三个模块假设有三个模块a a、b b和和c c，如图所示，如图所示，2024/5/11 周六88.2024/5/11 周六89.一般来说，一个节点有左右两个链接节点，如果允许双方向一般来说，一个节点有左右两个链接节点，如果允许双方向搜索，则一个节点需有两个指针场以便记入两个链接节点的搜索，则一个节点需有两个指针场以便记入两个链接节点的首址。图首址。图(d)(d)是双向链接图，对它既可由是双向链接图，对它既可由a a搜索到搜索到c c，也可由，也可由c c搜索到搜索到a a。对于。对于道岔节点道岔节点来说，它有三个链接节点：一个是来说，它有三个链接节点：一个是岔前节点岔前节点，个是个是岔后直股节点岔后直股节点，再一个是，再一个是岔后弯股节点岔后弯股节点。岔前节点的首址，岔前节点的首址，pfzpfz存放岔后直股节点首址，用存放岔后直股节点首址，用pfwpfw存放岔存放岔后弯股节点首址。后弯股节点首址。2024/5/11 周六90.对于站场形数据结构来说，仅沿一个方向进行搜索就可对于站场形数据结构来说，仅沿一个方向进行搜索就可以了。从站场结构来看，沿着以了。从站场结构来看，沿着发车方向发车方向搜索时，遇到的搜索时，遇到的分歧道岔分歧道岔(按搜索方向来说就是对向道岔按搜索方向来说就是对向道岔)较少，所以搜较少，所以搜索效率较高。因此，以后将以发车方向的单向搜索为准，索效率较高。因此，以后将以发车方向的单向搜索为准，来实现节点之间的链接。根据这一原则，前图来实现节点之间的链接。根据这一原则，前图(b)(b)的各的各模块链接简图如图所示。模块链接简图如图所示。2024/5/11 周六91.2024/5/11 周六92.假设办理一条由假设办理一条由S3S3至至D7D7的调车进路。的调车进路。首先根据进路操作命令确定首先根据进路操作命令确定进路的始端节点是进路的始端节点是K(S3)K(S3)搜索的起始节点搜索的起始节点终端节点终端节点K(D7)K(D7)搜索的目标节点。搜索的目标节点。由节点由节点K(S3)K(S3)出发，根据它的指针场中的地址码可以找出发，根据它的指针场中的地址码可以找到到K(9DG)K(9DG)，进而找到，进而找到K(9)K(9)。K(9)K(9)是一个对向道岔节点，是一个对向道岔节点，它有两个后继节点它有两个后继节点K(11)K(11)和和K(QX2)K(QX2)。2024/5/11 周六93.2 2、动态数据及其结构、动态数据及其结构（1 1）操作输入变量）操作输入变量操操作作输输入入变变量量是是反反映映操操作作人人员员操操作作动动作作的的开开关关量量，是是形形成成操操作作命命令令的的原原始始数数据据。在在RAMRAM中中需需各各设设一一个个区区域域存存放放操操作作输输入入变变量量（操操作作变变量量表表）和和由由操操作作输输入入变变量量形形成成的的操操作作命命令令（操操作作命命令令表表）。一一条条操操作命令形成后，就可以从操作变量表中删去相应的操作变量了。作命令形成后，就可以从操作变量表中删去相应的操作变量了。操操作作输输入入变变量量除除了了用用以以形形成成操操作作命命令令外外，还还作作为为表表示示信信息息的的原原始始数数据以及监测系统的记录内容。据以及监测系统的记录内容。2024/5/11 周六94.（2 2）状态输入变量）状态输入变量状状态态输输入入变变量量是是反反映映监监控控对对象象状状态态的的变变量量，如如轨轨道道区区段段状状态态、道道岔岔定定位位状状态态、道道岔岔反反位位状状态态、信信号