第二章 计算机联锁系统硬件

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1、第二章计算机联锁系统概述一、计算机联锁系统的发展（一）车站联锁系统的功能与一般层次结构现代的联锁系统是以色灯信号机、动力转辙机和轨道电路作为室外三大基础设备，以电气设备或电子设备实现联锁功能并采取集中控制方式对信号机和道岔进行控制的系统。系统的一般层次结构如图2—1所示。图2—1系统的一般层次结构（二）对继电集中联锁的再认识继电联锁系统的特点：①由继电电路来实现信号、道岔和进路之间的联锁关系。②以安全型继电器为主要控制器件，并把它们集中放在信号楼内。其优点是：性能比较稳定，在保障铁路行车安全、提高效率起到了良好的作用。其

2、缺点是：①功能不够完善，特别是人机对话功能贫乏，也比较难于增加或扩展其它功能。②不便于和现代化的信息处理系统相连接。③经济方面，大规模集成电路价格日趋下降而专用继电器价格相对稳定，使得大站的计算机联锁系统的价格低于电气集中联锁；与计算机联锁系统相比，电气集中联锁系统要使用更多的电缆；电气集中联锁占地面积大，标准化程度比计算机联锁系统低，维修量大等。（三）计算机联锁系统优点以计算机技术取代继电电路具有以下优点：①减少继电器检修工作量；②减少系统的设计、施工和维护的工作量；③减少建筑使用面积；④当采用分布式系统结构时，可以节

3、省干线电缆，从而降低工程造价；⑤当采取了必要的提高系统的可靠性和安全性的技术措施后，系统的可靠性和安全性将得到提高；⑥便于改造；⑦便于增加新功能。最关键的是，计算机联锁系统为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件。二、计算机实时控制系统计算机联锁系统是计算机实时控制系统的一个实例。实时控制系统是指在限定的时间内对外来事件能够作出反应的系统。实时工业控制计算机系统的主要特点有：①实时性②现场信号的输入和控制输出能力③高可靠性④可维护性⑤其它特点：除了以上特点之外，实时工业控制系统一般要求允许工作环境比较恶劣，如温度高、

4、湿度大、抗冲击、震动性强等。典型的实时工业计算机控制系统的结构如图2—2所示。图2—2计算机工业控制系统三、容错和避错技术（一）容错技术的发展避错技术开始于计算机问世。它的基本思想是试图构造出一个不包含任何故障的“完美”系统。采用正确的设计尽量避免把故障引入系统，用质量控制、减载使用等方法避免故障的发生。1952年，冯诺依曼在加州理工学院发表五篇关于容错理论的报告，奠定了容错理论研究的基础。70年代，容错技术蓬勃发展，其应用遍及到宇航、交通控制以及工业自动化各个领域；80年代，超大规模集成电路（VLSI）和微型计算机的迅

5、速发展和广泛应用使容错技术深入到工业界。容错的基本思想是：在系统的体系结构上精心设计，利用外加资源的冗余技术来达到掩蔽故障的影响，从而自动恢复系统或达到安全停机的目的。（二）容错技术的主要方法容错技术主要依靠外加资源的方法来换取可靠性。外加资源有：硬件冗余：通过硬件的堆积冗余或待命储备冗余来达到容错。硬件的堆积冗余可以体现在物理级的元件重复，也可以体现在逻辑域的多数表决；待命储备冗余体现在具有m+1个模块并带有检错和切换装置的计算机系统中。时间冗余：通过消耗时间资源来达到容错。信息冗余：增加信息的多余度来提高可靠性。比如

6、增加检错码、纠错码，附加位越多，检错纠错的能力就越强。软件冗余：提高软件可靠性有两种方法，一是研究无错软件，二是研究容错软件。将具有设计差异，完成同一任务的不同软件组成一个有机整体，完成错误检测，程序系统重组及系统恢复等功能。根据对故障处理方式不同，可以把容错技术分为：屏蔽冗余和动态冗余。采取屏蔽冗余的系统具有表决功能，采用动态冗余的系统需要具有故障检测和动态切换功能。第三章计算机联锁系统的硬件结构第一节系统的硬件结构一、系统的可靠性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

7、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，往往采用双机互为备用的或门二重系统，其原理结构图如图3—1所示。图3—1可靠性冗余结构图二、系统的安全性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

8、3—2所示。图3—2安全性冗余结构图三、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的系统结构将是图3—1和图3—2的结合，形成图3—3所示的冗余结构。图3—3可靠性与安全性的冗余结构图3—4三取二冗余结构图三取二冗余结构示意图如图3—4所示，它实际上是由图3—3所示结构变化而来的。采用三取二冗余结构需