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铁路信号计算机联锁系统毕业论文

铁路信号计算机联锁系统（毕业论文）

继续教育学院毕业设计（论文）

题目:

铁路信号计算机联锁系统

概述分析

院系（站）:

西安机电信息技师学院

学科专业:

机电一体化

学生:

大专五班

学号:

指导教师:

杨军良

毕—1

2016年9月

西安理工大学继续教育学院

毕业设计（论文）任务书

院系或教学站点:

学生姓名:

专业班级:

批准日期:

一、毕业设计（论文）课题

二、毕业设计（论文）工作自年月日起至年月日止

三、毕业设计（论文）进行地点:

四、毕业设计（论文）的内容：

负责指导教师:

指导教师:

接受设计（论文）任务开始执行日期:

学生签名:

摘要

计算机联锁系统是实现铁路现代化和自动化的基础设施之一，是一种高效、安全的车站联锁设备，是提高车站通过能力的基础。

同时，计算机联锁系统还具有故障—安全性能，与电气联锁系统相比，其在设计、施工和维护方面都较为便捷，且便于改造和增加新功能，为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件。

本论文主要阐述了计算机联锁系统的硬件结构组成，设备选型及电源配置等原则及处理方法。

采用二乘二取二的体系结构的计算机联锁控制系统方案，尤其是对于可靠性技术和容错技术的深入研究，计算机联锁技术已日趋成熟，在大力推广使用。

根据各国对计算机联锁的研究和使用情况来看，由于计算机在逻辑功能和信息处理方面具有很强的功能，完成其对信号机、道岔的控制电路及其相关组合的内部配线和对信号机、道岔、轨道电路等部分设备的状态信息采集电路以及与联锁机接口电路的控制。

关键词：

铁路信号；计算机联锁;故障探讨

informationacquisitioncircuitandcontrolcircuitandinterlockmachineinterface.

Keywords:

railwaysignal;computerinterlocking；；investigatemalfunction

1计算机联锁系统基础1

1.1计算机联锁概述1

1.2计算机联锁的功能1

1.3计算机联锁主要技术条件2

1.4计算机联锁的应用现状3

2计算机联锁工作原理5

2.1计算机联锁系统硬件组成5

2.2计算机联锁系统基本原理6

2.3计算机联锁系统可靠性及安全设计7

3计算机联锁系统故障维护及探讨11

3.1联锁设备常见故障分析处理11

3.2故障种类11

4计算机联锁系统的发展前景13

4.1计算机联锁系统的必要性13

4.2计算机联锁系统的发展14

谢辞17

参考文献18

第1章计算机联锁系统基础

1.1计算机联锁概述

为了保证行车安全和必要的通过能力，信号、道岔与进路之间必须以必要的技术手段保持一定的制约关系和操作顺序，称这种制约关系和操作顺序为联锁，用计算机技术来实现的系统成为计算机联锁系统。

铁路是国民经济的大动脉、全国沟通联系的纽带、国民经济建设的先行行业。

与其它运输方式相比，铁路运输具有运量大、成本低、速度快、安全可靠、能全天候运输等众多优势。

铁路承担全国客货周转量的60%～70%，这种状况在今后相当长的时间内不会有太大的变化，铁路仍将是我国交通运输系统中的重要力量。

铁路信号是铁路运输的耳目，是保证行车安全和提高运输效率的有力工具。

一旦信号设备故障，铁路运输将陷于瘫痪，整个国民经济将遭受严重损失。

从铁路一开始出现，人们就吧把铁路信号中的故障——安全技术作为一个专题进行研究。

随着计算机技术的发展，特别是对可靠性和冗余容错技术的深入研究，车站信号联锁安全技术也正在不断的更新和发展。

目前，计算机联锁控制系统已处于实用阶段，随着实践经验的积累，系统的性能也在不断提高。

我国的计算机联锁控制系统主要采用由通用的工业控制计算机组成的计算机联锁控制系统。

近年来，又推出了二乘二取二系统，由两个CPU构成一个子系统执行联锁任务（主机），另外两个CPU处于热备状态（备机），这就大大提高了计算机联锁控制系统的可靠性和安全性，而且方便维修，主要干线的技术改造都优先考虑采用二乘二取二系统。

目前，计算机联锁控制系统已装备了上千个车站。

总之，铁路信号计算机联锁控制系统将向低成本、高效率、高安全、高可靠及信息化、智能化、网络化和综合自动化的方向发展。

1.2计算机联锁的功能

一、系统的功能

1、联锁控制功能

（1）进路的控制。

（2）信号的正常开放、关闭、人工重复开放以及防止自动重复开放。

（3）道岔的单独操纵、锁闭和解锁。

2、显示功能

（1）站场基本图形显示。

（2）现场信号设备状态显示。

（3）车站值班员按压按钮动作的确认显示。

（4）联锁系统的工作状态、故障报警显示。

（5）时钟显示、必要的汉字提示，如操作错误提示、联锁状况提示、执行失败原因提示等。

3、记录存储和故障检测与诊断功能

（1）系统可按时间顺序自动记录和储存车站值班员按钮操作状况、现场设备动作情况和行车作业情况。

（2）提供图像再现功能。

（3）实现进路储存和自动办理。

（4）具有集中检测和报警功能。

4、语音提示功能

该系统具有通过语音或音响在控制台上播放提示信息的能力。

当有多条信息需要同时播放时，这些信息轮流播放。

5、综合功能

利用标准化的通信接口板、网络接口板以及通信规程，可直接与现代化信息处理系统相连结进行数据交换。

1.3计算机联锁主要技术条件

1、计算机联锁能满足各种车站（场）规模和运输作业的需要，保证行车安全，提高运输效率，并具备大信息量和联网能力。

2、计算机联锁采用硬件冗余结构，如双机热备、三取二或二乘二取二的结构。

可靠度指标：

平均故障间隔时间（MTBF）大于或等于106h；安全度指标：

平均危险侧输出间隔时间大于或等于1011h。

3、计算机联锁使用涉及安全的电路符合故障-安全原则；电路故障能即时发现，当故障会危及行车安全时，能切断系统的危险侧输出。

4、计算机硬件体系结构为层次结构，如分为人及对话层、联锁运用层和执行表示层。

5、计算机联锁具有通过通信前置处理机和通信网与其他系统实现通信能力，与调度指挥系统的数据通信符合有关规定。

6、计算机联锁的软件系统达到软件制式检测要求的可靠性和安全性，所有程序都具有模块化，结构化和标准化的特点。

7、计算机联锁的各种接口与通道能保证长期使用的高稳定性和高可靠性。

8、计算机联锁能通过外部数据通道或计算机网络与其他自动化或管理系统。

9、计算机联锁设有两路独立电源供电，并且有自动转接功能，以保证不间断供电。

10、计算机联锁采取了必要的防电磁干扰和防雷措施，以保证在规定严酷性等级的运用环境中，设备都能正常工作。

11、信号设备的接地电阻不大于10Ω，用于防护电子设备的安全保护地线的接地装置，其接地电阻值不大于4Ω。

对于重雷害地区，地线设置还采取了特殊措施。

12、监测子系统作为系统基本组成部分，为维护使用部门提供监测、报警、统计、分析、管理、远程诊断及维护功能。

13、根据需要设应急盘，在计算机联锁失效时控制道岔和引导信号。

1.4计算机联锁的应用现状

一、国外车站计算机联锁系统的应用现状

1978年世界第一个计算机联锁系统在瑞典哥德堡问世,从20世纪80年代起各国竞相研究开发计算机联锁系统,并取得了显著的成绩,日本在1980年由铁路综合技术研究所、京三公司、日信公司合作开发、生产了由三重冗余微计算机组成的计算机联锁装置,1985年实际投入使用的JR东日本的南古谷车库的计算机联锁装置是日本第一台计算机联装置,90年代起很多国家已开始大面积推广微机联锁系统,如日本、英国制定技术政策,不再发展继电联锁,而由计算机联锁取代,经过20多年的发展,计算机联锁技术在发达国家已发展成为完善成熟的技术,计算机联锁由面向工程技术研究转向以面向服务为中心,其应用现状总体上可归纳为以下几方面:

（一）计算机联锁制式主要由三取二和二乘二取二两种,通过软件、硬件容错技术提高计算机联锁系统的可靠性、安全性、可维护性,双机热备系统已经淘汰；

（二）计算机联锁系统的性能逐渐提高,比如:

快速计算能力,高速率数据交换的通信能力,以适应高速铁路和综合化信号控制系统的要求；

（三）面向工程和服务,采用计算机软、硬件技术,开发功能非常完善和强大的CAD系统,并从制度和设备上建立完善的维修体系和仿真检测体系；

（四）积极发展、推广使用全电子模块化的计算机联锁系统,使计算机联锁系统具有开放式结构,并且更加小型化、智能化；

（五）以旅客营业系统为中心,采用先进的计算机通信技术,成功发展分布式分层处理的综合信号控制系统和运营管理系统，计算机联锁不仅仅是一个特定的车站的控制系统,而逐渐演变成综合行车指挥系统的一个重要的基础设备；  

（六）通过分布式结构扩大控制范围,实现集中联锁分散控制的区域计算机联锁系统,使计算机联锁系统网络化；

（七）计算机联锁系统功能逐渐扩大,实现信号机、道岔、轨道电路联锁关系而直接控制信号设备是计算机联锁系统的基本功能,通过系统集成,将车站和区间设备一体化,由计算机联锁系统代替继电器节点逻辑控制方式提供丰富的列车控制信息;在车站由计算机联锁系统完成对电码化控制信息的逻辑处理,通过计算机联锁系统实现站内进路电码化,由这两种方式组合而成的联锁、列控一体化综合系统,在日本、德国、法国等国家均得到成功应用。

比如:

2002年12月开通的日本东北新干线盛岗-八户段数字ATC地面设备,包括列控联锁一体化系统局域网（SAINT-LAN）、列控联锁一体化系统逻辑部（SAINT）。

二、国内车站计算机联锁系统的应用现状

国内对计算机联锁系统的研究开始于20世纪80年代,进入90年代后,随着与发达国家在计算机联锁技术上的交流增多和计算机技术的发展,计算机联锁进入快速发展阶段，铁科院通号所、通号公司设计院、北京交大、卡斯柯等单位相继开发出具有不同特点的单机、双机热备、三取二和二乘二取二等计算机联锁系统,至“九五”期末,全路共装备了计算机联锁系统438个车站（场）。

在铁道部“十五”科技发展技术政策中明确规定要积极发展计算机联锁,在此期间,车站计算机联锁系统获得了更快的发展,计算机联锁可靠性、安全性进一步提高,进入了以技术为依托,面向市场和服务,从实现功能到完善拓展功能,从单站联锁到一体化、电码化等扩大应用的新的发展阶段。

（一）随着计算机联锁系统大面积推广使用,铁路相关人员和单位对计算机联锁的认识逐渐深入,计算机联锁系统已经被广为接受,为计算机联锁系统的发展奠定了扎实的市场基础；

（二）计算机联锁系统本身可靠性、安全性、可维护性、可用性等越来越高,性能逐渐增强,功能逐渐完善,目前已能完全满足中国铁路各种站场规模和运输作业的需要。

（三）计算机联锁系统向多制式方向发展,在路内上道使用的计算机联锁系统有双机热备、三取二、二乘二取二等三种制式,能满足不同线路、不同工程和不同用户的需要。

（四）各种型号的计算机联锁系统均配备有微机监测系统,远程诊断系统,为计算机联锁正常稳定运行提供保障。

（五）在继承现有计算机联锁系统优点、特点的基础上,研究铁路信号控制新技术,积极开发新一代计算机联锁系统,努力拓展计算机联锁系统的功能,以适应铁路信号控制现代化、铁路管理信息化建设、铁路跨越式发展的需要。

比如:

具有区域控制能力的计算机联锁系统的研究,联锁、列控一体化安全控制系统的研究,车站进路电码化计算机控制系统的研究,与CTC系统结合的现代化行车调度指挥系统的研究,高速铁路计算机联锁系统的研究等。

（六）建立了计算机联锁系统检测制度。

铁道部电务局在原上海铁道大学建立了计算机联锁检验站,以技术手段加强计算机联锁系统软件安全的检测。

除此之外,对要投入使用的所有计算机联锁产品的联锁软件,在出厂前均要经过详细完备的功能测试，通过制式测试和出厂测试,有效地保证了计算机联锁产品的质量[5]。

第2章计算机联锁工作原理

2.1计算机联锁系统硬件组成

计算机联锁系统采用的是工业控制计算机系统，用以实现对铁路车站运输生产过程的监测与控制。

它由工业控制计算机和生产过程两大部分组成，工业控制计算机是指按生产过程控制特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。

对铁路信号领域来说，生产过程就是指工业控制计算机通过过程输入\输出通道和继电结合电路对现场监控对象如道岔和信号机等进行实时监控。

典型的计算机联锁系统硬件组成如图2-1所示。

图2-1计算机联锁系统硬件组成框图

由于计算机联锁系统的综合性能远远超过继电联锁系统，因此车站联锁系统由继电装置向计算机联锁系统转化已成为一种不可扭转的趋势。

具体来说计算机联锁系统的优势主要表现在适时性、安全性、可靠性、可维护性及性价比等若干方面。

计算机联锁系统是利用目前已有的工业控制计算机，研制一套专用的硬件与软件系统实现信号、进路与道岔间的联锁关系，因此它实质上是一个满足故障——安全信号原则的联锁逻辑运算系统，计算机在系统中的作用是将操作命令与现场各种输入的表示信息读入，再根据计算机内部状态等条件进行逻辑运算，判断后输出控制信息至执行机构，实现多变量数字输入和多变量数字输出这样一个复杂传递函数的变换，图2-2是逻辑运算系统的原理图。

图2-2联锁逻辑运算系统原理图

2.2计算机联锁系统基本原理

从计算机系统的体系结构来看属于二级集散式控制系统，突破了旧有的集中式信号系统模式，具有模块化、层次化等特点。

模块化是指联锁机主模块、PLC及信号结合模块等，层次化是指系统具有操作表示层、联锁运算层、复核驱动层、结合电路层及监控对象层等五个物理层次。

这种结构的优点在于可根据车站规模的大小、作业需求的不同，在不改变联锁软件的基础上通过修改站场静态数据并增设相应硬件模块，即可满足系统的扩容要求，先进的控制体系结构结合工艺设计使得系统调试周期与现场施工、开通周期均大为缩短，具有很好的经济与实用性。

1、人机对话层

将来自键盘、鼠标等操作输入，经串口送达联锁计算机，同时在图形显示器上显示站场表示信息。

在站场规模较大致使联锁计算机负担较重或需要多终端操作的情况下，可设置操作命令采集机进行操作命令输入的有效性判别并转换成约定格式传送给联锁计算机。

2、联锁运算层

联锁微机是系统的核心部分，承担着操作输入的判别、联锁信号的调理及分析、逻辑运算、控制命令生成、故障诊断等任务，其可靠性、安全性对系统的总体故障—安全性能有较大影响，HJ04A系统中设置了两台联锁微机，其中一台为冷备机，可进行人工切换。

3、复核驱动层

复核驱动层由PLC组成，其承担着采集表示信息并将联锁微机下达的操作命令转化为故障—安全的控制信号的任务，作为系统安全性设计的重要环节之一，PLC还承担着对联锁微机形成的操作命令进行复核检查的屏障作用。

4、结合电路层

结合电路的任务之一是实现现场监控设备表示信息与PLC输出的驱动信号的安全逻辑转换，使PLC的输入、输出信息均具有故障—安全性能。

任务之二是用专用电路规范监控设备的测控过程，即包括表示信息采集机制与设备驱动流程。

5、监控对象层

监控设备是指联锁系统的现场设备，即道岔、信号机与轨道电路。

2.3计算机联锁系统可靠性及安全技术

目前，国内外进行高可靠系统的容错设计多采用三模静态冗余方案或二模动态冗余方案。

其中前者完全是靠硬件冗余来提升可靠性的，后者则不仅使用了硬件冗余资源，同时也使用了故障检测技术与软件冗余资源。

这二种方案的共同特点是对硬件故障具有较强的屏蔽与纠错能力。

然而这二种方案均存在一定的实现难度与缺陷，三模冗余系统必须实现三模的同步进程及表决器的高可靠设计，尤其需要解决时钟容错的问题；二模动态冗余系统则要求冗余管理机构的高效与可靠性。

目前这二类系统的可靠性计算都是在设定表决器或冗余管理机构的可靠度R（t）=1的基础上进行的，同时由于设备直接投资成本过高，因而在非航天、通讯等可靠性要求很高的领域应用不多。

在铁路信号领域，由于行车安全被认为是超过效率的重要考虑，因此相应对计算机联锁系统的可靠性与安全性要求很高，针对这种情况，可以有二种方式供我们在设计中进行选择。

其一是强化系统的可靠性设计，这是基于可靠性理论包含了系统故障的屏蔽效应，因而用高可靠性换取系统的低故障率，以此隐含了对安全性的相对提升。

但可靠性技术总是受一定的条件所限制，如硬件冗余资源使用、采用高可靠器件等，这完全取决于系统的可靠性要求及财力许可。

其次我们可以基于这样一个思路来考虑问题：

如果计算机联锁系统在保证一定可靠性要求基础上并结合故障—安全技术来得以实现，实质上也就是说牺牲少量的效率来避免昂贵的成本并换取系统的高安全性，同样也能满足铁路信号对联锁系统的性能要求

◆容错技术在计算机联锁系统中的应用：

随着计算机技术的迅速发展，尤其是高可靠性技术及容错理论与技术的发展，计算机在铁路信号联锁设备的应用也逐渐广泛。

由于计算机联锁系统处理涉及安全的信息，而它主要是由大规模和超大规模的集成电路芯片组成，集成电路芯片具有对称的错误特性，即芯片的短路故障和断路故障的概率是相同的，因此必须使采用集成电路芯片电路的计算机联锁具有故障安全特性。

一般来讲，计算机联锁系统是采用避错技术和容错技术来提高系统的可靠性。

（如图2-3所示为容错技术示意图）。

避错技术采用高可靠性芯片，以减少故障概率。

但是不能保证系统绝对可靠，因为芯片可靠性的提高是有限度的，越过这个限度将付出巨大的代价。

在这种情况下，要想进一步提高系统的可靠性，就要用到容错技术。

容错技术的基本发点是承认故障不可避免的事实，进而考虑解除故障影响的措施。

为实现这一目的，主要手段就是投入更多的所需资源，如硬件冗余、软件冗余、时间冗余等，主要是硬件和软件冗余。

图2-3计算机联锁系统容错技术

静态冗余为什么是最高追求?

从安全的角度确实他有自己的优点,但是静态冗余也有自己的不足,比如他消耗的资源大,系统结构复杂从而降低了可靠性,所以我觉得综合来看,混合冗余比较合理.

应该将安全等级对应冗余方法从而对冗余的方式进行选择,如今的各个厂家所出设备感觉没有秩序,思路有一些不明朗,其实按需提供不同安全等级的设备才是最经济合理呀.

1硬件冗余技术

硬件冗余又有静态冗余、动态冗余和混合冗余3种基本形式。

1．1静态冗余技术

静态冗余技术是通过冗余资源来隔离或校正故障，使故障不能在系统输出中造成差错，不能改变电路或系统的结构，所以称为静态冗余。

其基本原理是通过表决来隔离发生的故障。

静态冗余技术在模块级上应用最广的是N冗余系统，这种表决系统中有N个相同的模块同时运行，各模块的输由表决器进行多数表决，其中N为奇数，可隔离（N一1）／z个模块的故障。

例如3取2系统。

1．2动态冗余技术

这种系统由多个模块组成，其中只有1个模块在运行输出，同时系统不断地进行故障检测，随时将发生故障的模块用其他模块代替，确保系统的安全性，此时系统的结构发生了变化，故称为动态冗余。

最基本的动态冗余系统为二冗余系统，此外还有多冗余系统，其中二冗余系统又有热备、冷备、温备和分布式处理4种方式。

二冗余系统的热备方式为主机和备机同时工作，但平时只有主机能够输，当系统检测到主机错误时，自动切换到备机输。

二冗余系统的冷备方式为平时只有主机工作，当系统检测到主机错误时，使主机停止输出，同时自动启动备机工作。

这种方式需要等待一定的时间，系统的连续性受到影响，适用于对连续性要求不高的系统。

二冗余系统的温备方式结构类似冷备方式的结构，只是备机处于通电但不工作状态，这样能减少一点等待时问，在实际中很少应用。

二冗余系统的分布式处理方式是二机共同承担不同的任务，若其中一机出现故障，则将任务重新调整，让无故障机承担故障机的任务，或者让系统的功能降级，这样系统故障时丧失了一些控制功能。

1．3混合冗余技术

混合冗余技术是将静态冗余和动态冗余相结合构成的一种新的冗余结构。

这种系统中有N个正常工作的模块，有S个备用模块。

N个正常工作模块经过表决后作为系统的输出，同时各模块的输出与系统的输出作比较，以监测任一模块是否有故障。

如果检测出其中1个模块故障，则由切换电路切断故障模块，接通备用模块。

2软件冗余技术

软件冗余技术就是用几种不同的软件处理数据，对处理结果进行比较，产生输出。

在结构上可按比较的范围分为2种：

第1种是把系统按功能划分成小段，各段之间进行比较；第2种是采用几个系统功能相同的软件相比较。

这种软件冗余关键在于各个软件的独立性，相互独立的程序即使可能存在故障，也可以通过表决将其屏蔽。

如果程序间相互不独立，故障可能同时存在于各个程序，则无法提高系统的可靠性。

由于采用了几种不同的相互独立的处理软件，因此防止了某种软件由于设计错误而产生的故障，还可以屏蔽硬件的某些故障，确保了系统安全。

最常见的是采用2种不同的软件处理数据，同时结合硬件冗余共同提高系统的可靠性。

例如，在二冗余系统中，主机和备机都采用2种软件，平时主机T作，此时2种软件同时对数据进行处理，对结果进行比较。

如果一致，则产生输出，否则说明系统故障，立即进行切换，使备机工作，从而提高系统的可靠性。

3故障一安全接口电路

目前，在计算机联锁系统中，对信号、道岔、轨道电路的控制及状态的采集都是利用安全型继电器来实现，冈此计算机与继电器之间的接口电路也应满足故障一安全原则。

3．1输入接口

通常故障一安全的输入接口电路是采用光电隔离技术，编码输入，表决确定输入信息的。

信息的输入采用了光电耦合器，防止了采用接点输入电路时的电磁干扰和电路中故障的扩散。

继电器吸起则将信息编为11l1，落下则编为0000。

计算机对读入的编码进行“与”运算，如果各光电耦合器都正常1-作，结果为1，表明轨道电路空闲；如果某个光电耦合器故障，结果为0，表明轨道电路占用或输入接口电路有故障。

采用3个采集电路进行表决输出，当有2个或3个电路的输是一致时，认为是正确信息，这样就防止了由于采集电路的故障而导致计算机错误判断的现象。

3．2输出接口

输出接口普遍采用动态驱动，即计算机输出的驱动信息不是高电平，也不是低电平，而是一个脉冲信号，再经过脉冲一电平转换电路输出一个有足够驱动功率的高电平去动作相应的继电器。

如果计算机故障，则计算机输出的不是脉冲信号，而是停留在脉冲的某个高电平或低电平，这个非脉冲电平经过脉冲一电平转换电路后不会产生一个高电平，因此相应的继电器总是落下，实现了故障一安全。

综上所述，容错技术是一种延伸了的故障安全措施，它是建立在高可靠集成芯片的基础上以资源冗余为代价的。

在现代科技高速发展的今天，计算机及其芯片的各项指标越来越高，价格也越来越低，为容错技术的广泛应用打下了坚实的物质基础。

随着计算机的迅速发展，计算机联锁这一现代化设备将广泛应用于铁路现场，正确认识掌握这一理论将对现代化的铁路事业有着重要的意义。

第3章计算机联锁系统故障维护及探讨

3.1联锁设备常见故障分析处理

运用中的设备故障出现有一定的随机性，也有一定的规律性，从以下几个方面分类，对故障的发生逐个分析。

按故障的表现可分为非潜伏性故障[1]和潜伏性故障[2]。

（一）、非潜伏性故障

发生后能及时被发现的故障。

即设备在运用中通过电路本身的自诊技术直观表现出来的故障。

如道岔断表示，灯泡主丝断丝等故障。

（二）、潜伏性故障

故障发生后不能及时表现出来，只有在与另一故障构成组合时方可显示出故障现象，如电源