計算機聯鎖工作原理

張文祥　王赫

摘要：本論文主要闡述了計算機聯鎖系統的硬件結構組成，設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構的計算機聯鎖控制系統方案，尤其是對于可靠性技術和容錯技術的深入研究，計算機聯鎖技術已日趨成熟，在大力推廣使用。根據各國對計算機聯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組合的內部配線和對信號機、道岔、軌道電路等部分設備的狀態信息采集電路以及與聯鎖機接口電路的控制。

關鍵詞：計算機聯鎖；安全性

一、計算機聯鎖系統硬件組成

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

由于計算機聯鎖系統的綜合性能遠遠超過繼電聯鎖系統，因此車站聯鎖系統由繼電裝置向計算機聯鎖系統轉化已成為一種不可扭轉的趨勢。具體來說計算機聯鎖系統的優勢主要表現在適時性、安全性、可靠性、可維護性及性價比等若干方面。

計算機聯鎖系統是利用目前已有的工業控制計算機，研制一套專用的硬件與軟件系統實現信號、進路與道岔間的聯鎖關系，因此它實質上是一個滿足故障——安全信號原則的聯鎖邏輯運算系統，計算機在系統中的作用是將操作命令與現場各種輸入的表示信息讀入，再根據計算機內部狀態等條件進行邏輯運算，判斷后輸出控制信息至執行機構，實現多變量數字輸入和多變量數字輸出這樣一個復雜傳遞函數的變換。

二、計算機聯鎖系統基本原理

從計算機系統的體系結構來看屬于二級集散式控制系統，突破了舊有的集中式信號系統模式，具有模塊化、層次化等特點。模塊化是指聯鎖機主模塊、PLC及信號結合模塊等，層次化是指系統具有操作表示層、聯鎖運算層、復核驅動層、結合電路層及監控對象層等五個物理層次。這種結構的優點在于可根據車站規模的大小、作業需求的不同，在不改變聯鎖軟件的基礎上通過修改站場靜態數據并增設相應硬件模塊，即可滿足系統的擴容要求，先進的控制體系結構結合工藝設計使得系統調試周期與現場施工、開通周期均大為縮短，具有很好的經濟與實用性。

1、人機對話層

將來自鍵盤、鼠標等操作輸入，經串口送達聯鎖計算機，同時在圖形顯示器上顯示站場表示信息。在站場規模較大致使聯鎖計算機負擔較重或需要多終端操作的情況下，可設置操作命令采集機進行操作命令輸入的有效性判別并轉換成約定格式傳送給聯鎖計算機。

2、聯鎖運算層

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

3、復核驅動層

復核驅動層由PLC組成，其承擔著采集表示信息并將聯鎖微機下達的操作命令轉化為故障—安全的控制信號的任務，作為系統安全性設計的重要環節之一，PLC還承擔著對聯鎖微機形成的操作命令進行復核檢查的屏障作用。

4、結合電路層

結合電路的任務之一是實現現場監控設備表示信息與PLC輸出的驅動信號的安全邏輯轉換，使PLC的輸入、輸出信息均具有故障安全性能。任務之二是用專用電路規范監控設備的測控過程，即包括表示信息采集機制與設備驅動流程。

5、監控對象層

監控設備是指聯鎖系統的現場設備，即道岔、信號機與軌道電路。

三、計算機聯鎖系統可靠性及安全技術

目前，國內外進行高可靠系統的容錯設計多采用三模靜態冗余方案或二模動態冗余方案。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難度與缺陷，三模冗余系統必須實現三模的同步進程及表決器的高可靠設計，尤其需要解決時鐘容錯的問題；二模動態冗余系統則要求冗余管理機構的高效與可靠性。目前這二類系統的可靠性計算都是在設定表決器或冗余管理機構的可靠度R（f產1的基礎上進行的，同時由于設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域應用不多。

總之，在鐵路信號領域，由于行車安全被認為是超過效率的重要考慮，因此相應對計算機聯鎖系統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計中進行選擇。其一是強化系統的可靠性設計，這是基于可靠性理論包含了系統故障的屏蔽效應，因而用高可靠性換取系統的低故障率，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：如果計算機聯鎖系統在保證一定可靠性要求基礎上并結合故障安全技術來得以實現，實質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的高安全性，同樣也能滿足鐵路信號對聯鎖系統的性能要求。