计算机联锁工作原理

张文祥　王赫

摘要：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：计算机联锁；安全性

一、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1所示。

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。

二、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

结合电路的任務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。

三、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（f产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。

总之，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。