1、 计算机联锁系统的基本原理计算机联锁系统的基本原理计算机联锁系统是一种利用计算机技术取代继电技术构成的车站信号实时控制系统。它的基本硬件结构与工业上应用的一般计算机实时控制系统有许多相似之处，主要是由工业控制计算机、过程输入输出通道以及外部设备等组成，并通过标准总线联结在一起，构成一个基本的联锁控制系统。有了硬件系统，要保证它们可靠有序地工作，必须配备软件系统，因此计算机联锁系统中的软件和硬件一样都是计算机控制系统的重要组成部分。由硬件系统和软件系统构成的基本计算机联锁系统，其可靠性尚不能满足人们对联锁装置的高可靠性要求，且本身不具备故障安全性能。必须利用计算机的可靠性和安全性技术。用最简单、
2、最经济的手段构成一个高可靠的故障安全计算机系统。计算机联锁系统硬件计算机联锁系统硬件一、计算机联锁系统的技术基础一、计算机联锁系统的技术基础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个部分组成。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。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控制。1工业控制计算机工业控制计算机(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
3、总线和外部总线、人一机接口、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修性好。可靠性和可维修性决定着系统在控制上的可用程度。可靠性是指设备在规定的时间内运行不发生故障，采用可靠性技术来解决；平均故障间隔时间很长。是表征可靠性的重要定量性标准。可维修性是指工业控制机发生故障时，维修快速、简单、方便。高抗干扰能力。釆用具有抗干扰能力的工业级专用电源，用以抑制电网电压的波动，阻止通过供电线路可能侵入计算机的杂波和尖峰脉冲干扰，保护计算机正常运行的电源环境。采用地线隔离屏蔽地线浮空等技术措施，以截断由传感器、执行器的地线引入主机逻辑地线的干扰，尽量缩
4、短主机逻辑地线的长度及其延伸的空间范围，以抑制主机的电位波动，避免出现死机现象。环境适应性强。工业环境恶劣，要求工业控制计算机适应高温、高湿、腐蚀、振动、冲击、灰尘等环境。工业环境电磁干扰严重，工业控制计算机必须要有极高的电磁兼容性。完善的输入输出通道。为了对生产过程进行控制，需要给工业控制计算机配备完善的输入输出通道，如开关量输入、开关量输出、人一机通信设备等。控制的实时性。工业控制计算机应具有时间驱动和事件驱动能力，要能对生产；过程工况变化实时地进行监视和控制。需要配有实时操作系统和中断系统。通用性和可扩充性好。工业控制计算机一般都是采用国家推荐的标准总线，按照这个总线标准规定的总线信号规
5、范、电气规范、机械规范、操作规范(或称作定时规范)进行模板的设计与生产，于是模板就构成了系列，有了互换性。这样，工业控制计算机可根据工业生产过程在规模、性质、工艺过程要求等方面的不同，选用不同功能的模板釆灵活地进行组合和扩充。具有通信与联网能力，随着系统规模的增大或所要求的系统功能的增加，工业控制计算机系统可能需要构成分布式控制系统，这就要求工业控制计算机系统要具备可靠而简捷的通信能力和构成局部区域网的能力。在系列化的功能模板中，有支持标准通信规程的通信专用模板，也有支持局部区域通信网的模板。适当的计算机精度和运算速度。一般生产过程，对于精度和运算速度要求并不苛刻。通常字长为832位，速度在每
6、秒几万次至几百万次。但随着自动化程度的提高，对于精度和运算速度的要求也在不断提高，应根据具体的应用对象及使用方式，选择合适的机型。2总线总线总线是一组公用信号线的集合，它定义了各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连接成一个整体，以便彼此之间进行信息交换。换。计算机联锁系统中的总线，一般根据其功能和规模分类。总线一般分为三类，即内部总线、外部总线和现场总线。(1)内部总线内部总线内部总线又称系统总线。计算
7、机联锁系统中用的工业控制计算机是由各种模板插件构成，而这些模板之间要依靠内部总线进行信息传送，内部总线是各种模板进行信息传送的通路：常用的内部总线有STD总线、VME总线、ISA总线、PCI总线等。STD总线 STD总线是一个面向工业控制的微型计算机总线，它定义了8位微处理器总线标准，可以容纳各种8位微处理器。对于16位微处理器，采用周期窃取和总线复用技术来扩充数据线和地址线仍能使用STD总线，近年来又定义了STD32总线标准。3.ISA总线ISA总线标准是IBM公司为推出PCAT机而建立的系统总线标准，所以也叫IBM PGJAT总线。它是对PGJXT总线的扩展，以适应816位数据总线要求。(
8、2)外部总线外部总线外部总线又称通信总线，它是计算机系统之间或计算机系统与仪器设备之间传输信息的通路，常借用其他领域已有的总线标准。外部总线分为并行通信总线和串行通信总线两种。这里仅介绍串行通信总线。在串行通信传送过程中，每次只能传送一个比特(1 bit)的信息，所以传输速度低。但是使用的导线或电缆数量少，甚至仅用一对双绞线就可以传送，成本低，适用于较远距离的传输。常用的串行通信总线有RS232C总线、RS422总线、RS485总线等。(3)现场总线现场总线根据同际电工委员会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
9、传输、多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。分枝结构的通信网络。目前较流行的现场总线主要有：CAN、PROFIBus、Lunworks、HAHT、FF。这里仅介绍CAN，总线。控制器局域网络CAN由德国Bosch公司推出是用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。3、过程输入输出通道、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(参数)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
10、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)通用通用IO接口原理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。(2)开关量输入通道开关量输入通道 开关量输入通道的作用；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
11、扰，以保证输入信号的下确性。开关量输入通道的结构开关量输入通道主要由输入缓冲器、输入电路、地址译码器等组成。输入电路输入电路的作用是将现场输入的状态信号进行转换、保护、滤波和隔离等，使其变成计算机能够接收的逻辑信号。计算机联锁系统通常采用图74所示的输入电路。开关量输入通道接口形式开关量输入通道根据输入信号点数的多少有多种实现方式常见的有直接输入方式、多组输入方式和矩阵输人方式常见的有直接输入方式A直接输入式接口当要采集的开关量的数量较少时，输入电路的输出可直接送至具有I/O端口地址的输入缓冲器，通过内部总线传送给中央处理单元(CPU)。B多组输入式接口当釆集的开关量数量很大时，可采用分组输入
12、方式共用一个接口，以节省接口电路。例如可以32路开关量输入信号，分四组存于四个8位缓冲器中。当中央处理单元(CPU)需要采集某路开关信号时，先选通译码器，然后由译码器根据低位地址信号选择一个缓冲器，将这个缓冲器中的这组数据送到数据总线上。C矩阵输入接口矩阵输入接口多用作控制台按钮(接点)状态的输入。输出接口和输入接口分别构成按钮矩阵的行线和列线。在行线和列线的每一交叉点接人按钮接点输入电路。接口中按钮信息的采集是通过扫描方式实现的。CPU通过输出接口逐行输出高电平，同时通过输入接口读入列状态信息。若读入的8位信息中出现“1”、，则说明“1”状态的行、列交叉点的按钮就是所按下的按钮，根据事先约定
13、，就可以判断出这是控制台的哪一个按钮。(3)开关量输出通道开关量输出通道开关量输出通道的作用：一是提高驱动能力，将TTL电平信号进行转换后，传送给开关型执行器件，控制它们的通、断。二是实现计算机与外部设备之间的隔离，防止干扰信号侵入，保证系统可靠工作。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76所示。2.输出驱动电路输出驱动电路a直流驱动继电器电路图76 开关量输出通道结构 图77 直流驱动继电器电路中央处理单元(CPU)执行输出指令使输出锁存器相应位置“1”，高电平信号加到光电耦合器输入级使它导通，其导通电流使继电器励磁；当输出使相应位置“
14、0”时，光电耦合器截止，继电器失磁。因继电器的驱动线圈有一定的电感，在开关瞬间可能会产生较大的电压，因此输出端必须加装克服反电势的保护二极管D。B、交流驱动电路图78所示为固态继电器的结构，其为大功率交流驱动电路图78 固态继电器的结构固态继电器是一种四端有源器件。固态继电器电路的输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到0 v附近时，让电路接通，从而减少干扰。电路接通后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。SCR为双向晶闸管，是一种大功率的半导体器件。由于它具有正、反两个方向都能控制导通的特性，因此它的输出是交流电压。4工业网络：工业网络：计算机联锁系统一般都采用分散式
15、控制系统，因此，计算机与计算机之间要沟通信息，共车资源，协同工作，于是，出现了用通信线路将各计算机连接起来的计算机机群，以实现资源共车和作业分布处理，这就是计算机网络。局域网在工业控制领域应用比较广泛。(1)集线器集线器又叫HUB，是连接网络的重要而又常用的设备，主要用于把网络的服务器和工作站连接到网络媒体上，其性能的好坏直接关系到网络数据的传输特性。(2)网卡 网卡是局域网中连接独立-的计算机与通信子网的关键设备。它负责将数据从计算机传输到传输介质或由传输介质传输到计算机。网卡将数据转换为可通道传输介质传送到目的地的信号，一旦信号传到目的设备，目的设备的网卡就将信号转换回计算机能够处理的信息
16、。网卡中完成这种信号转换的电路称为收发器。它一般有两种形式：内置式和外置式。内置式用于细电缆，外置式用于粗电缆。(3)局域网电缆电缆将网络中的各结点连接起来。一个局域网可釆用多种传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等。(4)其他设备连接个网络，除了以上设备外，还有两类其他设备：一类是线路连接设备，如调制解调器还有网络连接配件，如连接头、插座模块等；另一类是网络互连设备，如中继器、网桥和路由器等。5监控对象监控对象 生产过程对铁路信号领域来说，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转辙机和信号机等进行实时控制。在计算机联锁系统中，现场信号设备统称为监控对象。现场信号设备是指室外的信号机、转辙机和轨道电路等，与继电集中室外设备相同。作业：作业：1、工业控制计算机硬件由几部分组、工业控制计算机硬件由几部分组成，个部分的主要作用是什么，工成，个部分的主要作用是什么，工业控制计算机的特点有那些？业控制计算机的特点有那些？2、什么是内部总线？外部总线、什么是内部总线？外部总线?现现场总线？场总线？3、分析直流驱动电路工作原理。、分析直流驱动电路工作原理。4、分析交流驱动电路工作原理。、分析交流驱动电路工作原理。
