聯(lián)鎖系統(tǒng)原理淺析

作者 |劉艷青 上?？匕舶踩珳y(cè)評(píng)中心安全測(cè)評(píng)部測(cè)試經(jīng)理

版塊 |鑒源論壇 · 觀通

01聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)的層級(jí)關(guān)系，聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件層級(jí)可以分為4層：人機(jī)會(huì)話層、聯(lián)鎖層、接口層、室外設(shè)備層。

圖1 聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

02聯(lián)鎖系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

聯(lián)鎖系統(tǒng)的軟件大體分為3部分：操作員臺(tái)軟件、聯(lián)鎖軟件、診斷維護(hù)軟件。

·操作員臺(tái)軟件功能：控制命令發(fā)送與處理；站場(chǎng)信息顯示和信號(hào)設(shè)備狀態(tài)顯示；操作命令提示；報(bào)警；與TDCS/ CTC、軌交ATS系統(tǒng)等接口。

·計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件功能：輸入輸出控制；排路任務(wù)調(diào)度；聯(lián)鎖BOOL運(yùn)算；安全命令判斷管理；與TCC等其它系統(tǒng)通信。

·診斷維護(hù)軟件功能：系統(tǒng)診斷和維護(hù)；操作命令與信號(hào)設(shè)備顯示日志記錄；故障顯示和報(bào)警信息日志記錄；與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信；回放等功能。

2.1 聯(lián)鎖軟件中的任務(wù)調(diào)度功能

通過(guò)I/O模塊進(jìn)行安全采集可以讀取到輸入板的碼位狀態(tài)信息；

根據(jù)聯(lián)鎖設(shè)計(jì)的電路邏輯，進(jìn)行聯(lián)鎖BOOL邏輯運(yùn)算處理；

通過(guò)I/O模塊進(jìn)行安全輸出，發(fā)送控制命令控制輸出板；

通過(guò)非安全通信，可以完成與其他系統(tǒng)的交互進(jìn)行非安全通信的相關(guān)任務(wù)，如：診斷維護(hù)系統(tǒng)、其它聯(lián)鎖機(jī)、操作員臺(tái)或模擬仿真測(cè)試系統(tǒng)；

通過(guò)安全通信，完成和備機(jī)/系聯(lián)鎖機(jī)進(jìn)行主備系同步比較信息的安全通信的任務(wù)；

通道優(yōu)先完成當(dāng)前通道的運(yùn)算，其次，再進(jìn)行比較兩個(gè)通道。

2.2 聯(lián)鎖軟件中的安全管理功能

主任務(wù)可以產(chǎn)生安全檢查相關(guān)信息，向安全檢查模塊發(fā)送檢查結(jié)果。

緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行更新，用以校驗(yàn)刷新的實(shí)際結(jié)果。

嚴(yán)格檢查所有輸出板，安全診斷所有輸出端口，保證安全輸出。

安全控制系統(tǒng)明確嚴(yán)格要求，既要進(jìn)行獨(dú)立于邏輯運(yùn)算，也要獨(dú)立于安全監(jiān)督等相關(guān)功能。

2.3 聯(lián)鎖軟件中的冗余管理

2.3.1 采集共享功能

各聯(lián)鎖機(jī)獨(dú)立對(duì)同一個(gè)采集信息進(jìn)行獨(dú)立采集。

獨(dú)立采集之后，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，通過(guò)安全通信通道，互相傳遞各自采集到的信息，進(jìn)而有條件的實(shí)現(xiàn)共享采集信息。

單套系統(tǒng)采集受到干擾，或者信息中斷，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，冗余管理就可以有效的避免此種情況。

采集信息共享的前提是系統(tǒng)實(shí)時(shí)安全采集以及實(shí)時(shí)安全通信。

2.3.2 并行輸出功能

各聯(lián)鎖機(jī)獨(dú)立進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算。

備機(jī)與主機(jī)并行進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果相同時(shí)，當(dāng)備機(jī)具備條件時(shí)，也會(huì)輸出。并行輸出有效地避免了單套系統(tǒng)因故障，導(dǎo)致空輸出，或者通道斷線不能及時(shí)輸出。

并行輸出前提也是系統(tǒng)實(shí)時(shí)安全采集以及實(shí)時(shí)安全通信。

并行輸出的前提是，主備雙機(jī)和繼電器之間的連接正確、輸出線極性正確，不能接反，否則極性相消，輸出為空。

圖2 冗余管理-并行輸出

03聯(lián)鎖系統(tǒng)的冗余技術(shù)

為了提高聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)和其他安全系統(tǒng)一樣，有效地利用了冗余結(jié)構(gòu)。

最開(kāi)始采用主備雙機(jī)熱備，雙機(jī)熱備的冗余系統(tǒng)，很大程度上提高了可靠性和安全性。

與此同時(shí)，也采用過(guò)三取二系統(tǒng)，3個(gè)機(jī)器的運(yùn)算結(jié)果各自對(duì)比，給出最終結(jié)果，這樣，錯(cuò)誤輸出的可能性就大大降低了。與此同時(shí)也會(huì)暴露出三取二的缺點(diǎn)，顧名思義，三取二要求三個(gè)機(jī)器同時(shí)工作，所以就不能有任何一個(gè)故障、停機(jī)或者進(jìn)行設(shè)備檢修。一旦其中一個(gè)停止，整個(gè)三取二的系統(tǒng)就宕機(jī)不能正常工作。

為了解決三取二的缺點(diǎn)，又推出二乘二取二的設(shè)備系統(tǒng)，兩個(gè)運(yùn)算CPU組成一個(gè)主機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)，另兩個(gè)備機(jī)CPU處于熱備狀態(tài)，這樣，不僅滿(mǎn)足提高了聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性，而且方便進(jìn)行停機(jī)檢修。二乘二取二的冗余熱備系統(tǒng)，是目前主要冗余系統(tǒng)應(yīng)用方式。

3.1 雙機(jī)熱備的冗余結(jié)構(gòu)

作為聯(lián)鎖主機(jī)的聯(lián)鎖機(jī)采集收入，執(zhí)行聯(lián)鎖運(yùn)算，控制驅(qū)動(dòng)輸出；

作為聯(lián)鎖備機(jī)的聯(lián)鎖機(jī)，同時(shí)進(jìn)行采集輸入，執(zhí)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，但不會(huì)驅(qū)動(dòng)輸出。兩套聯(lián)鎖機(jī)相互作為主備機(jī)；其中一套宕機(jī)時(shí)，另外一套聯(lián)鎖機(jī)自動(dòng)切換成為主機(jī)，繼續(xù)執(zhí)行工作，宕機(jī)的作為備機(jī)工作。

聯(lián)鎖機(jī)之間可以自動(dòng)切換，也可以人為控制，手動(dòng)切換主備機(jī)。

聯(lián)鎖系統(tǒng)雙機(jī)熱備和操作員臺(tái)的連接是沒(méi)關(guān)系的，操作員臺(tái)可以雙機(jī)連接，單機(jī)或者更多N+1熱備的操作員機(jī)，都可以進(jìn)行連接通信。

圖3 雙機(jī)熱備冗余結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 二乘二取二的冗余結(jié)構(gòu)

每套聯(lián)鎖機(jī)有兩個(gè)通道執(zhí)行聯(lián)鎖任務(wù)；

通道之間互相獨(dú)立，且選用不同的硬件和軟件分別執(zhí)行聯(lián)鎖運(yùn)算；

兩個(gè)通道的運(yùn)算結(jié)果經(jīng)對(duì)比，結(jié)果完全無(wú)差別才產(chǎn)生輸出，否則不輸出。

因此，兩個(gè)通道有且同時(shí)產(chǎn)生同樣的錯(cuò)誤結(jié)果，才會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出，這種概率很小，安全性的系統(tǒng)才得以保證。

同樣，聯(lián)鎖系統(tǒng)雙機(jī)熱備和操作員臺(tái)的連接是沒(méi)關(guān)系的，操作員臺(tái)可以雙機(jī)連接，單機(jī)或者更多N+1熱備的操作員機(jī)，都可以進(jìn)行連接通信。

圖4 二乘二取二冗余結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 三取二的冗余結(jié)構(gòu)

三取二中的三套聯(lián)鎖機(jī)同時(shí)獨(dú)立執(zhí)行各自聯(lián)鎖任務(wù)；

聯(lián)鎖機(jī)獨(dú)立處理邏輯運(yùn)算，兩兩相比較，運(yùn)算結(jié)果對(duì)比后完全相同時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生正確輸出。

因此，當(dāng)三個(gè)聯(lián)鎖機(jī)同時(shí)出錯(cuò)，才產(chǎn)生危險(xiǎn)輸出，這種概率也極小。

三取二的弊端是，同步信息的運(yùn)算的要求很高，輸出不同步，即不能產(chǎn)生有效輸出。

聯(lián)鎖機(jī)和操作員臺(tái)雙機(jī)連接互相獨(dú)立，互不影響。

圖5 三取二冗余結(jié)構(gòu)示意圖

04聯(lián)鎖系統(tǒng)的仿真技術(shù)

聯(lián)鎖系統(tǒng)具備仿真測(cè)試功能，在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的人工判斷及手動(dòng)設(shè)置，才會(huì)轉(zhuǎn)入仿真測(cè)試系統(tǒng)；不會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為仿真測(cè)試狀態(tài)，當(dāng)前已轉(zhuǎn)為仿真測(cè)試狀態(tài)，不會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)變狀態(tài)，從而不會(huì)把仿真狀態(tài)的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果輸出給實(shí)際使用的設(shè)備，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤輸出。

4.1 聯(lián)鎖仿真機(jī)的轉(zhuǎn)換

聯(lián)鎖機(jī)設(shè)置為仿真測(cè)試狀態(tài)，需要嚴(yán)格按照如下步驟執(zhí)行：

（1）關(guān)閉聯(lián)鎖B機(jī)（B機(jī)轉(zhuǎn)為仿真測(cè)試機(jī)），板卡中具備仿真功能模塊；

（2）手動(dòng)將切換模塊用鑰匙從“自動(dòng)”位置檔位切到 “聯(lián)鎖A機(jī)”；

（3）重新上電聯(lián)鎖B機(jī)；

（4）作為仿真機(jī)相連的MMI切換為“仿真測(cè)試狀態(tài)”。

4.2 聯(lián)鎖系統(tǒng)中的MMI功能

操作員在MMI界面上，通過(guò)操控按鈕發(fā)送控制命令，接收現(xiàn)場(chǎng)繼電器采集信息，直觀在MMI界面上顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)；

網(wǎng)絡(luò)交換實(shí)現(xiàn)MMI主備機(jī)之間，以及與其他系統(tǒng)之間交換信息；

敵對(duì)進(jìn)路的判斷、表示等非安全聯(lián)鎖邏輯顯示功能； 數(shù)字式道岔動(dòng)作電流顯示；

聯(lián)鎖系統(tǒng)和TDCS系統(tǒng)、CTC系統(tǒng)交互信息在MMI上，是通過(guò)串口接口連接；

表示燈、報(bào)警燈顯示以及其他特殊要求的顯示功能；

上電解鎖功能通過(guò)人工按壓“上電解鎖”按鈕操作實(shí)現(xiàn)；

非常站控和CTC之間模式轉(zhuǎn)化也在MMI界面進(jìn)行控制權(quán)的申請(qǐng)和轉(zhuǎn)讓?zhuān)?/p>

MMI界面提供工具條，人工可以進(jìn)行按鈕操作，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路的建立、進(jìn)路總?cè)∠?、列?chē)信號(hào)和調(diào)車(chē)信號(hào)的重開(kāi)、對(duì)于咽喉分區(qū)的引導(dǎo)總鎖、列車(chē)信號(hào)對(duì)應(yīng)的引導(dǎo)按鈕、進(jìn)路非正常解鎖的總?cè)私狻?duì)不能正常解鎖的區(qū)段區(qū)故解、道岔定位轉(zhuǎn)換操作、道岔反位轉(zhuǎn)換操作、單個(gè)道岔的鎖閉操作、單個(gè)道岔的解鎖、按鈕的封鎖、以及其他功能按鈕的操作；

閉塞、溜放、非進(jìn)路等功能辦理；

輔助功能：文字顯示、車(chē)次窗、分路不良確認(rèn)。

05聯(lián)鎖系統(tǒng)與其他系統(tǒng)接口

圖6 聯(lián)鎖和其他系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接

聯(lián)鎖系統(tǒng)與TDCS/CTC系統(tǒng)的接口是上位機(jī)和CTC系統(tǒng)中LiRC通過(guò)RS-422標(biāo)準(zhǔn)串行雙通道交叉互聯(lián)。

聯(lián)鎖系統(tǒng)向TDCS/CTC的發(fā)送站場(chǎng)表示信息以顯示設(shè)備狀態(tài)，TDCS/CTC向聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送控制命令信息以進(jìn)行排路等指令操作。

圖7 聯(lián)鎖和TDCS/CTC系統(tǒng)串口連接

06總結(jié)

本文只對(duì)聯(lián)鎖的硬件、軟件結(jié)構(gòu)、冗余技術(shù)和仿真技術(shù)做了介紹，聯(lián)鎖系統(tǒng)作為整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的核心系統(tǒng)，技術(shù)條件中對(duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)要求很多，如故障-安全原則、軟件的安全性劃分等級(jí)有5級(jí)，EN50128和EN50129中有定義規(guī)定為SIL4級(jí)。聯(lián)鎖系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的接口應(yīng)當(dāng)遵守規(guī)定的協(xié)議。

參考文獻(xiàn)：

[1] TBT_3027-2011計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件(修改版)

[2] 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)介紹_v0.0.1

審核編輯黃宇