作者 |劉艷青 上海控安安全測評中心安全測評部測試經(jīng)理
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01聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)的層級關(guān)系,聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件層級可以分為4層:人機會話層、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:操作員臺軟件、聯(lián)鎖軟件、診斷維護軟件。
·操作員臺軟件功能:控制命令發(fā)送與處理;站場信息顯示和信號設(shè)備狀態(tài)顯示;操作命令提示;報警;與TDCS/ CTC、軌交ATS系統(tǒng)等接口。
·計算機聯(lián)鎖軟件功能:輸入輸出控制;排路任務(wù)調(diào)度;聯(lián)鎖BOOL運算;安全命令判斷管理;與TCC等其它系統(tǒng)通信。
·診斷維護軟件功能:系統(tǒng)診斷和維護;操作命令與信號設(shè)備顯示日志記錄;故障顯示和報警信息日志記錄;與監(jiān)測系統(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I/O模塊進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)計的電路邏輯,進行聯(lián)鎖BOOL邏輯運算處理;
通過I/O模塊進行安全輸出,發(fā)送控制命令控制輸出板;
通過非安全通信,可以完成與其他系統(tǒng)的交互進行非安全通信的相關(guān)任務(wù),如:診斷維護系統(tǒng)、其它聯(lián)鎖機、操作員臺或模擬仿真測試系統(tǒng);
通過安全通信,完成和備機/系聯(lián)鎖機進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)前通道的運算,其次,再進行比較兩個通道。
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)實時進行更新,用以校驗刷新的實際結(jié)果。
嚴格檢查所有輸出板,安全診斷所有輸出端口,保證安全輸出。
安全控制系統(tǒng)明確嚴格要求,既要進行獨立于邏輯運算,也要獨立于安全監(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)鎖機獨立對同一個采集信息進行獨立采集。
獨立采集之后,根據(jù)設(shè)計需要,通過安全通信通道,互相傳遞各自采集到的信息,進而有條件的實現(xiàn)共享采集信息。
單套系統(tǒng)采集受到干擾,或者信息中斷,都會對系統(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)實時安全采集以及實時安全通信。
2.3.2 并行輸出功能
各聯(lián)鎖機獨立進行聯(lián)鎖運算。
備機與主機并行進行運算,結(jié)果相同時,當(dāng)備機具備條件時,也會輸出。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輸出。
并行輸出前提也是系統(tǒng)實時安全采集以及實時安全通信。
并行輸出的前提是,主備雙機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,計算機聯(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)。
最開始采用主備雙機熱備,雙機熱備的冗余系統(tǒng),很大程度上提高了可靠性和安全性。
與此同時,也采用過三取二系統(tǒng),3個機器的運算結(jié)果各自對比,給出最終結(jié)果,這樣,錯誤輸出的可能性就大大降低了。與此同時也會暴露出三取二的缺點,顧名思義,三取二要求三個機器同時工作,所以就不能有任何一個故障、停機或者進行設(shè)備檢修。一旦其中一個停止,整個三取二的系統(tǒng)就宕機不能正常工作。
為了解決三取二的缺點,又推出二乘二取二的設(shè)備系統(tǒng),兩個運算CPU組成一個主機系統(tǒng)工作狀態(tài),另兩個備機CPU處于熱備狀態(tài),這樣,不僅滿足提高了聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性,而且方便進行停機檢修。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 雙機熱備的冗余結(jié)構(gòu)
作為聯(lián)鎖主機的聯(lián)鎖機采集收入,執(zhí)行聯(lián)鎖運算,控制驅(qū)動輸出;
作為聯(lián)鎖備機的聯(lián)鎖機,同時進行采集輸入,執(zhí)行聯(lián)鎖邏輯運算,但不會驅(qū)動輸出。兩套聯(lián)鎖機相互作為主備機;其中一套宕機時,另外一套聯(lián)鎖機自動切換成為主機,繼續(xù)執(zhí)行工作,宕機的作為備機工作。
聯(lián)鎖機之間可以自動切換,也可以人為控制,手動切換主備機。
聯(lián)鎖系統(tǒng)雙機熱備和操作員臺的連接是沒關(guān)系的,操作員臺可以雙機連接,單機或者更多N+1熱備的操作員機,都可以進行連接通信。
圖3 雙機熱備冗余結(jié)構(gòu)示意圖
3.2 二乘二取二的冗余結(jié)構(gòu)
每套聯(lián)鎖機有兩個通道執(zhí)行聯(lián)鎖任務(wù);
通道之間互相獨立,且選用不同的硬件和軟件分別執(zhí)行聯(lián)鎖運算;
兩個通道的運算結(jié)果經(jīng)對比,結(jié)果完全無差別才產(chǎn)生輸出,否則不輸出。
因此,兩個通道有且同時產(chǎn)生同樣的錯誤結(jié)果,才會產(chǎn)生錯誤輸出,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)雙機熱備和操作員臺的連接是沒關(guān)系的,操作員臺可以雙機連接,單機或者更多N+1熱備的操作員機,都可以進行連接通信。
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)鎖機同時獨立執(zhí)行各自聯(lián)鎖任務(wù);
聯(lián)鎖機獨立處理邏輯運算,兩兩相比較,運算結(jié)果對比后完全相同時,才會產(chǎn)生正確輸出。
因此,當(dāng)三個聯(lián)鎖機同時出錯,才產(chǎn)生危險輸出,這種概率也極小。
三取二的弊端是,同步信息的運算的要求很高,輸出不同步,即不能產(chǎn)生有效輸出。
聯(lián)鎖機和操作員臺雙機連接互相獨立,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)具備仿真測試功能,在經(jīng)過嚴格的人工判斷及手動設(shè)置,才會轉(zhuǎn)入仿真測試系統(tǒng);不會自動轉(zhuǎn)為仿真測試狀態(tài),當(dāng)前已轉(zhuǎn)為仿真測試狀態(tài),不會自動轉(zhuǎn)變狀態(tài),從而不會把仿真狀態(tài)的數(shù)據(jù)計算結(jié)果輸出給實際使用的設(shè)備,從而導(dǎo)致錯誤輸出。
4.1 聯(lián)鎖仿真機的轉(zhuǎn)換
聯(lián)鎖機設(shè)置為仿真測試狀態(tài),需要嚴格按照如下步驟執(zhí)行:
(1)關(guān)閉聯(lián)鎖B機(B機轉(zhuǎn)為仿真測試機),板卡中具備仿真功能模塊;
(2)手動將切換模塊用鑰匙從“自動”位置檔位切到 “聯(lián)鎖A機”;
(3)重新上電聯(lián)鎖B機;
(4)作為仿真機相連的MMI切換為“仿真測試狀態(tài)”。
4.2 聯(lián)鎖系統(tǒng)中的MMI功能
操作員在MMI界面上,通過操控按鈕發(fā)送控制命令,接收現(xiàn)場繼電器采集信息,直觀在MMI界面上顯示現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài);
網(wǎng)絡(luò)交換實現(xiàn)MMI主備機之間,以及與其他系統(tǒng)之間交換信息;
敵對進路的判斷、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,是通過串口接口連接;
表示燈、報警燈顯示以及其他特殊要求的顯示功能;
上電解鎖功能通過人工按壓“上電解鎖”按鈕操作實現(xiàn);
非常站控和CTC之間模式轉(zhuǎn)化也在MMI界面進行控制權(quán)的申請和轉(zhuǎn)讓;
MMI界面提供工具條,人工可以進行按鈕操作,實現(xiàn)進路的建立、進路總?cè)∠?、列車信號和調(diào)車信號的重開、對于咽喉分區(qū)的引導(dǎo)總鎖、列車信號對應(yīng)的引導(dǎo)按鈕、進路非正常解鎖的總?cè)私狻Σ荒苷=怄i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、單個道岔的鎖閉操作、單個道岔的解鎖、按鈕的封鎖、以及其他功能按鈕的操作;
閉塞、溜放、非進路等功能辦理;
輔助功能:文字顯示、車次窗、分路不良確認。
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)的接口是上位機和CTC系統(tǒng)中LiRC通過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)作為整個信號系統(tǒng)的核心系統(tǒng),技術(shù)條件中對聯(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有5級,EN50128和EN50129中有定義規(guī)定為SIL4級。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:
[1] TBT_3027-2011計算機聯(lián)鎖技術(shù)條件(修改版)
[2] 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)介紹_v0.0.1
審核編輯黃宇
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