【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控制信號(hào)的任務(wù)，作為系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，PLC 還承擔(dān)著對(duì)聯(lián)鎖微機(jī)形成的操作命令進(jìn)行復(fù)核檢查的屏障作用。 結(jié)合電路層 結(jié)合電路的任務(wù)之一是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備表示信息與 PLC 輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的安全邏輯轉(zhuǎn)換，使 PLC 的輸入、輸出信息均具有故障—安全性能。任務(wù)之二是用專用電路規(guī)范監(jiān)控設(shè)備的測(cè)控過程，即包括表示信息采集機(jī)制與設(shè)備驅(qū)動(dòng)流程。監(jiān)控對(duì)象層監(jiān)控設(shè)備是指聯(lián)鎖系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，即道岔、信號(hào)機(jī)與軌道電路。 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性及安全技術(shù)目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行高可靠系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)多采用三模靜態(tài)冗余方案或二模動(dòng)態(tài)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(shí)也使用了故障檢測(cè)技術(shù)與軟件冗余資源。這二種方案的共同特點(diǎn)是對(duì)硬件故障具有較強(qiáng)的屏蔽與糾錯(cuò)能力。然而這二種方案均存在一定的實(shí)現(xiàn)難度與缺陷，三模冗余系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)三模的同步進(jìn)程及表決器的高可靠設(shè)計(jì)，尤其需要解決時(shí)鐘容錯(cuò)的問題；二模動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)則要求冗余管理機(jī)構(gòu)的高效與可靠性。目前這二類系統(tǒng)的可靠性計(jì)算都是在設(shè)定表決器或冗余管理機(jī)構(gòu)的可靠度 R(t)=1 的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，同時(shí)由于設(shè)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(lǐng)域應(yīng)用不多。在鐵路信號(hào)領(lǐng)域，由于行車安全被認(rèn)為是超過效率的重要考慮，因此相應(yīng)對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性與安全性要求很高，針對(duì)這種情況，可以有二種方式供我們?cè)谠O(shè)計(jì)中進(jìn)行選擇。其一是強(qiáng)化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，這是基于可靠性理論包含了系統(tǒng)故障的屏蔽效應(yīng)，因而用高可靠性換取系統(tǒng)的低故障率，以此隱含了對(duì)安全性的相對(duì)提升。但可靠性技術(shù)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(tǒng)的可靠性要求及財(cái)力許可。其次我們可以基于這樣一個(gè)思路來考慮問題：如果計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在保證一定可靠性要求基礎(chǔ)上并結(jié)合故障—安全技術(shù)來得以實(shí)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)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(tǒng)的高安全性，同樣也能滿足鐵路信號(hào)對(duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)的性能要求? 容錯(cuò)技術(shù)在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的應(yīng)用：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是高可靠性技術(shù)及容錯(cuò)理論與技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在鐵路信號(hào)聯(lián)鎖設(shè)備的應(yīng)用也逐漸廣泛。由于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)處理涉及安全的信息，而它主要是由大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路芯片組成，集成電路芯片具有對(duì)稱的錯(cuò)誤特性，即芯片的短路故障和斷路故障的概率是相同的，因此必須使采用集成電路8芯片電路的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖具有故障安全特性。一般來講，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是采用避錯(cuò)技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性。 （如圖 23 所示為容錯(cuò)技術(shù)示意圖） 。避錯(cuò)技術(shù)采用高可靠性芯片，以減少故障概率。但是不能保證系統(tǒng)絕對(duì)可靠，因?yàn)樾酒煽啃缘奶岣呤怯邢薅鹊?，越過這個(gè)限度將付出巨大的代價(jià)。在這種情況下，要想進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，就要用到容錯(cuò)技術(shù)。容錯(cuò)技術(shù)的基本 發(fā)點(diǎn)是承認(rèn)故障不可避免的事實(shí)，進(jìn)而考慮解除故障影響的措施。為實(shí)現(xiàn)這一目的，主要手段就是投入更多的所需資源，如硬件冗余、軟件冗余、時(shí)間冗余等，主要是硬件和軟件冗余。圖 23 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)靜態(tài)冗余為什么是最高追求? 從安全的角度確實(shí)他有自己的優(yōu)點(diǎn),但是靜態(tài)冗余也有自己的不足,比如他消耗的資源大,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜從而降低了可靠性,所以我覺得綜合來看,混合冗余比較合理. 應(yīng)該將安全等級(jí)對(duì)應(yīng)冗余方法從而對(duì)冗余的方式進(jìn)行選擇,如今的各個(gè)廠家所出設(shè)備感覺沒有秩序,思路有一些不明朗,其實(shí)按需提供不同安全等級(jí)的設(shè)備才是最經(jīng)濟(jì)合理呀.1 硬件冗余技術(shù)硬件冗余又有靜態(tài)冗余、動(dòng)態(tài)冗余和混合冗余 3 種基本形式。1．1 靜態(tài)冗余技術(shù)靜態(tài)冗余技術(shù)是通過冗余資源來隔離或校正故障，使故障不能在系統(tǒng)輸出中造成差錯(cuò)，不能改變電路或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，所以稱為靜態(tài)冗余。其基本原理是通過表決來隔離發(fā)生的故障。靜態(tài)冗余技術(shù)在模塊級(jí)上應(yīng)用最廣的是 N 冗余系統(tǒng)，這種表決系統(tǒng)中有 N 個(gè)相同的模塊同時(shí)運(yùn)行，各模塊的輸由表決器進(jìn)行多數(shù)表決，其中 N 為奇數(shù)，可隔離(N 一 1)／z 個(gè)模塊的故障。例如 3 取 2 系統(tǒng)。1．2 動(dòng)態(tài)冗余技術(shù) 這種系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成，其中只有 1 個(gè)模塊在運(yùn)行輸出，同時(shí)系統(tǒng)不斷地進(jìn)行故障檢測(cè)，隨時(shí)將發(fā)生故障的模塊用其他模塊代替，確保系統(tǒng)的安全性，此時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，故稱為動(dòng)態(tài)冗余。最基本的動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)為二冗余系統(tǒng)，此外還有9多冗余系統(tǒng)，其中二冗余系統(tǒng)又有熱備、冷備、溫備和分布式處理 4 種方式。 二冗余系統(tǒng)的熱備方式為主機(jī)和備機(jī)同時(shí)工作，但平時(shí)只有主機(jī)能夠輸 ，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到主機(jī)錯(cuò)誤時(shí)， 自動(dòng)切換到備機(jī)輸 。二冗余系統(tǒng)的冷備方式為平時(shí)只有主機(jī)工作，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到主機(jī)錯(cuò)誤時(shí)，使主機(jī)停止輸出，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)備機(jī)工作。這種方式需要等待一定的時(shí)間，系統(tǒng)的連續(xù)性受到影響，適用于對(duì)連續(xù)性要求不高的系統(tǒng)。二冗余系統(tǒng)的溫備方式結(jié)構(gòu)類似冷備方式的結(jié)構(gòu)，只是備機(jī)處于通電但不工作狀態(tài)，這樣能減少一點(diǎn)等待時(shí)問，在實(shí)際中很少應(yīng)用。二冗余系統(tǒng)的分布式處理方式是二機(jī)共同承擔(dān)不同的任務(wù)，若其中一機(jī)出現(xiàn)故障，則將任務(wù)重新調(diào)整，讓無故障機(jī)承擔(dān)故障機(jī)的任務(wù)，或者讓系統(tǒng)的功能降級(jí)，這樣系統(tǒng)故障時(shí)喪失了一些控制功能。 1．3 混合冗余技術(shù) 混合冗余技術(shù)是將靜態(tài)冗余和動(dòng)態(tài)冗余相結(jié)合構(gòu)成的一種新的冗余結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)中有 N 個(gè)正常工作的模塊，有 S 個(gè)備用模塊。N 個(gè)正常工作模塊經(jīng)過表決后作為系統(tǒng)的輸出，同時(shí)各模塊的輸出與系統(tǒng)的輸出作比較，以監(jiān)測(cè)任一模塊是否有故障。如果檢測(cè)出其中 1 個(gè)模塊故障，則由切換電路切斷故障模塊，接通備用模塊。 2 軟件冗余技術(shù) 軟件冗余技術(shù)就是用幾種不同的軟件處理數(shù)據(jù)，對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行比較，產(chǎn)生輸出。在結(jié)構(gòu)上可按比較的范圍分為 2 種：第 1 種是把系統(tǒng)按功能劃分成小段，各段之間進(jìn)行比較；第 2 種是采用幾個(gè)系統(tǒng)功能相同的軟件相比較。這種軟件冗余關(guān)鍵在于各個(gè)軟件的獨(dú)立性，相互獨(dú)立的程序即使可能存在故障，也可以通過表決將其屏蔽。如果程序間相互不獨(dú)立，故障可能同時(shí)存在于各個(gè)程序，則無法提高系統(tǒng)的可靠性。由于采用了幾種不同的相互獨(dú)立的處理軟件，因此防止了某種軟件由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而產(chǎn)生的故障，還可以屏蔽硬件的某些故障，確保了系統(tǒng)安全。最常見的是采用 2 種不同的軟件處理數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合硬件冗余共同提高系統(tǒng)的可靠性。例如，在二冗余系統(tǒng)中，主機(jī)和備機(jī)都采用 2 種軟件，平時(shí)主機(jī) T 作，此時(shí) 2 種軟件同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。如果一致，則產(chǎn)生輸出，否則說明系統(tǒng)故障，立即進(jìn)行切換，使備機(jī)工作，從而提高系統(tǒng)的可靠性。 3 故障一安全接口電路 目前，在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，對(duì)信號(hào)、道岔、軌道電路的控制及狀態(tài)的采集都是利用安全型繼電器來實(shí)現(xiàn)，岡此計(jì)算機(jī)與繼電器之間的接口電路也應(yīng)滿足故障一安全原則。 3．1 輸入接口 通常故障一安全的輸入接口電路是采用光電隔離技術(shù)，編碼輸入，表決確定輸入信息的。信息的輸入采用了光電耦合器，防止了采用接點(diǎn)輸入電路時(shí)的電磁干擾和電路中故障的擴(kuò)散。繼電器吸起則將信息編為 11l1，落下則編為 0000。計(jì)算機(jī)對(duì)讀入的編碼進(jìn)行“與”運(yùn)算，如果各光電耦合器都正常 1作，結(jié)果為 1，表明軌道電路空閑；如果某個(gè)光電耦合器故障，結(jié)果為 0，表明軌道電路占用或輸入接口電路有故障。采用103 個(gè)采集電路進(jìn)行表決輸出，當(dāng)有 2 個(gè)或 3 個(gè)電路的輸 是一致時(shí)，認(rèn)為是正確信息，這樣就防止了由于采集電路的故障而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)錯(cuò)誤判斷的現(xiàn)象。 3．2 輸出接口 輸出接口普遍采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，即計(jì)算機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)信息不是高電平，也不是低電平，而是一個(gè)脈沖信號(hào)，再經(jīng)過脈沖一電平轉(zhuǎn)換電路輸出一個(gè)有足夠驅(qū)動(dòng)功率的高電平去動(dòng)作相應(yīng)的繼電器。如果計(jì)算機(jī)故障，則計(jì)算機(jī)輸出的不是脈沖信號(hào)，而是停留在脈沖的某個(gè)高電平或低電平，這個(gè)非脈沖電平經(jīng)過脈沖一電平轉(zhuǎn)換電路后不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平，因此相應(yīng)的繼電器總是落下，實(shí)現(xiàn)了故障一安全。 綜上所述，容錯(cuò)技術(shù)是一種延伸了的故障安全措施，它是建立在高可靠集成芯片的基礎(chǔ)上以資源冗余為代