铁路信号毕业论文
系别：内江教学专业：铁道信号姓名：廖亮
西南交通大学
成人教育学院
系别内江教学点专业铁道通信信号
年级08铁信函班姓名廖全亮
题目计算机联锁设备的应用及维护探讨
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成绩
答辩委员会主任（签章）
年月日
摘要
计算机联锁系统是实现铁路现代化和自动化的基础设施之一，是一种高效、安全的车站联锁设备，是提高车站通过能力的基础。同时，计算机联锁系统还具有故障—安全性能，与电气联锁系统相比，其在设计、施工和维护方面都较为便捷，且便于改造和增加新功能，为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件。
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，其中设备采用K5B型计算机联锁和ZD6型电动转辙机，轨道电路采用25Hz相敏轨道电路，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工程设计。
通过本次设计，初步掌握了计算机联锁控制系统的工作原理、故障处理步骤、方法、内容。
关键词计算机联锁；K5B；接口电路；故障探讨
Abstract
Computer interlocking system is the one of infrastructure that realizes the modernization and automation of the railway, it is also a kind of efficiency and safety equipment of the station interlocks, which is the foundation that raises carrying capacity at station. Meanwhile, computer interlocking system also has the fault-oriented security, Compared with electrical interlocking system, its design, construction and maintenance are more convenient, and easy to transform and add new features, and the railway signal to the intelligent network to create the conditions for direction.
This paper mainly expounds the hardware structure, selection of equipment and power allocation principle and design method of computer interlocking system. using double 2-vote-2 system structure of computer interlocking control system plan, which concersion equipment of switches ZD6 electric switch machism, track circuit using 25HZ phase-sensitive to complete its control circuit of signaler and switchs and internal wiring, and signaler, switchs, as part of the equipment of track circuit state information acquisition circuit and interlocking machine interface circuit of engineering design.
Through the design, preliminary mastered computer interlocking control system of engineering design steps, methods, contents.
Key words Computer interlocking；K5B；investigate malfunction
目录
第1章绪论 (1)
第2章计算机联锁系统结构 (2)
2.1系统的硬件构成 (2)
2.1.1 联锁机 (4)
2.1.2 电子终端 (4)
2.1.3 控制台 (5)
2.1.4 电务维护台 (5)
第3章计算机联锁工作原理 (6)
3.1系统结构与工作原理 (6)
3.1.1 人机对话层 (6)
3.1.2 联锁运算层 (6)
3.1.3 复核驱动层 (6)
3.1.4 结合电路层 (6)
3.1.5 监控对象层 (7)
3.2可靠性及安全设计 (7)
第4章故障维护及探讨 (8)
4.1联锁设备常见故障分析处理 (8)
4.1.1 非潜伏性故障 (8)
4.1.2 潜伏性故障 (8)
4.2计算机单元故障 (9)
4.2.1 联锁机 (9)
4.2.2监控机 (9)
4.3通讯线路故障 (9)
4.4切换故障 (10)
4.5电源故障 (10)
结论 (11)
致谢 (12)
参考文献 (13)
第1章绪论
铁路是国民经济的大动脉、全国沟通联系的纽带、国民经济建设的先行行业。与其它运输方式相比，铁路运输具有运量大、成本低、速度快、安全可靠、能全天候运输等众多优势。铁路承担全国客货周转量的60%～70%，这种状况在今后相当长的时间内不会有太大的变化，铁路仍将是我国交通运输系统中的重要力量。
铁路信号是铁路运输的耳目，是保证行车安全和提高运输效率的有力工具。一旦信号设备故障，铁路运输将陷于瘫痪，整个国民经济将遭受严重损失。从铁路一开始出现，人们就吧把铁路信号中的故障——安全技术作为一个专题进行研究。随着计算机技术的发展，特别是对可靠性和冗余容错技术的深入研究，车站信号联锁安全技术也正在不断的更新和发展。
目前，计算机联锁控制系统已处于实用阶段，随着实践经验的积累，系统的性能也在不断提高。我国的计算机联锁控制系统主要采用由通用的工业控制计算机组成的计算机联锁控制系统。近年来，又推出了二乘二取二系统，由两个CPU构成一个子系统执行联锁任务（主机），另外两个CPU处于热备状态（备机），这就大大提高了计算机联锁控制系统的可靠性和安全性，而且方便维修，主要干线的技术改造都优先考虑采用二乘二取二系统。目前，计算机联锁控制系统已装备了上千个车站。
总之，铁路信号计算机联锁控制系统将向低成本、高效率、高安全、高可靠及信息化、智能化、网络化和综合自动化的方向发展。
第2章计算机联锁系统结构
本次设计选用DS6-K5B型计算机联锁系统，它是通号设计院与日本京三公司联合开发的新型计算机联锁系统。系统的联锁机和输入输出电路采用京三公司的K5B型产品(K5B型系统是日本京三制作所在K5型系统上采用32位处理器的升级系统)，该产品所有涉及到安全信息处理和传输的部件均按照“故障-安全”原则采取了2重系结构设计。
联锁处理部件采取双CPU共用时钟，对数据母线信号执行同步比较，发生错误时使输出倒向安全。具备了“故障—安全”性能。联锁2重系为主从式热备冗余，通过高速通道进行数据交换，保证2重系同步运行，可实现不间断切换。
输入输出电路采用京三公司生产的电子终端，电路为2重系并行工作，具有“故障-安全”性能。输入输出均采取静态方式。省去了“静态-动态”变换电路，简化继电器接口电路设计。
DS6-K5B系统内各计算机之间的通信全部通过光缆连接，提高了系统抗干扰能力和防雷性能，保证系统具有高的运行稳定性。
DS6-K5B系统的联锁软件，在通号院DS6系统联锁软件基础上移植生成。保留了通过铁道部计算机联锁检验站测试的联锁软件的核心程序和数据结构。保证新系统的联锁功能满足我国车站计算机联锁技术条件的要求。控显机和监测机的应用软件，由我院承担，在Windows NT操作平台重新进行了开发，使得操作界面得到改善，功能进一步提高。
DS6-K5B系统把我院应用软件的开发成果和日本京三公司生产的具有高可靠性和高安全性的专用计算机设备结合在一起，使系统的安全性、可靠性和适用性达到了新的水平。
2.1 系统的硬件构成
K5B计算机联锁系统由控制台、电务维护台、联锁机、电子终端(ET)、微机监测和电源六个部分组成。如图2-1所示。
控制台由控显双机和车站值班员办理行车作业的操作和显示设备组成。操作设备可以选择按钮操纵盘，鼠标或数字化仪。显示设备可选单元式表示盘或图形显示器。每一台控显机内安装了两个采用光缆连接串行通信接口板，用于同联锁机的2重系通信。控
显双机的工作方式可选冷备或温备。控显机转换箱用于控制台操作显示设备与控显双机之间的转换。 LXJ 1441TXJ ZXJ 1441YXJ 41LUXJ PIO-ET2
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图2-1计算机联锁系统配置框图
电务维护台设备包括：监测机、键盘、显示器、打印机。监测机内安装两个采用光缆连接串行通信接口板，用于与联锁机2重系通信，从联锁双机取得联锁系统维护信息。监测机通过串行通信接口从计算机检测前置机取得模拟量检测信息。电务维护人员可以通过键盘，显示器，打印机查询或大哟输出各类监测信息。
联锁机由2重系组成，以主从方式并行运行。两系之间通过并行接口建立的高速通道交换信息，实现2重系的同步和切换。联锁机每一系各用一对光缆经过光分路器与控显双机相连，使联锁的每一系都能够分别与两台控显通信。联锁机每一系用一对光缆分别与监测机的两个光通信接口相连，联锁机每一系的维护信息分别送到监测机。联锁机每一系有5个连接电子终端的通信接口，每个通信接口可连接一个电子终端机架。
二乘二取二系统开关量输入输出接口采用电子终端机(简称ET)。电子终端电路具有2重系，2重系的输入电路从继电器的同一组接点取得输入信号，分别发给联锁2重系。联锁2重系的输出分别送给电子终端的2重系。电子终端2重系的输出并联连接负载。
系统的电源由一套UPS和两路直流24V稳压电源组成。UPS的输入由信号电源屏单独提供的一路交流220V电源供给。
两路直流24V电源中一路称为逻辑24V(用符号L24表示)，经联锁机和电子终端内部的DC-DC转换产生5V电压，供逻辑电路工作，另一路直流称作接口24V(用符号I24表示)，供电子终端的输出电路驱动继电器和输入电路采集表示信息。
2.1.1 联锁机
系统的联锁双机(1系和2系)安装在一个800×330mm的机架内。两系的组成完全相同。每一系由F486-2联锁CPU板，IF486电子终端接口板，FSD486人机界面(控显机、监测机)接口板三块电路板组成。每一系的机架有两个空闲插槽，需要时可插入与其他系统通信的接口板(如CTC系统通信用OPU板等)。各板之间通过VME总线互连。机架上空余的槽位用于安装其他选件。在本系统中不用。
联锁1系电源和联锁2系电源是两个输入直流24V，输出直流5V 的DC/DC电源。用于分别向联锁1系和联锁2系的逻辑电路提供5V电源。
2.1.2 电子终端
系统的表示信息输入和控制信息输出接口称为电子终端(Electronic Terminal，简称ET)。ET电路安装在ET机架内。一个ET机架内有12个插槽。机架正面左边的两个插槽用于安装两个ET-LINE 板。其余的10个插槽用于安装PIO板。ET-LINE板上有ET 与联锁机的通信接口和DC24V-DC5V电源。ET为两重系并列结构。每个ET机架内必须安装两个ET-LINE模块，一个与联锁机1系连接，另一个与联锁机2系相连。ET与联锁机的通信采用光纤连接。
2.1.3 控制台
操作显示设备设在运转室。根据用户要求操作设备可选择按钮盘、数字化仪或鼠标。表示设备可选单元式表示盘或显示器。
控显机采用PC总线工控机。机箱内除安装连接操作显示设备的接口板外，安装2块带有光电转换的串行通信接口卡INIO。用于同联锁机通信。
控显机采用双机互为备用。控制台的操作和显示设备：按钮盘或鼠标；表示盘或显示器只设一套。通过控显机转换箱与工作的控显机连接。
2.1.4 电务维护台
电务维护台由监测机、显示器、键盘、打印机等组成。监测机采用PC总线工控机。机箱内安装两块带有光电转换的串行通信接口卡INIO。用于同联锁机2重系通信。监测机接收来自联锁2重系的设备动作状态信息和监测报警信息。
监测机通过串行通信接口与微机监测设备的上位机通信，将开关监测信息发送给微机监测设备。
第3章计算机联锁工作原理
3.1 系统结构与工作原理
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。
3.1.1 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。
3.1.2 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。
3.1.3 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。
3.1.4 结合电路层
结合电路的任务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。
3.1.5 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。
3.2 可靠性及安全设计
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(t)=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。
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
第4章故障维护及探讨
4.1 联锁设备常见故障分析处理
运用中的设备故障出现有一定的随机性，也有一定的规律性，从以下几个方面分类，对故障的发生逐个分析。按故障的表现可分为非潜伏性故障[1]和潜伏性故障[2]。
4.1.1 非潜伏性故障
发生后能及时被发现的故障。即设备在运用中通过电路本身的自诊技术直观表现出来的故障。如道岔断表示，灯泡主丝断丝等故障。
4.1.2 潜伏性故障
故障发生后不能及时表现出来，只有在与另一故障构成组合时方可显示出故障现象，如电源单极接地等故障。按故障的原因分类：
1.责任原因，因维修不良或违章作业造成的设备故障。如：设备超期使用发生故障、人为短路烧断保险等属责任故障。
2.非责任原因，因突发因素或因无法抗拒和防止的外界干扰，自然灾害和无法检查发现的电务设备在周期范围内材质不良及不属维修部门管理的其它设备、项目等造成的故障属非责任故障。具体表现在以下几个方面：
( l )环境不良，如高温、潮湿、有害物质的侵蚀。
( 2 )气候不良。如：雷击、暴雨、冰雪等影响。
( 3 )无知行为或故意不良行为的干扰。如：小孩砸破透镜、及备被盗等；
( 4 )周期内器材不良。如：线圈断线等。
按故障的性质分类：
1.断线故障：线路上某处出现分压现象而导致设备不能正常工作为断线故障。
处理步骤：首先检查判断是室内配线还是室外配线找出故障点。
2.混线故障：
(1)短路故障：电源两极的输送线路相混对负载进行分流而导致设备不能正常工作，甚至烧断电源保险为短路故障。
处理步骤：首先检查判断输入电源是否符合设备正常工作电压值，或者是设备自身配件烧毁，在有是配线错接（如：电源正负极性接反）找出故障点。
(2)电源接地故障：电源一极与大地相连而形成另一极对地有漏泄电流产生。
此故障现象一是设备本身接地，二是配线接地。
总之出现故障时,维修人员少进继电器室，首先要清楚故障现象，理清思路，“读懂”控制台的显示，然后抓住主线作全盘分析，运用一些有效的处理故障手段，将故障范围限定在一个很小的区域内，只能在有把握的情况下，判断出故障不在室外，才进室内核实查找，最后将故障排除。
4.2 计算机单元故障
4.2.1 联锁机
STD板故障，具体表现在：STD层运行灯停止闪烁，接受灯、中断灯灭，采集层、驱动层指示灯停闪，故障表示为CPU板故障，
处理方法：更换CPU板；STD层中断2灯灭，运行闪灯，但接发灯闪烁有一些灭灯，根据灭灯的位置，更换STD-01板（与监控机通信和联锁机通讯）。
BJ-A0板故障，STD层运行灯、中断灯、报警灯均不闪烁，采集层工作灯正常。
处理方法：更换BJ板或紧固插座。
4.2.2监控机
PC-01网卡故障，其联锁机STD层第一组接发灯闪烁不对，其他灯正常，并有“以联锁机通讯中断”的提示；以太网卡出现故障时提示为监控机与维修机通信中断，VGA 显卡有故障时，显示屏无显示或者图形有缺陷。
处理方法：更换PC-01网卡则恢复正常，需要更换显卡或插接不牢。
4.3 通讯线路故障
总线插头松动或插接不良，联锁机无法与监控机通信。而LS插头松动或插接不良，联锁机的工作机与备机不能同步，
处理方法：检查插头是否松动，只有完全接触良好，在按联机按钮方可同步。
4.4 切换故障
联锁机零层切换板故障时，切换校核报错，某一监控机与联锁机通信中断。排除上述故障，控制台监视器和数字化仪切换板故障，会导致控制台显示屏和数字化仪不能正常随着监控机的切换而切换到工作中的监控机上，也可造成显示屏上无任何显示。
处理方法：此时排除外界电源因素的影响，1.则需要更换切换板，2.需要换切换板，排除故障。
4.5 电源故障
动态稳压电源故障，其故障会导致所有动态继电器的驱动失效，不能驱动室外设备。
计算机电源故障，UPS电源、STD电源、采集电源、驱动电源及监控机电源出现故障后，其所带的负载均无法开启。
处理方法：检查输入电源工作情况，输出电源工作情况如果都正常，需要根据故障点更换电源板件，恢复故障现象。
无论故障原因和故障现象如何变化，作为一名合格的信号维修工作者，只要平时在工作中认真总结自己在工作中遇到的故障现象，坚持不断的学习，熟悉设备工作性能，才能在准确判断出故障处所。
结论
通过本次毕业论文探讨学习。使我在计算机联锁系统接口电路和故障处理方面，根据计算机联锁系统的技术要求与功能需求，选用二乘二取二计算机联锁系统为本次设计的系统方案，方法有了进一步的提高。并详细了介了计算机联锁系统（DS6-K5B)的硬件构成。完成了一送一受与一送多受轨道区段电路原理图，信号机、道岔的计算机接口电路与控制电路，以及计算机联锁常见故障分析判断及相应的处理措施。通过本次论文体会得出以下结论：
1. 符合铁路信号计算机联锁技术条件；
2.设计符合铁路信号设计的相关规范与标准；
3.铁路信号设备营运基础等均符铁路技术管理规程的规定；
4.论文中的相关理论分析及计算联锁及故障维护方法探讨；
致谢
作完了毕业设计，对我来说，面对一张张别人看来微不足道的成就，心中感慨万千。一种无名的冲动促使我写下了这段感谢信，因为我知道，我今天的所谓“成就”是与老师们的支持关心和帮助是密切联系，不可分割的。
首先我必须感谢在这几年里所有帮助和教过我的老师们，感谢你们教我知识，传我文化，使我从无知中走向成熟，善思，并懂得了一些专业知识，为我以后的道路奠定了良好的基石。
其次，我要特别感谢我的指导老师陈老师，正是他一周三次的循循善诱，谆谆教导，使我在课题设计和论文撰写过程中，既得到了知识和能力上的提高，也培养了我勤奋刻苦，努力认真的作风，使我受益匪浅。从一开始接到论文题目到最后系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试和学习机会，这也是我在函授学习期间完成的最大的一项课题及项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受。同时感谢自动控制教研室的各位老师在我学习、生活中给予我的帮助，关心和照顾。
最后，我要感谢内江铁路机械学校的全体老师，感谢他们在我专科学习期间对我的培养和教育。谢谢！
参考文献
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[2] 徐洪泽.计算机连锁控制系统原理及应用.中国铁道出版社.2008
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[5] 林瑜筠.提速区段6502电气集中图册.中国铁道出版社.2003
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