计算机联锁第二章
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2021/6/12
网络类型 （1）星型结构 （2）环型结构 （3）总线型结构 （4）星型和总线型结合的复合型结构
2021/6/12
第二节 计算机联锁系统硬件
一、计算机联锁的体系结构 1、按照执行功能的计算机数量分为：
单模块系统和多模块系统
2021/6/12
单模块系统和多模块系统
2021/6/12
采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输 时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；
每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传 输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；
节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能， 切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；
可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。
2021/6/12
（4）、自动检测与诊断功能
2021/6/12
（5）、其他功能 ①、非进路调车 ②、平面溜放 ③、站内道口控制 ④、与调度集中调度监督的联系 ⑤、和其他系统的结合功能
2021/6/12
2021/6/12
一、计算机联锁系统软件的功能与总体结构 2、计算机联锁软件的划分 （1）、上位机 （2）、下位机 （3）、联锁机、人机会话机、电务维修机软 件功能
网络总线”，是英文Controller Area Network的首字 母组合而成的。它是总线的一种，与常见的USB总 线属于一类概念，只不过CAN总线采用差分信号传 输，有很强的错误检测能力，通信距离远，因此被 用到一些特殊的场合 。
2021/6/12
采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送 数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的 节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；
第二章 计算机联锁系统基本原理
第一节 计算机联锁系统使用的计算机 第二节 计算机联锁系统硬件 第三节 计算机联锁系统软件
第四节 计算机联锁系统的通道与接口 第五节 全电子执行单元
2021/6/12
第一节 计算机联锁所用的计算机
一、计算机实时控制系统
实时控制系统是指在限定的时间内对外来事件的做 出反应的系统。 实时工业控制计算机系统的特点 ➢ 实时性强 ➢ 具有充分的过程输入和控制输出的能力 ➢ 具有通信与联网能力 ➢ 高可靠性 ➢ 可维护性
2021/6/12
2021/6/12
进路处理的调度模块 ①、各条进路的处理 ②、一条进路的处理
2021/6/12
进路处理的调度模块
2021/6/12
5、过程输入输出程序
2021/6/12
五、提高软件可靠性的措施 1、采用软件工程和结构化设计，对软件进行模拟 测试； 软件的寿命周期：要求/规格说明、设计、实现、
2021/6/12
4、计算机联锁系统可靠性与安全性冗余结构：
2021/6/12
五、一般计算机联锁系统硬件结构
2021/6/12
六、切换开关和表决电路 1、切换逻辑控制和切换开关电路 ①、切换逻辑控制电路（定时监测和动态监测）
2021/6/12
②、切换开关电路
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2、三取二表决电路
②、动态接口：
2021/6/12
②、动态接口：
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2、故障-安全输出接口： ②、动态接口：
2021/6/12
五、动态继电器 基本概念： 由继电器输出的动态脉冲信号控制，即驱动继电
器的信号必须是脉动的。
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六、动态驱动单元 基本结构：
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七、采集信息和驱动命令的接口电路 1、计算机采集的表示信息：
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补充通信知识及网络知识 单工通信： 半双工通信： 全工通信
2021/6/12
网络类型 （1）星型结构 （2）环型结构 （3）总线型结构 （4）星型和总线型结合的复合型结构
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网络类型 （1）星型结构 （2）环型结构 （3）总线型结构 （4）星型和总线型结合的复合型结构
2021/6/12
信号采集电路一般方式：
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三、开关量输出通道 信号采集电路一般方式： 1、继电器输出接口：
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2、表示灯输出接口：
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3、音响报警输出接口：
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四、故障-安全输入输出接口 1、故障-安全输入接口：
①、静态接口：
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上位机：上位机接收值班员的操作，实时显示站场图形， 也叫操作表示机。
联锁机：联锁机采集现场信息，进行联锁运算，输出驱动 控制，联锁机也叫下位机。
联锁网：位机和联锁机之间是通过相互独立的两条通信网 络连接起来的，它可以是CAN总线网络结构，也可以是以 太网络结构。系统通过相互独立的两条网络达到通信冗余 的目的。
2021/6/12
四、计算机联锁系统的可靠性与安全性结构 4、计算机联锁系统可靠性与安全性冗余结构： ①可靠性：在规定时间内、规定条件下完成规定功能 的能力。 MTBF：平均无故障工作时间。106
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②安全性：系统发生故障后，其后果不会造成重 大顺势的性能。
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4、计算机联锁系统可靠性与安全性冗余结构：
网络类型
（1）星型结构 （2）环型结构 （3）总线型结构 （4）星型和总线型结合的复合型结构
2021/6/12
四、通道接口 计算机联锁系统中，又串行接口和并行接口方式 两种典型结构。 串行接口：RS-232、RS-485
2021/6/12
五、CAN总线 CAN总线是一种缩写，全称应是“控制器局域
2021/6/12
二、工业控制计算机系统
1、工业控制计算机优点 防震动、耐冲击、防尘、耐高温、抗电磁干扰、 抗电流浪涌、防腐蚀等
2、工业控制计算机于普通商用机区别 ① 可维修性采用分离式钢板，每个插板上增加
压条； ② 采用开放式结构，便于扩充； ③ 强风扇、工业化电源。
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2021/6/12
（1）、人机界面处理功能 ①、操作信息处理 ②、表示信息处理 ③、维护与管理信息处理
2021/6/12
（2）、联锁控制功能 ①、建立进路 ②、进路锁闭 ③、信号开放 ④、信号保持开放
2021/6/12
⑤、进路正常解锁 ⑥、进路非正常解锁 ⑦、道岔单独操纵 ⑧、进路引导锁闭
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（3）、执行控制功能 ①、输入控制功能 ②、输出控制功能
态数据两种。 （1）、数据的编码 （2）、数据的传输
2021/6/12
2、静态数据及结构 ①常量 固定站场图，静态数据即可选定。
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② 结构 进路表结构 站场型结构
2021/6/12
2021/6/12
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补充知识：
联锁数据分类设计
X
D3
ⅠAG D1 1
③调度模式及流程
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四、联锁软件
1、联锁软件的基本模块
六个基本模块： 操作输入及操作命令形成模块； 操作命令执行 进路处理 状态输入 表示输出 控制命令输出
2021/6/12
进路处理模块包括： 进路选派一致性 进路锁闭 信号开放和保持 进路正常解锁 取消进路
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2、联锁软件的任务调度方式 集中调度方式 分散调度方式
外部计算机网络
CPU主机
网络接口
计算机总线 接 接接 接 口 口口 口 板 板板 板
外部计算机网络
CPU主机
网络接口
总线转换板
计算机总线
机箱控制板
控制总线
接接
接
接
口口
口
口
板板
板
板
▪CPU速度不匹配 ▪不利于抗干扰 ▪总线接口资源少
2021/6/12
•计算机总线和控制总线之间相对独立 •机箱容量扩展能力强 •总线本身可以提供测试返回信号。 •便于主机升级换代。
PCI插槽 北桥芯片 纽扣电池 BIOS芯片 南桥芯片
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IDE接口
AGP插槽
电容
CPU 插 槽 (Socket47 8) 内存插槽 电源接口 软驱接口
系统A
RAM
A/D
CPU
ROM
D/A
DI
外部总
DO
线接口
外
内
部
总
线
部
总
系统B
线
RAM
A/D
CPU
ROM
D/A
DI
外部总
DO
线接口
内
①现场设备状态信息：
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第四节 计算机联锁通道和接口
一、输入输出信息接口 1、输入输出信息要求；
①、开关性； ②、安全性。
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2、接口采用； ①、非安全接口采用通用标准接口； ②、安全接口分为普通标准接口和动态输入接口。
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二、开关量输入通道
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二、开关量输入通道 信号电路应具备的特性： ①、变换：将继电器的吸起和落下转换成1和0； ②、隔离：防止现场强电磁干扰或者工频点压通过 输入通道反串到计算机系统中，一般需要采用通道 隔离技术。 ③、去抖：防止机械抖动，一般采用软件延时；
2021/6/12
七、人机会话层硬件 1、按钮的一般操作方式 ①、控制台方式 ②、数字化仪方式 ③、鼠标方式 ④ 、键盘方式
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2、信息显示硬件 ①、大屏幕显示器 ②、智能化图形控制卡
2021/6/12
第三节 计算机联锁系统软件
一、计算机联锁系统软件的功能与总体结构 1、计算机联锁软件的功能
电务网：电务维修机和上位机之间通过以太网相连传递数 据，这条网络叫电务网，它和联锁网完全独立，不与联锁 机相连。
2021/6/12
3、计算机联锁软件的总体结构 （1）、系统层次结构 （2）、冗余结构 （3）、联锁数据组织形式
2021/6/12
二、联锁数据与数据结构
1、联锁数据 所有参与联锁运算的数据，分为静态数据和动
2021/6/12
3、计算机联锁系统冗余结构： 故障冗余切换技术和故障屏蔽技术 双机热备和二乘二取二属于采用故障冗余切换技术； 三取二计算机联锁结构采用故障屏蔽技术；
2021/6/12
补充知识：
系统可靠性有关的问题类型： 故障：系统硬件中发生的物理缺陷、实际制造的不完 善或者软件设计中隐含的错误；
维护测试、维护。
2021/6/12
2、软件冗余技术； 针对同样的联锁条件，由不同设计者，采用不同
的数据结构甚至不同的程序语言设计。
3、软件屏蔽技术；
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三、人机会话软件 1、人机会话软件任务u ①按钮操作任务 ②信息显示任务
2021/6/12
2、人机会话软件的实现 ①按钮接受与发送 ②信息显示任务实现 ②调度模式及流程
2021/6/12
2、避错技术和容错技术：
容错技术是当系统出现故障时，程序不会因为 系统中的故障而终止或被修改，执行结果也不会包 含系统中故障引起的差错。
2021/6/12
容错技术方法： ①硬件冗余：通过硬件的堆积冗余或者待命储备冗余 来达到容错。 ②软件冗余：研究无错软件和容错软件。 ③时间冗余：通过消耗时间资源来达到容错。 ④信息冗余：增加信息的多余度来提高可靠性。
二、计算机联锁的层次结构
各个层次的功能
2021/6/12
三、计算机联锁的室内外连接方式
1、专线方式： 2、总线方式：
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四、计算机联锁系统的可靠性与安全性结构 1、可靠性与安全性的要求： 2、避错技术和容错技术：
避错技术是通过对系统进行完善设计，力求使 系统避免发生故障的一种技术。 分为质量控制技术和环境控制技术。
差错：系统中由于故障而造成的信息或状态的不正确， 是故障的结果；
失效：由于硬件的物理性能发生变化，不能完成预 定的功能；
失败：故障、差错和失效的出现都有可能导致系统 不能正常工作，成为系统失败；
2021/6/12
补充知识：
失效
故障
差错
系统失败
2021/6/12
补充知识：
系统故障的分类： 物理故障和人为故障 物理故障：内部元器件老化和外部环境变化（电磁干扰、 冲击振动等）； 人为故障：无意识的操作错误和操作失误即有目的的对 系统的破坏计算机总线结构示例
2021/6/12
三、常见总线类型 内部总线：ISA、PCI、STD 外部总线： RS232 串口，20m, 连接简单； RS485 串口，千米以内,适用于多点互联； IEEE-488 并口，20m, 1Mbit/s，一般用于仪表显示。
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分离式外部总线结构
ⅡAG
3
5
D7 5/7WG
D5
D9 9
7
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S3 B D13
11
ⅠG
ⅡG C
SⅡ
D
4G
3、动态数据及结构 操作输入变量、状态输入变量等六种
2021/6/12
三、人机会话软件 1、人机会话软件任务 ①按钮操作任务 ②信息显示任务
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2、人机会话软件的实现 ①按钮接受与发送 ②信息显示任务实现
网络类型 （1）星型结构 （2）环型结构 （3）总线型结构 （4）星型和总线型结合的复合型结构
2021/6/12
第二节 计算机联锁系统硬件
一、计算机联锁的体系结构 1、按照执行功能的计算机数量分为：
单模块系统和多模块系统
2021/6/12
单模块系统和多模块系统
2021/6/12
采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输 时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；
每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传 输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；
节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能， 切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；
可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。
2021/6/12
（4）、自动检测与诊断功能
2021/6/12
（5）、其他功能 ①、非进路调车 ②、平面溜放 ③、站内道口控制 ④、与调度集中调度监督的联系 ⑤、和其他系统的结合功能
2021/6/12
2021/6/12
一、计算机联锁系统软件的功能与总体结构 2、计算机联锁软件的划分 （1）、上位机 （2）、下位机 （3）、联锁机、人机会话机、电务维修机软 件功能
网络总线”，是英文Controller Area Network的首字 母组合而成的。它是总线的一种，与常见的USB总 线属于一类概念，只不过CAN总线采用差分信号传 输，有很强的错误检测能力，通信距离远，因此被 用到一些特殊的场合 。
2021/6/12
采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送 数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的 节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；
第二章 计算机联锁系统基本原理
第一节 计算机联锁系统使用的计算机 第二节 计算机联锁系统硬件 第三节 计算机联锁系统软件
第四节 计算机联锁系统的通道与接口 第五节 全电子执行单元
2021/6/12
第一节 计算机联锁所用的计算机
一、计算机实时控制系统
实时控制系统是指在限定的时间内对外来事件的做 出反应的系统。 实时工业控制计算机系统的特点 ➢ 实时性强 ➢ 具有充分的过程输入和控制输出的能力 ➢ 具有通信与联网能力 ➢ 高可靠性 ➢ 可维护性
2021/6/12
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进路处理的调度模块 ①、各条进路的处理 ②、一条进路的处理
2021/6/12
进路处理的调度模块
2021/6/12
5、过程输入输出程序
2021/6/12
五、提高软件可靠性的措施 1、采用软件工程和结构化设计，对软件进行模拟 测试； 软件的寿命周期：要求/规格说明、设计、实现、
2021/6/12
4、计算机联锁系统可靠性与安全性冗余结构：
2021/6/12
五、一般计算机联锁系统硬件结构
2021/6/12
六、切换开关和表决电路 1、切换逻辑控制和切换开关电路 ①、切换逻辑控制电路（定时监测和动态监测）
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②、切换开关电路
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2、三取二表决电路
②、动态接口：
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②、动态接口：
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2、故障-安全输出接口： ②、动态接口：
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五、动态继电器 基本概念： 由继电器输出的动态脉冲信号控制，即驱动继电
器的信号必须是脉动的。
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六、动态驱动单元 基本结构：
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七、采集信息和驱动命令的接口电路 1、计算机采集的表示信息：
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补充通信知识及网络知识 单工通信： 半双工通信： 全工通信
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网络类型 （1）星型结构 （2）环型结构 （3）总线型结构 （4）星型和总线型结合的复合型结构
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网络类型 （1）星型结构 （2）环型结构 （3）总线型结构 （4）星型和总线型结合的复合型结构
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信号采集电路一般方式：
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三、开关量输出通道 信号采集电路一般方式： 1、继电器输出接口：
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2、表示灯输出接口：
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3、音响报警输出接口：
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四、故障-安全输入输出接口 1、故障-安全输入接口：
①、静态接口：
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上位机：上位机接收值班员的操作，实时显示站场图形， 也叫操作表示机。
联锁机：联锁机采集现场信息，进行联锁运算，输出驱动 控制，联锁机也叫下位机。
联锁网：位机和联锁机之间是通过相互独立的两条通信网 络连接起来的，它可以是CAN总线网络结构，也可以是以 太网络结构。系统通过相互独立的两条网络达到通信冗余 的目的。
2021/6/12
四、计算机联锁系统的可靠性与安全性结构 4、计算机联锁系统可靠性与安全性冗余结构： ①可靠性：在规定时间内、规定条件下完成规定功能 的能力。 MTBF：平均无故障工作时间。106
2021/6/12
②安全性：系统发生故障后，其后果不会造成重 大顺势的性能。
2021/6/12
4、计算机联锁系统可靠性与安全性冗余结构：
网络类型
（1）星型结构 （2）环型结构 （3）总线型结构 （4）星型和总线型结合的复合型结构
2021/6/12
四、通道接口 计算机联锁系统中，又串行接口和并行接口方式 两种典型结构。 串行接口：RS-232、RS-485
2021/6/12
五、CAN总线 CAN总线是一种缩写，全称应是“控制器局域
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二、工业控制计算机系统
1、工业控制计算机优点 防震动、耐冲击、防尘、耐高温、抗电磁干扰、 抗电流浪涌、防腐蚀等
2、工业控制计算机于普通商用机区别 ① 可维修性采用分离式钢板，每个插板上增加
压条； ② 采用开放式结构，便于扩充； ③ 强风扇、工业化电源。
2021/6/12
2021/6/12
（1）、人机界面处理功能 ①、操作信息处理 ②、表示信息处理 ③、维护与管理信息处理
2021/6/12
（2）、联锁控制功能 ①、建立进路 ②、进路锁闭 ③、信号开放 ④、信号保持开放
2021/6/12
⑤、进路正常解锁 ⑥、进路非正常解锁 ⑦、道岔单独操纵 ⑧、进路引导锁闭
2021/6/12
（3）、执行控制功能 ①、输入控制功能 ②、输出控制功能
态数据两种。 （1）、数据的编码 （2）、数据的传输
2021/6/12
2、静态数据及结构 ①常量 固定站场图，静态数据即可选定。
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② 结构 进路表结构 站场型结构
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补充知识：
联锁数据分类设计
X
D3
ⅠAG D1 1
③调度模式及流程
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四、联锁软件
1、联锁软件的基本模块
六个基本模块： 操作输入及操作命令形成模块； 操作命令执行 进路处理 状态输入 表示输出 控制命令输出
2021/6/12
进路处理模块包括： 进路选派一致性 进路锁闭 信号开放和保持 进路正常解锁 取消进路
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2、联锁软件的任务调度方式 集中调度方式 分散调度方式
外部计算机网络
CPU主机
网络接口
计算机总线 接 接接 接 口 口口 口 板 板板 板
外部计算机网络
CPU主机
网络接口
总线转换板
计算机总线
机箱控制板
控制总线
接接
接
接
口口
口
口
板板
板
板
▪CPU速度不匹配 ▪不利于抗干扰 ▪总线接口资源少
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•计算机总线和控制总线之间相对独立 •机箱容量扩展能力强 •总线本身可以提供测试返回信号。 •便于主机升级换代。
PCI插槽 北桥芯片 纽扣电池 BIOS芯片 南桥芯片
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IDE接口
AGP插槽
电容
CPU 插 槽 (Socket47 8) 内存插槽 电源接口 软驱接口
系统A
RAM
A/D
CPU
ROM
D/A
DI
外部总
DO
线接口
外
内
部
总
线
部
总
系统B
线
RAM
A/D
CPU
ROM
D/A
DI
外部总
DO
线接口
内
①现场设备状态信息：
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第四节 计算机联锁通道和接口
一、输入输出信息接口 1、输入输出信息要求；
①、开关性； ②、安全性。
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2、接口采用； ①、非安全接口采用通用标准接口； ②、安全接口分为普通标准接口和动态输入接口。
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二、开关量输入通道
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二、开关量输入通道 信号电路应具备的特性： ①、变换：将继电器的吸起和落下转换成1和0； ②、隔离：防止现场强电磁干扰或者工频点压通过 输入通道反串到计算机系统中，一般需要采用通道 隔离技术。 ③、去抖：防止机械抖动，一般采用软件延时；
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七、人机会话层硬件 1、按钮的一般操作方式 ①、控制台方式 ②、数字化仪方式 ③、鼠标方式 ④ 、键盘方式
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2、信息显示硬件 ①、大屏幕显示器 ②、智能化图形控制卡
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第三节 计算机联锁系统软件
一、计算机联锁系统软件的功能与总体结构 1、计算机联锁软件的功能
电务网：电务维修机和上位机之间通过以太网相连传递数 据，这条网络叫电务网，它和联锁网完全独立，不与联锁 机相连。
2021/6/12
3、计算机联锁软件的总体结构 （1）、系统层次结构 （2）、冗余结构 （3）、联锁数据组织形式
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二、联锁数据与数据结构
1、联锁数据 所有参与联锁运算的数据，分为静态数据和动
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3、计算机联锁系统冗余结构： 故障冗余切换技术和故障屏蔽技术 双机热备和二乘二取二属于采用故障冗余切换技术； 三取二计算机联锁结构采用故障屏蔽技术；
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补充知识：
系统可靠性有关的问题类型： 故障：系统硬件中发生的物理缺陷、实际制造的不完 善或者软件设计中隐含的错误；
维护测试、维护。
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2、软件冗余技术； 针对同样的联锁条件，由不同设计者，采用不同
的数据结构甚至不同的程序语言设计。
3、软件屏蔽技术；
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三、人机会话软件 1、人机会话软件任务u ①按钮操作任务 ②信息显示任务
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2、人机会话软件的实现 ①按钮接受与发送 ②信息显示任务实现 ②调度模式及流程
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2、避错技术和容错技术：
容错技术是当系统出现故障时，程序不会因为 系统中的故障而终止或被修改，执行结果也不会包 含系统中故障引起的差错。
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容错技术方法： ①硬件冗余：通过硬件的堆积冗余或者待命储备冗余 来达到容错。 ②软件冗余：研究无错软件和容错软件。 ③时间冗余：通过消耗时间资源来达到容错。 ④信息冗余：增加信息的多余度来提高可靠性。
二、计算机联锁的层次结构
各个层次的功能
2021/6/12
三、计算机联锁的室内外连接方式
1、专线方式： 2、总线方式：
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四、计算机联锁系统的可靠性与安全性结构 1、可靠性与安全性的要求： 2、避错技术和容错技术：
避错技术是通过对系统进行完善设计，力求使 系统避免发生故障的一种技术。 分为质量控制技术和环境控制技术。
差错：系统中由于故障而造成的信息或状态的不正确， 是故障的结果；
失效：由于硬件的物理性能发生变化，不能完成预 定的功能；
失败：故障、差错和失效的出现都有可能导致系统 不能正常工作，成为系统失败；
2021/6/12
补充知识：
失效
故障
差错
系统失败
2021/6/12
补充知识：
系统故障的分类： 物理故障和人为故障 物理故障：内部元器件老化和外部环境变化（电磁干扰、 冲击振动等）； 人为故障：无意识的操作错误和操作失误即有目的的对 系统的破坏计算机总线结构示例
2021/6/12
三、常见总线类型 内部总线：ISA、PCI、STD 外部总线： RS232 串口，20m, 连接简单； RS485 串口，千米以内,适用于多点互联； IEEE-488 并口，20m, 1Mbit/s，一般用于仪表显示。
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分离式外部总线结构
ⅡAG
3
5
D7 5/7WG
D5
D9 9
7
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S3 B D13
11
ⅠG
ⅡG C
SⅡ
D
4G
3、动态数据及结构 操作输入变量、状态输入变量等六种
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三、人机会话软件 1、人机会话软件任务 ①按钮操作任务 ②信息显示任务
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2、人机会话软件的实现 ①按钮接受与发送 ②信息显示任务实现