CN101913369A - 一种计算机联锁系统的信号执行单元及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机联锁系统的信号执行单元及其工作方法，该执行单元包括信号灯控制单元、防护单元和信号采集单元，防护单元包括逻辑保护单元和信号安全继电器，逻辑保护单元接收由第一和第二信号控制器分别输出的代表各信号灯控制单元工作状态的第一和第二信号状态信息，第一、第二信号控制器和逻辑保护单元均接收由信号采集单元采集到的系统反馈信息；逻辑保护单元对第一、第二信号状态信息和系统反馈信息通过硬件进行逻辑对比，并根据对比结果输出用于控制信号安全继电器的信号灯异常信号；在有信号灯异常信号输出的情况下，仅由信号灯异常信号控制信号安全继电器，使信号执行单元完成故障导向安全。

Description

一种计算机联锁系统的信号执行单元及其工作方法

技术领域

本发明涉及车站联锁控制系统，特别涉及用于控制信号灯的信号执行单元及其工作方法。

背景技术

车站联锁设备的信号执行单元用于控制各种信号灯执行相应的动作，不同色灯信号的配合使用可以提供各种标定的指示信息，因此，各信号灯的正确点亮对与铁路安全具有重要的作用。

在实际应用中，如果信号灯出现乱显示的现象，则信号执行单元需要进行故障导向安全，其中，乱显示现象也即包括在信号执行单元中出现了“敌对信号”，例如，对于调车信号来讲，在点蓝灯信号的时候出现了白灯信号，或者两个色灯同时点亮属于出现了“敌对信号”；又如，对于出站信号，在点红灯信号时出现白灯或者绿灯信号，在绿灯信号时出现白灯信号，在白灯信号时出现绿灯信号，这均属于“敌对信号”。为了避免出现各种“敌对信号”，目前的信号执行单元大部分采用继电器实现互锁控制，即通过将各继电器的常开和常闭开关连接在彼此敌对的信号灯控制单元中的方式避免出现“敌对信号”。由此可知，上述控制方式将使用大量的继电器，这不仅使系统结构庞大复杂，而且也直接提升的设计成本。

鉴于此，目前也出现了一些通过电子开关代替继电器进行信号灯控制的信号执行单元，如专利号为ZL 200820128996.4，公开日为2009年12月2日的中国实用新型专利公开了一种车站信号灯控制装置，该控制装置包括CPU处理单元A和B、开关控制单元、故障安全单元和各种检测单元，检测单元与CPU处理单元A和B通讯连接，CPU处理单元A和B通过开关控制单元控制连接在禁止单路和允许电路中的处于常开状态的各开关，CPU处理单元A和B通过故障安全单元控制连接在允许电路中的处于常闭状态的开关。该控制装置在正常状态下由CPU处理单元A和B共同控制该处于常开状态的各开关，在出现异常情况下由CPU处理单元A和B共同控制该处于常闭状态的开关。该种控制装置虽然说明通过电子电路取代由安全继电器构成的铁路信号灯控制单元，但是，该种控制电路在应用过程中存在如下问题，具体说明如下：

首先，上述故障安全单元由动态电路组成，其作用在于将CPU处理单元A和B输出的脉冲转化为用于控制处于常闭状态的开关的稳定电压，由此可知，实现故障导向安全的仅为CPU处理单元A和B，如果CPU处理单元A和/或B出现故障，如程序失控，则该种控制装置将无法完成故障导向安全，这对于铁路系统而言是致命的问题；另外，CPU处理单元需要根据预设的算法对各种指令信号和检测信号进行避错、容错处理，再根据软件上的分析结果输出作用于故障安全单元的脉冲信号，该过程的响应时间在3至5个时钟周期，这种处理方式的缺陷是增大了故障导向安全失效的几率，而且通过软件执行故障判断的延时时间相对直接的硬件逻辑运算时间要长(硬件的响应时间即使不同器件有区别也都在纳秒级)，因此，不能及时进行安全导向，这对于铁路控制系统来说是非常严重的问题；

其次，控制每个信号灯的允许电路中均连接有处于常闭状态的开关，在系统出现问题时，CPU处理单元A和B需要对所有处于常闭状态的开关进行断开处理，这无疑又增加了系统出现异常的可能性。因此，该种结构的信号控制器并不能满足控制铁路信号灯的要求；

再次，各检测单元均直接将采集到的信号传输至CPU处理单元A和B，不能实现信号的可信测量；

另外，在实际应用中，输出禁止信号的时间相对于输出允许信号的时间长，因此，在输出位于禁止电路上的开关常处于得电状态，这将大大影响开关的使用寿命；

最后，为了实现控制电路与监测电路的隔离，监测机通过CPU处理单元C获得的系统状态仅局限于状态监测单元采集到的信息，但却无法对负责执行动作的CPU处理单元A和B所获知的系统状态进行监测，这无疑降低了监测机的监测能力，影响了监测机的监测功能。

发明内容

本发明的一个目的是为了解决上述问题，提供一种结构简单，成本低，且具有高可靠性的信号执行单元。

本发明采用的技术方案为：一种计算机联锁系统的信号执行单元，包括第一和第二信号控制器，以及由二者共同控制的信号灯控制单元，所述信号灯控制单元与信号灯一一对应；所述信号执行单元还包括防护单元和信号采集单元，所述防护单元包括逻辑保护单元和信号安全继电器；

所述信号灯控制单元包括允许和禁止信号输出电路，所述允许信号输出电路中串联连接有分别受控于第一和第二信号控制器的第一和第二信号开关管，所述信号安全继电器的常开开关电连接在输入电源接入所有信号灯控制单元的允许信号输出电路的供电电路上；所述信号安全继电器的常闭开关电连接在输入电源接入所有信号灯控制单元的禁止信号输出电路的供电电路上；

所述逻辑保护单元接收由第一信号控制器输出的代表各信号灯控制单元工作状态的第一信号状态信息，由第二信号控制器输出的代表各信号灯控制单元工作状态的第二信号状态信息，所述第一、第二信号控制器和逻辑保护单元均接收由信号采集单元在各信号灯控制单元采集到的系统反馈信息；所述逻辑保护单元对第一、第二信号状态信息和系统反馈信息通过硬件电路进行逻辑对比，并根据对比结果输出用于控制信号安全继电器的信号灯异常信号；以及在无信号灯异常信号输出的情况下，所述第一和第二信号控制器的输出经由与逻辑处理控制所述信号安全继电器，在有信号灯异常信号输出的情况下，由所述信号灯异常信号控制信号安全继电器，切断允许信号输出电路的供电电路，使信号执行单元完成故障导向安全。

优选地，所述信号采集单元包括第一和第二电流采样电路；所述第一电流采样电路采集各信号灯控制单元的电流作为第一电流信号，所述第二电流采样电路采样各信号灯控制单元的电流作为第二电流信号；所述第一电流信号作为系统反馈信息分别传输至第一信号控制器和逻辑保护单元，所述第二电流信号作为系统反馈信息分别传输至第二信号控制器和逻辑保护单元。

优选地，所述第一和第二信号状态信息分别包括第一和第二电流信号。

优选地，第一和第二电流采样电路均将通过各自的传感器采集到的电流信号整形为动态脉冲信号输出。

优选地，所述信号采集单元包括第一和第二过流反馈电路；所述第一过流反馈电路采集各信号灯控制单元的尖峰电流作为第一尖峰电流信号，所述第二过流反馈电路采样各信号灯控制单元的尖峰电流作为第二尖峰电流信号；所述第一和第二尖峰电流信号作为系统反馈信息分别传输至第一和第二信号控制器。

优选地，所述第一和第二信号状态信息分别包括第一和第二尖峰电流信号。

优选地，所述信号采集单元包括第一和第二数字量采集电路，所述第一数字量采集电路采集各信号灯控制单元的数字电流值作为第一电流值，所述第二数字量采集电路采集各信号灯控制单元的数字电流值作为第二电流值；所述第一和第二电流值作为所述系统反馈信息分别传输至第一和第二信号控制器。

优选地，信号执行单元还包括实现监测电路与控制电路之间电气隔离的状态监测电路，所述状态监测电路包括与上位监测机通讯连接的信号监测控制器和用于监测信号灯控制单元的电流值的数字量采集电路；所述第一信号控制器通过第一组光耦编码电路将其获知的第一信号状态信息传输至所述信号监测控制器，所述第二信号控制器通过第二组光耦编码电路将其获知的第二信号状态信息传输至所述信号监测控制器，所述数字量采集电路监测到的各信号灯控制单元的电流值直接传输至所述信号监测控制器。

本发明的另一个目的是提供一种根据上述信号执行单元的工作方法。

本发明采用的技术方案为通过第一和第二信号控制器进行二取二冗余控制，具体为：

在启动信号执行单元后，当第一和第二信号控制器均接收到对于某信号灯控制单元的点灯指令、且二者输出的点灯信号一致时，所述信号安全继电器的线圈得电，点灯指令所对应的信号灯控制单元上的第一和第二信号开关管导通，使得对应信号灯控制单元的允许信号输出电路动作；否则，由信号灯控制单元的禁止信号输出电路输出禁止信号；

在启动信号执行单元后，所述逻辑保护单元实时接收第一、第二信号状态信息和系统反馈信息，并通过硬件电路对第一、第二信号状态信息和系统反馈信息进行对比分析，当第一、第二信号状态信息和系统反馈信息各自自身的比对均未出现异常情况，且第一、第二信号状态信息和系统反馈信息三者之间的比对也未出现异常情况时，由第一和第二信号控制器的输出经由与逻辑处理控制所述信号安全继电器；当第一、第二信号状态信息和系统反馈信息中任一个的自身对比出现异常情况时，或第一、第二信号状态信息和系统反馈信息三者之间对比出现异常情况时，由逻辑保护单元直接优先使所述信号安全继电器失电，切断所有允许信号输出电路的供电电路，使信号执行单元完成故障导向安全。

本发明的有益效果为：本发明采用每个信号灯控制单元通过二个开关管控制，并通过纯硬件电路组成的逻辑保护单元和一信号安全继电器的配合完成故障导向安全的结构，该种结构具有执行速度快和可靠性高的特点，并且在保证高可靠性的前提下大大降低整个系统的成本；另外，本发明的信号采集单元进行了可实现可信测量的处理，有效提高了整个执行单元的可靠性；而且，信号执行单元通过信号监测控制器和光耦组合编码的结合在上位监测机能够全面监测现场状况的前提下实现了监测电路与控制电路的电气隔离。

附图说明

图1为本发明所述信号执行单元的结构示意图；

图2示出了本发明的信号执行单元的监测电路。

具体实施方式

现结合附图说明本发明所述计算机联锁系统的信号执行单元的具体实施方式。

如图1和2所示，本发明所述的信号执行单元包括第一和第二信号控制器S1和S2，以及由二者共同控制的信号灯控制单元，所述信号灯控制单元与信号灯一一对应；所述信号执行单元还包括防护单元和信号采集单元，所述防护单元包括逻辑保护单元S4和信号安全继电器S5。所述第一和第二信号控制器S1和S2之间通过通信电路连接，在此说明的是，二者在控制上是完全独立的，通信电路仅负责完成时钟同步等不涉及影响各自输出的指令信号的通信。

所述信号灯控制单元包括允许和禁止信号输出电路，所述允许信号输出电路中串联连接有第一和第二信号开关管1S、2S，第一和第二信号控制器S1和S2分别通过驱动单元S-1和S-2控制第一和第二信号开关管1S和2S。所述信号安全继电器S5的常开开关电连接在输入电源接入所有信号灯控制单元的允许信号输出电路的供电电路上；所述信号安全继电器S5的常闭开关电连接在输入电源接入所有信号灯控制单元的禁止信号输出电路的供电电路上，由此，在保证高度安全的前提下，实现了允许和禁止信号输出电路的无触点化。在本实施例中，所述允许和禁止信号输出电路经过防雷电路分别输出允许信号和禁止信号。

与背景技术中说明的专利号为ZL 200820128996.4，公开日为2009年12月2日的中国实用新型专利公开的车站信号灯控制装置不同的是，本发明中的允许和禁止信号输出电路彼此独立，并不共用一条控制回线，在本实施例中，第一信号电源输入点XJZ和第二信号电源输入点XJF分别接在信号安全继电器S5的常开开关和常闭开关的一侧，常闭开关的另一侧接在禁止信号输出电路的供电电路上，常开开关的另一侧接在允许信号输出电路的供电电路上。

对于信号灯控制单元，所述第一和第二信号开关管1S、2S选用可控硅更为适宜。

所述逻辑保护单元S4接收由第一信号控制器S1输出的代表各信号灯控制单元工作状态的第一信号状态信息，由第二信号控制器S2输出的代表各信号灯控制单元工作状态的第二信号状态信息，所述第一、第二信号控制器S1、S2和逻辑保护单元S4均接收由信号采集单元在各信号灯控制单元采集到的系统反馈信息；所述逻辑保护单元通过硬件对第一、第二信号状态信息，以及系统反馈信息自身进行逻辑对比，并对三者之间进行逻辑对比，并根据对比结果输出用于控制信号安全继电器的信号灯异常信号。所述第一、第二信号状态信息分别包括第一和第二信号控制器S1和S2所接收的点灯指令。

在无信号灯异常信号输出的情况下，所述第一和第二信号控制器S1和S2的输出经由与逻辑处理通过驱动单元S6控制所述信号安全继电器S5，在有信号灯异常信号输出的情况下，仅由所述信号灯异常信号通过驱动单元S6控制信号安全继电器S5(无条件使信号安全继电器S5失电)，切断允许信号输出电路的供电电路，使信号执行单元完成故障导向安全。

所述信号采集单元包括第一和第二电流采样电路I1和I2。所述第一电流采样电路I1采集各信号灯控制单元的电流作为第一电流信号，即第一电流信号包含有各信号灯控制单元的电流情况；所述第二电流采样电路I2采样各信号灯控制单元的电流作为第二电流信号；所述第一电流信号作为系统反馈信息分别传输至第一信号控制器S1和逻辑保护单元S4，所述第二电流信号作为系统反馈信息分别传输至第二信号控制器和逻辑保护单元。所述第一和第二信号状态信息可以分别包括第一和第二电流信号，以提高整个执行单元的可靠性。

所述信号采集单元还可以包括第一和第二过流反馈电路B1和B2；所述第一过流反馈电路B1采集各信号灯控制单元的尖峰电流作为第一尖峰电流信号，所述第二过流反馈电路B2采样各信号灯控制单元的尖峰电流作为第二尖峰电流信号；所述第一尖峰电流信号作为系统反馈信息传输至第一信号控制器S1，所述第二尖峰电流信号作为系统反馈信息传输至第二信号控制器。在本实施例中，所述第一和第二信号状态信息分别包括第一和第二尖峰电流信号。

由于信号执行单元需要采集各种表征系统状态的信号，并根据所采集的各种信号完成故障导向安全，因此，信号的可信测量对于系统安全是尤为重要的，由于信号采集电路中的电子器件在采用固定输出时会造成有效信号判断和故障信号判断的二义性问题，所以，在本实施例中，所述第一和第二电流采样电路I1和I2均将通过各自的传感器采集到的电流信号整形为动态脉冲信号输出。所述第一和第二过流反馈电路B1和B2也可将采集到的尖峰电流信号整形为动态脉冲信号输出。

另外，对于需要确切知道电压值和电流值的场合，采样电路除了提供动态脉冲信号之外，还可以提供模数转换数值，并且只有在脉冲信号和模数转换数值同时有效的情况下，表征电压值或电流值的模数转换数值才有效，否则视为无效，有必要时由逻辑保护单元S4强制导向安全侧。所以，所述信号采集单元还可以包括第一和第二数字量采集电路D1和D2，所述第一数字量采集电路D1采集各信号灯控制单元的数字电流值作为第一电流值，所述第二数字量采集电路D2采集各信号灯控制单元的数字电流值作为第二电流值；所述第一电流值作为所述系统反馈信息传输至第一信号控制器S1，所述第二电流值作为所述系统反馈信息传输至第二信号控制器S2。在本实施例中，所述第一和第二信号状态信息分别包括第一和第二电流值。

如图2所示，本发明的信号执行单元还包括状态监测电路，所述状态监测电路包括信号监测控制器S3和用于采集信号灯控制单元的电流值的数字量采集电路D，第一信号控制器S1和第二信号控制器S2通过光耦组合编码的方式将各信息发送至状态监测电路，以实现控制电路与监测电路之间的电气隔离。具体为，所述第一信号控制器S1通过第一组光耦编码电路将第一信号状态信息传输至所述信号监测控制器S3，所述第二信号控制器通过第二组光耦编码电路将第二信号状态信息传输至所述信号监测控制器S3，所述数字量采集电路将其采集到的各信号灯控制单元的电流值直接传输至所述信号监测控制器S3。

上述信号执行单元的工作方法为通过第一和第二信号控制器进行二取二冗余控制，并在控制上执行“与”逻辑处理，在异常信号的判断上执行“或”逻辑处理，具体为：

在启动信号执行单元后，当第一和第二信号控制器S1和S2均接收到对于某信号灯控制单元的点灯指令、且二者输出的点灯信号一致时，所述信号安全继电器S5的线圈得电，点灯指令所对应的信号灯控制单元上的第一和第二信号开关管1S和2S导通，使得对应信号灯控制单元的允许信号输出电路动作；否则，由信号灯控制单元的禁止信号输出电路输出禁止信号。

同时，在启动信号执行单元后，所述逻辑保护单元S6实时接收第一、第二信号状态信息和系统反馈信息，并通过硬件电路对第一、第二信号状态信息和系统反馈信息进行对比分析，当第一、第二信号状态信息和系统反馈信息各自自身的比对均未出现异常情况，且第一、第二信号状态信息和系统反馈信息三者之间的比对也未出现异常情况时，由第一和第二信号控制器S1和S2的输出经由与逻辑处理控制所述信号安全继电器；当第一、第二信号状态信息和系统反馈信息中任一个的自身对比出现异常情况时，或第一、第二信号状态信息和系统反馈信息三者之间对比出现异常情况时，由逻辑保护单元S4直接无条件使所述信号安全继电器S5失电，即直接无条件切断允许信号输出电路的供电电路，使信号执行单元完成故障导向安全。

另外，对于第一、第二信号状态信息和系统反馈信息的对比方式多种多样，只要能满足一处对比出现异常即使系统完成故障导向安全即可，如可以采用对第一、第二信号状态信息和系统反馈信息各自所包含的各信号进行纵向对比(纵向对比采用或逻辑处理)，再对三者的纵向对比结果进行或逻辑处理；或者采用对第一、第二信号状态信息和系统反馈信息中有对应关系的信号进行横向对比(横向对比采用或逻辑处理)，再将各横向对比结果进行或逻辑处理。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种计算机联锁系统的信号执行单元，包括第一和第二信号控制器，以及由二者共同控制的信号灯控制单元，所述信号灯控制单元与信号灯一一对应；其特征在于：所述信号执行单元还包括防护单元和信号采集单元，所述防护单元包括逻辑保护单元和信号安全继电器；

所述信号灯控制单元包括允许和禁止信号输出电路，所述允许信号输出电路中串联连接有分别受控于第一和第二信号控制器的第一和第二信号开关管，所述信号安全继电器的常开开关电连接在输入电源接入所有信号灯控制单元的允许信号输出电路的供电电路上；所述信号安全继电器的常闭开关电连接在输入电源接入所有信号灯控制单元的禁止信号输出电路的供电电路上；

所述逻辑保护单元接收由第一信号控制器输出的代表各信号灯控制单元工作状态的第一信号状态信息，由第二信号控制器输出的代表各信号灯控制单元工作状态的第二信号状态信息，所述第一、第二信号控制器和逻辑保护单元均接收由信号采集单元在各信号灯控制单元采集到的系统反馈信息；所述逻辑保护单元对第一、第二信号状态信息和系统反馈信息通过硬件电路进行逻辑对比，并根据对比结果输出用于控制信号安全继电器的信号灯异常信号；以及，

在无信号灯异常信号输出的情况下，所述第一和第二信号控制器的输出经由与逻辑处理控制所述信号安全继电器，在有信号灯异常信号输出的情况下，由所述信号灯异常信号控制信号安全继电器，切断允许信号输出电路的供电电路，使信号执行单元完成故障导向安全。

2.根据权利要求1所述的信号执行单元，其特征在于：所述信号采集单元包括第一和第二电流采样电路；所述第一电流采样电路采集各信号灯控制单元的电流作为第一电流信号，所述第二电流采样电路采样各信号灯控制单元的电流作为第二电流信号；所述第一电流信号作为系统反馈信息分别传输至第一信号控制器和逻辑保护单元，所述第二电流信号作为系统反馈信息分别传输至第二信号控制器和逻辑保护单元。

3.根据权利要求2所述的信号执行单元，其特征在于：所述第一和第二信号状态信息分别包括第一和第二电流信号。

4.根据权利要求2所述的信号执行单元，其特征在于：第一和第二电流采样电路均将通过各自的传感器采集到的电流信号整形为动态脉冲信号输出。

5.根据权利要求2所述的信号执行单元，其特征在于：所述信号采集单元包括第一和第二过流反馈电路；所述第一过流反馈电路采集各信号灯控制单元的尖峰电流作为第一尖峰电流信号，所述第二过流反馈电路采样各信号灯控制单元的尖峰电流作为第二尖峰电流信号；所述第一和第二尖峰电流信号作为系统反馈信息分别传输至第一和第二信号控制器。

6.根据权利要求5所述的信号执行单元，其特征在于：所述第一和第二信号状态信息分别包括第一和第二尖峰电流信号。

7.根据权利要求2或5所述的信号执行单元，其特征在于：所述信号采集单元包括第一和第二数字量采集电路，所述第一数字量采集电路采集各信号灯控制单元的数字电流值作为第一电流值，所述第二数字量采集电路采集各信号灯控制单元的数字电流值作为第二电流值；所述第一和第二电流值作为所述系统反馈信息分别传输至第一和第二信号控制器。

8.根据权利要求1所述的信号执行单元，其特征在于：还包括实现监测电路与控制电路之间电气隔离的状态监测电路，所述状态监测电路包括与上位监测机通讯连接的信号监测控制器和用于监测信号灯控制单元的电流值的数字量采集电路；所述第一信号控制器通过第一组光耦编码电路将其获知的第一信号状态信息传输至所述信号监测控制器，所述第二信号控制器通过第二组光耦编码电路将其获知的第二信号状态信息传输至所述信号监测控制器，所述数字量采集电路监测到的各信号灯控制单元的电流值直接传输至所述信号监测控制器。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的信号执行单元的工作方法，通过第一和第二信号控制器进行二取二冗余控制，其特征在于：

在启动信号执行单元后，当第一和第二信号控制器均接收到对于某信号灯控制单元的点灯指令、且二者输出的点灯信号一致时，所述信号安全继电器的线圈得电，点灯指令所对应的信号灯控制单元上的第一和第二信号开关管导通，使得对应信号灯控制单元的允许信号输出电路动作；否则，由信号灯控制单元的禁止信号输出电路输出禁止信号；

在启动信号执行单元后，所述逻辑保护单元实时接收第一、第二信号状态信息和系统反馈信息，并通过硬件电路对第一、第二信号状态信息和系统反馈信息进行对比分析，当第一、第二信号状态信息和系统反馈信息各自自身的比对均未出现异常情况，且第一、第二信号状态信息和系统反馈信息三者之间的比对也未出现异常情况时，由第一和第二信号控制器的输出经由与逻辑处理控制所述信号安全继电器；当第一、第二信号状态信息和系统反馈信息中任一个的自身对比出现异常情况时，或第一、第二信号状态信息和系统反馈信息三者之间对比出现异常情况时，由逻辑保护单元直接优先使所述信号安全继电器失电，切断所有允许信号输出电路的供电电路，使信号执行单元完成故障导向安全。

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