CN102789166A - 基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置及系统。该安全控制装置连接于二乘二取二安全冗余系统的两个CPU与执行设备之间，包括：两个比较模块，用于获取两个CPU输出的数据，若比较获知两个CPU输出的数据一致，则生成驱动脉冲信号和控制脉冲信号；安全动态驱动模块，与比较模块连接，用于根据从比较模块获取的驱动脉冲信号生成驱动信号；双继电器输出模块，分别与比较模块及安全动态驱动模块连接，用于根据从比较模块获取的控制脉冲信号及从安全动态驱动模块获取的驱动信号生成用于支持执行设备进行工作的执行指示信号。该安全控制装置及二乘二取二安全冗余系统实现了系统高安全性。

Description

基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置及系统

技术领域

本发明涉及铁路信号控制技术，尤其涉及基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置及系统。

背景技术

二乘二取二安全冗余系统是用于实现铁路信号控制的常用系统。铁路信号控制系统是由两套完全相同的安全控制系构成，二乘二取二安全冗余系统是需要两系中的CPU同步工作，方能保证正常运作。当前中国列车运行控制系统(Chinese Train Control System，以下简称CTCS)2级和CTCS3级列控中心的二乘二取二安全冗余系统在实现二乘二取二的安全冗余功能时，都是由两个CPU各自独立对本CPU的运算结果和对方CPU的运算结果进行软件数据比较，若某一CPU发现数据比较不一致，则该CPU停止对外输出。执行CPU输出命令的设备只有在收到双CPU提供的有效输出命令后才会做出驱动反应，从而实现安全控制。

现有的二乘二取二安全冗余技术虽然在对CPU输出结果的判断上大大提高了安全性，可以较大程度上避免了由于单CPU运算故障造成的错误输出，但由于比较只是在两个CPU中通过软件来实现，只要软件比较通过，输出命令就会被发出，一但命令发出后，该命令输出就会被执行，若此时发现问题，CPU的软件已经不可能再挽回发出的错误输出命令，这样错误的输出命令若被执行后就有可能造成严重的不安全后果。另外，若在CPU输出命令电路或执行设备上发生软件不可控制的故障时，也有可能导致非CPU发出命令的错误执行，从而带来严重安全隐患，使得该二乘二取二安全冗余系统所提供的安全性降低，即该系统的可靠性较低。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，连接于二乘二取二安全冗余系统的两个CPU与执行设备之间，包括：

第一比较模块，用于获取所述两个CPU输出的数据，若比较获知所述两个CPU输出的数据一致，则生成第一驱动脉冲信号和第一控制脉冲信号；

第二比较模块，与所述第一比较模块相同设置，且与所述第一比较模块连接，以生成反向的第二驱动脉冲信号和第二控制脉冲信号；

安全动态驱动模块，分别与所述第一比较模块和所述第二比较模块连接，用于根据从所述第一比较模块和所述第二比较模块获取的驱动脉冲信号生成驱动信号；

双继电器输出模块，分别与所述第一比较模块、所述第二比较模块及所述安全动态驱动模块连接，用于根据从所述第一比较模块和所述第二比较模块获取的控制脉冲信号及从所述安全动态驱动模块获取的驱动信号生成用于支持执行设备进行工作的执行指示信号。

根据本发明的另一方面，还提供了一种二乘二取二安全冗余系统，包括：相互连接的第一CPU和第二CPU，执行设备，以及分别连接所述第一CPU、所述第二CPU和所述执行设备的、本发明提供的安全控制装置。

根据本发明的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置和二乘二取二安全冗余系统，由于能够独立于CPU对执行设备进行控制，即当发现存在故障或CPU发送错误数据时，能够立即切断执行设备的工作，避免了设备的误动作，提高了安全性。

附图说明

图1为本发明基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置的结构示意图。

图2为本发明基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置中安全动态驱动模块的结构示意图。

图3为利用开关延时保护单元对驱动脉冲信号进行整形前后的对照时序图。

图4为示出了双继电器输出模块与安全继电器之间连接关系的示意图。

图5为本发明二乘二取二安全冗余系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本发明基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置的结构示意图。如图1所示，安全控制装置100设置在连接于二乘二取二安全冗余系统的两个CPU与执行设备之间，包括：

第一比较模块10，用于获取两个CPU(如图1中所示的第一CPU，简称CPU1；第二CPU，简称CPU2)输出的数据，若比较获知两个CPU输出的数据一致，则生成第一驱动脉冲信号和第一控制脉冲信号；

其中，CPU1与CPU2相互连接，以获取对方运算结果，并将自身运算结果与对方运算结果进行比较，当两者运算结果相一致时，则向外发送输出命令数据，该输出命令数据用于启动执行设备。

第二比较模块20，与第一比较模块10相同设置，且与第一比较模块10连接，以生成反向的第二驱动脉冲信号和第二控制脉冲信号；

其中，第一比较模块10和第二比较模块20均接收CPU1和CPU2发送的输出命令数据，并当满足以下两个条件时认为系统处于安全控制状态：其一，能够持续接收到CPU1和CPU2发送的输出命令数据；其二，经比较获知CPU1和CPU2发送的输出命令数据一致。当第一比较模块10和第二比较模块20认为系统处于安全控制状态时，对CPU1和CPU2的输出命令数据所对应的执行设备发出能够使其进入工作状态的安全控制信号，包括驱动脉冲信号和控制脉冲信号；一旦CPU1和CPU2中的任何一个对它不连续发送数据或两者发送来的数据比对不一致，则认为系统处于非安全控制状态，停止对外的安全控制，即停止执行设备的工作。

并且，第二比较模块20与第一比较模块10连接，以实现两者之间的信息传递，用以协调工作，使得两者对外输出的驱动脉冲信号和控制脉冲信号始终保持反向。

安全动态驱动模块30，分别与第一比较模块10和第二比较模块20连接，用于根据从第一比较模块10和第二比较模块20获取的驱动脉冲信号生成驱动信号；

其中，安全动态驱动模块30从第一比较模块10和第二比较模块20接收到两路驱动脉冲信号，并对该两路驱动脉冲信号进行“鉴相”，即判断该两路驱动脉冲信号的相位是否相反，若相反，则该安全动态驱动模块30输出驱动信号；若不相反，则不输出。该驱动信号为具有一定功率的直流信号。

双继电器输出模块40，分别与第一比较模块10、第二比较模块20及安全动态驱动模块30连接，用于根据从第一比较模块10和第二比较模块20获取的控制脉冲信号及从安全动态驱动模块30获取的驱动信号生成用于支持执行设备进行工作的执行指示信号。

其中，双继电器输出模块40从安全动态驱动模块30获取驱动信号、从第一比较模块10获取一路控制驱动信号、并从第二比较模块20获取另一路控制驱动信号。在驱动信号及两路控制驱动信号同时作用于双继电器输出模块40时，能够向执行设备输出执行指示信号。该执行设备能够在该执行指示信号的驱动下工作，当双继电器输出模块40停止输出该执行指示信号时，执行设备便立即停止工作。

根据上述实施例的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，由于第一比较模块和第二比较模块需对两个CPU输出的数据进行检验和比较，并仅当经检验和比较获知当前系统处于安全控制状态时，才输出驱动脉冲信号和控制脉冲信号；安全动态驱动模块和双继电器输出模块对该驱动脉冲信号和控制脉冲信号进行检验和/或处理，使得仅当驱动脉冲信号和控制脉冲信号均正常时，才能够输出用于支持执行设备工作的执行指示信号，若任一信号发生异常，则不发送执行指示信号，使得执行设备立即停止工作。因此，利用这种安全控制装置，当两个CPU中的任意一个CPU在发出输出命令数据后，若发现该命令可能存在问题或系统存在故障，则可以立即通知该安全控制装置，从而切断执行设备的工作，中断错误命令的执行，避免了设备的误动作，提高了安全性。

进一步地，在上述实施例的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置中，第一比较模块/第二比较模块包括：

存储单元，用于获取并暂存两个CPU输出的数据；

比较单元，与存储单元连接，用于对经暂存后输出的所述数据进行一致性校验，并当校验结果为一致时，生成第一/第二驱动脉冲信号和第一/第二控制脉冲信号。

其中，存储单元例如为先进先出双口缓存器(First In First Out，以下简称FIFO)，比较单元例如实现在现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，以下简称FPGA)芯片内部。

第一比较模块中的存储单元与CPU1连接，对其输出的输出命令数据进行FIFO暂存，该第一比较模块从第二比较模块中的存储单元获取CPU2输出的输出命令数据，即两个比较模块中的存储单元分别用于对一个CPU的输出进行暂存，并将暂存输出后的数据同时提供至两个比较模块中的比较单元。

两个比较模块中的FPGA相互连接，以协调工作，使得两者对外输出的驱动脉冲信号和控制脉冲信号始终保持反向。

进一步地，在上述实施例的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置中，比较单元还与CPU连接，用于与CPU进行故障信息发送/接收。

根据上述实施例的安全控制装置，能够实现比较单元与CPU之间的信息交换，使得比较单元能够控制CPU对存储单元的数据发送，例如当经比较单元判断后，认为该系统处于非安全控制状态而切断执行设备的工作时，其将该安全控制装置的工作状态反馈给CPU，从而使得CPU停止发送数据；另外，当CPU获知故障信息时，其可直接将故障信息发送给比较单元，而无需经FIFO的暂存，从而提高了响应效率。

图2为本发明基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置中安全动态驱动模块的结构示意图。如图2所示，在上述实施例的安全控制装置中，安全动态驱动模块可包括开关延时保护单元、电容充放电单元和光耦单元。下面对各单元进行详细说明。

开关延时保护单元，用于对从第一比较模块(即FPGA1)和第二比较模块(即FPGA2)接收的互为反向的第一驱动脉冲信号和第二驱动脉冲信号进行脉冲延时整形；

其中，安全动态驱动模块首先通过开关延时保护单元对两个比较模块输出的互为返向的驱动脉冲信号进行延时整形，以防止两路驱动脉冲信号同时出现高电平的情形。图3为利用开关延时保护单元对驱动脉冲信号进行整形前后的对照时序图。如图3所示，通过开关延时保护单元的延时整形处理，两路驱动脉冲信号的高电平时间比原始驱动脉冲信号的高电平时间缩短了时间t，这样两路驱动脉冲信号的高电平时间和低电平的时间就相差了2t，从而保障了该两路驱动脉冲信号在高电平处的相异性。

电容充放电单元，连接有外部电源，用于对第一驱动脉冲信号和所述第二驱动脉信号进行鉴相，并当判断获知两者中仅一者为高电平时，生成所述驱动信号；

其中，电容充放电模块对两路处理后的脉冲驱动信号进行“鉴相”，即判断两路脉冲驱动信号的相位(包括处于高电平或低电平，以及两路信号是否相反)。只有两路脉冲驱动信号在任一信号的高电平处相位相反，电容充放电模块才输出具有一定功率的直流信号驱动双继电器输出模块，该直流信号由电容充放电模块中的放电电容的放电量达预定值时产生，该电容充放电模块的外接24V电源并不能直接触发驱动信号。

光耦单元，设置在所述开关延时保护单元与所述电容充放电单元之间，用于将所述开关延时保护单元与所述电容充放电单元的所述外部电源隔离，即用于实现FPGA输出的脉冲驱动信号与用于为电容充放电单元供电的24V电压之间的相互隔离，以避免该24V电压造成对开关延时保护单元的损坏。

而且，该安全动态驱动模块还可包括：监测单元M，用于监测电容充放电单元，并将监测信号发送至比较单元，以使得比较单元根据监测信号判断电容充放电单元是否发生故障，并当判断获知发生故障时，向CPU发送故障信息。其中，该监测单元M对于电容充放电单元中的充放电晶体管进行监测，并将监测结果发送至FPGA，若FPGA发现该监测结果连续数次(例如为三次)异常(即压降值不在预定范围内)，则停止输出驱动脉冲信号，同时将故障信息上报给CPU。通过设置该监测单元M能够及时发现充放电晶体管的隐含故障，提高了安全性。

进一步地，上述实施例的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置与执行设备之间通过安全继电器连接，相应地，双继电器输出模块生成的执行指示信号用于使安全继电器的励磁吸引，从而为执行设备提供工作电源供给。

图4为示出了双继电器输出模块与安全继电器之间连接关系的示意图。如图4所示，双继电器输出模块由两个继电器和两个电子开关构成。每个继电器的线包与电子开关串联后构成并联结构，并与安全动态驱动模块连接。该双继电器输出模块的输出端由一个继电器的常闭节点和另一个继电器的常开节点相连构成对称的并联结构。其中，两个电子开关在控制脉冲信号及驱动信号的作用下交替闭合/断开，即实现了由控制脉冲信号和驱动信号控制两个继电器(即J1和J2)的励磁，并通过两个继电器的交替励磁实现对安全继电器(即J3)的励磁，使得继电器抬起，从而为执行设备提供工作电源供给。当双继电器输出模块中的两个继电器停止交替励磁时，则安全继电器J3落下，使执行设备失去工作电压、停止工作。

根据上述实施例的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，由于该安全控制装置以最终控制安全继电器J3能否励磁吸起来控制执行设备的工作电源供给，一旦安全控制装置切断执行设备的工作电源后，即使CPU仍向执行设备传送输出命令数据，执行设备也无法执行命令，其使得在CPU在发出错误命令后或获知执行设备出现故障等时，均能够通过通知安全控制装置来切断执行设备的工作。提高了系统的安全性。

并且，若在比较单元中预置一控制脉冲信号的变换周期(例如为2小时)，还可使得双继电器的状态定时转换，从而能够检测继电器的接点是否发生粘连。

根据本发明的另一方面，还提供了一种二乘二取二安全冗余系统。

图5为本发明二乘二取二安全冗余系统的结构示意图。如图5所示，该二乘二取二安全冗余系统包括相互连接的两个CPU，执行设备，以及分别连接两个CPU和执行设备的、上述任一实施例的安全控制装置。

进一步地，该二乘二取二安全冗余系统还可包括安全继电器J3，其连接在安全控制装置与执行设备之间。

根据上述实施例的二乘二取二安全冗余系统中，当安全控制装置从B1数据线和B2数据线得到CPU1和CPU2发来的输出命令数据后进行比对，当比对一致后，控制双继电器输出模块中的两个继电器J1和J2的励磁，继电器J1和J2的交替励磁控制着安全继电器J3的励磁，而安全继电器J3的接点是控制执行设备工作电源能否供给的条件。当安全继电器J3落下，执行设备失去工作电压将不能工作。因此，安全控制装置以最终控制安全继电器J3能否励磁吸起来控制执行设备的工作电源供给，一但安全控制装置通过安全继电器J3切断执行设备的工作电源后，即使A1通道和A2通道有输出命令数据送给执行设备，该命令也不能最终被执行，这样就防止了CPU1或CPU2有错误发出的命令后也能通过安全控制装置及时阻止错误命令的被执行。另一方面，假如执行设备或A1、A2通道发生故障，不受CPU的直接控制后，CPU可以通过B1数据线、B2数据线把该故障告诉安全控制装置，通过安全控制装置间接控制了执行设备的工作，阻止了有可能导致严重后果的错误输出，实现系统的高安全性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，其特征在于，连接于二乘二取二安全冗余系统的两个中央处理器CPU与执行设备之间，包括：

第一比较模块，用于获取所述两个CPU输出的数据，若比较获知所述两个CPU输出的数据一致，则生成第一驱动脉冲信号和第一控制脉冲信号；

第二比较模块，与所述第一比较模块相同设置，且与所述第一比较模块连接，以生成反向的第二驱动脉冲信号和第二控制脉冲信号；

安全动态驱动模块，分别与所述第一比较模块和所述第二比较模块连接，用于根据从所述第一比较模块和所述第二比较模块获取的驱动脉冲信号生成驱动信号；

双继电器输出模块，分别与所述第一比较模块、所述第二比较模块及所述安全动态驱动模块连接，用于根据从所述第一比较模块和所述第二比较模块获取的控制脉冲信号及从所述安全动态驱动模块获取的驱动信号生成用于支持执行设备进行工作的执行指示信号。

2.根据权利要求1所述的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，其特征在于，所述第一/第二比较模块包括：

存储单元，用于获取并暂存所述两个CPU输出的数据；

比较单元，与所述存储单元连接，用于对经暂存后输出的所述数据进行一致性校验，并当校验结果为一致时，生成所述第一/第二驱动脉冲信号和所述第一/第二控制脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，其特征在于，所述存储单元为先进先出双口存储器。

4.根据权利要求2所述的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，其特征在于，所述比较单元还与所述CPU连接，用于与所述CPU进行故障信息发送和接收。

5.根据权利要求4所述的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，其特征在于，所述比较单元实现在现场可编程门阵列FPGA芯片内部。

6.根据权利要求1～5任一所述的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，其特征在于，所述安全动态驱动模块包括：

开关延时保护单元，用于对从所述第一比较模块和所述第二比较模块接收的互为反向的第一驱动脉冲信号和第二驱动脉冲信号进行脉冲延时整形；

电容充放电单元，连接有外部电源，用于对所述第一驱动脉冲信号和所述第二驱动脉冲信号进行鉴相，并当判断获知两者中仅一者为高电平时，生成所述驱动信号；

光耦单元，设置在所述开关延时保护单元与所述电容充放电单元之间，用于将所述开关延时保护单元与所述电容充放电单元的所述外部电源隔离。

7.根据权利要求6所述的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，其特征在于，所述安全动态驱动模块还包括：

监测单元，用于监测所述电容充放电单元，并将监测信号发送至所述比较单元，以使得所述比较单元根据所述监测信号判断所述电容充放电单元是否发生故障，并当判断获知发生故障时，向所述CPU发送所述故障信息。

8.根据权利要求1～5任一所述的基于二乘二取二安全冗余系统的安全控制装置，其特征在于，所述安全控制装置与所述执行设备之间通过安全继电器连接，相应地，双继电器输出模块生成的所述执行指示信号用于使所述安全继电器的励磁吸起，从而为所述执行设备提供工作电源供给。

9.一种二乘二取二安全冗余系统，其特征在于，包括：相互连接的第一CPU和第二CPU，执行设备，以及分别连接所述第一CPU、所述第二CPU和所述执行设备的、根据权利要求1～8中任一所述的安全控制装置。

10.根据权利要求9所述的二乘二取二安全冗余系统，其特征在于，还包括：安全继电器，连接在所述安全控制装置与所述执行设备之间。

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