導(dǎo)語(yǔ)：電路設(shè)計(jì)與安全性分析一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀(guān)點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：設(shè)計(jì)一種接點(diǎn)型開(kāi)關(guān)量安全采集電路，通過(guò)在采集接口電路上疊加動(dòng)態(tài)編碼信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集電路的周期性檢查，確保采集電路元器件故障時(shí)即時(shí)反應(yīng)，并且通過(guò)后端的軟件邏輯處理導(dǎo)向安全側(cè)狀態(tài)。設(shè)計(jì)的電路應(yīng)用“反應(yīng)式故障-安全原則”和“組合式故障-安全原則”，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器接點(diǎn)狀態(tài)的安全采集。安全性分析表明，此采集電路能夠?yàn)橄到y(tǒng)達(dá)到SIL4級(jí)安全等級(jí)提供保障。

關(guān)鍵詞：信號(hào)繼電器；動(dòng)態(tài)編碼；接點(diǎn)采集；故障導(dǎo)向安全；安全性分析

1概述

鐵路信號(hào)系統(tǒng)是保證列車(chē)安全運(yùn)行的關(guān)鍵裝備，其中，聯(lián)鎖、車(chē)載信號(hào)設(shè)備等需要大量采集繼電器的信息。由于繼電器的粘連、抖動(dòng)等問(wèn)題會(huì)直接導(dǎo)致采集輸入信息的誤判，引起信號(hào)設(shè)備運(yùn)算錯(cuò)誤以及輸出錯(cuò)誤動(dòng)作，帶來(lái)極大的安全隱患，故有必要給出一種高安全性的接點(diǎn)型開(kāi)關(guān)量采集電路方案，并對(duì)這種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行安全性和可靠性分析。對(duì)于一般要求的繼電器接點(diǎn)采集電路，通常使用外部采集電路。信號(hào)經(jīng)繼電器接點(diǎn)后，采集電路使用光耦進(jìn)行接點(diǎn)通斷的采集和電氣隔離，如1所示。而在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中，對(duì)接點(diǎn)采集的安全性要求更高，而以上采集電路中外部接線(xiàn)的混線(xiàn)、隔離光耦的故障均會(huì)導(dǎo)致輸出危險(xiǎn)側(cè)接點(diǎn)狀態(tài)。

2電路設(shè)計(jì)

2.1總體結(jié)構(gòu)。為有效檢測(cè)發(fā)現(xiàn)采集電路中的器件失效，在1電路原理的基礎(chǔ)上，增加動(dòng)態(tài)發(fā)碼電路，并通過(guò)雙路的編碼接收電路和軟件處理，形成具備動(dòng)態(tài)編碼的接點(diǎn)采集電路。采集電路總體結(jié)構(gòu)如2所示。采集電路由CPU動(dòng)態(tài)發(fā)碼、外部繼電器接點(diǎn)、編碼接收、CPU接點(diǎn)狀態(tài)比較和通信輸出等電路組成，形成了完整的閉環(huán)檢查。提出的動(dòng)態(tài)編碼安全采集電路按“反應(yīng)式故障-安全原則”實(shí)現(xiàn)對(duì)采集回路的閉環(huán)檢查，采用雙CPU形成“組合式故障-安全結(jié)構(gòu)”，確保軟件邏輯處理的安全性。為達(dá)到安全性要求，在系統(tǒng)層面需要有明確的接點(diǎn)狀態(tài)安全側(cè)定義，例如，接點(diǎn)斷開(kāi)對(duì)應(yīng)安全側(cè)狀態(tài)。該電路中元器件的故障導(dǎo)向向后級(jí)系統(tǒng)報(bào)告安全側(cè)狀態(tài)。在2電路結(jié)構(gòu)中，接點(diǎn)采集電路由編碼發(fā)送電路、編碼接收采集電路組成。2.2編碼發(fā)送電路。由CPU發(fā)送預(yù)定義的動(dòng)態(tài)編碼信息，經(jīng)隔離光耦（OP1，OP2）對(duì)外輸出至接點(diǎn)CON1，通過(guò)外部接點(diǎn)S1后，回引至CON2進(jìn)入編碼接收采集電路的隔離光耦（OP3，OP4）。實(shí)際使用時(shí)根據(jù)CPU軟件設(shè)計(jì)的要求，IN1和IN2可單周期內(nèi)交替發(fā)碼，也可分開(kāi)在2個(gè)周期分別發(fā)碼。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。（1）外部采集線(xiàn)可能比較長(zhǎng)，如10m～20m，因此CPU的發(fā)碼速率不宜過(guò)高，可控制在10kbps～20kbps，隔離光耦（OP1，OP2，OP3，OP4）一般選用低速光耦即可。由于發(fā)碼速率不高，適合繼電器接點(diǎn)這種動(dòng)作反應(yīng)速度要求不高的場(chǎng)合。如果需要快速采集，可適當(dāng)修改電路元件型號(hào)。（2）當(dāng)實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行多路采集時(shí)，復(fù)制多個(gè)2中的編碼發(fā)送電路、編碼接收采集電路即可。當(dāng)路數(shù)僅有幾路時(shí)，中IN1，IN2，OUT1，OUT2可以用CPU串口的發(fā)送和接收線(xiàn)代替，以簡(jiǎn)化發(fā)碼及接收編碼的時(shí)序控制。當(dāng)路數(shù)較多時(shí)，如8～32路，可在CPU外部增加復(fù)雜可編程邏輯器件，用于發(fā)碼及接收編碼的時(shí)序控制。根據(jù)應(yīng)用要求，一般情況下多路之間可共用采集電源的正負(fù)極。（3）實(shí)際使用時(shí)，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)接點(diǎn)（CON1，CON2）的端口防護(hù)等級(jí)要求，選擇合適的防護(hù)器件。2.3編碼接收采集電路。從外部輸入的編碼信息經(jīng)過(guò)接點(diǎn)（CON1，S1，CON2）后，在隔離光耦（OP3，OP4）上實(shí)現(xiàn)雙路接收輸出（OUT1，OUT2），然后分別進(jìn)入CPU1和CPU2，進(jìn)行軟件邏輯處理。在實(shí)際應(yīng)用中，繼電器在轉(zhuǎn)換接點(diǎn)過(guò)程中接點(diǎn)常會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，因此還需要在后面的CPU軟件中進(jìn)行接點(diǎn)的延遲去抖處理。2.4雙CPU比較和狀態(tài)輸出。在雙CPU軟件邏輯處理中進(jìn)行所采集接點(diǎn)狀態(tài)的一致性比較。具體過(guò)程為：1個(gè)CPU軟件判斷該路發(fā)送、接收的編碼信息是一致的，則初步判斷接點(diǎn)S1是閉合的；同樣的方式，另一個(gè)CPU軟件采集的接點(diǎn)S1狀態(tài)也為閉合狀態(tài)，此時(shí)才可確定接點(diǎn)S1確實(shí)是閉合的，否則認(rèn)為采集到的接點(diǎn)S1是開(kāi)路狀態(tài)。接點(diǎn)S1的開(kāi)路狀態(tài)代表安全側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了故障導(dǎo)向安全。例如，控制信號(hào)機(jī)的接點(diǎn)S1發(fā)生故障，信號(hào)機(jī)將亮紅燈或熄滅，從而引導(dǎo)列車(chē)停車(chē)，這樣就滿(mǎn)足了安全性要求。CPU軟件工作流程如4所示。2.5安全性分析。通過(guò)以上電路原理和工作過(guò)程可以看出，通過(guò)發(fā)送-接收周期性的動(dòng)態(tài)編碼對(duì)外部接點(diǎn)配線(xiàn)、內(nèi)部采集光耦均進(jìn)行了檢查，各個(gè)環(huán)節(jié)的故障均導(dǎo)向安全側(cè)狀態(tài)（接點(diǎn)斷開(kāi)）。運(yùn)用Isograph軟件構(gòu)造故障樹(shù)進(jìn)行分析，并計(jì)算失效率λ。故障樹(shù)分析及失效率計(jì)算過(guò)程如5所示。故障樹(shù)分析結(jié)果顯示，該電路（單路）的失效率λ=2.55×10-14。由于系統(tǒng)采用的是故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)，如果系統(tǒng)的診斷覆蓋率以及共因失效率因子等參數(shù)均能控制在較好的范圍內(nèi)，該設(shè)計(jì)電路能夠?yàn)橄到y(tǒng)達(dá)到SIL（SafetyIntegratedLevel）4級(jí)要求提供設(shè)計(jì)與計(jì)算依據(jù)。2.6簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。2電路的優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)動(dòng)態(tài)發(fā)送-接收對(duì)外部配線(xiàn)和內(nèi)部采集光耦都實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)檢查，安全性高。缺點(diǎn)是每個(gè)采集接點(diǎn)需要輸出-輸入（CON1，CON2）2根配線(xiàn)，當(dāng)路數(shù)很多時(shí)如單板32路，外部配線(xiàn)太多。在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)對(duì)外部混線(xiàn)有其他防護(hù)時(shí)，可對(duì)2電路進(jìn)行適當(dāng)修改以簡(jiǎn)化，采用外部單線(xiàn)采集，動(dòng)態(tài)編碼發(fā)送-接收用于檢查光耦（OP3）內(nèi)側(cè)電路故障，以保證內(nèi)部采集電路的安全性。發(fā)送-接收電路形式簡(jiǎn)化后如6所示。外部采集只需要1根采集線(xiàn)CON2。

3結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的基于動(dòng)態(tài)編碼的接點(diǎn)型開(kāi)關(guān)量安全采集電路，簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠在運(yùn)行時(shí)通過(guò)周期性的自檢來(lái)發(fā)現(xiàn)外部采集線(xiàn)的混線(xiàn)、采集電路內(nèi)部的器件故障，實(shí)現(xiàn)了接點(diǎn)在采集狀態(tài)的故障導(dǎo)向安全。對(duì)電路的安全性分析和計(jì)算表明，該設(shè)計(jì)電路能夠?yàn)橄到y(tǒng)達(dá)到高安全等級(jí)提供有效基礎(chǔ)保障。

作者:李鹍 潘長(zhǎng)清 許波 何宇暉 單位:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所