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摘要：設計一種接點型開關量安全采集電路，通過在采集接口電路上疊加動態編碼信號實現對采集電路的周期性檢查，確保采集電路元器件故障時即時反應，并且通過后端的軟件邏輯處理導向安全側狀態。設計的電路應用“反應式故障-安全原則”和“組合式故障-安全原則”，實現對繼電器接點狀態的安全采集。安全性分析表明，此采集電路能夠為系統達到SIL4級安全等級提供保障。

關鍵詞：信號繼電器；動態編碼；接點采集；故障導向安全；安全性分析

1概述

鐵路信號系統是保證列車安全運行的關鍵裝備，其中，聯鎖、車載信號設備等需要大量采集繼電器的信息。由于繼電器的粘連、抖動等問題會直接導致采集輸入信息的誤判，引起信號設備運算錯誤以及輸出錯誤動作，帶來極大的安全隱患，故有必要給出一種高安全性的接點型開關量采集電路方案，并對這種實現方案進行安全性和可靠性分析。對于一般要求的繼電器接點采集電路，通常使用外部采集電路。信號經繼電器接點后，采集電路使用光耦進行接點通斷的采集和電氣隔離，如1所示。而在鐵路信號系統中，對接點采集的安全性要求更高，而以上采集電路中外部接線的混線、隔離光耦的故障均會導致輸出危險側接點狀態。

2電路設計

2.1總體結構。為有效檢測發現采集電路中的器件失效，在1電路原理的基礎上，增加動態發碼電路，并通過雙路的編碼接收電路和軟件處理，形成具備動態編碼的接點采集電路。采集電路總體結構如2所示。采集電路由CPU動態發碼、外部繼電器接點、編碼接收、CPU接點狀態比較和通信輸出等電路組成，形成了完整的閉環檢查。提出的動態編碼安全采集電路按“反應式故障-安全原則”實現對采集回路的閉環檢查，采用雙CPU形成“組合式故障-安全結構”，確保軟件邏輯處理的安全性。為達到安全性要求，在系統層面需要有明確的接點狀態安全側定義，例如，接點斷開對應安全側狀態。該電路中元器件的故障導向向后級系統報告安全側狀態。在2電路結構中，接點采集電路由編碼發送電路、編碼接收采集電路組成。2.2編碼發送電路。由CPU發送預定義的動態編碼信息，經隔離光耦（OP1，OP2）對外輸出至接點CON1，通過外部接點S1后，回引至CON2進入編碼接收采集電路的隔離光耦（OP3，OP4）。實際使用時根據CPU軟件設計的要求，IN1和IN2可單周期內交替發碼，也可分開在2個周期分別發碼。在實際應用中，還需要考慮以下幾個問題。（1）外部采集線可能比較長，如10m～20m，因此CPU的發碼速率不宜過高，可控制在10kbps～20kbps，隔離光耦（OP1，OP2，OP3，OP4）一般選用低速光耦即可。由于發碼速率不高，適合繼電器接點這種動作反應速度要求不高的場合。如果需要快速采集，可適當修改電路元件型號。（2）當實際應用中需要進行多路采集時，復制多個2中的編碼發送電路、編碼接收采集電路即可。當路數僅有幾路時，中IN1，IN2，OUT1，OUT2可以用CPU串口的發送和接收線代替，以簡化發碼及接收編碼的時序控制。當路數較多時，如8～32路，可在CPU外部增加復雜可編程邏輯器件，用于發碼及接收編碼的時序控制。根據應用要求，一般情況下多路之間可共用采集電源的正負極。（3）實際使用時，還應當根據接點（CON1，CON2）的端口防護等級要求，選擇合適的防護器件。2.3編碼接收采集電路。從外部輸入的編碼信息經過接點（CON1，S1，CON2）后，在隔離光耦（OP3，OP4）上實現雙路接收輸出（OUT1，OUT2），然后分別進入CPU1和CPU2，進行軟件邏輯處理。在實際應用中，繼電器在轉換接點過程中接點常會發生抖動，因此還需要在后面的CPU軟件中進行接點的延遲去抖處理。2.4雙CPU比較和狀態輸出。在雙CPU軟件邏輯處理中進行所采集接點狀態的一致性比較。具體過程為：1個CPU軟件判斷該路發送、接收的編碼信息是一致的，則初步判斷接點S1是閉合的；同樣的方式，另一個CPU軟件采集的接點S1狀態也為閉合狀態，此時才可確定接點S1確實是閉合的，否則認為采集到的接點S1是開路狀態。接點S1的開路狀態代表安全側，從而實現了故障導向安全。例如，控制信號機的接點S1發生故障，信號機將亮紅燈或熄滅，從而引導列車停車，這樣就滿足了安全性要求。CPU軟件工作流程如4所示。2.5安全性分析。通過以上電路原理和工作過程可以看出，通過發送-接收周期性的動態編碼對外部接點配線、內部采集光耦均進行了檢查，各個環節的故障均導向安全側狀態（接點斷開）。運用Isograph軟件構造故障樹進行分析，并計算失效率λ。故障樹分析及失效率計算過程如5所示。故障樹分析結果顯示，該電路（單路）的失效率λ=2.55×10-14。由于系統采用的是故障導向安全設計，如果系統的診斷覆蓋率以及共因失效率因子等參數均能控制在較好的范圍內，該設計電路能夠為系統達到SIL（SafetyIntegratedLevel）4級要求提供設計與計算依據。2.6簡化設計。2電路的優點是，通過動態發送-接收對外部配線和內部采集光耦都實現了閉環檢查，安全性高。缺點是每個采集接點需要輸出-輸入（CON1，CON2）2根配線，當路數很多時如單板32路，外部配線太多。在實際工程應用中，當對外部混線有其他防護時，可對2電路進行適當修改以簡化，采用外部單線采集，動態編碼發送-接收用于檢查光耦（OP3）內側電路故障，以保證內部采集電路的安全性。發送-接收電路形式簡化后如6所示。外部采集只需要1根采集線CON2。

3結語

所設計的基于動態編碼的接點型開關量安全采集電路，簡單實用，能夠在運行時通過周期性的自檢來發現外部采集線的混線、采集電路內部的器件故障，實現了接點在采集狀態的故障導向安全。對電路的安全性分析和計算表明，該設計電路能夠為系統達到高安全等級提供有效基礎保障。

作者:李鹍 潘長清 許波 何宇暉 單位:中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所