黃彥東

摘 要：二乘二取二系統(tǒng)架構(gòu)在軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，雙系熱備冗余是二乘二取二系統(tǒng)的主要功能之一。本文介紹一種光電隔離且具有互鎖功能的雙系倒機(jī)切換電路，并對(duì)其電路原理、安全分析、仿真驗(yàn)證等進(jìn)行了詳細(xì)描述。

關(guān)鍵詞：二乘二取二;雙系熱備;光電隔離;互鎖

目前，國(guó)內(nèi)既有干線鐵路運(yùn)用最多的安全計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用的是二乘二取二冗余結(jié)構(gòu)，其良好的安全性和可靠性已引起國(guó)內(nèi)業(yè)界的廣泛關(guān)注。二乘二取二系統(tǒng)分為I、II雙系，各系內(nèi)部為二取二結(jié)構(gòu)，雙系互為熱備冗余。雙系熱備冗余切換的通常做法是通過(guò)繼電器互鎖或雙機(jī)同步的方式實(shí)現(xiàn)，本文介紹的冗余切換電路主要使用光耦搭建，具有隔離性好，體積小，速度快，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 二乘二取二冗余系統(tǒng)

二乘二取二冗余系統(tǒng)主要是由兩個(gè)二取二系統(tǒng)和雙系切換模塊構(gòu)成， 二取二系統(tǒng)保證了系統(tǒng)的安全性，“二乘”保證了系統(tǒng)的可靠性，雙系的電源供電完全獨(dú)立，這種獨(dú)立性設(shè)計(jì)滿足EN50129標(biāo)準(zhǔn)所要求的物理獨(dú)立性要求，消減了共因失效的影響，使整個(gè)系統(tǒng)能更加安全。下圖是二乘二取二系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

有效，從而形成LOCK_I和LOCK_II信號(hào)的互鎖。當(dāng)LOCK_I信號(hào)有效時(shí)U1和U2 處于關(guān)閉狀態(tài)，CPU1_I_J和CPU2_I_J為高電平;當(dāng)LOCK_II信號(hào)有效時(shí)U11和U12處于關(guān)閉狀態(tài)，CPU1_II_J和CPU2_II_J為高電平。

2 互鎖電路原理

由于二乘二取二系統(tǒng)雙系的供電獨(dú)立性，雙系倒機(jī)模塊需要電汽隔離。下圖為雙系倒機(jī)模塊互鎖電路原理圖，此電路除了具備在雙系運(yùn)行過(guò)程中倒機(jī)功能外，還具有競(jìng)爭(zhēng)表決的功能，可以實(shí)現(xiàn)雙系初始上電時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)“上崗”。

3 仿真驗(yàn)證

仿真工具使用multisim12.0，仿真電路如下圖。

信號(hào)源V1、V3、V2、V4分別模擬I系CPU1、I系CPU2、II系CPU1和II系CPU2的控制信號(hào)，互鎖電路對(duì)I系、II系的判決信號(hào)分別通過(guò)示波器XSC1和XSC2顯示。

3.1 初始化競(jìng)爭(zhēng)

信號(hào)源V1、V2、V3、V4設(shè)置一致，均為初始電平0V，最終電平3.3V步進(jìn)時(shí)間1ms，輸出上升時(shí)間10ns，開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4均閉合，啟動(dòng)電源， 圖4為仿真結(jié)果，顯示互鎖電路判決I系為主系，II系為備系

3.2 冗余切換

信號(hào)源V1輸出上升時(shí)間設(shè)置為20us，V2、V3、V4設(shè)置不變，開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4保持閉合，重啟電源，通過(guò)斷開(kāi)S3模擬II系CPU2的故障，圖5為仿真結(jié)果，顯示II系釋放主系，I系由備系升為主系。

圖中主要隔離器件是數(shù)字光耦，數(shù)字光耦有導(dǎo)通速度快，隔離效果好，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)字光耦保證了I、II系的電汽隔離，降低共因失效的影響。CPU1_I_CS、CPU2_I_CS、CPU1_II_CS、CPU2_II_CS信號(hào)分別為I 系CPU1、I系CPU2、II系CPU1、II系CPU2的控制信號(hào)（高電平有效），用于搶占主系狀態(tài)，LOCK_I和LOCK_II分別為I系和II系的互鎖信號(hào)（低電平有效），CPU1_I_J、CPU2_I_J、CPU1_II_J、CPU2_II_J分別為I系CPU1、I系CPU2、II系CPU1、II系CPU2的判決信號(hào)（高電平判決為主系，低電平判決為備系）。在安全系統(tǒng)中，控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)和判決信號(hào)的采集通常采用動(dòng)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)，在這里不做詳細(xì)描述。當(dāng)LOCK_I有效時(shí)，U8、U10光耦關(guān)斷， U7、U9光耦無(wú)法開(kāi)啟，三極管Q2導(dǎo)通，LOCK_II信號(hào)無(wú)效，U4、U6導(dǎo)通， U3、U5可以被CPU1_I_CS、CPU2_I_CS信號(hào)打開(kāi)，三極管Q1關(guān)閉，從而使LOCK_I信號(hào)持續(xù)有效;當(dāng)LOCK_II有效時(shí)，U4、U6光耦關(guān)斷，U3、U5光耦無(wú)法開(kāi)啟，三極管Q1導(dǎo)通，LOCK_I信號(hào)無(wú)效，U8、U10導(dǎo)通，U7、U9可以被CPU1_II_CS、CPU2_II_CS信號(hào)打開(kāi)，三極管Q2關(guān)閉，使LOCK_II信號(hào)持續(xù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上隔離互鎖電路的原理分析、仿真驗(yàn)證，證明該電路能夠?qū)崿F(xiàn)隔離互鎖的功能，并且具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，速度快，成本低，電汽隔離等特點(diǎn)。應(yīng)用到二乘二取二系統(tǒng)的雙系倒機(jī)模塊中去，既可以實(shí)現(xiàn)雙系初始化過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)“上崗”又可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中的冗余切換。

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