車站信號計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)－原理及應(yīng)用

車站信號計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

------原理及應(yīng)用

徐洪澤編著

（第1版）

中國鐵道出版社

目錄

第一篇原理篇

第1章綜述..................................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

1.1鐵路信號系統(tǒng)...........................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

1.2車站信號控制系統(tǒng)發(fā)展概述..............................錯(cuò)誤！未定義書簽。

第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)...............................錯(cuò)誤！未定義書簽。

2.1車站運(yùn)營及聯(lián)鎖技術(shù)基礎(chǔ).................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

2.2計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ).....................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

2.3現(xiàn)場設(shè)備及其繼電接口電路..............................錯(cuò)誤！未定義書簽。

第3章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)原理....................................................27

3.1車站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)..............................................27

3.2計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的分類及其硬件組成...................................28

3.3計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)軟件功能分解..........................................31

3.4聯(lián)鎖數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)......................................................35

3.5基本聯(lián)鎖控制軟件功能模塊................................................46

3.6其他軟件功能模塊.........................................................53

第4章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)保障.................錯(cuò)誤！未定義書簽。

4.1故障分析...............................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

4.2可靠性基本概念.........................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

4.3聯(lián)鎖控制系統(tǒng)可靠性保障技術(shù)概述........................錯(cuò)誤！未定義書簽。

4.4系統(tǒng)級可靠性保障技術(shù)...................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

4.5設(shè)備級可靠性保障技術(shù)...................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

4.6網(wǎng)絡(luò)通信可靠性保障技術(shù).................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

第5章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)故障-安全保障技術(shù)................錯(cuò)誤！未定義書簽。

5.1故障-安全概述...........................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

5.2車站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的故障一安全保障技術(shù)概述..............錯(cuò)誤！未定義書簽。

5.3系統(tǒng)級故障-安全保障技術(shù)................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

5.4設(shè)備級故障一安全保障技術(shù)..............................錯(cuò)誤！未定義書簽。

5.5I/O通道級故障-安全保障技術(shù).............................錯(cuò)誤！未定義書簽。

5.6信息傳輸?shù)墓收?安全保障技術(shù)............................錯(cuò)誤！未定義書簽。

第6章TYJL系列計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)解析..........................................91

6.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能解析.......................................................91

6.2軟件系統(tǒng)及其功能解析....................................................92

6.3硬件系統(tǒng)及其功能解析....................................................94

2

目錄

6.4系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn).............................................................97

6.5TYJL-TR9型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)...........................................98

第7章DS6系列計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)解析............................................101

7.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能解析......................................................101

7.2軟件系統(tǒng)及其功能解析....................................................102

7.3硬件系統(tǒng)及其功能解析....................................................102

7.4系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)............................................................105

7.5DS6-K5B型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)解析......................................105

第8章JD系列計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)解析.............................................109

8.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能解析......................................................109

8.2軟件系統(tǒng)及其功能解析....................................................110

8.3硬件系統(tǒng)及其功能解析....................................................112

8.4系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)............................................................114

8.5EI32-JD型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)............................................115

第9章CIS-1型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)解析.............................................116

9.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能分析......................................................116

9.2軟件系統(tǒng)及其功能分析....................................................116

9.3硬件系統(tǒng)及其功能分析....................................................118

9.4系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)............................................................120

9.5VPI型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)分析............................................122

第10章地方及廠礦鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)解析.....................................130

10.1JT-DE型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)解析.........................................130

10.2HS2000VSI型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)解析...................................134

10.3其它基于可編程控制器的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)解析...............................136

參考文獻(xiàn)..........................................................................140

3

第1章綜述

第1章綜述

1.1鐵路信號系統(tǒng)

鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)由機(jī)車車輛、鐵道線路、橋梁隧道和站場等基礎(chǔ)設(shè)備組成的龐大系

統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中必須設(shè)有指揮列車運(yùn)行的鐵路信號系統(tǒng)來保證列車按照行車計(jì)劃安全高效

的運(yùn)行。

防止列車沖突的傳統(tǒng)做法是將鐵路劃分成若干段，把在車站之間的各段線路稱作區(qū)間或

閉塞分區(qū)，在區(qū)間的兩端設(shè)置信號機(jī)對區(qū)間進(jìn)行防護(hù)，把車站內(nèi)的線路稱作進(jìn)路，同樣在進(jìn)

路的兩端設(shè)置信號機(jī)予以防護(hù)。在開放防護(hù)進(jìn)路的信號前要檢查進(jìn)路是否空閑，進(jìn)路中的道

岔位置是否正確，以及該進(jìn)路是否和其它進(jìn)路發(fā)生沖突等。只有在確定進(jìn)路空閑、道岔位置

正確并鎖閉、可能發(fā)生沖突的進(jìn)路沒有辦理并L1鎖閉的條件下，信號才能開放，允許列車駛

入。

可見，為了保證行車安全，信號、道岔與進(jìn)路之間必須保持一定的制約關(guān)系和操作順序,

常稱這種制約關(guān)系和操作順序?yàn)槁?lián)鎖。因此，又把車站信號系統(tǒng)稱為車站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。

1.2車站信號控制系統(tǒng)發(fā)展概述

1.2.1發(fā)展歷史

從1825年9月27日第一條鐵路在英國誕生以來，安全與效率就成為鐵路運(yùn)輸所面臨的

主要問題。為了在保證運(yùn)輸安全的前提下提高運(yùn)輸效率，1830年出現(xiàn)了鐵路信號，并于1856

年第一套簡單的機(jī)械式車站聯(lián)鎖控制設(shè)備誕生。機(jī)械聯(lián)鎖是最古老的聯(lián)鎖方式，在機(jī)械聯(lián)鎖

中，信號機(jī)與道岔的控制桿相互鎖閉，聯(lián)鎖關(guān)系遵循因果關(guān)聯(lián)原則或者相關(guān)進(jìn)路原則。隨著

鐵道運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展以及技術(shù)的進(jìn)步，車站聯(lián)鎖控制設(shè)備逐步發(fā)展成集中式機(jī)械聯(lián)鎖控制

系統(tǒng)，并在將近70年內(nèi)一直占主導(dǎo)地位。

1927年基于布線邏輯的繼電聯(lián)鎖控制系統(tǒng)問世。與機(jī)械聯(lián)鎖不同的是，繼電聯(lián)鎖的聯(lián)鎖

邏輯由繼電電路實(shí)現(xiàn)，道岔和信號機(jī)不再由控制桿控制。操作員按壓進(jìn)路的始端終端按鈕發(fā)

出選路命令后，繼電聯(lián)鎖控制系統(tǒng)將自動(dòng)完成道岔和信號機(jī)安全控制。

繼電聯(lián)鎖控制系統(tǒng)由不對稱的重力式安全型繼電器構(gòu)成，該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了安全聯(lián)鎖

功能，并且在故障狀態(tài)下能夠保證控制系統(tǒng)的安全性，同時(shí)提高了作業(yè)效率。經(jīng)過不斷完善,

2

第1章綜述

繼電聯(lián)鎖控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，直到近80年后的今天，它在我國鐵路系統(tǒng)中仍占重要

地位。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀(jì)60年代人們開始嘗試采用電子器件取代繼電器來構(gòu)成

鐵路信號電子聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。1978年，由瑞典研制的世界上第一套計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)在瑞

典哥德堡站的成功應(yīng)用，掀開了車站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用的新篇章，隨后，各國競相開

發(fā)研究計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，到了90年代不少國家已開始大面積推廣計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代鐵道科學(xué)研究院、鐵道部通信信號總公司研究設(shè)計(jì)院、北方交通大學(xué)等科

學(xué)研究機(jī)構(gòu)相繼展開了計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的研制工作。1984年鐵道部通信信號總公司研究

設(shè)計(jì)院研制生產(chǎn)出了國內(nèi)第一個(gè)車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用于地方鐵路，填補(bǔ)

了我國計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的空白。1989年鐵道科學(xué)研究院研制生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

在鄭州北編組站開通使用，使計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)首次應(yīng)用于國有鐵路。1994年鐵道科學(xué)研

究院、鐵道部通信信號總公司研究設(shè)計(jì)院研制的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)分別在哈爾濱鐵路局平

房站和上海鐵路局交通站開通使用，這是我國鐵路首次將國產(chǎn)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備用于鐵路客

貨列車通過的車站。

冶金等其他行業(yè)的一些科研單位也對計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用研究，并取得了一

定的成果。

1.2.2計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

目前廣泛使用的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是電氣聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，即繼電聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。繼電聯(lián)鎖控

制系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高，但是存在著功能不夠完善，功耗大，成本高，

占地面積大等缺點(diǎn)。下面就結(jié)合繼電聯(lián)鎖控制系統(tǒng)從性能、經(jīng)濟(jì)等方面對計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系

統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行描述。

1.優(yōu)點(diǎn)：

（1）性能方面：

①與繼電聯(lián)鎖控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工工作量大大減小，并且

系統(tǒng)可以方便地增加新功能，使得系統(tǒng)功能進(jìn)一步完善。

②計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)提供現(xiàn)代化的聲、像、圖文顯示，人機(jī)交互的功能更加完善，內(nèi)

容更豐富，信息量更大，工作效率更高。

③計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)采取了必要的技術(shù)措施以后，系統(tǒng)的可靠性和安全性將更高；

⑵經(jīng)濟(jì)方面：

①隨著電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的性能價(jià)格比更高，使得大站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖

控制系統(tǒng)的價(jià)格低于電氣集中聯(lián)鎖控制系統(tǒng)；

②采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)可以省去干線電纜，大幅降低工程造價(jià);

3

第1章綜述

~③體積小、占地面積小，且隨車站規(guī)模增大，面積節(jié)省更為顯著;

④安裝費(fèi)、運(yùn)營費(fèi)及維修費(fèi)大幅度減少。

⑶維護(hù)方面：

①計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的維修工作量小，且具有自診斷、故障定位功能，降低了維護(hù)難

度并可通過遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷。

②繼電部分結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)，而且繼電器用量少，減少繼電器檢修工作量；

（4）其它方面：

①計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)便于聯(lián)網(wǎng)，為鐵路信號系統(tǒng)向智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展創(chuàng)造了條

件，通過與列車控制系統(tǒng)、運(yùn)行圖管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可根據(jù)調(diào)度計(jì)劃實(shí)現(xiàn)進(jìn)路程序控制，通過

與旅客向?qū)Х?wù)系統(tǒng)、車次號跟蹤系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可構(gòu)成全方位的計(jì)算機(jī)綜合控制、管理系統(tǒng)，

增強(qiáng)了運(yùn)輸調(diào)度指揮自動(dòng)化、智能化水平；

2.存在如下不足：

①計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)應(yīng)用大量的電子元件，需在抗電磁干擾及防止雷害等方面采取防

護(hù)措施。

②計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯的聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)?旦出現(xiàn)硬件故障影響面積會(huì)很

大，甚至使系統(tǒng)不能工作。因此計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)需要采取必要的措施來提高可靠性和可

用性。

1.2.3現(xiàn)狀及前景

目前，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)己處于實(shí)用階段，隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，系統(tǒng)的性能也在不

斷提高。我國的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)主要采用由通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成的雙機(jī)熱備系統(tǒng),

少部分采用了由國外專用機(jī)組成的雙機(jī)及多機(jī)系統(tǒng)。目前，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)已裝備了國

鐵近千個(gè)車站。

國外的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)大多采用硬件冗余比較表決方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障安全，并采

用雙重或三重系統(tǒng)不停頓故障重組技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性和可用性，形成了系列化產(chǎn)品，具

代表性的有瑞典的EBILOCK系列、德國的SIMIS系列、英國的SSI系列、法國的SELMIS

系列、美國的VPI系列及日本的SMILE系列計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。

由于采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)將成為綜合行車指揮控

制系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備和重要組成部分。系統(tǒng)通過各種制式的通信網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)多層次控制，使控

制范圍擴(kuò)大，即可由一個(gè)樞紐站控制周邊的若干站及區(qū)間的道岔控制點(diǎn)，既優(yōu)化了控制，又

減少了投資和運(yùn)營成本。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)通過與運(yùn)行圖管理系統(tǒng)，旅客向?qū)Х?wù)系統(tǒng)、

車次號跟蹤系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可構(gòu)成全方位的計(jì)算機(jī)綜合控制、管理系統(tǒng)。

總之，鐵路信號計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)將向低成本、高效率、高安全、高可靠及信息化、

4

第1章綜述

智能化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合自動(dòng)化的方向發(fā)展。

5

第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)是鐵路信號技術(shù)、電子及計(jì)算機(jī)測控技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)以

及可靠性安全性技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，因此，學(xué)習(xí)和研究計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)必須對以下內(nèi)

容有所了解：

（1）車站作業(yè)的技術(shù)規(guī)范，它是研究系統(tǒng)的基礎(chǔ)和根本：

（2）鐵路車站信號的聯(lián)鎖技術(shù)，它是車站作業(yè)的技術(shù)規(guī)范的具體體現(xiàn)，是動(dòng)作道岔和信

號、建立進(jìn)路必須遵循的條件和程序，是車站信號自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容。

（3）可靠性及安全性保障技術(shù)，可靠性是指系統(tǒng)應(yīng)在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完

成規(guī)定的功能。安全性則是指系統(tǒng)在運(yùn)行過程中無論發(fā)生任何變故都不應(yīng)產(chǎn)生危及行車安全

的因素。

（4）現(xiàn)場接口設(shè)備的控制及狀態(tài)檢測接口技術(shù)。

（5）電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制與通信技術(shù)，它們是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

必要的技術(shù)手段。

本章將就上述技術(shù)問題進(jìn)行簡單的描述。

2.1車站運(yùn)營及聯(lián)鎖技術(shù)基礎(chǔ)

車站是鐵路辦理客貨轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)的基地。它除了有與區(qū)間直接連通的正線外，還配有到發(fā)線、

調(diào)車線、牽出線、貨物線等線路。這些線路用道岔連接起來，使得列車或調(diào)車車列能夠從一

條線路轉(zhuǎn)到另一條線路。車站匕道岔匯聚的地方稱作車站的咽喉區(qū)。車站的技術(shù)作業(yè)可分為

列車作業(yè)和調(diào)車作業(yè)兩類。無論是列車作業(yè)還是調(diào)車作業(yè)，都是指車列由某一指定地點(diǎn)運(yùn)行

到另一指定地點(diǎn)。

無論是列車進(jìn)路還是調(diào)車進(jìn)路，它們的控制過程基本上是?樣的。進(jìn)路控制過程可分成

進(jìn)路建立和進(jìn)路解除兩個(gè)階段。進(jìn)路建立階段是指從車站操作人員開始辦理進(jìn)路，到該進(jìn)路

建立，防護(hù)該進(jìn)路的信號機(jī)開放：進(jìn)路解除階段是指從列車或車列駛?cè)脒M(jìn)路，到出清進(jìn)路中

全部道岔區(qū)段，為了提高車站作業(yè)效率，通常逐段解鎖進(jìn)路中的軌道區(qū)段。

1.建立進(jìn)路階段

建立進(jìn)路階段又可以分解成若干小的階段。其中，操作階段是由人工辦理的；其它階段

由聯(lián)鎖控制系統(tǒng)自動(dòng)完成。主要分為以下兒個(gè)階段：①人員操作階段，排列一條進(jìn)路；②選

路階段，選出相應(yīng)的進(jìn)路；③道岔位置確認(rèn)階段，確認(rèn)與該進(jìn)路有關(guān)的道岔位置符合進(jìn)路要

6

第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

求，否則轉(zhuǎn)到預(yù)期的位置；④進(jìn)路鎖閉階段，在道岔位置符合要求、進(jìn)路空閑、敵對進(jìn)路未

建立的條件下，將道岔和敵對進(jìn)路鎖閉，使道岔不能再轉(zhuǎn)換、敵對進(jìn)路不能建立；⑤開放信

號階段，在進(jìn)路鎖閉后開放信號機(jī)：⑥信號保持階段，在信號機(jī)開放期間還需不斷地檢查進(jìn)

路空閑和道岔狀態(tài)，一旦聯(lián)鎖條件不能滿足，應(yīng)使信號機(jī)立即關(guān)閉。

2.解除進(jìn)路階段

解除進(jìn)路就是解除已建立進(jìn)路的鎖閉狀態(tài)，包括解除對道岔和敵對進(jìn)路的鎖閉。在信號

開放后，當(dāng)車列已接近進(jìn)路，若此時(shí)進(jìn)路錯(cuò)誤地解鎖了，進(jìn)路中的道岔就可以轉(zhuǎn)換，敵對進(jìn)

路也可能建立，就有可能發(fā)生脫軌或沖撞事故。

根據(jù)解鎖的條件和時(shí)機(jī)，有5種進(jìn)路解鎖方式，即取消進(jìn)路、正常解鎖、故障解鎖、非常

解鎖以及中途返回解鎖。

2.2計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)

典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成如圖2.2」所示，下面分別對計(jì)算機(jī)控制中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡

要地介紹。

圖2.2.1計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的硬件組成框圖

2.2.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

過程控制是計(jì)算機(jī)一個(gè)很重要的應(yīng)用領(lǐng)域.下面就從硬件和軟件兩個(gè)方面對工業(yè)控制計(jì)

算機(jī)的結(jié)構(gòu)作簡單介紹。

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

1.硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要是由主機(jī)、外部設(shè)備、過程輸入輸出設(shè)備和通信設(shè)備等組成。

（1）主機(jī)

中央處理器（CPU）和內(nèi)存儲(chǔ)器（RAM,ROM）構(gòu)成的主機(jī)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。主機(jī)

根據(jù)輸入設(shè)備送來的各種實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)工作狀況的信息，以及預(yù)定的算法，自動(dòng)地進(jìn)行信息

處理和運(yùn)算，并通過輸出設(shè)備發(fā)送控制命令等。

（2）內(nèi)部總線和外部總線

內(nèi)部總線是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部各組成部分進(jìn)行信息傳送的公共通道，外部總線是工業(yè)

控制計(jì)算機(jī)與其它計(jì)算機(jī)和智能設(shè)備進(jìn)行信息傳送的公共通道。由于總線的內(nèi)容非常豐富，

將在2.2.3節(jié)對內(nèi)部總線和外部總線作更詳細(xì)地介紹。

（3）人一機(jī)接口

人一機(jī)接口是一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，即由標(biāo)準(zhǔn)的PC鍵盤、顯示器和打印機(jī)等組成。

（4）系統(tǒng)支持功能

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)支持功能主要包括如下部分；

①監(jiān)控定時(shí)器：俗稱“看門狗”（Watchdog）。其主要作用是當(dāng)系統(tǒng)因干擾或軟故障等原因

出現(xiàn)異常時(shí)，如“飛程序”或程序進(jìn)入死循環(huán)，可以使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的

可靠性。

②電源掉電檢測：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行過程中如出現(xiàn)電源掉電故障，應(yīng)及時(shí)

發(fā)現(xiàn)并保護(hù)當(dāng)時(shí)的重要數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)各寄存器的狀態(tài)，一旦上電后，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)能從斷

電處繼續(xù)運(yùn)行。

③保護(hù)重要數(shù)據(jù)的后備存儲(chǔ)器：Watchdog和掉電檢測功能均要有能保存重要數(shù)據(jù)的后備

存儲(chǔ)器。后備存儲(chǔ)器通常容量不大，它能在系統(tǒng)掉電后保證所存數(shù)據(jù)不丟失，故通常采用后

備電池的存儲(chǔ)器。為了保護(hù)數(shù)據(jù)不丟失，在系統(tǒng)的存儲(chǔ)器工作期間，后備存儲(chǔ)器應(yīng)處于上鎖

狀態(tài)。

④實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘；在實(shí)際控制中系統(tǒng)往往要有事件驅(qū)動(dòng)和時(shí)間驅(qū)動(dòng)的能力。一種情況是

在某時(shí)刻設(shè)置某些控制功能，屆忖工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行；另種情況是工業(yè)控制計(jì)算

機(jī)應(yīng)能自動(dòng)記錄某個(gè)動(dòng)作是在何時(shí)發(fā)生的。所有這些都要求必須配備實(shí)時(shí)時(shí)鐘，且能在掉電

后仍然正常工作。

（5）磁盤系統(tǒng)

磁盤系統(tǒng)可以用半導(dǎo)體虛擬磁盤，也可以配通用的軟盤、硬盤和光盤等。

（6）輸入輸出通道

輸入輸出通道是設(shè)置在工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過程之間的傳遞和變換信息的連接通道。它包

括模擬量輸入（AI）通道、模擬量輸出（A0）通道、數(shù)字量（或開關(guān)量）輸入（D1）通道、數(shù)字量（或開

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

關(guān)量）輸出（DO）通道，它有兩個(gè)作用，其一是將生產(chǎn)過程中的信息變換成主機(jī)能夠接受和識別

的代碼；其二是將主機(jī)輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，經(jīng)變換后作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電氣開關(guān)的控制信

號。

2.軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件只能構(gòu)成裸機(jī)，它只為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。裸機(jī)只

是系統(tǒng)的能干，既無思維，又無知識和智能，因此必須為裸機(jī)提供或研制軟件，才能把人的

思維和知識用于對生產(chǎn)過程的控制。軟件的優(yōu)劣不僅關(guān)系到硬件功能的發(fā)揮，而且也關(guān)系到

計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)的控制品質(zhì)和管理水平。軟件內(nèi)容豐富、種類繁多，通常根據(jù)軟件用途可將其

分為系統(tǒng)軟件、支持軟件和和應(yīng)用軟件三個(gè)部分。

（1）系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是管理、控制和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件資源與軟件資源的程序集合，包括實(shí)時(shí)多

任務(wù)操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序，如美國Intel公司推出的iRMX86和美國WindRiver

公司推出的VxWorks等實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，美國ReadySystem公司推出的嵌入式實(shí)時(shí)多任

務(wù)操作系統(tǒng)VRTX/OS。除了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)以外，常常也可以使用MS-DOS和Windows

等系統(tǒng)軟件。

系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行不可缺少的，其中一些系統(tǒng)軟件程序在計(jì)算機(jī)出廠忖直接寫

入ROM芯片，例如，系統(tǒng)引導(dǎo)程序、基本輸入輸出系統(tǒng)（BIOS）、診斷程序等。有些則直接

安裝在計(jì)算機(jī)的硬盤中，如操作系統(tǒng)。

（2）支持軟件

支持軟件包括匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序等。

（3）應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對某個(gè)生產(chǎn)過程而編制的控制和管理程序。它包括過程輸入

程序、過程控制程序、過程輸出程序、人一機(jī)接口程序、打印顯示程序和公共子程序等，如

聯(lián)鎖程序。

隨著硬件技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對軟件也提出了更高的要求。只有軟件和硬

件相互配合，才能發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，研制出具有更高性能價(jià)格比的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

2.2.2數(shù)據(jù)通信技術(shù)

數(shù)據(jù)通信是工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)和分散型測控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。不同系統(tǒng)或不同計(jì)算機(jī)之間的

通信主要采用并行通信或串行通信兩種方式。并行數(shù)據(jù)通信是指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送，可以

用字并行傳送，也可以用字節(jié)并行傳送，顯然，并行傳送的速度高，但傳送的距離很短，通

常小于10m；串行數(shù)據(jù)通信是數(shù)據(jù)一位一位順序傳送，因此不同系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)之間只用很少

的幾條信號線即可完成數(shù)據(jù)交換，顯然，串行傳送的速度低，但傳送的距離很長，通?？蛇_(dá)

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

兒十至幾千米，甚至更遠(yuǎn)。本節(jié)主要討論串行通信方式。

1.串行通信方式

串行通信方式主要有單工通信、半雙工通信和全雙工通信三種。

(1)單工通信

單工方式是通信線的一端接發(fā)送器，另一端連接收器，數(shù)據(jù)只能按照一個(gè)固定的方向傳

送，而不能進(jìn)行相反方向的傳送。

(2)半雙工通信

半雙工方式是通信線的兩端各自接有發(fā)送器和接收器，數(shù)據(jù)可以雙向傳送，但在同一時(shí)

刻只限于向一個(gè)方向傳送。

(3)全雙工通信

如將數(shù)據(jù)傳送線改為兩根，每一根負(fù)責(zé)一個(gè)方向傳送數(shù)據(jù)，就可以在同一時(shí)刻既發(fā)送數(shù)

據(jù)，又接收數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于把兩個(gè)相反方向的單工通信方式組合在一起。

2.信號的傳輸方式

(1)基帶傳輸

基帶傳輸就是在數(shù)字通信的信道上直接傳輸數(shù)據(jù)的基帶信號，即按數(shù)據(jù)波的原樣進(jìn)行傳

輸，不包含有任何調(diào)制，它是最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式?；鶐ЬW(wǎng)的數(shù)據(jù)速率范圍為0~10Mbps,

線路工作方式只能為半雙工方式或單工方式。

(2)載波傳輸

載波傳輸是采用數(shù)字信號對投波進(jìn)行調(diào)制后再實(shí)行傳輸。最基本的調(diào)制方式有幅度鍵控

(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)三種。

(3)寬帶網(wǎng)

隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)、文字、語音、圖像等多種信號的任務(wù)愈

來愈重，于是，提出了寬帶網(wǎng)傳輸?shù)囊蟆拵ЬW(wǎng)可劃分為多條基帶信道，提供良好的通信

路徑，數(shù)據(jù)速率范圍為0~400Mbps。

(4)異步傳輸模式ATM(asynchronoustransfermode)

ATM是一種新的傳輸與交換數(shù)字信息技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)。它支持多媒

體信息，包括數(shù)據(jù)、語音和視頻信號，按需分配頻帶，具有低延遲特性，速率可達(dá)155Mbps

到2.4Gbps,也有25Mbps和50Mbps的ATM技術(shù)，可用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。

2.2.3總線接口技術(shù)

任何?個(gè)微處理器都要與一定數(shù)量的部件和外圍設(shè)備連接，但如果將各部件和每一種外

圍設(shè)備都分別用一組線路與CPU直接連接，那么連線將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。為了簡

化硬件電路設(shè)計(jì)、筒化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐罚c各部件和外圍

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，尤其制

定了統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)則容易使不同設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互連。

計(jì)算機(jī)總線的種類很多，并在不斷地發(fā)展和完善，下面僅對工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中常用的內(nèi)

部總線和外部總線加以介紹。

1.內(nèi)部(系統(tǒng))總線

內(nèi)部總線(I-BUS)又稱“系統(tǒng)總線”或“板級總線”，是通用微型計(jì)算機(jī)和測控系統(tǒng)計(jì)

算機(jī)內(nèi)部所特有的總線。計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線一般都是并行總線，系統(tǒng)總線是各種模板進(jìn)行信

息傳送的通路，把測控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種模板插件連接起來，就構(gòu)成了完整的計(jì)算機(jī)測控系

統(tǒng)。常用的內(nèi)部總線有STD總線、ISA總線、PCI總線、VME總線等。

(1)STD總線

STD總線是一個(gè)面向工業(yè)控制的微型計(jì)算機(jī)總線，它定義了8位微處理器總線標(biāo)準(zhǔn)，近

年來又定義了STD32總線標(biāo)準(zhǔn)。

(2)ISA總線

ISA(industrialstandardarchitecture)總線標(biāo)準(zhǔn)是IBM公司為推出PC/AT機(jī)而建立的系統(tǒng)

總線標(biāo)準(zhǔn)，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴(kuò)展，以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在

80286至80486時(shí)代應(yīng)用非常廣泛，以至于現(xiàn)在的奔騰機(jī)中還保留有ISA總線插槽。

(3)VME總線

該總線結(jié)構(gòu)是為其各種模塊之間的接口和充分發(fā)揮16/32位的微處理器MC68000的功能

而設(shè)計(jì)的。VME總線是一種性能極高的開放式總線。

(4)PCI總線

PCI(peripheralcomponentinterconnect)總線是當(dāng)前最流行的總線之一，它是由Intel公司

推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴(kuò)展為64位。與VESA、ISA總線相比，

PCI總線的功能有了極大的改善，它支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率可達(dá)132MB/S,并可同

時(shí)支持多組外圍設(shè)備。雖然PCI局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA(microchannel

architecture)總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。

(5)CompactPCI

CompactPCI的意思是“堅(jiān)實(shí)的PCI”，是當(dāng)今第個(gè)采用無源總線底板結(jié)構(gòu)的PCI系統(tǒng),

是PCI總線的電氣和軟件標(biāo)準(zhǔn)加歐式卡的工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)今最新的一種工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

CompactPCI是在原來PCI總線基礎(chǔ)上改造而來，它利用PCI的優(yōu)點(diǎn)，提供滿足工業(yè)環(huán)境應(yīng)用

要求的高性能核心系統(tǒng)，同時(shí)還考慮充分利用傳統(tǒng)的總線產(chǎn)品，如ISA、STD,VME或PC/104

來擴(kuò)充系統(tǒng)的I/O和其他功能。

除此之外，常用的內(nèi)部總線還有EISA總線和VESA總線等，這里不再詳述。

2.外部總線

外部總線(E-BUS)又稱“通信總線”，它是微機(jī)系統(tǒng)之間或是微機(jī)系統(tǒng)與其它系統(tǒng)(儀

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

器、儀表、控制裝置)之間傳輸信息的通路，常借用其他領(lǐng)域己有的總線標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)的外

部總線通常分為并行總線和串行總線兩種。

(1)RS-232-C總線

RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一種串行物理

接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，在多數(shù)情

況下主要使用主通道，對于一?般的雙工通信，僅需幾條信號線就可實(shí)現(xiàn)，如?條發(fā)送線、一

條接收線及一條地線。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受

此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，最大通信距離為15m；傳輸距離短的另一

原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題,因此搬用于20m

以內(nèi)的通信。

(2)RS-485總線

在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平

衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測

低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任

何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點(diǎn)

互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，最多允許并

聯(lián)32臺驅(qū)動(dòng)器和32臺接收器。

(3)IEEE-488總線

上述兩種外部總線是串行總線，而IEEE-488總線是并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE-488總線

可用來連接系統(tǒng)如微計(jì)算機(jī)、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備及其他儀器儀表均可用IEEE-488

總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀

器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設(shè)備。最大傳輸距離為

20米，信號傳輸速度一般為500KB/S,最大傳輸速度為IMB/s。

2.2.4工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

計(jì)算機(jī)為用戶提供了分散而有效的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算能力。但在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)和以

計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的智能設(shè)備除了處理本身'也務(wù)之外，往往還要求能與其它計(jì)算機(jī)溝通信息，共

享資源，協(xié)同工作，于是，出現(xiàn)了用通信線路將各計(jì)算機(jī)連接起來的計(jì)算機(jī)群，以實(shí)現(xiàn)資源

共享和作業(yè)分布處理，這就是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的成熟和普及，協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，

以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入了工業(yè)控制領(lǐng)域并迅速地發(fā)展了起來。

1.網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中的各臺計(jì)算機(jī)、設(shè)備之間相互連接的方式。常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有以下

三種：星形、環(huán)形和總線形。

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

星形環(huán)形總線形

圖2.2.2常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）星形結(jié)構(gòu)

星形結(jié)構(gòu)是將分布于各處的多個(gè)站連到處于中心位置的主結(jié)點(diǎn)匕任何兩個(gè)站之間的通

信都要通過主結(jié)點(diǎn)，主結(jié)點(diǎn)集中來自各分散站的信息，再把集中到主結(jié)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)

的站。星形結(jié)構(gòu)屬于集中型網(wǎng)絡(luò)，易于將信息流匯集起來，從而提高了全網(wǎng)絡(luò)的信息處理效

率，適用于各站之間信息流量較大的場合，但是可靠性較低，如果主結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，將影響

全網(wǎng)絡(luò)的通信。

（2）環(huán)形結(jié)構(gòu)

環(huán)形結(jié)構(gòu)的每個(gè)站都是通過結(jié)點(diǎn)（或稱中繼器）連接到環(huán)形網(wǎng)上，通過逐個(gè)結(jié)點(diǎn)傳遞來

達(dá)到線路共用，網(wǎng)上信息單方向圍繞著線路進(jìn)行循環(huán)（順時(shí)針或反時(shí)針）。環(huán)形拓?fù)鋵儆诜稚?/p>

型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)上結(jié)點(diǎn)是相對簡單的信息接收和發(fā)送的中繼器。環(huán)形網(wǎng)的信號經(jīng)每個(gè)結(jié)點(diǎn)整形、

放大后再傳送，不但傳送距離遠(yuǎn)，而且能保證信號質(zhì)量。但是因?yàn)樗枪灿猛ㄐ啪€路，所以

不適用于信息流量大的場合。

（3）總線形結(jié)構(gòu)

總線形結(jié)構(gòu)采用了一條開環(huán)無源的電纜作為公共通信總線，所有的站都通過相應(yīng)的硬件

接口直接掛在總線匕如圖2.2.2所示。任何一個(gè)站的信息采用廣播式沿總線傳輸，所有其它

站都能接收?？偩€形結(jié)構(gòu)屬于分散型網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)靈活，易于擴(kuò)展。由于采用無源傳輸總線,

一個(gè)站的故障不會(huì)影響其它站的工作，可靠性高?？偩€形結(jié)構(gòu)的使用是最普遍的。

除了上述三種基本結(jié)構(gòu)外，還有網(wǎng)形結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)以及各種混合形結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)相

對比較復(fù)雜，信息的傳輸可能有多條路徑。

2.介質(zhì)訪問控制技術(shù)

介質(zhì)訪問控制方式有三種，載波監(jiān)聽多路訪問/沖突監(jiān)測（CSMA/CD）方式、令牌環(huán)（Token

Ring）方式、令牌總線（TokenBus）方式。

CSMA/CD方式采用隨機(jī)訪問技術(shù)的競爭型訪問方法。在輕負(fù)載下，網(wǎng)絡(luò)利用率高，但隨

著負(fù)載的增加，由于傳輸沖突的增加，網(wǎng)絡(luò)利用率會(huì)明顯下降。該方式適合于結(jié)構(gòu)簡單、負(fù)

載輕、時(shí)實(shí)性低的網(wǎng)絡(luò)。

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

令牌環(huán)局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)置一個(gè)令牌在網(wǎng)內(nèi)循環(huán)傳送，任何站點(diǎn)僅能在令牌通過該站時(shí)獲得令

牌，并將令牌從空標(biāo)志改為滿標(biāo)志，接著才能將信息發(fā)到環(huán)路上。令牌環(huán)方式當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輕負(fù)載

時(shí)效率較低，重負(fù)載時(shí)效率提高，該方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易擴(kuò)展。

令牌總線方式在物理總線上建立了一個(gè)邏輯環(huán)，物理上是總線網(wǎng)，邏輯上是環(huán)形網(wǎng)。和

令牌環(huán)一樣，在令牌總線中的站點(diǎn)只有獲得令牌才能發(fā)送信息，因而不會(huì)發(fā)生沖突。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)

重載時(shí)，采用令牌總線方式可大大提高網(wǎng)絡(luò)利用率，該方式適合于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

2.2.5現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的

系統(tǒng)。目前較流行的現(xiàn)場總線主要有以下五種CAN、PROFIBUS、Lonworks、HART和FF。

1.控制器局部網(wǎng)（CAN）

CAN總線最早由德國Bosch公司推出，是用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信

協(xié)議。其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，并且廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。

它也是基于OSI模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，提

高了實(shí)時(shí)性。其節(jié)點(diǎn)設(shè)有優(yōu)先級，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)以及廣播模式通信。各節(jié)點(diǎn)可隨

時(shí)發(fā)送消息。傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率與總線長度有關(guān)。CAN總線采用短消息報(bào)文，每

一幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。

2.PROFIBUS總線

PROFIBUS是符合德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50179的現(xiàn)場總線，包括

PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物

理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及應(yīng)用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。

主站對總線具有控制權(quán)，主站間通過傳遞令牌來傳遞對■總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，

可向從站發(fā)送、獲取信息。PROF1BUS-DP可用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工

自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS型適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而PA型則可用

于過程自動(dòng)化領(lǐng)域。

3.LonWorks

LonWorks是美國Echelon公司于1992年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò),最初主要用于樓宇自動(dòng)化,

但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)，現(xiàn)有3000多家公司支持并開發(fā)基于這?技術(shù)的產(chǎn)品。它采用了OSI

參考模型全部的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。LonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。

Neuron芯片可實(shí)現(xiàn)完整的LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。其上集成有三個(gè)8位CPU,一個(gè)

CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱為介質(zhì)訪問處理器：一個(gè)CPU是應(yīng)用處理器，運(yùn)

行操作系統(tǒng)與用戶代碼；還有一個(gè)CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，作為前兩者的中介，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)變量尋

址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡(luò)通信管理等。由神經(jīng)芯片構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行對等通信。

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

LonWorks支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活。LonWorks的應(yīng)用范圍主要

包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有較優(yōu)越的性能。

4.HART

HART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議。它是用于現(xiàn)場智能儀表和控

制室設(shè)備間通信的一種協(xié)議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。HART通

信可以有點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，

其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中

的過渡產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大的份

額。

5.FF

基金會(huì)現(xiàn)場總線FF是在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持并具有良好發(fā)展前景的一種技術(shù)。

其前身是以美國Fisher—Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公

司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首,聯(lián)合歐洲等地150家公司制定的WorldFIP協(xié)議。

這兩大集團(tuán)于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會(huì)，致力于國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議

的開發(fā)。

基金會(huì)現(xiàn)場總線分為H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps,通信距

離可達(dá)1.9km,可支持總線供電和本質(zhì)安全防暴環(huán)境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps

兩種，通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可為雙絞線、光纜和無線，其傳輸信號采用

曼切斯特編碼?；饡?huì)現(xiàn)場總線以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈

路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動(dòng)

化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。

FF總線包括FF通信協(xié)議、ISO模型中的2?7層通信協(xié)議的通棧、用于描述設(shè)備特性及操作

接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典，用于實(shí)現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換的應(yīng)用功能塊,

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)管理功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。

將現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)底層生產(chǎn)與上層管理的緊密集成，已成為一種趨勢。

2.2.6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

1.集中式數(shù)字控制系統(tǒng)

集中式數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC,DirectDigitalControl)在20世紀(jì)七八十年代占主導(dǎo)地位。它

采用單-片機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)、順序邏輯控制器(SLC,SequenceLogicalController)

或微機(jī)作為控制器。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是易于根據(jù)全局情況進(jìn)行控制計(jì)算和判斷，

在控制方式、控制時(shí)間的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排。不足是對控制器本身要求很高，必須

具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)增加時(shí)，控制器的效率和可靠性將急劇下

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

2.集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)(DCS,DistributedControlSystem)在20世紀(jì)八九十年代占主導(dǎo)地位。其核

心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機(jī)完成集中監(jiān)視管理功能，若干

臺下位機(jī)分散到現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)分布式控制，上下位機(jī)之間通過控制網(wǎng)絡(luò)互連以實(shí)現(xiàn)相互間的信息

傳遞。這種分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可

靠性要求高的缺陷。在集散控制系統(tǒng)中，分布式控制思想的實(shí)現(xiàn)正是得益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

和應(yīng)用。

3.分級控制系統(tǒng)

現(xiàn)代微機(jī)、通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)的進(jìn)展，使得微機(jī)控制系統(tǒng)不但具有控制功能，而

且還有生產(chǎn)管理和指揮調(diào)度功能。在如圖224所示的分級控制系統(tǒng)中，除了直接數(shù)字控制和

監(jiān)督控制以外，還包含工廠級集中監(jiān)督微機(jī)和企業(yè)級經(jīng)營管理微機(jī)。在企業(yè)經(jīng)營管理中，除

了管理生產(chǎn)過程的控制，還具有生產(chǎn)管理、收集經(jīng)濟(jì)信息、計(jì)劃調(diào)度、產(chǎn)品訂貨和運(yùn)輸?shù)裙?/p>

能。

分級控制系統(tǒng)是工程大系統(tǒng)，它要解決的不是局部最優(yōu)化問題，而是一個(gè)工廠、一個(gè)公

司乃至個(gè)區(qū)域的總目標(biāo)或總?cè)蝿?wù)的最優(yōu)化問題，即綜合自動(dòng)化問題。最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)包

括產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、環(huán)境污染最小等指標(biāo)，

它反映了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的綜合性要求。

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

圖2.2.4分級控制系統(tǒng)

2.3現(xiàn)場設(shè)備及其繼電接口電路

為了實(shí)現(xiàn)車站技術(shù)作業(yè)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)還應(yīng)包括指揮列車運(yùn)行的信號機(jī)，轉(zhuǎn)換道

岔的電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)，監(jiān)督軌道有無車占用的軌道電路等現(xiàn)場設(shè)備及其繼電接口電路。

2.3.1道岔

在車站聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)的每組道岔處，都要設(shè)置臺用來轉(zhuǎn)換道岔、鎖閉道岔和反映道岔狀態(tài)

的電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)。

1.電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)

目前，我國普遍采用ZD6型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)。它采用集中供電，由室內(nèi)電源屏供出直流220V

道岔動(dòng)作電源和交流220V道岔表示電源。

運(yùn)營對電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的基本要求是：

①作為轉(zhuǎn)換器，應(yīng)具有足夠大的拉力，帶動(dòng)尖軌作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)尖軌被阻不能繼續(xù)

移動(dòng)時(shí)，應(yīng)隨時(shí)通過操縱使尖軌向回移動(dòng)恢復(fù)原位。

②作為鎖閉器，當(dāng)尖軌與基本軌不密貼時(shí)，不應(yīng)對尖軌進(jìn)行鎖閉，沒鎖閉則不應(yīng)使轉(zhuǎn)換

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

過程結(jié)束；一旦鎖閉，應(yīng)保證不致因列車通過道岔時(shí)的振動(dòng)，而使尖軌解鎖。

③作為表示器，應(yīng)能反映出道岔的三種狀態(tài)：道岔在定位；道岔在反位；道岔不密貼或

被擠已處于四開狀態(tài)。

④道岔被擠后，在未修復(fù)前，不應(yīng)再使道岔轉(zhuǎn)換。

為了完成上述要求，電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)應(yīng)具備下列器件：

⑤電動(dòng)機(jī)。我國鐵路選用的是直流串激可逆電動(dòng)機(jī)。

⑥尖軌鎖閉器。尖軌鎖閉器是當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換完了后，將尖軌鎖在密貼的位置匕以防止列

車通過道岔時(shí)，將尖軌震開縫隙。

⑦自動(dòng)開閉器。隨著尖軌的解鎖、轉(zhuǎn)換和鎖閉過程，在轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部應(yīng)有個(gè)自動(dòng)開閉電

機(jī)電路和自動(dòng)開閉道岔表示電路的接點(diǎn)系統(tǒng)，這個(gè)接點(diǎn)系統(tǒng)就叫做自動(dòng)開閉器。把自動(dòng)開閉

電機(jī)電路的接點(diǎn)叫做定位動(dòng)作接點(diǎn)（DD）和反位動(dòng)作接點(diǎn)（FD）。FD用來開閉道岔向反位轉(zhuǎn)

的電路。把開閉道岔表示電路的接點(diǎn)叫做定位表示接點(diǎn)（DB）和反位表示接點(diǎn)（FB）o

此外，電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)應(yīng)具有擠岔裝置等器件。其中，擠岔裝置是在擠岔時(shí)，保護(hù)轉(zhuǎn)轍機(jī)的

主要部件不受損壞。

2.道岔繼電接口電路

目前道岔繼電接口電路廣泛采用四線制道岔控制電路，它可分為道岔啟動(dòng)電路和表示電路

兩部分。啟動(dòng)電路使電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作來轉(zhuǎn)換道岔，表示電路則把轉(zhuǎn)換后的道岔位置反映到信

號樓內(nèi)來。以下分別對這兩部分電路的構(gòu)成原理作以說明。

（1）道岔啟動(dòng)電路的構(gòu)成原理

為保證列車運(yùn)行安全，道岔啟動(dòng)電路應(yīng)保證實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)條件：

①道岔區(qū)段有車時(shí)，道岔不應(yīng)轉(zhuǎn)換，此種鎖閉叫做區(qū)段鎖閉。

②進(jìn)路在鎖閉狀態(tài)時(shí)，進(jìn)路上的道岔都不應(yīng)再轉(zhuǎn)換。此種鎖閉叫進(jìn)路鎖閉。

③維修道岔或值班人員因某種原因人為地把道岔鎖在一?定位置時(shí)，該道岔不應(yīng)再轉(zhuǎn)換。

此種鎖閉叫道岔單獨(dú)鎖閉。

④當(dāng)?shù)啦韱?dòng)電路已經(jīng)開始動(dòng)作后，如果車隨即駛?cè)氲啦韰^(qū)段，則應(yīng)保證轉(zhuǎn)轍機(jī)能繼續(xù)

轉(zhuǎn)換到底，不受上述區(qū)段鎖閉的限制而使道岔停止轉(zhuǎn)換。

⑤道岔啟動(dòng)電路動(dòng)作后，如果因轉(zhuǎn)轍機(jī)的自動(dòng)開閉器接點(diǎn)接觸不良或電動(dòng)機(jī)的整流子與

炭刷間接觸不良，以致電動(dòng)機(jī)電路不通時(shí)，應(yīng)自動(dòng)切斷啟動(dòng)電路的電源，保證道岔不會(huì)再轉(zhuǎn)

換。

⑥為了便于維修和實(shí)驗(yàn)，以及在尖軌和基本軌間夾有障礙物（如道渣等）而使道岔不能

轉(zhuǎn)換到底時(shí)，能使道岔轉(zhuǎn)回原位，必須保證無論道岔轉(zhuǎn)換到什么位置都可通過手動(dòng)操縱隨時(shí)

使它向反方向轉(zhuǎn)換。

⑦道岔轉(zhuǎn)換完畢，應(yīng)自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)電路。

道岔啟動(dòng)電路對每組單動(dòng)道岔或每組雙動(dòng)道岔的電路結(jié)構(gòu)基本相同。下面就以單動(dòng)道岔

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

啟動(dòng)電路為例來分析啟動(dòng)電路工作原理。電路如圖231所示。

圖2.3.1四線制道岔啟動(dòng)電路

道岔啟動(dòng)電路采用分級控制方式控制道岔轉(zhuǎn)換，由第道岔啟動(dòng)繼電器1DQJ檢查聯(lián)鎖條

件，符合要求才能啟動(dòng)勵(lì)磁；然后由第二道岔啟動(dòng)電路繼電器2DQJ控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，決

定電機(jī)將道岔轉(zhuǎn)向定位還是反位；最后由直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換道岔。

如圖231所示道岔在定位狀態(tài)，當(dāng)將該道岔選至反位時(shí)FCJ吸起，在確認(rèn)進(jìn)路解鎖后，

由FCJ的第六組前接點(diǎn)將1DQJ的3-4線圈勵(lì)磁電路接通。

1DQJ勵(lì)磁后，用其前接點(diǎn)構(gòu)成2DQJ的轉(zhuǎn)極電路，轉(zhuǎn)極后用2DQJ第四組接點(diǎn)切斷1DQJ

的勵(lì)磁電路。

由于1DQJ的吸起和2DQJ的轉(zhuǎn)極，接通1DQJ的1-2線圈自閉電路，也是室外電機(jī)的送

電電路，使電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)中直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將道岔從定位轉(zhuǎn)換至反位。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中保持

1DQJ自閉吸起。電機(jī)供電電路為：

DZ220—RD3—1DQJL2—1DQJ|2-U—2DQJUT3一外線X2一自動(dòng)開閉器接點(diǎn)11-12（FD）-

電動(dòng)機(jī)定子線圈2-3—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子3-4—遮斷器05-06—外線X4-2DQJ⑵.⑵一RD2—

DF220

在電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)表示桿的作用下，道岔剛轉(zhuǎn)換時(shí)，自動(dòng)開閉器第二組動(dòng)接點(diǎn)將41-42（定位

動(dòng)作）接點(diǎn)接通，準(zhǔn)備電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)回路；待道岔轉(zhuǎn)換至反位后，自動(dòng)開閉器第一組動(dòng)接點(diǎn)將

11-12（反位動(dòng)作）接點(diǎn)斷開，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)切斷1DQJ的1-2線圈電路，使1DQJ緩

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第2章計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

放后落下，用其第一組后接點(diǎn)接通道岔表示電路。在道岔轉(zhuǎn)換過程中，2DQJ保持不動(dòng)。

若要再將道岔轉(zhuǎn)回定位，只需選路時(shí)DCJ吸起，則1DQJ又勵(lì)磁，2DQJ的3-4線圈接通

又轉(zhuǎn)極，直流電動(dòng)機(jī)定子1-3線圈通電將道岔轉(zhuǎn)至定位，自動(dòng)開閉器41-42接點(diǎn)斷開，電機(jī)停轉(zhuǎn),

1DQJ落下接通道岔定位表示電路。

(2)道岔表示電路的構(gòu)成原理

道岔我示是重要的聯(lián)鎖信息，因此道岔表示電路必須滿足以下技術(shù)要求：

①為了實(shí)現(xiàn)斷線保護(hù)，只能用繼電器的吸起狀態(tài)與道岔工作狀態(tài)(危險(xiǎn)側(cè))相對應(yīng)。繼

電器的失磁狀態(tài)與道岔的非工作狀態(tài)(安全側(cè))相對應(yīng)。因此對每一組單動(dòng)或雙動(dòng)道岔要設(shè)

兩個(gè)表示繼電器，即道岔定位表示繼電器DBJ和道岔反位表示繼電器FBJ.

②為了實(shí)施混線保護(hù)，當(dāng)室外的聯(lián)系電纜芯線混線或混入了外部電源，必須使DBJ和FBJ

都處于失磁落下狀態(tài)。

③當(dāng)?shù)啦硖幱谵D(zhuǎn)換和擠岔狀態(tài)時(shí)，應(yīng)保證DBJ和FBJ失磁落下，使道岔處于無表示狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)卜一述技術(shù)條件，可設(shè)計(jì)出多種表示電路。圖2.3.2是四線制道岔控制電路的表示電路

原理圖。當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)至規(guī)定的位置后，由電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)自動(dòng)開閉器的定位表示接點(diǎn)或反位表示接

點(diǎn)接通道岔表示電路，將道岔位置反映到信號樓內(nèi)，用自動(dòng)開閉器的定位表示接點(diǎn)接通道岔

定位表示繼電器DBJ,用反位表示接點(diǎn)接通道岔反位表示繼電器FBJ.

圖232四線制道岔表示電路

道岔表示電路的DBJ和FBJ由兩個(gè)偏極繼電器組成，由道岔表示變壓器BB供電。道岔

在反位時(shí)，F(xiàn)