上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的研究與探討摘 要 上海軌道交通5號線信號系統(tǒng)采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線技術(shù)。從ＰＲＯＦＩＢＵＳ的協(xié)議結(jié)構(gòu)、傳輸技術(shù)、總線存取協(xié)議等幾個方面,討論該技術(shù)在上海軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中的具體應(yīng)用,并通過安全性、可靠性分析,闡明采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ現(xiàn)場總線技術(shù)的意義。關(guān)鍵詞 上海市軌道交通5號線 信號系統(tǒng)?。校遥希疲桑拢眨印】刂凭W(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)傳輸1 前 言 當(dāng)今城市軌道交通信號系統(tǒng)是控制列車運行的核心設(shè)備,數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃詫τ诹熊囘\行控制至關(guān)重要。在上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中,控制中心和聯(lián)鎖之間的通信和所有相關(guān)組件之間的數(shù)據(jù)傳輸都采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線(即:ＰｒｏｃｅｓｓＦｉｅｌｄｂｕｓ過程現(xiàn)場總線),該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持了整個信號系統(tǒng)的構(gòu)成。ＰＲＯＦＩＢＵＳ,是德國國家標(biāo)準(zhǔn)ＤＩＮ19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場總線是20世紀(jì)80年代中期在國際上發(fā)展起來的,被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它把單個分散的監(jiān)控設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,以現(xiàn)場總線為紐帶,把它們連結(jié)成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要應(yīng)用于:制造業(yè)自動化、過程控制自動化、鐵路交通自動控制等。2現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)———ＰＲＯＦＩＢＵＳ及其概貌 ＰＲＯＦＩＢＵＳ現(xiàn)場總線,由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn),即ＤＩＮ50170Ｖ.2。ＰＲＯＦＩＢＵＳ產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受,市場份額占?xì)W洲首位,年增長率25%。目前世界上許多自動化技術(shù)的生產(chǎn)廠家都為他們生產(chǎn)的設(shè)備提供了ＰＲＯＦＩＢＵＳ接口。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間級網(wǎng)絡(luò)化,該系統(tǒng)分為主站和從站。ＰＲＯＦＩＢＵＳ根據(jù)應(yīng)用特點,分為三個兼容版本,即:ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ(ＤｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄＰｅｒｉｐｈｅｒｙ),ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＰＡ(ＰｒｏｃｅｓｓＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ),ＰＲＯＦＩＢＵＳＦＭＳ(ＦｉｅｌｄｂｕｓＭｅｓｓａｇｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ)。 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)由西門子交通技術(shù)集團(tuán)提供,其控制網(wǎng)絡(luò)采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＦＭＳ,是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡(luò)。整個系統(tǒng)中共有19個工作站,即:聯(lián)鎖ＸＭＬ1、聯(lián)鎖ＸＭＬ2、人機(jī)接口ＭＭＩ1～4、總調(diào)臺ＭＭＩＣ、時刻表ＴＴＰ、列車自動跟蹤和列車自動進(jìn)路ＡＴＴ/ＡＲＳ1、ＡＴＴ/ＡＲＳ2、過程耦合單元ＰＣＵ、5個設(shè)備集中站的本地工作站ＬＯＷ1～5、服務(wù)與診斷Ｓ＆Ｄ、存檔Ａｒｃｈｉｖｅ、記錄與回放Ｒ＆Ｐ。19個工作站均作為控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的主站,主站決定總線的數(shù)據(jù)通信,當(dāng)主站得到總線控制權(quán)(令牌)時,可以主動發(fā)送信息。3 上海市軌道交通5號線控制網(wǎng)絡(luò)ＰＲＯＦＩＢＵＳ的協(xié)議結(jié)構(gòu)3.1ＰＲＯＦＩＢＵＳ協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ＩＳＯ7498(ＩＳＯ國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)國際標(biāo)準(zhǔn),以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ簡稱ＯＳＩ)作為參考模型的。 ＯＳＩ模型是現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場總線技術(shù)既要遵循開放系統(tǒng)集成的原則,又要充分兼顧測控應(yīng)用的特點和特殊要求。對于工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來說,單個節(jié)點面向控制的信息量不大,信息傳輸?shù)娜蝿?wù)相對比較簡單,但實時性、快速性的要求較高?，F(xiàn)場總線采用的通信模型大都在ＯＳＩ模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同程度的簡化。 ＯＳＩ參考模型將開放系統(tǒng)的通信功能劃分為7個層次:物理層;數(shù)據(jù)鏈路層;網(wǎng)絡(luò)層;傳輸層;會話層;表示層;應(yīng)用層。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＦＭＳ的協(xié)議結(jié)構(gòu)定義了第一、二、七層,應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范(ＦｉｅｌｄｂｕｓＭｅｓｓａｇｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ＦＭＳ)和低層接口(ＬｏｗｅｒＬａｙｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ ＬＬＩ)。ＦＭＳ包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)。ＬＬＩ協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第二層訪問接口,如圖1所示。
ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＦＭＳ的協(xié)議結(jié)構(gòu)層和子層說明如下: 第一層:物理層(ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒ簡稱ＰＨＹ)規(guī)定了線路介質(zhì)、物理連接的類型和電氣特性。 第二層:數(shù)據(jù)鏈路層?，F(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層包括介質(zhì)存取控制(ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ簡稱ＭＡＣ)子層,描述了連接到傳輸介質(zhì)的總現(xiàn)存取方法;和現(xiàn)場總線鏈路控制(ＦｉｅｄｌｂｕｓＬｉｎｋＣｏｎｔｒｏｌ簡稱ＦＬＣ)子層,規(guī)定了對低層接口(ＬＬＩ)有效的服務(wù),提供服務(wù)訪問點的管理和與ＬＬＩ相關(guān)的緩沖器。 第二層的現(xiàn)場總線管理(ＦＭＡ1/2)完成第二層ＭＡＣ子層特定的總線參數(shù)的設(shè)定和第一層ＰＨＹ的設(shè)定,激活或撤消ＦＬＣ子層和ＬＬＩ子層之間的服務(wù)訪問點的管理。第一層和第二層可能出現(xiàn)的錯誤事件會被傳遞到更高層(ＦＭＡ7第七層的現(xiàn)場總線管理)。 第三～六層:在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中沒有具體應(yīng)用,但這些層要求的任何重要功能都已經(jīng)集成在底層接口(ＬＬＩ)中。例如,包括連接監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控。 第七層:應(yīng)用層。包括低層接口(ＬＬＩ)子層和現(xiàn)場總線信息規(guī)范(ＦＭＳ)子層,ＬＬＩ子層將現(xiàn)場總線信息規(guī)范(ＦＭＳ)的服務(wù)映射到第二層ＦＬＣ子層的服務(wù)。除了上面已提到的監(jiān)控連接或數(shù)據(jù)傳輸,ＬＬＩ還檢查在建立連接期間用于描述一個邏輯連接通道的所有重要參數(shù)?？梢栽冢蹋蹋芍羞x擇不同的連接類型,主/主連接或主/從連接。數(shù)據(jù)交換可以是循環(huán)的也可以是非循環(huán)的?，F(xiàn)場總線信息規(guī)范(ＦＭＳ)子層將用于通信管理的應(yīng)用服務(wù)和用于用戶數(shù)據(jù)(變量、域、程序、事件通告)的分組。借助于此,才可能訪問一個應(yīng)用過程的通信對象。ＦＭＳ主要用于協(xié)議數(shù)據(jù)單元的編碼和譯碼。 第七層的現(xiàn)場總線管理(ＦＭＡ7)保證ＦＭＳ和ＬＬＩ子層的參數(shù)化以及總線參數(shù)向第二層(ＦＭＡ1/2)的傳遞。在某些應(yīng)用過程中,還可以通過ＦＭＡ7把各個子層的時間和錯誤顯示給用戶。 位于第七層之上的應(yīng)用層接口(ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＬａｙｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ簡稱ＡＬＩ)構(gòu)成了到應(yīng)用層的接口。ＡＬＩ的目的是將過程對象轉(zhuǎn)換為通信對象。3.2重要的ＰＲＯＦＩＢＵＳ電文結(jié)構(gòu)用戶數(shù)據(jù)按如下原理組成塊結(jié)構(gòu):ＳＹＮＳＤＤＡＳＡＦＣＤＡＴＡ-ＵＮＩＴＦＣＳＥＤ數(shù)據(jù)塊中各字段含義如下:ＳＹＮ同步位對于ＰＲＯＦＩＢＵＳ,每個握手報文前必須保持33位的空閑狀態(tài)(二進(jìn)制“1”信號)。ＳＤ啟動字節(jié)(啟動符)規(guī)定了有關(guān)的報文類型。ＰＲＯＦＩＢＵＳ區(qū)別對待到以下幾種報文:●不帶數(shù)據(jù)域的信息域長度固定格式ＳＤ1(代碼:10Ｈ)●信息域長度可變格式ＳＤ2(代碼:68Ｈ)●帶數(shù)據(jù)域的信息域長度固定格式ＳＤ3(代碼:Ａ2Ｈ)●令牌報文ＳＤ4(代碼:ＤＣＨ)●短確認(rèn)ＳＤ5(代碼:Ｅ5Ｈ)ＤＡ目的地址字節(jié)(目的地址)ＳＡ源地址字節(jié)(源地址)ＦＣ控制字節(jié)(幀控制)此字段定義報文類型ＤＡＴＡ-ＵＮＩＴ數(shù)據(jù)域此字段包含要傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)域有固定長度(=8字節(jié))和可變長度(<246字節(jié))。數(shù)據(jù)域還包括ＳＳＡＰ(源服務(wù)存取點)和ＤＳＡＰ(目的服務(wù)存取點)。ＦＣＳ校驗字節(jié)(幀校驗序列)在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中,所有報文(除令牌和短確認(rèn)外)用校驗和存儲。ＥＤ終止字節(jié)(結(jié)束符) 此字段標(biāo)志著報文結(jié)束,而且對于可變長度格式的報文,為了得到海明距離ＨＤ=4,這些報文的實際長度也必須傳輸。4ＰＲＯＦＩＢＵＳ的傳輸技術(shù)ＰＲＯＦＩＢＵＳ提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型:(物理層)●用于ＤＰ和ＦＭＳ的ＲＳ485傳輸●用于ＰＡ的ＩＥＣ1158-2傳輸●光纖:用于ＤＰ和ＦＭＳ 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中采用了ＲＳ485傳輸和光纖傳輸技術(shù)。4.1ＲＳ485傳輸技術(shù) 在ＲＳ-422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,ＥＩＡ(美國電子工業(yè)協(xié)會)研究出了一種支持多節(jié)點、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的ＲＳ-485總線標(biāo)準(zhǔn)(半雙工)。ＲＳ-485傳輸是ＰＲＯＦＩＢＵＳ最常用的一種傳輸技術(shù)。這種技術(shù)通常稱之為Ｈ2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。4.2光纖傳輸技術(shù) ＰＲＯＦＩＢＵＳ系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時,可使用光纖導(dǎo)體,以增加高速傳輸?shù)木嚯x。可使用兩種光纖導(dǎo)體,一是價格低廉的塑料纖維導(dǎo)體,供距離小于50米情況下使用;另一種是玻璃纖維導(dǎo)體,供距離小于1ｋｍ情況下使用。這兩種光纖在5號線控制網(wǎng)絡(luò)中均有應(yīng)用。許多廠商提供專用總線插頭可將ＲＳ-485信號轉(zhuǎn)換成光纖導(dǎo)體信號或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號轉(zhuǎn)換成ＲＳ-485信號。這樣就為在同一系統(tǒng)上使用ＲＳ485和光纖傳輸技術(shù)提供了一套開關(guān)控制十分方便的方法,如5號線控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的ＯＬＭ(光連接模塊)。4.3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的冗余結(jié)構(gòu) 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ現(xiàn)場總線,該網(wǎng)絡(luò)是冗余結(jié)構(gòu),分為通道冗余和機(jī)器冗余。 通道冗余指ＰＲＯＦＩＢＵＳ網(wǎng)絡(luò)分為Ａ、Ｂ網(wǎng)絡(luò),兩套網(wǎng)絡(luò)同時工作,Ａ、Ｂ通道信息同步。5號線信號系統(tǒng)19個工作站中有8個工作站是通道冗余的,即存檔Ａｒｃｈｉｖｅ、ＰＣＵ、ＭＭＩＣ、時刻表ＴＴＰ、聯(lián)鎖ＸＭＬ1、聯(lián)鎖ＸＭＬ2、列車自動跟蹤和列車自動進(jìn)路ＡＴＴ/ＡＲＳ1和ＡＴＴ/ＡＲＳ2,見下圖2。這8個工作站可使用ＰＲＯＦＩＢＵＳ網(wǎng)絡(luò)中Ａ、Ｂ通道中任意一個通道來傳輸信息,完成數(shù)據(jù)交換,提高了可靠程度。 機(jī)器冗余指兩臺工作站具有相同的功能,如ＡＴＴ/ＡＲＳ1和ＡＴＴ/ＡＲＳ2、ＭＭＩ1和ＭＭＩ2。以ＡＴＴ/ＡＲＳ1和ＡＴＴ/ＡＲＳ2為例,為了提高ＡＴＴ(列車自動跟蹤系統(tǒng))和ＡＲＳ(進(jìn)路自動排列系統(tǒng))設(shè)備的可靠性,運行這兩套系統(tǒng)的計算機(jī)有兩臺。這兩臺計算機(jī)有相同的軟件配置,即它們能完全獨立的運行,無需依靠另一臺計算機(jī)。當(dāng)兩臺電腦都正常運行時,一臺為主機(jī),一臺處在待命狀態(tài)。兩臺計算機(jī)從聯(lián)鎖系統(tǒng)獲得完全相同的數(shù)據(jù)輸入并完全獨立的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。工作的主計算機(jī)將其處理結(jié)果發(fā)送到后續(xù)系統(tǒng)(例如ＶＩＣＯＳＯＣ100人機(jī)界面,聯(lián)鎖系統(tǒng)等),待命的計算機(jī)則不發(fā)送其處理結(jié)果。由于只有一臺計算機(jī)處理ＡＴＴ輸出,避免了兩套(列車自動跟蹤系統(tǒng)都向ＡＲＳ系統(tǒng)發(fā)送初始信號的危險。如果主計算機(jī)發(fā)生故障,自動切換到備用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,理論上無任何中斷。至于哪臺計算機(jī)為主,哪臺為備用,這完全自由決定。 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是冗余的由星型和線型組成的混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)傳輸速度=500ｋｂｐｓ。下圖2是上海軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的連接簡圖。從圖上可見各個本地工作站和控制中心工作站都連在ＰＲＯＦＩＢＵＳＡ、Ｂ網(wǎng)絡(luò)上,信號系統(tǒng)通過ＰＣＵ與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信。5ＰＲＯＦＩＢＵＳ的總線存取協(xié)議 ＰＲＯＦＩＢＵＳ的三個版本ＤＰ、ＦＭＳ、ＰＡ均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過數(shù)據(jù)鏈路層來實現(xiàn),包括保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)以及傳輸協(xié)議和報文的處理。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線存取協(xié)議的設(shè)計要滿足在復(fù)雜的自動化系統(tǒng)(主站)間的通信,必須保證在確切限定的時間間隔中,任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務(wù)。5.1總線存取協(xié)議的內(nèi)容 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中19個工作站均為主站,采用令牌傳遞方式。令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內(nèi)得到總線存取權(quán)(令牌)。令牌是一條特殊的電文,它在所有主站中循環(huán)一周的最長時間是事先規(guī)定的。在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中,令牌僅在各主站之間通信時使用,每一個站用唯一的地址標(biāo)識,禁止多址分配,令牌循環(huán)周期ＴＴＲ為200ｍｓ。5.2 總線存取協(xié)議的特點 (1)主站或從站可以在任何時間點接入或斷開,總線存取協(xié)議將自動地重新組織令牌環(huán)。 (2)令牌環(huán)調(diào)度確保每個主站有足夠的時間履行它的通信任務(wù)。因此,用戶必須計算全部目標(biāo)令牌環(huán)時間(ＴＴＲ)。 (3)總線訪問協(xié)議有能力發(fā)現(xiàn)有故障的站、失效的令牌、重復(fù)的令牌、傳輸錯誤和其他所有可能的網(wǎng)絡(luò)失敗。 (4)所有信息(包括令牌信息)在傳輸過程中確保高度安全,以免傳輸錯誤。海明距離ＨＤ=4。6 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性 對軌道交通的信號系統(tǒng)而言,除了信息處理必須滿足故障-安全原則外,數(shù)據(jù)信息傳輸也必須符合信號安全的基本原則,即數(shù)據(jù)傳輸是符合故障—安全原則的安全數(shù)據(jù)傳輸。在上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中,控制中心和各個本地工作站通過標(biāo)準(zhǔn)的ＰＲＯＦＩＢＵＳ現(xiàn)場總線進(jìn)行相互連接和數(shù)據(jù)傳輸,通信協(xié)議采用ＤＰ協(xié)議。差錯控制采用具有較強(qiáng)檢錯能力的循環(huán)冗余校驗ＣＲＣ碼,海明距離為4。通過這些技術(shù)提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｅc其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比,ＰＲＯＦＩＢＵＳ的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)ＥＮ50170做保證,并經(jīng)過實際應(yīng)用驗證具有普遍性。經(jīng)調(diào)查,在德國和歐洲市場中,ＰＲＯＦＩＢＵＳ占開放性工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的市場超過40%。 由于采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ現(xiàn)場總線,信號控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有高度分散性,網(wǎng)絡(luò)采用冗余結(jié)構(gòu),而且從ＰＲＯＦＩＢＵＳ-ＦＭＳ協(xié)議結(jié)構(gòu)模型看,顯而易見不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備,還提高了可靠性。重要工作站,如:ＡＴＴ/ＡＲＳ都享有信息通道冗余,可實時地選用ＰＲＯＦＩＢＵＳＡ、Ｂ網(wǎng)絡(luò)中任一通道完成數(shù)據(jù)傳輸,保證了信息的安全性和可靠性。參考文獻(xiàn)1陽憲惠主編.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用.清華大學(xué)出版社,1999.2顧洪軍編著.工業(yè)企業(yè)網(wǎng)與現(xiàn)場總線.人民郵電出版社,2002.3 周益仁編著.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā).國防工業(yè)出版社,2003.
ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＦＭＳ的協(xié)議結(jié)構(gòu)層和子層說明如下: 第一層:物理層(ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒ簡稱ＰＨＹ)規(guī)定了線路介質(zhì)、物理連接的類型和電氣特性。 第二層:數(shù)據(jù)鏈路層?，F(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層包括介質(zhì)存取控制(ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ簡稱ＭＡＣ)子層,描述了連接到傳輸介質(zhì)的總現(xiàn)存取方法;和現(xiàn)場總線鏈路控制(ＦｉｅｄｌｂｕｓＬｉｎｋＣｏｎｔｒｏｌ簡稱ＦＬＣ)子層,規(guī)定了對低層接口(ＬＬＩ)有效的服務(wù),提供服務(wù)訪問點的管理和與ＬＬＩ相關(guān)的緩沖器。 第二層的現(xiàn)場總線管理(ＦＭＡ1/2)完成第二層ＭＡＣ子層特定的總線參數(shù)的設(shè)定和第一層ＰＨＹ的設(shè)定,激活或撤消ＦＬＣ子層和ＬＬＩ子層之間的服務(wù)訪問點的管理。第一層和第二層可能出現(xiàn)的錯誤事件會被傳遞到更高層(ＦＭＡ7第七層的現(xiàn)場總線管理)。 第三～六層:在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中沒有具體應(yīng)用,但這些層要求的任何重要功能都已經(jīng)集成在底層接口(ＬＬＩ)中。例如,包括連接監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控。 第七層:應(yīng)用層。包括低層接口(ＬＬＩ)子層和現(xiàn)場總線信息規(guī)范(ＦＭＳ)子層,ＬＬＩ子層將現(xiàn)場總線信息規(guī)范(ＦＭＳ)的服務(wù)映射到第二層ＦＬＣ子層的服務(wù)。除了上面已提到的監(jiān)控連接或數(shù)據(jù)傳輸,ＬＬＩ還檢查在建立連接期間用于描述一個邏輯連接通道的所有重要參數(shù)?？梢栽冢蹋蹋芍羞x擇不同的連接類型,主/主連接或主/從連接。數(shù)據(jù)交換可以是循環(huán)的也可以是非循環(huán)的?，F(xiàn)場總線信息規(guī)范(ＦＭＳ)子層將用于通信管理的應(yīng)用服務(wù)和用于用戶數(shù)據(jù)(變量、域、程序、事件通告)的分組。借助于此,才可能訪問一個應(yīng)用過程的通信對象。ＦＭＳ主要用于協(xié)議數(shù)據(jù)單元的編碼和譯碼。 第七層的現(xiàn)場總線管理(ＦＭＡ7)保證ＦＭＳ和ＬＬＩ子層的參數(shù)化以及總線參數(shù)向第二層(ＦＭＡ1/2)的傳遞。在某些應(yīng)用過程中,還可以通過ＦＭＡ7把各個子層的時間和錯誤顯示給用戶。 位于第七層之上的應(yīng)用層接口(ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＬａｙｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ簡稱ＡＬＩ)構(gòu)成了到應(yīng)用層的接口。ＡＬＩ的目的是將過程對象轉(zhuǎn)換為通信對象。3.2重要的ＰＲＯＦＩＢＵＳ電文結(jié)構(gòu)用戶數(shù)據(jù)按如下原理組成塊結(jié)構(gòu):ＳＹＮＳＤＤＡＳＡＦＣＤＡＴＡ-ＵＮＩＴＦＣＳＥＤ數(shù)據(jù)塊中各字段含義如下:ＳＹＮ同步位對于ＰＲＯＦＩＢＵＳ,每個握手報文前必須保持33位的空閑狀態(tài)(二進(jìn)制“1”信號)。ＳＤ啟動字節(jié)(啟動符)規(guī)定了有關(guān)的報文類型。ＰＲＯＦＩＢＵＳ區(qū)別對待到以下幾種報文:●不帶數(shù)據(jù)域的信息域長度固定格式ＳＤ1(代碼:10Ｈ)●信息域長度可變格式ＳＤ2(代碼:68Ｈ)●帶數(shù)據(jù)域的信息域長度固定格式ＳＤ3(代碼:Ａ2Ｈ)●令牌報文ＳＤ4(代碼:ＤＣＨ)●短確認(rèn)ＳＤ5(代碼:Ｅ5Ｈ)ＤＡ目的地址字節(jié)(目的地址)ＳＡ源地址字節(jié)(源地址)ＦＣ控制字節(jié)(幀控制)此字段定義報文類型ＤＡＴＡ-ＵＮＩＴ數(shù)據(jù)域此字段包含要傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)域有固定長度(=8字節(jié))和可變長度(<246字節(jié))。數(shù)據(jù)域還包括ＳＳＡＰ(源服務(wù)存取點)和ＤＳＡＰ(目的服務(wù)存取點)。ＦＣＳ校驗字節(jié)(幀校驗序列)在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中,所有報文(除令牌和短確認(rèn)外)用校驗和存儲。ＥＤ終止字節(jié)(結(jié)束符) 此字段標(biāo)志著報文結(jié)束,而且對于可變長度格式的報文,為了得到海明距離ＨＤ=4,這些報文的實際長度也必須傳輸。4ＰＲＯＦＩＢＵＳ的傳輸技術(shù)ＰＲＯＦＩＢＵＳ提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型:(物理層)●用于ＤＰ和ＦＭＳ的ＲＳ485傳輸●用于ＰＡ的ＩＥＣ1158-2傳輸●光纖:用于ＤＰ和ＦＭＳ 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中采用了ＲＳ485傳輸和光纖傳輸技術(shù)。4.1ＲＳ485傳輸技術(shù) 在ＲＳ-422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,ＥＩＡ(美國電子工業(yè)協(xié)會)研究出了一種支持多節(jié)點、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的ＲＳ-485總線標(biāo)準(zhǔn)(半雙工)。ＲＳ-485傳輸是ＰＲＯＦＩＢＵＳ最常用的一種傳輸技術(shù)。這種技術(shù)通常稱之為Ｈ2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。4.2光纖傳輸技術(shù) ＰＲＯＦＩＢＵＳ系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時,可使用光纖導(dǎo)體,以增加高速傳輸?shù)木嚯x。可使用兩種光纖導(dǎo)體,一是價格低廉的塑料纖維導(dǎo)體,供距離小于50米情況下使用;另一種是玻璃纖維導(dǎo)體,供距離小于1ｋｍ情況下使用。這兩種光纖在5號線控制網(wǎng)絡(luò)中均有應(yīng)用。許多廠商提供專用總線插頭可將ＲＳ-485信號轉(zhuǎn)換成光纖導(dǎo)體信號或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號轉(zhuǎn)換成ＲＳ-485信號。這樣就為在同一系統(tǒng)上使用ＲＳ485和光纖傳輸技術(shù)提供了一套開關(guān)控制十分方便的方法,如5號線控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的ＯＬＭ(光連接模塊)。4.3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的冗余結(jié)構(gòu) 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ現(xiàn)場總線,該網(wǎng)絡(luò)是冗余結(jié)構(gòu),分為通道冗余和機(jī)器冗余。 通道冗余指ＰＲＯＦＩＢＵＳ網(wǎng)絡(luò)分為Ａ、Ｂ網(wǎng)絡(luò),兩套網(wǎng)絡(luò)同時工作,Ａ、Ｂ通道信息同步。5號線信號系統(tǒng)19個工作站中有8個工作站是通道冗余的,即存檔Ａｒｃｈｉｖｅ、ＰＣＵ、ＭＭＩＣ、時刻表ＴＴＰ、聯(lián)鎖ＸＭＬ1、聯(lián)鎖ＸＭＬ2、列車自動跟蹤和列車自動進(jìn)路ＡＴＴ/ＡＲＳ1和ＡＴＴ/ＡＲＳ2,見下圖2。這8個工作站可使用ＰＲＯＦＩＢＵＳ網(wǎng)絡(luò)中Ａ、Ｂ通道中任意一個通道來傳輸信息,完成數(shù)據(jù)交換,提高了可靠程度。 機(jī)器冗余指兩臺工作站具有相同的功能,如ＡＴＴ/ＡＲＳ1和ＡＴＴ/ＡＲＳ2、ＭＭＩ1和ＭＭＩ2。以ＡＴＴ/ＡＲＳ1和ＡＴＴ/ＡＲＳ2為例,為了提高ＡＴＴ(列車自動跟蹤系統(tǒng))和ＡＲＳ(進(jìn)路自動排列系統(tǒng))設(shè)備的可靠性,運行這兩套系統(tǒng)的計算機(jī)有兩臺。這兩臺計算機(jī)有相同的軟件配置,即它們能完全獨立的運行,無需依靠另一臺計算機(jī)。當(dāng)兩臺電腦都正常運行時,一臺為主機(jī),一臺處在待命狀態(tài)。兩臺計算機(jī)從聯(lián)鎖系統(tǒng)獲得完全相同的數(shù)據(jù)輸入并完全獨立的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。工作的主計算機(jī)將其處理結(jié)果發(fā)送到后續(xù)系統(tǒng)(例如ＶＩＣＯＳＯＣ100人機(jī)界面,聯(lián)鎖系統(tǒng)等),待命的計算機(jī)則不發(fā)送其處理結(jié)果。由于只有一臺計算機(jī)處理ＡＴＴ輸出,避免了兩套(列車自動跟蹤系統(tǒng)都向ＡＲＳ系統(tǒng)發(fā)送初始信號的危險。如果主計算機(jī)發(fā)生故障,自動切換到備用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,理論上無任何中斷。至于哪臺計算機(jī)為主,哪臺為備用,這完全自由決定。 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是冗余的由星型和線型組成的混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)傳輸速度=500ｋｂｐｓ。下圖2是上海軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的連接簡圖。從圖上可見各個本地工作站和控制中心工作站都連在ＰＲＯＦＩＢＵＳＡ、Ｂ網(wǎng)絡(luò)上,信號系統(tǒng)通過ＰＣＵ與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信。5ＰＲＯＦＩＢＵＳ的總線存取協(xié)議 ＰＲＯＦＩＢＵＳ的三個版本ＤＰ、ＦＭＳ、ＰＡ均使用一致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過數(shù)據(jù)鏈路層來實現(xiàn),包括保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)以及傳輸協(xié)議和報文的處理。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線存取協(xié)議的設(shè)計要滿足在復(fù)雜的自動化系統(tǒng)(主站)間的通信,必須保證在確切限定的時間間隔中,任何一個站點要有足夠的時間來完成通信任務(wù)。5.1總線存取協(xié)議的內(nèi)容 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中19個工作站均為主站,采用令牌傳遞方式。令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內(nèi)得到總線存取權(quán)(令牌)。令牌是一條特殊的電文,它在所有主站中循環(huán)一周的最長時間是事先規(guī)定的。在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中,令牌僅在各主站之間通信時使用,每一個站用唯一的地址標(biāo)識,禁止多址分配,令牌循環(huán)周期ＴＴＲ為200ｍｓ。5.2 總線存取協(xié)議的特點 (1)主站或從站可以在任何時間點接入或斷開,總線存取協(xié)議將自動地重新組織令牌環(huán)。 (2)令牌環(huán)調(diào)度確保每個主站有足夠的時間履行它的通信任務(wù)。因此,用戶必須計算全部目標(biāo)令牌環(huán)時間(ＴＴＲ)。 (3)總線訪問協(xié)議有能力發(fā)現(xiàn)有故障的站、失效的令牌、重復(fù)的令牌、傳輸錯誤和其他所有可能的網(wǎng)絡(luò)失敗。 (4)所有信息(包括令牌信息)在傳輸過程中確保高度安全,以免傳輸錯誤。海明距離ＨＤ=4。6 上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性 對軌道交通的信號系統(tǒng)而言,除了信息處理必須滿足故障-安全原則外,數(shù)據(jù)信息傳輸也必須符合信號安全的基本原則,即數(shù)據(jù)傳輸是符合故障—安全原則的安全數(shù)據(jù)傳輸。在上海市軌道交通5號線信號系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中,控制中心和各個本地工作站通過標(biāo)準(zhǔn)的ＰＲＯＦＩＢＵＳ現(xiàn)場總線進(jìn)行相互連接和數(shù)據(jù)傳輸,通信協(xié)議采用ＤＰ協(xié)議。差錯控制采用具有較強(qiáng)檢錯能力的循環(huán)冗余校驗ＣＲＣ碼,海明距離為4。通過這些技術(shù)提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｅc其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比,ＰＲＯＦＩＢＵＳ的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)ＥＮ50170做保證,并經(jīng)過實際應(yīng)用驗證具有普遍性。經(jīng)調(diào)查,在德國和歐洲市場中,ＰＲＯＦＩＢＵＳ占開放性工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的市場超過40%。 由于采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ現(xiàn)場總線,信號控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有高度分散性,網(wǎng)絡(luò)采用冗余結(jié)構(gòu),而且從ＰＲＯＦＩＢＵＳ-ＦＭＳ協(xié)議結(jié)構(gòu)模型看,顯而易見不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備,還提高了可靠性。重要工作站,如:ＡＴＴ/ＡＲＳ都享有信息通道冗余,可實時地選用ＰＲＯＦＩＢＵＳＡ、Ｂ網(wǎng)絡(luò)中任一通道完成數(shù)據(jù)傳輸,保證了信息的安全性和可靠性。參考文獻(xiàn)1陽憲惠主編.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用.清華大學(xué)出版社,1999.2顧洪軍編著.工業(yè)企業(yè)網(wǎng)與現(xiàn)場總線.人民郵電出版社,2002.3 周益仁編著.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā).國防工業(yè)出版社,2003.
