基于PROFIBUS-DP總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

引言

車(chē)站聯(lián)鎖系統(tǒng)是鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它的主要任務(wù)是控制車(chē)站中的信號(hào)機(jī)和道岔，并且對(duì)信號(hào)燈狀態(tài)進(jìn)行處理和對(duì)進(jìn)路進(jìn)行選擇等。隨著鐵路信號(hào)系統(tǒng)的信息化發(fā)展，微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)必然取代舊式的電氣聯(lián)鎖系統(tǒng)。

就國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀來(lái)看，大多采用上、下位機(jī)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)站信號(hào)的控制；有些微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、命令發(fā)送、數(shù)據(jù)輸出等，而把主要的聯(lián)鎖功能置于上位機(jī)，這樣一來(lái)，上位機(jī)負(fù)擔(dān)太重，一旦上位機(jī)產(chǎn)生故障，不能保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。如果能夠?qū)⒙?lián)鎖功能塊置于下位機(jī)，而且下位機(jī)安全性、可靠性比較高，那么整個(gè)系統(tǒng)的安全性、可靠性就能夠得到有效保證。

在以前的微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，用工業(yè)控制機(jī)作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能，但不能保證系統(tǒng)冗余，這樣就不能保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性、可靠性。因此，就要不斷更新和研究，尋求更完善的、更可靠的硬件、軟件環(huán)境，以提高系統(tǒng)性能和安全系數(shù)。用西門(mén)子PLC完成聯(lián)鎖功能，構(gòu)成PROFIBUS-DP/MPI分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這樣整個(gè)聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠。

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是隨全數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是由德國(guó)組織開(kāi)發(fā)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)——PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)（DIN19254）。

PROFIBUS是近年來(lái)國(guó)際上最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線，也是目前數(shù)據(jù)傳輸率最快的一種現(xiàn)場(chǎng)總線（傳輸率可達(dá)12M波特），因此在很多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。它是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線，各種各樣的自動(dòng)化設(shè)備均可通過(guò)同樣的接口交換信息。

PROFIBUS-DP（DistributedI/OS-分布系統(tǒng)）是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模塊，有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的通信，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)尤為適合。它允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對(duì)時(shí)間要求比較高的自動(dòng)化場(chǎng)合。

將以S7-400HPLC為例，結(jié)合其在鐵路信號(hào)中的應(yīng)用，探討實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理和方法。

PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)的性質(zhì)和特點(diǎn)

PROFIBUS-DP適用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理等。

DP網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFIBUS定義了各種數(shù)據(jù)設(shè)備連接的串行現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)和功能特性，這些數(shù)據(jù)設(shè)備可以從底層（如傳感器、執(zhí)行器層）到中間層（如車(chē)間層）廣泛分布。

PROFIBUS連接的系統(tǒng)由主站和從站組成。主站一般要復(fù)雜些；從站為簡(jiǎn)單的外圍設(shè)備，典型的從站為傳感器、執(zhí)行器及變送器，它們沒(méi)有總線控制權(quán)，僅對(duì)接收到的信息給予回答，或者主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)回送給主站相應(yīng)信息。因此，從站只需要協(xié)議的一小部分，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常方便。

PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection，OSI）作為參考模型，該模型共有7層，PROFIBUS-DP定義了其中的第一、二層和用戶接口。第3到7層未加描述。

圖1為ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結(jié)構(gòu)比較。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同 PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。物理層采用EIARS-485雙絞線或光纖，連接器采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)的9針D型插座。數(shù)據(jù)鏈路層提供了介質(zhì)存取控制功能、數(shù)據(jù)的完整性檢查以及傳輸執(zhí)行的協(xié)議，在PROFIBUS中稱(chēng)第2層為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路（FDL）（包括介質(zhì)訪問(wèn)存取控制（MAC）子層、現(xiàn)場(chǎng)總線鏈路控制（FLC）子層、現(xiàn)場(chǎng)總線管理（FMA1/2）子層），采用混合介質(zhì)存取協(xié)議，對(duì)應(yīng)于DIN（E）19245，支持單主或多主系統(tǒng)，主或從設(shè)備，最大站數(shù)為126。它包括主站之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧钆骗h(huán)方式和從站之間的主-從方式。PROFIBUS第7層包括底層接口（LLI）、現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（FMS）和現(xiàn)場(chǎng)總線管理（FMA7）。

圖1ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結(jié)構(gòu)比較

圖2為PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)傳輸示意圖，即主站發(fā)送請(qǐng)求，訪問(wèn)DP從站，其中包括幀格式；從站收到請(qǐng)求信息后，立即響應(yīng)主站，并回送響應(yīng)幀。

圖2PROFIBUS-DP用戶數(shù)據(jù)傳輸

DP網(wǎng)的性質(zhì)及特點(diǎn)

PROFIBUS—DP采用主從方式和低層的令牌環(huán)傳遞相結(jié)合的形式進(jìn)行通道分配，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以將總線系統(tǒng)分割成線段，分步建立，段間用中繼器連接，每個(gè)段可以有32個(gè)網(wǎng)絡(luò)站，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到126個(gè)網(wǎng)站。由于最大傳輸速率可達(dá)12Mbps，以及其第2層采用SRD（發(fā)送并要求回送）功能，使得輸入、輸出數(shù)據(jù)可以在一個(gè)周期內(nèi)完成，所以傳輸速度提高了，可盡可能地減少總線周期。而在單主站系統(tǒng)中只有一個(gè)主站，這種組態(tài)提供了最短的總線周期。 PROFIBUS-DP開(kāi)放性好，開(kāi)展性強(qiáng)，靈活性高。

用S7-400HPLC構(gòu)成DP網(wǎng)，由于SIMATICS7V5.2提供有效的系統(tǒng)主持，可實(shí)現(xiàn)軟件參數(shù)化I/O、多功能自診斷，功能模塊更易于連接。在 S7-400H系統(tǒng)中，CPU之間的同步，由同步模塊通過(guò)同步光纖連接，在軟件和硬件方面都可以實(shí)現(xiàn)CPU同步。采用STEP7編程軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)集中控制編程，診斷測(cè)試就象采用集中處理單元的集中編程接口時(shí)一樣。在編程過(guò)程中，不需考慮硬件配置，由編程軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組態(tài)。

MPI網(wǎng)的性質(zhì)和特點(diǎn)

CPU中用于連接象編程器這樣的設(shè)備的接口叫多點(diǎn)接口（MPI），這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)這個(gè)接口，兩個(gè)或兩個(gè)以上的設(shè)備可以從兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)與CPU通訊。也就是說(shuō)，帶有MPI的CPU已經(jīng)具有連網(wǎng)能力。MPI網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)是相同的，就是說(shuō)，兩種網(wǎng)絡(luò)遵循的規(guī)則和使用部件是相同的。

S7-400HPLC實(shí)現(xiàn)的DP/MPI網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

下面是一個(gè)按照上述原理用S7-400HPLC構(gòu)成的多主站DP/MPI網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為一個(gè)車(chē)站信號(hào)的控制，如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)為由兩臺(tái)S7-414HPLC和ET200M組成的分布式結(jié)構(gòu)。PLC通過(guò)CP5611卡與上位機(jī)通信。其中一臺(tái)PLC為主站，另一臺(tái)為熱備。

ET200M選用西門(mén)子IM153-2。IM153-2的作用是連接I/O模板，提供PROFIBUS-DP連接；輸入模塊選用SM321DI32× DC24V，共需要18個(gè)模塊，主模塊9個(gè)，備用9個(gè)。輸出模塊用SM322DO32×24V，共用8個(gè)，主模塊4個(gè)，備用4個(gè)。輸入、輸出模塊都是通過(guò) DP連接。3臺(tái)上位機(jī)，都是通過(guò)CP5611與PLC的CPU相連。兩個(gè)CPU之間通過(guò)同步光纖連接。

用戶界面

每臺(tái)PLC都通過(guò)CPU模塊上的MPI集中編程接口和配置有MPI接口的PC機(jī)相連。我們采用西門(mén)子的CP5611與PLC的CPU相連。PC機(jī)中配置SIMATICSTEP7V5.2編程軟件。

由于是冗余系統(tǒng)，還需要安裝西門(mén)子的冗余軟件，才能做到PLC的兩個(gè)CPU之間同步。3臺(tái)上位機(jī)中，其中兩臺(tái)是操作員用的監(jiān)控機(jī)，另一臺(tái)為維修機(jī)。在整個(gè)系統(tǒng)中，上位機(jī)之間可以互相通訊，也可以與PLC之間通訊。每臺(tái)PC機(jī)都要安裝CP5611驅(qū)動(dòng)軟件，才能完成功能。

程序結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)組態(tài)及參數(shù)設(shè)置

由SIMATICSTEP7V5.2編程軟件，進(jìn)入硬件組態(tài)狀態(tài)，對(duì)各臺(tái)PLC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置。首先，建立Pro2ject，如取名為C：\ swjtu，在該文件下選擇網(wǎng)絡(luò)Subnet為PROFIBUS，站名為SIMATIC414HStation，然后進(jìn)行硬件組態(tài)。其次是建立各站在網(wǎng)絡(luò)的地址。最后組態(tài)3個(gè)PG/PC站，在選項(xiàng)窗口中選中CP5611，并分配地址，主編程站地址為0，其余兩個(gè)只要地址不相同即可。

程序結(jié)構(gòu)

西門(mén)子SIMATICS7-400HPLC的編程器STEP7可運(yùn)行在PC機(jī)的Windows環(huán)境下，界面友好，提供了梯形圖、語(yǔ)句表和塊圖3種形式的編程、調(diào)試、診斷等功能。本實(shí)例采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，程序由幾大功能塊組成，每個(gè)功能塊完成一系列的控制邏輯，放置在組織塊OB1中的指令決定控制程序的各功能塊的執(zhí)行。本例中功能塊FC1是微機(jī)聯(lián)鎖命令處理程序，F(xiàn)C2是進(jìn)路處理程序，F(xiàn)C3，F(xiàn)C4是微機(jī)聯(lián)鎖狀態(tài)處理程序，F(xiàn)C5是常量定義，F(xiàn)C6是信號(hào)輸出處理，F(xiàn)C7是道岔輸出處理，F(xiàn)C8是信號(hào)采集。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。功能塊為多層次調(diào)用，F(xiàn)C1在調(diào)用其他功能塊，比如FC1調(diào)用FC9， FC9調(diào)用FC10，F(xiàn)C10調(diào)用FC11、FC12、FC13、FC14等。在STEP7中，允許功能塊調(diào)用最多為16層。

圖3為應(yīng)用于唐山鋼鐵集團(tuán)公司焦化廠火車(chē)站的微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)絡(luò)原理框圖。3臺(tái)監(jiān)控機(jī)為監(jiān)控層，PLC為聯(lián)鎖層，I/O為控制層。車(chē)站聯(lián)鎖系統(tǒng)主要由聯(lián)鎖以及信號(hào)、道岔、區(qū)段和進(jìn)路的動(dòng)作建立。本例中，以車(chē)站微機(jī)聯(lián)鎖的控制過(guò)程說(shuō)明PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐應(yīng)用。

圖3網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)路控制過(guò)程包括進(jìn)路建立、進(jìn)路解鎖。進(jìn)路建立包括進(jìn)路選擇、道岔控制、進(jìn)路鎖閉、信號(hào)控制，進(jìn)路解鎖就是對(duì)已建立的進(jìn)路、道岔進(jìn)行的進(jìn)路鎖閉，進(jìn)路解鎖包括取消進(jìn)路、人工解鎖、正常解鎖、中途折返解鎖、故障解鎖。

圖4程序結(jié)構(gòu)框圖

在組織塊OB1中，先調(diào)用FC1對(duì)聯(lián)鎖命令進(jìn)行處理，其中包括進(jìn)路處理、道岔處理、信號(hào)處理，調(diào)用FC2對(duì)進(jìn)路進(jìn)行處理，調(diào)用功能塊FC1、FC2對(duì)聯(lián)鎖狀態(tài)進(jìn)行處理，再調(diào)用功能塊FC6、FC7、FC8對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入輸出處理。以功能塊FC1命令處理程序?yàn)槔?，說(shuō)明其功能調(diào)用過(guò)程。功能塊FC1先調(diào)用 FC10進(jìn)行進(jìn)路選擇，然后調(diào)用FC11、FC12、FC13等，對(duì)其他命令進(jìn)行處理。

結(jié)論

從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行良好，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)性能穩(wěn)定。實(shí)踐證明，PROFIBUS-DP網(wǎng)構(gòu)成的靈活實(shí)用分布式網(wǎng)絡(luò)在鐵路系統(tǒng)有良好的應(yīng)用前景。

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