上海市轨道交通5号线信号系统控制网络的研究与探讨摘 要 上海轨道交通5号线信号系统采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线技术。从ＰＲＯＦＩＢＵＳ的协议结构、传输技术、总线存取协议等几个方面,讨论该技术在上海轨道交通5号线信号系统控制网络中的具体应用,并通过安全性、可靠性分析,阐明采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线技术的意义。关键词 上海市轨道交通5号线 信号系统 ＰＲＯＦＩＢＵＳ 控制网络 数据传输1 前 言 当今城市轨道交通信号系统是控制列车运行的核心设备,数据传输的安全性和可靠性对于列车运行控制至关重要。在上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中,控制中心和联锁之间的通信和所有相关组件之间的数据传输都采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线(即:ＰｒｏｃｅｓｓＦｉｅｌｄｂｕｓ过程现场总线),该网络系统支持了整个信号系统的构成。ＰＲＯＦＩＢＵＳ,是德国国家标准ＤＩＮ19245和欧洲标准50170的现场总线标准,是一种国际性的开放式的现场总线标准。现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的,被誉为自动化领域的计算机局域网。它把单个分散的监控设备变成网络节点,以现场总线为纽带,把它们连结成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ网络技术主要应用于:制造业自动化、过程控制自动化、铁路交通自动控制等。2现场总线技术的标准———ＰＲＯＦＩＢＵＳ及其概貌 ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线,由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。1996年3月15日批准为欧洲标准,即ＤＩＮ50170Ｖ.2。ＰＲＯＦＩＢＵＳ产品在世界市场上已被普遍接受,市场份额占欧洲首位,年增长率25%。目前世界上许多自动化技术的生产厂家都为他们生产的设备提供了ＰＲＯＦＩＢＵＳ接口。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化,该系统分为主站和从站。ＰＲＯＦＩＢＵＳ根据应用特点,分为三个兼容版本,即:ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ(ＤｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄＰｅｒｉｐｈｅｒｙ),ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＰＡ(ＰｒｏｃｅｓｓＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ),ＰＲＯＦＩＢＵＳＦＭＳ(ＦｉｅｌｄｂｕｓＭｅｓｓａｇｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ)。 上海市轨道交通5号线信号系统由西门子交通技术集团提供,其控制网络采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＦＭＳ,是一个令牌结构、实时多主网络。整个系统中共有19个工作站,即:联锁ＸＭＬ1、联锁ＸＭＬ2、人机接口ＭＭＩ1～4、总调台ＭＭＩＣ、时刻表ＴＴＰ、列车自动跟踪和列车自动进路ＡＴＴ/ＡＲＳ1、ＡＴＴ/ＡＲＳ2、过程耦合单元ＰＣＵ、5个设备集中站的本地工作站ＬＯＷ1～5、服务与诊断Ｓ＆Ｄ、存档Ａｒｃｈｉｖｅ、记录与回放Ｒ＆Ｐ。19个工作站均作为控制网络系统中的主站,主站决定总线的数据通信,当主站得到总线控制权(令牌)时,可以主动发送信息。3 上海市轨道交通5号线控制网络ＰＲＯＦＩＢＵＳ的协议结构3.1ＰＲＯＦＩＢＵＳ协议结构是根据ＩＳＯ7498(ＩＳＯ国际标准化组织)国际标准,以开放式系统互联网络(ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ简称ＯＳＩ)作为参考模型的。 ＯＳＩ模型是现场总线技术的基础。现场总线技术既要遵循开放系统集成的原则,又要充分兼顾测控应用的特点和特殊要求。对于工业控制底层网络来说,单个节点面向控制的信息量不大,信息传输的任务相对比较简单,但实时性、快速性的要求较高。现场总线采用的通信模型大都在ＯＳＩ模型的基础上进行了不同程度的简化。 ＯＳＩ参考模型将开放系统的通信功能划分为7个层次:物理层;数据链路层;网络层;传输层;会话层;表示层;应用层。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＦＭＳ的协议结构定义了第一、二、七层,应用层包括现场总线信息规范(ＦｉｅｌｄｂｕｓＭｅｓｓａｇｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ＦＭＳ)和低层接口(ＬｏｗｅｒＬａｙｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ ＬＬＩ)。ＦＭＳ包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。ＬＬＩ协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口,如图1所示。
ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＦＭＳ的协议结构层和子层说明如下: 第一层:物理层(ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒ简称ＰＨＹ)规定了线路介质、物理连接的类型和电气特性。 第二层:数据链路层。现场总线数据链路层包括介质存取控制(ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ简称ＭＡＣ)子层,描述了连接到传输介质的总现存取方法;和现场总线链路控制(ＦｉｅｄｌｂｕｓＬｉｎｋＣｏｎｔｒｏｌ简称ＦＬＣ)子层,规定了对低层接口(ＬＬＩ)有效的服务,提供服务访问点的管理和与ＬＬＩ相关的缓冲器。 第二层的现场总线管理(ＦＭＡ1/2)完成第二层ＭＡＣ子层特定的总线参数的设定和第一层ＰＨＹ的设定,激活或撤消ＦＬＣ子层和ＬＬＩ子层之间的服务访问点的管理。第一层和第二层可能出现的错误事件会被传递到更高层(ＦＭＡ7第七层的现场总线管理)。 第三～六层:在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中没有具体应用,但这些层要求的任何重要功能都已经集成在底层接口(ＬＬＩ)中。例如,包括连接监控和数据传输的监控。 第七层:应用层。包括低层接口(ＬＬＩ)子层和现场总线信息规范(ＦＭＳ)子层,ＬＬＩ子层将现场总线信息规范(ＦＭＳ)的服务映射到第二层ＦＬＣ子层的服务。除了上面已提到的监控连接或数据传输,ＬＬＩ还检查在建立连接期间用于描述一个逻辑连接通道的所有重要参数。可以在ＬＬＩ中选择不同的连接类型,主/主连接或主/从连接。数据交换可以是循环的也可以是非循环的。现场总线信息规范(ＦＭＳ)子层将用于通信管理的应用服务和用于用户数据(变量、域、程序、事件通告)的分组。借助于此,才可能访问一个应用过程的通信对象。ＦＭＳ主要用于协议数据单元的编码和译码。 第七层的现场总线管理(ＦＭＡ7)保证ＦＭＳ和ＬＬＩ子层的参数化以及总线参数向第二层(ＦＭＡ1/2)的传递。在某些应用过程中,还可以通过ＦＭＡ7把各个子层的时间和错误显示给用户。 位于第七层之上的应用层接口(ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＬａｙｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ简称ＡＬＩ)构成了到应用层的接口。ＡＬＩ的目的是将过程对象转换为通信对象。3.2重要的ＰＲＯＦＩＢＵＳ电文结构用户数据按如下原理组成块结构:ＳＹＮＳＤＤＡＳＡＦＣＤＡＴＡ-ＵＮＩＴＦＣＳＥＤ数据块中各字段含义如下:ＳＹＮ同步位对于ＰＲＯＦＩＢＵＳ,每个握手报文前必须保持33位的空闲状态(二进制“1”信号)。ＳＤ启动字节(启动符)规定了有关的报文类型。ＰＲＯＦＩＢＵＳ区别对待到以下几种报文:●不带数据域的信息域长度固定格式ＳＤ1(代码:10Ｈ)●信息域长度可变格式ＳＤ2(代码:68Ｈ)●带数据域的信息域长度固定格式ＳＤ3(代码:Ａ2Ｈ)●令牌报文ＳＤ4(代码:ＤＣＨ)●短确认ＳＤ5(代码:Ｅ5Ｈ)ＤＡ目的地址字节(目的地址)ＳＡ源地址字节(源地址)ＦＣ控制字节(帧控制)此字段定义报文类型ＤＡＴＡ-ＵＮＩＴ数据域此字段包含要传输的用户数据。数据域有固定长度(=8字节)和可变长度(<246字节)。数据域还包括ＳＳＡＰ(源服务存取点)和ＤＳＡＰ(目的服务存取点)。ＦＣＳ校验字节(帧校验序列)在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中,所有报文(除令牌和短确认外)用校验和存储。ＥＤ终止字节(结束符) 此字段标志着报文结束,而且对于可变长度格式的报文,为了得到海明距离ＨＤ=4,这些报文的实际长度也必须传输。4ＰＲＯＦＩＢＵＳ的传输技术ＰＲＯＦＩＢＵＳ提供了三种数据传输类型:(物理层)●用于ＤＰ和ＦＭＳ的ＲＳ485传输●用于ＰＡ的ＩＥＣ1158-2传输●光纤:用于ＤＰ和ＦＭＳ 上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中采用了ＲＳ485传输和光纤传输技术。4.1ＲＳ485传输技术 在ＲＳ-422标准的基础上,ＥＩＡ(美国电子工业协会)研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的ＲＳ-485总线标准(半双工)。ＲＳ-485传输是ＰＲＯＦＩＢＵＳ最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为Ｈ2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。4.2光纤传输技术 ＰＲＯＦＩＢＵＳ系统在电磁干扰很大的环境下应用时,可使用光纤导体,以增加高速传输的距离。可使用两种光纤导体,一是价格低廉的塑料纤维导体,供距离小于50米情况下使用;另一种是玻璃纤维导体,供距离小于1ｋｍ情况下使用。这两种光纤在5号线控制网络中均有应用。许多厂商提供专用总线插头可将ＲＳ-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成ＲＳ-485信号。这样就为在同一系统上使用ＲＳ485和光纤传输技术提供了一套开关控制十分方便的方法,如5号线控制网络中应用的ＯＬＭ(光连接模块)。4.3系统网络的冗余结构 上海市轨道交通5号线信号系统网络采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线,该网络是冗余结构,分为通道冗余和机器冗余。 通道冗余指ＰＲＯＦＩＢＵＳ网络分为Ａ、Ｂ网络,两套网络同时工作,Ａ、Ｂ通道信息同步。5号线信号系统19个工作站中有8个工作站是通道冗余的,即存档Ａｒｃｈｉｖｅ、ＰＣＵ、ＭＭＩＣ、时刻表ＴＴＰ、联锁ＸＭＬ1、联锁ＸＭＬ2、列车自动跟踪和列车自动进路ＡＴＴ/ＡＲＳ1和ＡＴＴ/ＡＲＳ2,见下图2。这8个工作站可使用ＰＲＯＦＩＢＵＳ网络中Ａ、Ｂ通道中任意一个通道来传输信息,完成数据交换,提高了可靠程度。
机器冗余指两台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为例,为了提高ＡＴＴ(列车自动跟踪系统)和ＡＲＳ(进路自动排列系统)设备的可靠性,运行这两套系统的计算机有两台。这两台计算机有相同的软件配置,即它们能完全独立的运行,无需依靠另一台计算机。当两台电脑都正常运行时,一台为主机,一台处在待命状态。两台计算机从联锁系统获得完全相同的数据输入并完全独立的进行数据处理。工作的主计算机将其处理结果发送到后续系统(例如ＶＩＣＯＳＯＣ100人机界面,联锁系统等),待命的计算机则不发送其处理结果。由于只有一台计算机处理ＡＴＴ输出,避免了两套(列车自动跟踪系统都向ＡＲＳ系统发送初始信号的危险。如果主计算机发生故障,自动切换到备用计算机进行数据处理,理论上无任何中断。至于哪台计算机为主,哪台为备用,这完全自由决定。 上海市轨道交通5号线信号系统网络拓扑结构是冗余的由星型和线型组成的混合型拓扑结构,数据传输速度=500ｋｂｐｓ。下图2是上海轨道交通5号线信号系统控制网络的连接简图。从图上可见各个本地工作站和控制中心工作站都连在ＰＲＯＦＩＢＵＳＡ、Ｂ网络上,信号系统通过ＰＣＵ与外部系统进行通信。5ＰＲＯＦＩＢＵＳ的总线存取协议 ＰＲＯＦＩＢＵＳ的三个版本ＤＰ、ＦＭＳ、ＰＡ均使用一致的总线存取协议。该协议是通过数据链路层来实现,包括保证数据可靠性技术以及传输协议和报文的处理。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线存取协议的设计要满足在复杂的自动化系统(主站)间的通信,必须保证在确切限定的时间间隔中,任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。5.1总线存取协议的内容 上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中19个工作站均为主站,采用令牌传递方式。令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权(令牌)。令牌是一条特殊的电文,它在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的。在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中,令牌仅在各主站之间通信时使用,每一个站用唯一的地址标识,禁止多址分配,令牌循环周期ＴＴＲ为200ｍｓ。5.2 总线存取协议的特点 (1)主站或从站可以在任何时间点接入或断开,总线存取协议将自动地重新组织令牌环。 (2)令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的通信任务。因此,用户必须计算全部目标令牌环时间(ＴＴＲ)。 (3)总线访问协议有能力发现有故障的站、失效的令牌、重复的令牌、传输错误和其他所有可能的网络失败。 (4)所有信息(包括令牌信息)在传输过程中确保高度安全,以免传输错误。海明距离ＨＤ=4。6 上海市轨道交通5号线信号系统控制网络的安全性、可靠性 对轨道交通的信号系统而言,除了信息处理必须满足故障-安全原则外,数据信息传输也必须符合信号安全的基本原则,即数据传输是符合故障—安全原则的安全数据传输。在上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中,控制中心和各个本地工作站通过标准的ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线进行相互连接和数据传输,通信协议采用ＤＰ协议。差错控制采用具有较强检错能力的循环冗余校验ＣＲＣ码,海明距离为4。通过这些技术提高了数据传输的安全性。与其它现场总线系统相比,ＰＲＯＦＩＢＵＳ的最大优点在于具有稳定的国际标准ＥＮ50170做保证,并经过实际应用验证具有普遍性。经调查,在德国和欧洲市场中,ＰＲＯＦＩＢＵＳ占开放性工业现场总线系统的市场超过40%。 由于采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线,信号控制网络的系统结构具有高度分散性,网络采用冗余结构,而且从ＰＲＯＦＩＢＵＳ-ＦＭＳ协议结构模型看,显而易见不仅简化了系统结构和设备,还提高了可靠性。重要工作站,如:ＡＴＴ/ＡＲＳ都享有信息通道冗余,可实时地选用ＰＲＯＦＩＢＵＳＡ、Ｂ网络中任一通道完成数据传输,保证了信息的安全性和可靠性。参考文献1阳宪惠主编.现场总线技术及其应用.清华大学出版社,1999.2顾洪军编著.工业企业网与现场总线.人民邮电出版社,2002.3 周益仁编著.现场总线控制系统的设计和开发.国防工业出版社,2003.
