上海市軌道交通5號線信號系統控制網絡的研究與探討摘　要　上海軌道交通5號線信號系統采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線技術。從ＰＲＯＦＩＢＵＳ的協議結構、傳輸技術、總線存取協議等幾個方面,討論該技術在上海軌道交通5號線信號系統控制網絡中的具體應用,并通過安全性、可靠性分析,闡明采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ現場總線技術的意義。關鍵詞　上海市軌道交通5號線　信號系統　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　控制網絡　數據傳輸1 前　言　　 當今城市軌道交通信號系統是控制列車運行的核心設備,數據傳輸的安全性和可靠性對于列車運行控制至關重要。在上海市軌道交通5號線信號系統控制網絡中,控制中心和聯鎖之間的通信和所有相關組件之間的數據傳輸都采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線(即:ＰｒｏｃｅｓｓＦｉｅｌｄｂｕｓ過程現場總線),該網絡系統支持了整個信號系統的構成。ＰＲＯＦＩＢＵＳ,是德國國家標準ＤＩＮ19245和歐洲標準50170的現場總線標準,是一種國際性的開放式的現場總線標準。現場總線是20世紀80年代中期在國際上發展起來的,被譽為自動化領域的計算機局域網。它把單個分散的監控設備變成網絡節點,以現場總線為紐帶,把它們連結成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網絡系統與控制系統。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ網絡技術主要應用于:制造業自動化、過程控制自動化、鐵路交通自動控制等。2現場總線技術的標準———ＰＲＯＦＩＢＵＳ及其概貌 ＰＲＯＦＩＢＵＳ現場總線,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日批準為歐洲標準,即ＤＩＮ50170Ｖ.2。ＰＲＯＦＩＢＵＳ產品在世界市場上已被普遍接受,市場份額占歐洲首位,年增長率25%。目前世界上許多自動化技術的生產廠家都為他們生產的設備提供了ＰＲＯＦＩＢＵＳ接口。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ可使分散式數字化控制器從現場底層到車間級網絡化,該系統分為主站和從站。ＰＲＯＦＩＢＵＳ根據應用特點,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號線信號系統由西門子交通技術集團提供,其控制網絡采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＦＭＳ,是一個令牌結構、實時多主網絡。整個系統中共有19個工作站,即:聯鎖ＸＭＬ1、聯鎖ＸＭＬ2、人機接口ＭＭＩ1～4、總調臺ＭＭＩＣ、時刻表ＴＴＰ、列車自動跟蹤和列車自動進路ＡＴＴ/ＡＲＳ1、ＡＴＴ/ＡＲＳ2、過程耦合單元ＰＣＵ、5個設備集中站的本地工作站ＬＯＷ1～5、服務與診斷Ｓ＆Ｄ、存檔Ａｒｃｈｉｖｅ、記錄與回放Ｒ＆Ｐ。19個工作站均作為控制網絡系統中的主站,主站決定總線的數據通信,當主站得到總線控制權(令牌)時,可以主動發送信息。3 上海市軌道交通5號線控制網絡ＰＲＯＦＩＢＵＳ的協議結構3.1ＰＲＯＦＩＢＵＳ協議結構是根據ＩＳＯ7498(ＩＳＯ國際標準化組織)國際標準,以開放式系統互聯網絡(ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ簡稱ＯＳＩ)作為參考模型的。 ＯＳＩ模型是現場總線技術的基礎。現場總線技術既要遵循開放系統集成的原則,又要充分兼顧測控應用的特點和特殊要求。對于工業控制底層網絡來說,單個節點面向控制的信息量不大,信息傳輸的任務相對比較簡單,但實時性、快速性的要求較高。現場總線采用的通信模型大都在ＯＳＩ模型的基礎上進行了不同程度的簡化。 ＯＳＩ參考模型將開放系統的通信功能劃分為7個層次:物理層;數據鏈路層;網絡層;傳輸層;會話層;表示層;應用層。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＦＭＳ的協議結構定義了第一、二、七層,應用層包括現場總線信息規范(ＦｉｅｌｄｂｕｓＭｅｓｓａｇｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ＦＭＳ)和低層接口(ＬｏｗｅｒＬａｙｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ ＬＬＩ)。ＦＭＳ包括了應用協議并向用戶提供了可廣泛選用的強有力的通信服務。ＬＬＩ協調不同的通信關系并提供不依賴設備的第二層訪問接口,如圖1所示。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＦＭＳ的協議結構層和子層說明如下: 第一層:物理層(ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒ簡稱ＰＨＹ)規定了線路介質、物理連接的類型和電氣特性。 第二層:數據鏈路層。現場總線數據鏈路層包括介質存取控制(ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ簡稱ＭＡＣ)子層,描述了連接到傳輸介質的總現存取方法;和現場總線鏈路控制(ＦｉｅｄｌｂｕｓＬｉｎｋＣｏｎｔｒｏｌ簡稱ＦＬＣ)子層,規定了對低層接口(ＬＬＩ)有效的服務,提供服務訪問點的管理和與ＬＬＩ相關的緩沖器。 第二層的現場總線管理(ＦＭＡ1/2)完成第二層ＭＡＣ子層特定的總線參數的設定和第一層ＰＨＹ的設定,激活或撤消ＦＬＣ子層和ＬＬＩ子層之間的服務訪問點的管理。第一層和第二層可能出現的錯誤事件會被傳遞到更高層(ＦＭＡ7第七層的現場總線管理)。 第三～六層:在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中沒有具體應用,但這些層要求的任何重要功能都已經集成在底層接口(ＬＬＩ)中。例如,包括連接監控和數據傳輸的監控。 第七層:應用層。包括低層接口(ＬＬＩ)子層和現場總線信息規范(ＦＭＳ)子層,ＬＬＩ子層將現場總線信息規范(ＦＭＳ)的服務映射到第二層ＦＬＣ子層的服務。除了上面已提到的監控連接或數據傳輸,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。可以在ＬＬＩ中選擇不同的連接類型,主/主連接或主/從連接。數據交換可以是循環的也可以是非循環的。現場總線信息規范(ＦＭＳ)子層將用于通信管理的應用服務和用于用戶數據(變量、域、程序、事件通告)的分組。借助于此,才可能訪問一個應用過程的通信對象。ＦＭＳ主要用于協議數據單元的編碼和譯碼。 第七層的現場總線管理(ＦＭＡ7)保證ＦＭＳ和ＬＬＩ子層的參數化以及總線參數向第二層(ＦＭＡ1/2)的傳遞。在某些應用過程中,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用層接口(ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＬａｙｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ簡稱ＡＬＩ)構成了到應用層的接口。ＡＬＩ的目的是將過程對象轉換為通信對象。3.2重要的ＰＲＯＦＩＢＵＳ電文結構用戶數據按如下原理組成塊結構:ＳＹＮＳＤＤＡＳＡＦＣＤＡＴＡ-ＵＮＩＴＦＣＳＥＤ數據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(二進制“1”信號)。ＳＤ啟動字節(啟動符)規定了有關的報文類型。ＰＲＯＦＩＢＵＳ區別對待到以下幾種報文:●不帶數據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)●帶數據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ＳＤ5(代碼:Ｅ5Ｈ)ＤＡ目的地址字節(目的地址)ＳＡ源地址字節(源地址)ＦＣ控制字節(幀控制)此字段定義報文類型ＤＡＴＡ-ＵＮＩＴ數據域此字段包含要傳輸的用戶數據。數據域有固定長度(=8字節)和可變長度(<246字節)。數據域還包括ＳＳＡＰ(源服務存取點)和ＤＳＡＰ(目的服務存取點)。ＦＣＳ校驗字節(幀校驗序列)在ＰＲＯＦＩＢＵＳ中,所有報文(除令牌和短確認外)用校驗和存儲。ＥＤ終止字節(結束符) 此字段標志著報文結束,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ＰＲＯＦＩＢＵＳ提供了三種數據傳輸類型:(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號線信號系統控制網絡中采用了ＲＳ485傳輸和光纖傳輸技術。4.1ＲＳ485傳輸技術 在ＲＳ-422標準的基礎上,ＥＩＡ(美國電子工業協會)研究出了一種支持多節點、遠距離和接收高靈敏度的ＲＳ-485總線標準(半雙工)。ＲＳ-485傳輸是ＰＲＯＦＩＢＵＳ最常用的一種傳輸技術。這種技術通常稱之為Ｈ2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。4.2光纖傳輸技術 ＰＲＯＦＩＢＵＳ系統在電磁干擾很大的環境下應用時,可使用光纖導體,以增加高速傳輸的距離。可使用兩種光纖導體,一是價格低廉的塑料纖維導體,供距離小于50米情況下使用;另一種是玻璃纖維導體,供距離小于1ｋｍ情況下使用。這兩種光纖在5號線控制網絡中均有應用。許多廠商提供專用總線插頭可將ＲＳ-485信號轉換成光纖導體信號或將光纖導體信號轉換成ＲＳ-485信號。這樣就為在同一系統上使用ＲＳ485和光纖傳輸技術提供了一套開關控制十分方便的方法,如5號線控制網絡中應用的ＯＬＭ(光連接模塊)。4.3系統網絡的冗余結構 上海市軌道交通5號線信號系統網絡采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ現場總線,該網絡是冗余結構,分為通道冗余和機器冗余。 通道冗余指ＰＲＯＦＩＢＵＳ網絡分為Ａ、Ｂ網絡,兩套網絡同時工作,Ａ、Ｂ通道信息同步。5號線信號系統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、聯鎖ＸＭＬ1、聯鎖ＸＭＬ2、列車自動跟蹤和列車自動進路ＡＴＴ/ＡＲＳ1和ＡＴＴ/ＡＲＳ2,見下圖2。這8個工作站可使用ＰＲＯＦＩＢＵＳ網絡中Ａ、Ｂ通道中任意一個通道來傳輸信息,完成數據交換,提高了可靠程度。 機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)和ＡＲＳ(進路自動排列系統)設備的可靠性,運行這兩套系統的計算機有兩臺。這兩臺計算機有相同的軟件配置,即它們能完全獨立的運行,無需依靠另一臺計算機。當兩臺電腦都正常運行時,一臺為主機,一臺處在待命狀態。兩臺計算機從聯鎖系統獲得完全相同的數據輸入并完全獨立的進行數據處理。工作的主計算機將其處理結果發送到后續系統(例如ＶＩＣＯＳＯＣ100人機界面,聯鎖系統等),待命的計算機則不發送其處理結果。由于只有一臺計算機處理ＡＴＴ輸出,避免了兩套(列車自動跟蹤系統都向ＡＲＳ系統發送初始信號的危險。如果主計算機發生故障,自動切換到備用計算機進行數據處理,理論上無任何中斷。至于哪臺計算機為主,哪臺為備用,這完全自由決定。 上海市軌道交通5號線信號系統網絡拓撲結構是冗余的由星型和線型組成的混合型拓撲結構,數據傳輸速度=500ｋｂｐｓ。下圖2是上海軌道交通5號線信號系統控制網絡的連接簡圖。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網絡上,信號系統通過ＰＣＵ與外部系統進行通信。5ＰＲＯＦＩＢＵＳ的總線存取協議 ＰＲＯＦＩＢＵＳ的三個版本ＤＰ、ＦＭＳ、ＰＡ均使用一致的總線存取協議。該協議是通過數據鏈路層來實現,包括保證數據可靠性技術以及傳輸協議和報文的處理。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線存取協議的設計要滿足在復雜的自動化系統(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。5.1總線存取協議的內容 上海市軌道交通5號線信號系統控制網絡中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定的時間內得到總線存取權(令牌)。令牌是一條特殊的電文,它在所有主站中循環一周的最長時間是事先規定的。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識,禁止多址分配,令牌循環周期ＴＴＲ為200ｍｓ。5.2 總線存取協議的特點 (1)主站或從站可以在任何時間點接入或斷開,總線存取協議將自動地重新組織令牌環。 (2)令牌環調度確保每個主站有足夠的時間履行它的通信任務。因此,用戶必須計算全部目標令牌環時間(ＴＴＲ)。 (3)總線訪問協議有能力發現有故障的站、失效的令牌、重復的令牌、傳輸錯誤和其他所有可能的網絡失敗。 (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號線信號系統控制網絡的安全性、可靠性 對軌道交通的信號系統而言,除了信息處理必須滿足故障-安全原則外,數據信息傳輸也必須符合信號安全的基本原則,即數據傳輸是符合故障—安全原則的安全數據傳輸。在上海市軌道交通5號線信號系統控制網絡中,控制中心和各個本地工作站通過標準的ＰＲＯＦＩＢＵＳ現場總線進行相互連接和數據傳輸,通信協議采用ＤＰ協議。差錯控制采用具有較強檢錯能力的循環冗余校驗ＣＲＣ碼,海明距離為4。通過這些技術提高了數據傳輸的安全性。與其它現場總線系統相比,ＰＲＯＦＩＢＵＳ的最大優點在于具有穩定的國際標準ＥＮ50170做保證,并經過實際應用驗證具有普遍性。經調查,在德國和歐洲市場中,ＰＲＯＦＩＢＵＳ占開放性工業現場總線系統的市場超過40%。 由于采用了ＰＲＯＦＩＢＵＳ現場總線,信號控制網絡的系統結構具有高度分散性,網絡采用冗余結構,而且從ＰＲＯＦＩＢＵＳ-ＦＭＳ協議結構模型看,顯而易見不僅簡化了系統結構和設備,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網絡中任一通道完成數據傳輸,保證了信息的安全性和可靠性。參考文獻1陽憲惠主編.現場總線技術及其應用.清華大學出版社,1999.2顧洪軍編著.工業企業網與現場總線.人民郵電出版社,2002.3 周益仁編著.現場總線控制系統的設計和開發.國防工業出版社,2003.