（交通信息工程及控制专业论文）基地CAN总线和PLC技术的铁路信号控制系统的研究.pdf

3 9 3 5 0 3 摘要 l f 信息技术的飞速发展，导致了自动化领域的深刻变革。现场总线技术 在这场变革中应运而生。铁路车站信号控制系统是自动化技术在铁路系统 中的具体应用，铁路信号系统的发展一直都紧跟自动化技术发展的脚步。 现场总线技术是新事物，但酝酿已有时目。它是电子、仪器仪表、计 算机技术和网络技术的发展成果。铁路车站信号控制系统的现场设备大多 分布在铁道线旁，距离远且分散，设备间的快速通信是个重要问题。铁路 信号控制系统的这些特点恰恰是现场总线技术可优势解决的。 时下，现场总线存在着多种总线标准。在众多的现场总线中选择c a n 总线是出于两方面的考虑，首先是c a n 结构简单，只有两层结构。这很适 合铁路现场的信息量不太大，但实时性、可靠性要求很高的场合。其次是 出于技术成熟度的考虑，c a n 总线目前在国内应用的较多，技术资料和技 术人员容易获得本文全面分析了c a n 总线应用于铁路信号系统的可行 性。 ， 在本文所设计的整个车站信号控制系统中，采用了两层c a n 结构。在 人机会话层和联锁层之间，联锁层与执行层之间，都用c a n 总线来联网。 本文将实现执行层功能的设备称为下位机。在文中系统分析、设计了下位 机的软硬件实现。将实现人机会话层和联锁层功能的设备称为上位机，在 上位机的设计中，突出了对c a n 通信适配卡的编程实现；设计了良好的人 机界面；分析了硬件构成，一般上位机中的会话机和维修机采用i p c ，而 联锁机通常采用专门开发的工业机。 铁路系统是一个可靠性、安全性要求很高的环境，文中系统分析了提 高系统可靠性和安全性的理论基础和具体可行方法。 本文共分六章。第一章论述了铁路车站信号控制系统的状况和选题的 目的及意义。第二章从理论高度和应用技术角度阐述了课题的支持技术。 笫三章重点说明了系统的整体设计。第四、五章陈述了上位机和下位机的 设计及功能实现。第六章论述了系统可靠性、安全性的保障措施。 关键词： 铁路车站信号控制系统，c a n 总线，p l c ，可靠性 a b s t r a c t r a p i dd e v e l o p i n g i nr e a l mo fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yr e s u l ti nd e e pr e f o r m o fa u t o m a t i o n i nt h i s g r e a tc h a n g e ，f i e l d b u se m e r g ea st i m er e q u i r e s i g n a l c o n t r o l s y s t e m o f r a i l w a y s t a t i o na r e s p e c i f i ca p p l i c a t i o n s o fa u t o m a t i c t e c h n o l o g yi nr a i l w a ys y s t e m t h ep r o g r e s so fr a i l w a ys i g n a ls y s t e mi sa l w a y s i nt h ew a k eo f t h e d e v e l o p i n go f a u t o m a t i ct e c h n o l o g y f i e l d b u si san e wt e c h n o l o g y , b u ti tw a sb r e w e df o rl o n gt i m e f i e l d b u s e m e r g e n c e i st h er e s u l to fd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n ，i n s t r u m e n ta n dm e t e r , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y f i e l d b u sa d a p t t od i s t r i b u t e ds y s t e m v e r yw e l l m o s t r a i l w a ys i g n a lc o n t r o li n s t r u m e n t sa r ed i s t r i b u t e db yt h er a i l w a yl i n e ， a n dt h e r ei sal o n gd i s t a n c eb e t w e e ni n s t r u m e n t s t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n i n s t r t u n e n t sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tw i t ht h et r a i nr u n n i n gf a s t e ra n d f a s t e r t o d a y sc o m p u t e l b a s e di n t e r l o c k i n gs y s t e mh a sm a n ym e r i t s ，b u ta l s o h a ss o m es h o r t c o m i n g f i e l d b u si sag o o ds o l u t i o nt ot h e s ep r o b l e m s n o w a d a y s ，t h e r e a l e m a n yk i n d s o ff i e l d b u sd u et ot h er e a s o no f t e c h n o l o g ya n d b u s i n e s sp r o f i t c a nb u si ss e l e c t e df o ru s i n gi nr a i l w a ys i g n a l s y s t e ml i e si nt w or e a s o n s o n ei si t ss i m p l i c i t y , t h i sa t t r i b u t ei sj u s ta d a p t e dt o t h er a i l w a yc o n t r o ls y s t e mw h i c hh a sn o tm u c hi n f o r m a t i o nt ot r a n s f e r , b u th i g h r e l i a b i l i t ya n dr e a lt i m ei s n e e d e d t h eo t h e ri st h a tc a nb u sb e i n gu s e di n m a n yf i e l d ，s ot e c h n o l o g y d a t aa n d t e c h n o l o g ys u p p o r t i se a s yt og e t i nt h er a i l w a y s i g n a lc o n 仃o ls y s t e md e s i g n e di nt h i sa r t i c l e ，u s i n gc a n b u s c o n n e c tm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o nl a y e rw i t hi n t e r l o c k i n gl a y e r , a n da l s o c o n n e c t i n t e r l o c k i n gl a y e r w i t h p e r f o r m a n c el a y e r t h e i n s t r u m e n t sw h i c h r e a l i z et h ef u n c t i o no fp e r f o r m a n c el a y e ri sc a l l e ds u b l a y e rc o n t r o l l e r , w h i c h s o f t w a r ea n dh a r d w a r e a r e a n a l y z e d a n d d e s i g n e d i n t h i sa r t i c l e t h e i n s t r u m e n t sw h i c h i m p l e m e n t t h ef u n c t i o no fm a l l m a c h i n e l a y e r a n d i n t e r l o c k i n gl a y e ri sc a l l e dh o s tc o m p u t e r t h e r ei s al a r g ed a t a b a n ki n c l u d i n g t h ew h o l ei n f o r m a t i o no f t h es t a t i o ni nh o s tc o m p u t e r , a n da g o o dm a n m a c h i n e i n t e r f a c ei sa l s op o s e di nt h i sa r t i c l e t h ei n t e r l o c k i n gm a c h i n e sa r ei nc h a r g eo f i i t h ei n t e r l o c k i n go p e r a t i o n t h er a i l w a yf i e l dc o n d i t i o nn e e dh i g hr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y h o wt o i m p r o v e t h es y s t e m sr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yi sa n o t h e ri m p o r t a n ts u b j e c ti nt h i s a r t i c l e t h ew h o l ei n c l u d es i xc h a p t e r s t h ef i r s td e s c r i b e st h es t a t u so ft o d a y s r a i l w a yc o n t r o ls y s t e m ，a n d d i s c u s st h em e a n i n ga n da i mo f s e l e c t i n gt h es u b j e c t t h es e c o n dm a i n l yd i s c u s st h es u p p o r tt e c h n o l o g yf o rt h es u b j e c tf r o mt h ea n g l e o ft h e o r ya n da p p l i c a t i o n t h et h i r dp o i n to u tt h ew h o l ed e s i g no ft h es y s t e m t h ef o r t ha n df i f t hc h a p t e r sd e s c r i b et h er e a l i z a t i o no fh o s tc o m p u t e ra n d s u b l a y e r c o n t r o l l e r sf u n c t i o n t h em e t h o d so fe n s u i n gt h er e l i a b i l i t y a n d s e c u r i t ya r ed i s c u s s e di nc h a p t e r s i x k e y w o r d ： r a i l w a ys i g n a lc o n t r o ls y s t e m ，c a nf i e l d b u s ，p l c ，r e l i a b i l i t y i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 铁路车站信号控制系统的发展及状况 铁路信号控制系统被称为铁路的中枢神经，是保证铁路安全生产的关 键因素之一。我国铁路信号系统的发展经历了一个多世纪的历程，建国后， 尤其是改革开放以来，这一系统得到了飞速发展。从对设备的操纵方式的 不同上看，经历了从非集中联锁到集中联锁的发展过程。从联锁方式上看 经历了从机械联锁到机电联锁，再到电气联锁，再到现在的计算机联锁这 样一个发展过程。也有人按时代划分将这一过程分为：机械信号时代、机 电信号时代、电子信号时代。 目前在我国铁路上广泛采用的有两种系统，即：电气联锁系统和计算机 联锁系统。其中计算机联锁系统是近年来由我国科技人员参考国外的相关 理论和经验独立研制开发的。这一系统较之于电气联锁系统有如下优点。 ( 1 ) 减少了继电器的用量，从而减少了对继电器的检修工作量。 ( 2 ) 减少了系统的设计、施工和维护的工作量。 ( 3 ) 当采取了必要的提高系统的可靠性和安全性的技术措施后，系统 的可靠性和安全性将会得到提高。 ( 4 ) 便于增加新的功能。 应该说计算机联锁系统的研制成功和有效应用是有划时代意义的，它 适应了铁路车站信号系统信息化、智能化和综合化的发展方向，标志着电 子信号时代的来临。图1 1 、1 2 是这一系统应用中两种有代表性的硬件图， 两者没有本质上的不同，后者是在前者的基础上，最近应用较多的一种设 计。后者在联锁机与联锁机、上位机与联锁机、会话机与监控机之间采用 了联锁总线进行通信。提高了系统通信的可靠性和速度，进而提高了整个 系统的可靠性。 】 第一章绪论 圈1 1 计算机联锁系统示意图 与电气联锁系统相比，计算机联锁系统用软件来代替了电气联锁系统 中由继电器实现的逻辑功能。这大大减少了继电器的使用量和维修量。提 高了系统的可靠性和安全性。计算机联锁系统的人机会话层的接口设备既 可以采用传统的专用控制台，也可以采用通用的计算机人机接口设备，如 鼠标器、图形输入板( 俗称数字化仪板) 、键盘以及显示器等，这些通用设 备产量很大、价格便宜，使用灵活。根据时下的情况，该类系统能够较好 地完成铁路安全生产所交付给的指挥行车的重任：一方面要集中控制车站 2 第一章绪论 内的信号、道岔和进路，发出行车命令去指挥列车或车列安全、迅速地运 行；另一方面还要完成车站内的信号、道岔和进路之间的联锁任务。 数字化仪式控制台大屏幕显示器 图12 系统构成的硬件形象图 图1 1 、1 2 中所绘出的系统，实际上是一双机热备系统。在目前的现 场应用中，在那些线路等级高、运输量大、列车运行速度快的干线上，采 用了另一种复杂的设备一容错计算机来实现联锁功能。容错计算机系统是 由三个计算机模块构成的三重硬件冗余计算机系统。容错联锁计算机系统 3 第一章绪论 的容错联锁主机，其容错能力是通过输入模块、主处理模块、输出模块三 大部分的全面三重化来实现的。容错计算机实质上是一个三取二系统，这 一系统可以明显地提高整个控制系统的可靠性，使行车更为安全。不过， 这一系统结构复杂、技术要求很高，实现三重模块的软硬件同步颇具难度， 目前这一系统国内尚不能生产，需从国外进口。 以上阐述了计算机联锁系统的诸多优点，同其它诸事物一样，计算机 联锁系统并非尽善尽美，尚存在些许不足。按自动控制系统的分类看，计 算机联锁系统与电气联锁系统都属于集散控制系统范畴。电气联锁系统所 固有的不足，计算机联锁系统并未能从根本上解决。尤其是在未来的全路 进一步提速过程中，这些不足很可能会成为铁路发展的羁绊。其主要缺点 如下所述： ( 1 ) 为提高系统可靠性而引入的容错计算机造价高昂、且结构复杂， 工程造价大幅提升，系统可扩展性和通用性受到很大限制。 ( 2 ) 目前，数据量的采集依然采用一对一的方式。即：有一个数据量 就有一根线与之对应，这样就造成布线繁、乱，而且通常是多条线成束扎 结，线与线之间的干扰在所难免。 ( 3 ) 通信主模块与上位机间的通信采用低速串行通信，其通信速度 低，通信距离短，抗干扰能力弱。 这些不足的存在制约了整个控制系统的效率，降低了铁路生产的效益。 尤其是在铁路现场恶劣的气候环境中和电磁干扰及严重的振荡干扰下，通 信能力急待提高。 1 2 课题的选定和需解决的问题 1 2 1 课题的选定 显然，目前的铁路车站信号测控系统在某种程度上是以牺牲效率来换 4 第一章绪论 取安全的。这在铁路未来的发展中将会受到挑战。同时，铁路基础信息网 已经建设完成，电务系统信息化的要求也日渐迫切。另外，铁路车站信号 控制系统的现场设备处于一个分散的环境中，监控者与被监控者的设备之 间会有一定的距离相隔。那么，能否从地域分散角度出发，开发出一种适 合铁路现场环境的网络结构将这些分散的设备连接起来，形成一控制网络， 从而既能有效完成系统的控制和通信任务，又便于实现与基础信息网的联 网呢? 能否依据现有技术设计出一种新型的铁路信号控制系统，从根本上解 决现有系统中存在的不足，并能充分利用现有设备，实现联网。这是本课 题的出发点与落脚点。 铁路信号控制系统实质上是控制系统在铁路上的具体应用，应用自控 领域的最新技术来解决在铁路信号控制系统中问题，这是很自然的事情。 所以问题的解决方案应该从自控领域的新近技术成就中找寻。 现场总线技术是新事物，不过，酝酿已久。在从分散式控制系统向分 布式网络集成化控制系统的深刻变革中，现场总线技术扮演了极其重要的 角色。 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o m r o l l e r ) 技术是现代工业自动化三大支柱 之一。自六十年代末期这一技术出现以来，p l c 技术已渗透到工业控制的 各个领域。近年来，各类p l c 产品的连网、通信能力都有了长足的发展， 更使得这一技术日臻完善。 能否采用现场总线技术，辅以p l c 构成针对铁路车站信号控制系统的 分布式自控系统? 从而解决目前面对的问题。这是许多人自然会想到的。 本课题以现场总线技术、p l c 技术为支持，以解决目前铁路车站信号系统 中遇到的问题为研究对象，构建一新型的控制网络系统，实现铁路车站信 号测控系统的相关功能，并进一步提高系统的可靠性和实时性，以适应铁 路不断发展的需要。 5 第一章绪论 1 2 2 课题需要解决的问题 将现场总线技术应用于铁路车站信号控制系统，以下几个核心问题必 须解决。 ( 1 ) 系统可靠性与安全性 铁路系统的运输生产关乎国家、人民生命财产安全，可靠性和安全性 是必须首要考虑的。尽管相对而言，带有较强信息通信能力的现场总线测 控系统一定会比通信能力较弱的离散控制系统具有更高的可靠性，但这一 问题绝不是研究不研究都可以的。 ( 2 ) 现场总线的选型 现场总线的发展，眼下已呈群雄逐鹿之势，到底哪一种总线更能适合 铁路系统的要求，需全盘考虑。 ( 3 ) p l c 的设计 现在市场上各厂家的成品p l c 有许多种，这些产品都是为现代控制系 统，采用最近科技设计的。具有很强通用性，但往往有很大的设计余量。 所以价格较高。目前尚无针对铁路系统的p l c 。如能根据p l c 的相关知识 搭构p l c ，将会收到很好效果。 ( 4 ) 现场总线故障安全通信协议的研究 如前述，现场总线还是新事物。其突出特点在于增强了控制系统中的 通信能力，使得信息技术在自控领域得以发挥更大的作用。通信协议能否 做到故障安全，关系到传达信息是否准确，所以十分重要。 1 3 课题中完成的工作 在课题进行过程中，主要做了如下几方面的工作： ( 1 ) 深入研究了铁路信号的相关知识，认真分析了现行系统的不足， 6 第一章绪论 并多次调研，寻求解决问题的新思路、新方法。 ( 2 ) 研究了p l c 的最新知识，尤其是p l c 联网技术，研究了将p l c 应用于铁路信号系统的可行性。并设计了基本p l c 的电路。编写了相关程 序，实现了某种逻辑关系，进而实现小范围的联锁运算。 ( 3 ) 搜集、整理了现场总线的技术文献。在对几种常见的现场总线学 习、研究、比较的基础上，提出c a n 总线应用于铁路车站信号控制系统的 可行性与优越性。 ( 4 ) 设计了下位数据采集和控制机的电路，较好地实现了执行层的任 务。编写了相关程序。编写了上位机程序，对上位机的作用做了深入分析。 ( 5 ) 从软硬件冗余技术出发，提出了保证这一新系统可靠性与安全性 的技术措施与方法。更突出了对软件容错技术的运用与研究。 ( 6 ) 在进行电路设计过程中，应用了e d a ( 电子电路设计自动化) 的基本思想与方法。为了保证系统适应现场的实际情况，应用了f p g a ( 可 编程逻辑门阵列) 芯片，学习研究了相关知识。 7 第二章课题支持技术 第二章课题支持技术 当今世界正处于由“工业经济”模式向“信息经济”模式转变的时期。 以高新技术为核心，以信息技术为手段，提高工业产品附加值已经成为现 代工业企业自动化重要的发展目标。铁路信号控制系统说到底是工业自动 化技术在铁路运输生产中的具体应用，因而对该系统的改型设计必须是基 于对当今工业自动化技术的分析、理解、研究的基础上。 2 1 自动控制理论和自动控制系统的发展 2 1 1 自动控制理论的发展 自动控制理论的发展是伴随着被控制对象的复杂性、不确定性等因素 的研究成果而发展的，它由经典控制理论( 频域方法) 和现代控制理论( 时 域方法) 发展到第三代控制理论一智能控制理论。 随着现代科学技术的迅速发展，生产系统的规模越来越大，形成了复 杂的大系统，导致了控制对象、控制器以及控制任务和目的的日益复杂化， 从而使得经典控制理论、现代控制理论在应用中遇到了不少难题，影响了 它们的实际应用，其主要原因有三。 ( 1 ) 基于经典、现代控制论的控制系统的设计和分析都是建立在精确的 数学模型的基础上的，而实际系统由于存在不确定性、不完全性、模糊性、 时变性、非线性等因素，甚至很难获得精确的数学模型。 ( 2 ) 研究经典、现代控制理论时，人们必须提出一些比较近似的假设， 而这些假设在应用中往往与实际差别较大甚至与实际不符。 ( 3 ) 为了提高控制性能，整个控制系统变得十分复杂，这不仅增加了设 备投入，也降低了系统的可靠性。 于是，自动控制工作者一直在寻求新的出路，他们在考虑：能否不要 r 第二章课题支持技术 完全以控制对象为研究主体，而以控制器为研究主体呢? 能否用2 0 世纪5 0 年代中期出现并得到快速发展的人工智能的逻辑推理、启发式知识、专家 系统等来解决难以建立精确数据模型的控制问题呢? 第三代控制理论即智 能控制理论就是在这样的背景下提出来的。智能控制的基础是人工智能、 控制论、运筹学和信息论等学科的交叉。它具有以下几个特点： 第一，在分析和设计智能控制系统时，重点不要放在传统控制器的分 析和设计上。而放在智能机模型上。 第二，智能控制的核心是高层控制，其任务在于对实际环境或过程进 行组织，即决策和规划，实现广义问题求解。 第三，智能控制是一门边缘交叉学科。它涉及众多的理论知识，是当 今控制科学的出路之一。一些有影响的智能控制理论包括：专家智能控制、 模糊智能控制、神经智能控制、定性控制理论等。 在三代控制理论中，智能控制是最新的，但这并不说明对任何系统而 言，智能控制都是最好的解决方法。实际上，各种控制理论都有各自的优 势，各种控制理论的复合能够取长补短，是控制理论的发展方向。 2 1 2 控制系统的分类 在控制理论基础上建立起来的控制系统按照控制方式划分，可分为： ( 1 ) 集中控制方式，( 2 ) 集散控制方式，( 3 ) 现场总线控制方式。也就是说控制 系统在经历了由集中式控制系统向集散式控制系统的变革之后，在现代网 络技术不断发展的今天，随着现场总线的兴起，控制系统的结构彻底得到 了改变，向着网络化的方向发展，形成了对人类生产、生活有重要影响的 另一类网络一控制网络。但这三种控制系统的分类并不是依据以上所说的 控制理论的三种分类方式，而只是按照控制方式的不同。下面具体分析一 下各种系统的特点。 ( 1 ) 集中控制系统 9 第二章课题支持技术 所谓集中控制方式就是指由单一的计算机完成控制系统的所有功能和 对所有被控对象实施控制的系统。这一系统的优点在于：结构简单、清晰， 数据库很容易管理，很容易保证数据的一致性等等。不过集中控制系统也 存在着以下的不足： 危险集中 集中式控制系统的所有功能、所有的处理集中在一台 计算机上，大大增加了计算机失效或故障对整个系统造成的危害性，所有 实时信息、历史数据和处理功能集于一身，一旦出现问题，造成的后果都 是全局的。这是这一系统最大的缺陷。 软件系统庞大、可靠性低各种功能集中在一台计算机中，使得 软件系统相当庞大，各种功能要有很多实时的任务去完成，计算机运行效 率下降；同样由于软件的庞大、集中，使得系统的软件可靠性下降。 可扩展性差限于计算机硬件的配置和能力，一个系统在建立时 基本上就已经确定了其最终能力，如果能预见到其规模的扩充，只能预留 计算机的处理能力，这就造成很大的投资上的浪费： ( 2 )集散控制系统( d c s ) 集散控制系统( d c s ) 就是一种以分散的数据采集、控制和集中监视 管理为主要结构特征的计算机控制系统。其特点在于： 针对过程量的输入、输出及控制，使用多台计算机来分担。各台 计算机处于平等地位，在运行中相互之间不存在依赖关系。这样每台计算 机的失效只会影响到自己所处理的那一部分功能，不至于造成整个系统的 失控。 用不同的计算机去实现不同的功能，使每台计算机的处理尽量单 一化，提高每一台计算机的运行效率，而且单一化的处理在软件结构上容 易做得简单，提高了软件的可靠性。 用计算机网络解决系统的扩充与升级的问题。与计算机内部总线 比较，计算机网络设备有相对简单、可靠、可扩展性强、初期投资较小的 1 0 第二章课题支持技术 特点。只要选型得当，一个网络的架构可以具有极大的伸缩性，从而使系 统的规模可以在很大范围内实现扩充而并不增加额外的费用。所以分散式 系统具有较好的扩展性。 集散控制方式是将主控机的部分功能分散到多个以单片机为核心的的 控制器来完成。“集”指的是操作、监视和管理的集中，“散”是具体控制 功能的分散。图2 1 是一典型的d c s 系统的组成结构。采用这种结构可使 危险分散，提高系统可靠性：同时也使得生产过程的信息能够集中管理， 以达到整体的操作、管理和优化。计算机系统由于具有集中图形显示、智 能化处理、动态模拟、数据通讯、打印记录等多种功能以及操作简便、可 靠性高等特点而在工业控制d c s 系统中得到广泛应用。 图2 1 集散控制系统三大组成部分 不过d c s 系统大多为模拟数字混合系统，并未形成从测控设备到操作 控制计算机的完整网络。其主机部分的计算机网络由于采用独家、封闭的 通信协议，给用户的系统集成与应用带来诸多的不便，其技术发展受到较 大束缚。集散式控制系统中网络的选择起着举足轻重的作用，它必须是一 第= 章课题支持技术 个实时网络，网络需要根据现场通信实时性的要求，将数据上传或下装， 对整个网络而言，实时性是系统正常工作的前提，安全性是系统工作的基 础。 ( 3 ) 现场总线控制方式( f c s ) 现场总线是应用于生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串 行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字式、多点通信的底层控 制网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表中，使它 们各自都具有了数字计算通信能力，采用可进行简单连接的通信介质作为 总线，把多个测量仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在 位于现场的多个微型机化测量设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之 间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 现场总线控制系统( f c s ) 较之与分散式控制系统( d c s ) 其优势在于： 一对n 的结构一对传输线( 总线) 挂接n 台现场设备，双向传 输多个数字信号。这种结构比一对一的单向模拟信号传送结构布线简单， 安装费用低，维护方便。 开放式系统现场总线采用统一的协议标准，是开放的互连网络。 不同厂家的网络产品可以集成在同一控制系统中。 彻底的分散控制现场总线将控制功能下放到现场仪表设备中， 做到了彻底的分散控制，提高了系统的灵活性和自治性，减轻了分散式系 统中控制站c p u 的计算负担。 可互操作性互可操作性是指在系统的同一套组态环境下可以无 损失地使用来自不同厂商的设备的全部功能。保证不同厂家的设备间的相 互访问。 可靠性高f c s 系统采用数字信号传输数据，提高了数据的精度和 抗干扰性。将控制功能放到现场设备中，使危险分散，系统可靠性提高。 信息综合，组态灵活通过数字化传输现场数据，f c s 系统能获取现 1 2 第二章课题支持技术 场仪表的各种状态、诊断信息，实现实时的系统监控和管理。此外，f c s 系统引入了功能块的概念，通过统一的组态方法，使系统组态简单灵活， 不同现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路。 现场总线控制系统成为发展趋势的原因之一，是它改变了传统控制系 统的结构，形成了新型的网络集成式全分布控制系统。图2 2 为现场总线 系统的网络结构图。 图2 2 现场总线系统的网络结构 现场总线系统除了采用开放的通信协议之外，从图中可以看出，它简化 了d c s 所采用的多级分层网络结构 融合。f c s 是在d c s 的基础上产生的 且便于跟i n t e m e t 、i n t r a n e t 的连接与 它们在许多方面是一样的，如人机界 面操作站。从这一点上看，不应把f e s 与d c s 对立起来。时下有两种认识 是不足取的，一种是过于偏激的说法：即“d c s 消亡论”，认为f c s 会在一 夜之间全面取代d c s ，另一种则刚好相反，认为d c s 经过二十多年的发展， 已然十分完善，从而否认f c s 的先进性、优越性。这都是不正确的，事实 上，在今后相当长的一段时间，d c s 与f c s 会相互并存。f c s 还会在很大程 第二章课题支持技术 度上利用d c s 、p l c 技术。 2 2 f c s 应用于铁路车站信号控制系统的可行性分析 前面已述及f c s 的技术特点，能否将其应用于铁路信号系统是很多科 学工作者自然而然想到的问题。通过下面的讨论，不难发现f c s 不仅适合 铁路车站信号控制系统，而且比其他系统更具优越性。图2 4 是一典型的站 场图的局部。 图24 典型站场图局部 i i 在车站信号控制系统中，控制任务常常是针对整个进路来进行的，对 进路的操作是通过对信号机( 如图中x 、s i 、s l i 、s 、x i 、x i i ) 、转辙机 ( 如道岔l 、2 4 、5 处设有) 和轨道电路( 1 d g 表示是一号道岔区段轨道 电路，i 敬l ig 表示i 股道和i i 股道的轨道电路) 等设备的监测、控制来 完成的。从图中可以看出：各被控对象都分散在铁路线上，它们之间彼此 相距较远，最远两点间距离可能超过1 k m ，甚至更长。另外与普通的工业过 程控制不同，一般的工业过程控制，对某节点的操作通常与前一节点及后 一节点关系紧密，但与其稍远、更远的节点则关系不大或者没有关系。而 铁路车站信号控制系统则不同，某节点执行任务时，它与站内的多个节点 相关，而这些节点可远、可近。这些点是由于铁路信号系统的连锁关系决 1 4 第二章课题支持技术 定的。连锁是铁路信号系统的一个专用名词，它是指“通过技术方法，使 信号、道岔和进路必须按照一定的程序并满足一定条件，才能动作或建立 起来的相互关系。当一个进路建立时，必须清楚进路中的股道是否占用， 道岔是否在正确的位置，敌对进路是否建立。如下表2 1 是根据图2 4 填写 的联锁表。 方进路 进路信号道岔敌对 轨道 向号码机进路电路 下接至i 股道 ll2 、3 、4 、7 、8 、9 l d gig 行 生 至i i 股道 2x ( i )1 、3 、4 、5 、7 、8i d gi i 占 方 向 发从1 股道 3s l11 、2 、4 、8 、91 d g 车 从l i 股道 4s i i ( 1 ) 1 、2 、3 、71 d g 表21 联锁表 当i 股道接车时，必须首先排查接车进路的条件是否满足，进路建立 的条件在于：道岔1 在定位，i 股道和道岔l 区的轨道电路显示其间没有 列车占用，同时敌对进路2 、3 、4 、7 、8 、9 没有建立。5 、6 、7 、8 是上行 的发车接车进路，9 是指调车进路。测试敌对进路是否建立，必须知道相 关的信号机、道岔、轨道电路的状态，这就需要对几乎图中所有的被控制 节点进行测试。可谓牵一发而动全身。d c s 在处理这样问题时越来越遇到 了挑战，d c s 具有一个主控机，所有命令需由主控机发出，大部分的信息 传递也需要主控机参与。这在铁路车站信号这样一个非常分散的系统中， 显然效率不会太高。过去d c s 能够完成任务，实际是某种程度上的牺牲效 率来换取的行车安全的。随着列车运行速度的进一步全面提高，这种作法 将难以做到高效。f c s 则可解决这些问题，f c s 是新型的网络集成式全分 第二章课题支持技术 布系统，能够很好地实现节点间的通信，从而提高整个系统的反应能力。 对于f c s 而言，向邻近节点传送信息同向较远节点传送几乎没有什么不同。 有关f c s 较之与d c s 的特点前面已经论述，这里不在冗述。 2 3p l c 的最新技术 从事自控系统相关工作的科技人员对于p l c 技术一定不会陌生，甚至 有些人认为这一技术已然非常成熟，没有再深入研究的必要。而实际上情 况远非如此，p l c 的确并非新事物，可是近年来其发展速度与许多新兴技 术样令人叹为观止。随着其功能的进一步完善，它在工业自动化领域的 作用日渐突出。从世界范围看，p l c 及其网络产量、销量、用量高居各种 自动化产品的榜首。 从六十年代末期p l c 出现到现在，已历经4 次换代：第一代p l c ，大 多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑功控制能。在第 二代p l c 产品中换成了8 位微处理器及半导体存储器，p l c 产品开始系列 化了。第三代p l c 产品随着高性能的微处理器及位片式c p u 在p l c 中大 量的使用，p l c 的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方 向发展。第四代p l c 产品不仅全面使用1 6 位、3 2 位高性能微处理器，高 性能位片式微c p u ，r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 精简指令系统 c p u 等高级c p u ，而且在一台p l c 中配置多个微处理器，进行多道处理。 同时生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第四代p l c 产品成为具有 逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、联网通信功能的真正名符 其实的多功能控制器。同一时期，由p l c 构成的p l c 网络也得到了飞速发 展。 目前许多p l c 厂家都在争相发展自己的产品，其连网、通信能力不断 提高。多数厂家的产品已自成系列，应该说在铁路车站信号系统中应用这 样的p l c 是没有问题的。但众所周知p l c 最初出现在过程控制中，虽又历 1 6 第二章课题支持技术 经几代的发展，其设计依然是主要针对工业工厂环境的，眼下尚无针对铁 路环境而开发的p l c ，这样，在铁路车站信号控制系统中采用成品p l c 实 现控制功能是能够完成任务的。但会造成不能充分发挥p l c 潜能的情况出 现，使得工程造价偏高。一种可行的方法是：根据铁路生产的实际，提出 具体要求，或者亲自设计一种p l c 为此必须首先了解p l c 的基本原理 再与有关厂家合作，生产批量成品。 图2 3 是最基本的p l c 的原理框图， 根据这一框图，就可以根据具体的要求搭构p l c 。这在以后的章节中将进 一步论述。 图25p l c 原理框图 1 7 第= 章课题支持技术 2 4 几种常见现场总线的简介 2 4 1 控制网( c o n t r o l n e t ) 控制网是近年来推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线网络， 在同一物理介质链路上提供时间关键性i o 数据和报文数据，包括程序的 上载下载，组态数据和点对点的报文传递等通信支持，是具有高度确定性、 可重复的高速控制和数据采取的网络，i o 性能和端到端通讯性能都较传统 网络有较大提高。 c o n t r 0 1 n e t 是基于生产者俏费者( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 模式的网络， 允许在同一链路上有多个主控器共存，支持输入数据或点对点信息的多路 发送，大大减少了网络上的交通量，提高了网络效率和网络性能。 c o n t r o l n e t 是高度确定性、可重复的网络。所谓确定性就是预见数据何 时能够可靠传输到目的地的能力。而重复性则是指数据的传输时间不受网 络节点添加删除情况或网络繁忙状况影响而保持恒定能力，在实际应用 中，通过网络组态选择性设定有计划0 分组或互锁时间，这些要求能得 到更进一步的保证。因此，c o n t r o l n e t 非常适用于一些控制关系有繁杂关联， 要求控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度要求较高的应用场合。 如协同工作的驱动系统，焊接控制、运动控制，视觉系统，复杂的批次控 制，有大量数据传送要求的过程控制系统。对于有多个基于p c 的控制器之 间，不同p l c 之间或者p l c 和d c s 之间百战百胜通讯要求的场合， c o n t r o l n e t 非常适用。c o n t r o l n e t 允许多个各自拥有自己独立或共享的i 0 控制器之间相互通讯或以灵活的互锁方式组织。由于其突出的实时性、确 定性、可选的本征安全等特性，越来越多地应用于过程控制等要求较高的 应用场合。 c o n t r o l n e t 是开放的现场总线，截止1 9 9 9 年底在全世界范围内已经拥 1 8 第二章课题支持技术 有包括r o c k w e l la u t o m a t i o n 、a b b 、h o n e y w e l l 等近7 0 家著名厂商组成 的成员单位，由独立国际组织一控制网国际( c o n t r o l n e ti n t e m a t i o n a l ) 负 责管理，该组织旨在维护和发行c o n t r o l n e t 技术规范，管理成员单位的共 同的市场推广工作。同时提供各个厂商产品之间的一致性和互操作性测试 服务，保证c o n t r o l n e t 的开放性。 控制网的通讯是基于一种全新的通讯模式：生产者消费者通讯模式。 工业控制网络提供越来越高的生产率、更高的系统性能，同时又提供确定 性的、可重复的、可估计的设备间通讯。单纯提高波特率或单纯提高协议 效率，都不能从根本上解决问题。传统的网络通讯模型是源目的网络模式 下，当同一数据源上的数据向网络上其它多个节点发送数据时，必须经过 多次才能实现，这就大大增加了网络负担，降低了通讯的效率。另外，由 于数据到达不同网络节点的时间可能因网络上节点数的不同而变化。不同 节点之间的同步就变得困难，通讯的实时性不能得到保障。不同于以往的 通讯模式，生产者消费者模式允许网络上的不同节点同时存取同一源的数 据。在生产者消费者模式下，数据被分配一个唯一的标识，根据具体的标 识，网络上多个不同的节点可以接收到来自同一发送者的数据，其结果是， 数据的传输更为经济，每个数据源一次性把数据发送到网络，其它节点选 择性地收取这些数据，数据只须产生一次，不浪费带宽，提高了系统生产 效率、改善了实时性。 从以上讨论可以看出c o n t r o l n e t 是一种优秀的现场总线尤其适合于过 程控制。 2 4 2 局部操作网l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k s ) l o n 总线是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出的局部操作网络，为分布 式控制系统提供了很强的实现手段。在其支持下，诞生了新一代的智能化 低成本的现场测控产品。为支持l o n 总线技术，它为l o n 总线设计、成 1 9 第二章课题支持技术 品化提供了一套完整的开发平台。l o n 总线成为当前最为流行的现场总线 之一。 l o n w o r k s 使用的开放式通信协议l o n t a l k 为设备之间交换控制状态 信息建立了一条通用标准。l o n t a l k 协议最大的特点是对o s i 七层协议的支 持，是直接面向对象的网络协议，这是以往的现场总线所不支持的。具体 实现就采用网络变量这一形式。网络变量使节点之间的数据传递只是通过 各个网络变量的互相连接便可完成。又由于硬件芯片的支持，实现了实时 性和接线的直观、简洁的现场总线的要求。神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是 l o n w o r k s 技术的核心，它不仅是l o n 总线的通信处理器，同时也可作为 采集和控制通用处理器，l o n w o r k s 技术中所有关于网络的操作都是通过它 来完成的。按照l o n w o r k s 标准网络变量来定义数据结构，也可以解决和不 同厂家产品的互操作性问题。l o n m a r k 是与e c h e l o n 公司无关的l o n w o r k s 用户标准化组织，按照l o n m a r k 规范设计的l o n w o r k s 产品，均可非常容 易地集成在一起，用户不必为网络日后的维护