（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线的车站防错控制系统的应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 由于列车速度的提高，为了保证客车的安全，不论是电气集中联锁，还是计算 机微机联锁技术，都不能满足技规中新加入的关于客车运行的规定。为满足铁 路提速、高效率、高密度的运行状况的需求，提出了基于现场总线的车站防错控制 系统的设计方案。论文在如下几个方面开展了工作： 分析了联锁系统的发展和现状，在研究现有计算机联锁系统和6 5 0 2 电气集中联 锁系统的常规控制台存在问题的基础上，提出了基于现场总线的车站防错控制系统 的结构设计方案。防错控制系统主要有控制台盘面、工控机、防错办机、值班员机、 采集驱动模块和电源部分组成，其中控制台盘面和工控机之间的通讯采用了r s 4 8 5 总线，工控机与其它部分硬件之间的通讯采用c a n 总线。 介绍了现场总线的特点及c a n 总线的核心器件，根据模块化和冗余的设计原则， 进行了车站防错控制系统的控制台盘面的单元模块、通信机模块、采集和驱动模块 的软硬件设计以及工控机、防错办机和值班员机的软件设计。依据c a n 2 0 a 通信协 议的数据格式，按照数据组织的实际情况制定了具体的r s 4 8 5 通信协议和c a n 通信 协议。 防错控制系统硬件设计提出了地址自动识别和模块化设计先进的技术，所有的 采集模块、驱动模块和控制台盘面的单元模块的软硬件分别相同，从而使系统部件 维护方便、快捷。防错控制系统具有防止进路错办和漏办的防错办能力，一旦控制 台盘面无法正常使用，值班员机可以代替控制台盘面使用。为提高系统的安全性和 可靠性，在硬件设计方面采用冗余技术和工业级的元器件，在软件设计方面采用了 上电自检、定时自检等技术。基于现场总线的车站防错控制系统综合运用计算机技 术、现场总线通信技术等，满足了铁路的高安全性、高可靠性要求。 关键词：现场总线通信防错冗余 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c er a i s eo ft r a i nv e l o c i t y ，w h e t h e rt h ee l e c t r i cc o n c e n t r a t e di n t e r l o c k e ds y s t e mo r t h ec o m p u t e ri n t e r l o c k i n gt e c h n o l o g y ，b o t hc a n tm e e tt h en c wr u l e so nt h e p a s s e n g e rt r a i n o p e r a t i o n , t og u a r a n t e es e c u r i t yo fp a s s e n g e rt r a i n t om e e tr a i l w a ys p e e d ，h i g h - e f f i c i e n c y ， l l i g h d e n s i t yo p e r a t i o ni nd e m a n d t h et h e s i sg i v e sad e s i g no ft h ef a i l s a f er a i l w a yc o n t r o l s y s t e mb a s e do nf i e l d - b u s t h ed e t a i l sa r ea sf o l l o w f i r s t l y ，d e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo ft h ei n t e r l o c k e ds y s t e ma r ca n a l y z e d t h e p r o b l e m so ft h et r a d i t i o n a lc o n s o l e sa b o u tt h ec o m p u t e ri n t e r l o c k e ds y s t e ma n dt h e6 5 0 2 t y p eo ft h ee l e c t r i cc o n c e n t r a t e di n t e r l o c k e ds y s t e ma r es t u d i e d t h et h e s i sp u t sf o r w a r d t h es t r u c t u r a l d e s i g no ft h ef a i l - s a f er a i l w a yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf i e l d b u s t h e f a i l 。s a f ec o n t r o ls y s t e ma r cc o m p o s e dw i t hc o n s o l e ，i p c ，f e b ，z b y j ，c o l l e c t i n ga n d d r i v i n gm o d u l e ，p o w e rm o d u l ea n ds oo n r s 4 8 5b u si sa d o p t e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e n t h ec o n s o l ea n di p c c a nb u si sa d o p t e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nf c ba n do t h e r m o d u l e s 。 f i e l d - b u sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea d v a n c e dp i v o t a ld e v i c e sa r ci n t r o d u c e d d e p e n d i n g o nt h ep r i n c i p l eo fm o d u l a r i z a t i o na n dr e d u n d a n td e s i g n ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n s o ft h ec e l lm o d u l eo fc o n s o l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，c o l l e c t i n ga n dd r i v i n gm o d u l ea r c g i v e n ，a n dt h es o f t w a r ed e s i g n so fi p c f c ba n dz b y ja r eo b t a i n e d b a s e do nd a t a f o r m a to ft h ec a n 2 0 ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dt h ed a t ao r g a n i z a t i o no ft h ea c t u a l s i t u a t i o n ，t h er s 4 8 5a n dc a nc o m m u n c a t i o np r o t o c o l sa r cd r a wu p t h ea d d r e s s e sa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o n t e c h n o l o g i e s a r c p r o p o s e d t h es o f tw a r e sa n dh a r d ，习i 瞄o fa l lc o l l e c t i n gm o d u l e , d r i v i n gm o d u l ea n d c o n s o l ec e l lm o d u l ea l et h es a m es e p a r a t e l y , t h u st h ec o m p o n e n t sm a i n t e n a n c e sa r e c o n v e n i e n ta n dp r o m p t t t h ef a i l 。s a f ec o n t r o ls y s t e mc a nd e f e n de r r o r , w h i c hi st h ew r o n g r o u t ea n dl e a k i n gr o u t e i ft h ec o n s o l ec o u l d n tb eu s e dn o r m a l l y z b y jc a n r e p l a c et h e i i 华中科技大学硕士学位论文 c o n s o l e i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m a t i cs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y ，t h er e d u n d a n c y t e c h n o l o g ya n dt h ei n d u s t r y g r a d ec o m p o n e n t sa r ea d o p t e di nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h e e l e c t r i c a ls e l f - c h e c kt e c h n 蝴t i m i n gs e l f - c h e c kt e c h n o l o g ya d o p t e di nt h es o f t w a r e d e s i g n t h ef a i l 。s a f er a i l w a yc o n t r o ls y s t e mb a s e do hf i e l d - b u sa p p l i e ss y n t h e t i c a l l yt h e c o m p u t e rt e c h n i q u e ，t h ef i e l d - b u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n do t h e rt e c h n o l o 套y i th a s m e tt h eh i g hs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so i lr a i l r o a d k e yw o r d s ：f i e l d - b u s c o m m u n i c a t i o nf a i l - s a f e r e d u n d a n c y i 独刨性声明 本人声骥所星交的学佼论文燕我令人在导郯指导下避行的研究芏俸及取得的研 究威栗。尽我所知，除文中已经标明弓 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已缀发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出霓献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识列，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名；碱 爨袈；妒湃 l 建多弱 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者宛全了勰学校宥关保露、使用学位论文的规迩，鼯：学校窍权 缳鼹势内嚣家有关部门或规梅送交论文的甍瞬律耱电子叛，允诲谂文被焱阕翻僭阕。 零人授权华中科技大学霹以憋本学位论文的龛妻g 域蠢g 分凑容编入露关数摆痒遴符检 索，可黻采雳彩帮、缩印或掴搦等复制手段僳存和汇编本学位论文。 保密a ，在年解密后适用本授权书。 本论文属予不保密z ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名： 书略 翻麓：捌年l i 熙爨 指导教师签名： 启名 ， 强瓤o 年，f 秀弓滔 华中科技大学硕士学位论文 1 1 项目背景及意义 1 绪论 铁路在连续几次提速后，铁路技术管理规程1 1 1 ( 简称技规) 也做了相应修 改，尤其是对客车要求更严。技规第九版第2 6 0 条规定：“在接、发客运列车的 同时，接入原规定为通过的列车，改为正线接车时，而接车线末端无隔开设备，禁 止办理相x , ，y 向同时接车和同方向同时发接列车”。 技规第九版第2 2 2 条规定：“接、发客运列车时，能进入接、发列车进路的 线路没有隔开设备或脱轨器，不准调车”。它是指为防止调车作业的机车车辆进入接 发列车进路与正在进出站的客运列车发生冲突，对能进入接发客运列车进路的调车 作业没有隔开设备或脱轨器，不准调车。 由于列车速度的提高，为了保证客车的安全，技规中新加入了这些规定， 而现在无论是电气集中联锁，还是计算机微机联锁技术，都不能解决技规中新 加入的这些关于客车的规定。由于人自身的生理因素，对于多方向的接发列车和非 正常接发列车的作业安全控制仅仅依靠作业人员的相互提醒，难免会出现差错，因 而严重威胁着接发列车的安全。 为了保证接发列车的安全作业，信号、道岔和进路之间必须以技术手段保证一 定的制约关系和操作顺序，这种制约关系和操作顺序称为联锁，实现联锁关系的系 统就是车站联锁系统。车站联锁系统是确保铁路运输行车安全和提高运输作业管理 效率的重要系统，系统正常工作时能保证行车安全，系统发生故障时也不能危及行 车安全，故障导向安全是车站联锁系统必须遵循的基本原则1 2 - 3 1 。 我国国营铁路约5 5 0 0 个车站，地方专线车站约1 0 0 0 多个，大多采用6 5 0 2 电气 集中设备，这些设备每1 5 年就需大修更新，且常规控制台的数量在全路中小型车站 占8 0 以上，按大中小车站平均计算，每个车站控制设备投资约1 2 0 万。因此该领 域技术的更新换代具有广阔的市场前景。 此外，基于现场总线的分布式的车站防错控制系统可以进一步提高铁路运输的 安全性、可靠性。本系统的研究必将促进铁路信号设备的向前发展，而且具有重大 的经济意义。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 国内车站联锁控制系统经历了机械联锁控制系统、电气集中联锁控制系统和计 算机联锁控制系统( 全电子化计算机联锁系统) 3 5 1 。 近年国内投入使用的计算机联锁系统都是从继电联锁系统过渡发展而来的，实 际上是通过计算机完成联锁运算、继电电路完成外部设备( 信号机、道岔、轨道等) 驱动的过渡性系统，还都不是以计算机技术为核心的全电子联锁系统，由于计算机 联锁系统仍保留数目不等的继电器，这给运营维修部门带来了一定的问题：既要定 期维修继电器，又要维修计算机系统，尤其是投入运行的计算机联锁系统数目增加 后，问题会更突出。 目前国外已投入运行的计算机联锁系统中多数也与我国状况相当，即也是计算 机联锁、继电器执行，但是从联锁系统运行的情况看，效果是很明显的，既保证了 安全，又提高了技术水平1 3 叫。 国外对计算机控制在车站接发列车中的运用比较早，8 0 年代中期，西方发达国家 就致力于新型智能化先进铁路运输系统的研制，具有代表性的系统有北美的a t c s 和a r e s 、日本的c a r a t 、法国的a s t r e e 及德国的l z b 系统等睁1 l l 。全电子化 计算机联锁系统结合计算机联锁发展的经验和现代电力电子技术的成果，是具有高 可靠性、高安全性、智能化的新型计算机联锁系统，但是目前还处于研究性阶段。 与国外相比，我国计算机联锁应用于车站接发列车过程相对较晚。我国当前的 计算机联锁系统虽然已经处于可用阶段，但是在可靠性和功能方面都有待提高，主 要用在城市轨道( 轻轨和地铁) 和编组站调车( 低速运行场合为主) 等，行车调车 站场也有少量使用。就可靠性而论，理论上可使计算机联锁系统的可靠性高于继电 器联锁系统，但还有待于在实际中考验。6 5 0 2 电气集中联锁控制系统是一种风险分 散系统，而当前的计算机联锁系统多采用集中控制方式，其关键部位发生故障时影 响面较大，严重时会导致系统瘫痪，并且其价格相当昂贵，且配套计算机联锁的鼠 标和数字化仪操作方式在现场使用过程中有很大的局限性。 6 5 0 2 电气集中联锁控制系统的常规控制台盘面上的每个单元模块的显示和按钮 操作都需要一根配线完成信息传输l 埘，造成控制台内部保留了大量配线，使现场维 修、养护的工作量比较大，且存在故障隐患。 随着铁路运输朝着高密、重载及高速的方向发展，对铁路信号的要求向信息化、 智能化和综合化发展，现有的车站铁路6 5 0 2 电气集中联锁控制系统的常规控制台装 2 华中科技大学硕士学位论文 置融无法适应铁路信号对可靠蚀与故障安全性的更高臻求，常规控制台越来越 割蠹馨着铁路运输篱理豹镲患化建设。 近年米，现场总线技术得到了广泛应用【1 3 4 8 1 ，它是实现分布式控制系统的技术 基旗。分蠢式系统戆主蘩特征爨：集巾管理，分散控懿。分布式绥德控制系统敷矮 于率站联锁控制系统中，有助予分散危险，提高设备利用攀，并鼠应用灵活，扩展 容耱。困戴，有必要磅究一秸慕予现搦总线懿分毒式车站茨错控铡系统取代霉裁控 制裔，使6 5 0 2 电气集中系统的可靠性和智能化程度得到提高，风险得到分散，从而 保诞整个系统兵蠢毫安全性秘霹靠性。 1 36 5 0 2 电气集中联锁简介 在车站上，铺设有许多条线路，线路之间用道钍联结着。列车或机车车辆在车 站蠹运孬的经鼹，称为遴鼹。遴路由邋岔的搿逶方翔决定。懿采邀慧牙遴方是不霹， 就有可能使两列列车由不同方向开到同一股邋上去，或者开到事先已停有车辆的股 遵上去，麸瑟弓l 怒撞车放障。为了摄障行车安全，滋鼹要漆痿号橇防护。遂岔缎霉 不对，或潸进路上有车，防护赭这条进路的储号机就不能歼放；信号机不开放，就 禁瞧残车弹瓢逶赣量去，以保诞列车逡簿的发全。控制道岔、进路和信考，势实现 这三者之间的联锁的设铸，称为车站联锁设备，简称车站联锁。 把许多道岔、避路和信号，震电气纯方法麦一个她方集中控镱g 和监督，势安褒 它们之间的联锁的设备，称为电气集中联锁设备，简称电气集中。用电磁继电器的 继瞧电路实行控剑舞实瑗联锁的设各，叫做继电式漱气集孛，篱称继电集中。6 5 0 2 电气集中就是继电式电气集中的一种，是我翻自己设计的较先进的铁路信号设备之 一。 电气集中联锁设备怒实现铁路现代化和囱动化的基础设备之一，因此要求宙必 须爨加安众可靠。设备发生故障时，也必须使其后累导向安全侧( 例如信号机由绿灯 导向黄灯，由黄灯导向红灯，进路由解锁导向锁闭，均为鼯向安全侧) ，称为故障一 安全。 全车站的道彷、进路和信号由一个地方集中控制和盗胬，不德能实现站内行车 指挥的自动控制，从而搬高劳动生产攀和改耪劳动条件，霭且反映情况猴确及时， 控制迅速，不再需要分散控翻时所必须的联系时闻，因两完全消除了因联系错谖所 引起的事敞，极大提高了车站作业效搴和行擎安全穰度。 3 华中科技大学硕士学位论文 在电气集中缀成联锁控制系统中，信号楼( 或行车室) 内设商控制螽、区段人 工獬锁按镊盘、继电器缀合及缀合粱、电源翱分线擞等室内控制设备；室外设有色 灯信号机、电动转辙机、轨道电路和电缆线路等。 设有挖割台的信号横或行车室是车站的控制中心。控制台用予控割和箍督邋岔、 进路和信号，为列车调度自动化系统的基础设备。区段人工解锁按钮盘魑辅助设备， 圭簧在更换继窀器或停嗷后，翔它使设备恢复正常状态i 藏外，谯道岔隧段因簸障 不能解锁时用它办理区段故障人工解锁，或关闭信母设备发生故障不能关闭信弩耐 用家关浸傣号。继电器缀合及耄黩合粱怒实瑶联锁的设备，怒执行控螽l 和整督溺静继 电器放置的地方。电源屏不间断的为藏个电气集中设备提供各种交流和赢流电源。 室沟外电缆通过分线盘实现连接。 室外的色灯信号机给出各种信号照示，电动转辙机转换道岔，轨道电路监餐进 蹈怒否空闲。室於酶联缓导线一般蔫瑰下电缆。 1 4 论文的主要内容 论文谯分析现有计算机联锁控制系统和6 5 0 2 电气集中联锁系统的常见控制台存 在潞遂的蒸硇上，榱据系统功裁要求帮展魏下研究工作。 ( 1 ) 系统整体方案的制定及系统寂全性和可靠性设计； ( 2 ) 防错控鬃系统鹣控懿螽盘瑟、a t 8 9 s 5 2 革元模块、3 2 5 1 逶信巍、采集与 驱幼模块的软硬件设计； ( 3 ) r s 4 8 5 愆线稳c a n 慧线逮傍协议酶裁定，王控祝、跨锈办员概和僮凝员 机的软件设计； ( 4 ) 系统联调等羔俸。 华中科技大学硕士学位论文 2 基于现场总线的车站防错控制系统的总体设计 2 1 车站防错控制系统的功能和特点 配套6 5 0 2 电气集中使用的车站防错控制系统( 如图2 1 所示) ，主要由控制台 盘面、值班员机、防错办机、工控机、驱动采集电路等部分组成。 2 1 1 控制系统主要功能 1 ) 具备常规控制台( 6 5 0 2 电气集中) 所有功能 在研制新型控制系统过程中按照t b t 3 0 2 2 2 0 0 1 9 t d 系列单元控制台技术条件 和信号维护规则有关控制台的标准进行，且具备目前常规控制台的所有功能。根 据现场各种提示电铃较吵并容易短路影响安全，开发语音提示系统代替电铃，提高 系统的安全性。 2 ) 向生锈区段排进路互控功能 长期以来，钢轨生锈造成轨道电路分路不良直接影响行车安全，为减少因此而 引起的行车事故，目前采用的办法是电务定期在行车登记簿上进行登记，但时间长 了容易造成操作人员遗忘。因此增加向生锈区段排进路互控功能，即操作人员向生 锈区段排进路时，必须经值班员确认同意后进路才能排出来，并语音提示值班员注 意确认。 3 ) 防错办功能 ( 1 ) 技规第2 2 2 条规定的禁办进路。 ( 2 ) 技规第2 6 0 条规定的禁办进路。 ( 3 ) 客运列车接错股道：它有两个含义，一是指某一股道禁止接入客运列车，此 时禁止排接车进路；二是指接车股道与计划接车股道不一致，允许排接车进路，但 语音提示与计划不符。 ( 4 ) 列车发错方向；指有两个及以上发车方向时，发车进路未按规定发车方向发 车时，禁止排发车进路。 ( 5 ) 向封锁区间发车：技规第2 8 7 条：向施工封锁区间开行路用列车时，列 车进入封锁区间的行车凭证为调度命令。技规第2 7 9 条：向封锁区间发出救援列车 5 华中科技大学硕士学位论文 时，不办理行车闭塞手续，不开放出站信号机，以列车调度员的命令作为进入封锁 区间的许可。按照技规要求，向封锁区间排列车进路时，禁止排列车进路。 ( 6 ) 提供“错办”进路时的语音提示，在各种“错办”进路时，均有相应的语音提示 提醒操作人员注意。 图2 1 防错控制系统整体结构示意图 4 ) 标准化作业功能：如图2 2 所示。 模拟站电子占线板，它显示在值班员机上，中间部分是计划股道窗口，可显示 当前计划情况。各接、发车口实时显示当前列车运行情况。 图2 2 模拟站电子占线板 6 华中科技大学硕士学位论文 可完成以下功能： ( 1 ) 记聚接发列车终攮( 蔻方旗闭塞“一”、前方雉发车“+ ”、零翕占到达“毋”、逶 过“o ”、_ 本站出发“ 圾车机联控“v ”) 过程操作。 圆车次号跟踪功戆，霹毒譬列车在车涎运行腿的车次号迸褥叁动鼹踪，耋割裂举痣 去。 ( 3 ) 叁粒生成“篷班县瘩圾接发列攀终业操关管璞表格。 5 ) 提供接发列车作北及办联迸路信息的记录、襻贮、闻放的功能，可现场读取、 回放历史记录。 6 ) 本系统能够共享铁路系统调度管理信息系统( d m i s ) 、逡输管理信息系统 ( 驰谭l s ) 爨动下达绘车站的列车计划信息，也能良d m i s 、t m i s 系统提供底层镶患 资源。 7 ) 可根据现场要求增加客运列攀旅客向导及行车作业用户告示终端服务功能。 并在研制评发联锁防错控制系统时预留接口。 2 。1 2 车站防镑控嬲系统的主要特焘 1 ) 控制台盘颇和工控机之间采用tr s 4 8 5 总线，工控机与其他部分硬件采用 c a n 慧线转9 - 2 ”，车务值班室到槐械室必需两对电缆鼯霹实现蓿患传输，鞠忿节省了 原来大量的电缆布线，可降低故障率，提高了系统的稳定性，保证了设备的可靠性。 控裁台鑫甏内部慕矮r s 4 8 5 总线逶倍方式，实现无酝线。 车站防错控制系统改变了常规控制台的传统做法，采用r s 4 8 5 总线通信方式， 必需要黠传羧线就霹苏实现信怠铸输，减少了现场维骖、舞护静_ i 终爨。同时可 取消控制台零层端子板，无零层配线，减少了现场施工的工作量，解决了现场施工 容爨造成矮聚线等藤j 匿。 2 ) 单冗模块插接化，使现场更换单元模块更方便。 3 ) 本装统主瓣配套诗算机联锬设餐镬用，圈时瞧霹配套6 5 0 2 设备，其薅镶办 部分也可独立使用。 4 ) 控制台盘鼹敖障时，僮糍员可瓷值班受凝上邈褥操穆，等于勰了两个备用羧截 台。 5 ) 出子采用了诈算机技术，使能羧剑系统更搬辍便，钤形更擞美鼹，节省滋栗 的空间可充分利用。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 2 车站防错控制系统的安全性和可靠性设计 为保诞系统嶷全、可靠运行，设计中采取如下措施： 1 ) 工控祝、防锘办机、毽凝虽规、采集辍动电路、u p s 毫踩殇采翅双套趸余备 份，自动切换。 2 ) 镶班员瓿在控制农盘嚣教障酵代替控铡台盏弱魂能，可减少慰行率酶手扰， 有利于提高运输效率。 3 ) 所蠢搓接转均采耀靛空航天使耀熬捶羧件，撬魏为攀睁回转双篷甏线簧攒程， 具有接触电阻小、插拔力小、抗震、耐冲、寿命长等特点。 4 ) 采嶷电路逶过必魄援会器传进露隔离，提高撬于扰糕力。驱动电鼹蓉动态毫 器缎成，即可实现电路的有效隔离，撼高抗干扰能力，又可实现故障倒向安全。 5 ) 电源使用防雷变压器进褥隔离，可有效防虫终界电源于摅势起到防雷锋用。 6 ) 单冗模块使用聚碳酸脂工程塑料加阻燃荆，所有配线均使用阻燃配线，提高 防火效果。 7 ) 单元模块，驱动采集电路均能做到带电插拔及自我诊断。 8 ) 工控机和器个模块配有硬件看门狗。 2 3 现场总线技术 2 3 1 现场总线概述 现场总线控制系统羧术是2 0 世纪8 0 年代中瓣在国际上发震熬来的一种崭掰的 工业控制技术。现场总线控制系统( f c s ) 的出现引起了传统的p l c 和d c s 控制系统 基本结构酌革命性交纯。现场慧线控制系统搜术极大避篱化了转绕控翻系统繁琐且 技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理，愿重要的 是跌潦来的蘑两设备选撵控铡翻逶信方式转交成为纂子网络寒选择设备。自2 0 擞纪 8 0 年代现场总线控制系统技术进入中因以来，结合i n t e m e t 和i n t r a n e t 的迅猛发展， 瑷场慧线撩裁系统技本越来越鬣示逡冀传统控筏系统无露替代豹耄l 己越性，+ 现场憨线 控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点 2 2 - 2 5 1 。 据毒关都门统诗，瑰场惫线产瑟共骞2 0 0 多静，较有影嚷鳇窍4 0 多释，嚣褥国 内控制领域广泛成用的有c a n 、d e v i c e n e t 、p r o f i b u s d p 三种现场总线技术1 2 6 1 。 8 华中科技大学硕士学位论文 c a n 总线采用短帧结构，抗干扰能力强，支持多主通信和优先级通傣，并采用 菲谈坏性总线仲裁技术。c a n 总线是最早进入我国的现场总线，窀成本低、开发容 易，目前融广泛威用于国内自动化的备个领域。基予上述原因，本系统采用c a n 总 线。 p r o f i b u s 针对不同的应用需要推出了三种类型：p r o f i b u s ( d p 、p a 、f m s ) 。 这三种类黧殇使瑚统一的总线访蠢协议，其中p r o 辩b u s d p 采用经过优化的麓逮、 廉价通信连接，专为自动控制系统和设备级的分散l o 之间通信设计，熊够满定设 备级分毒式控制系统的爽时性、稳定魏和可靠经静簧求，变要焉予销造馥自动化， 实现自动掇制系统和分散式外部设备i o 及智能现场仪表之间的高速数据通信【2 丌。 d e v i c e n e t 慧线技术是在c a n 技零主发袋起来豹，是种低成本静设备层潮络 技术。d e v i c e n e t 技术在c a n 物理层、数据链路层的基础上又定义了应用层、收发 器翱传辕奔震，霞褥在遴信方甏受翔完善，势失上层熬应瓣绳揆7 雯完誊静接碟l 碉。 d e v i c e n e t 雁是满足了在正业网络的底层中传输数据爨小、节点功能相对简单、楚杂 程度低、繁点数爨大霹终节焘费瘸低的要求，使其程鑫动纯领域审褥到广泛健羽。 1 ) 现场总线的定义 从名测定义絮讲，瑷场总线是矮予现场魄器、现场仪表及瑗场设备冀控剩室主 机系统之问的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。现场总线标准规定某 令投铡系统孛一定数量的现场设备之阕魏霹交换数撬。数撵豹传输介质霹毁是魄线 电缆、光缆、电话线、无线电等等。 通俗她讲，现场总线是用在现场黪总线技术。传统控制系统的接线方式是一秘 并联接线方式，由控制器控制各个电器元件，对应每个元件有一个i o 脚，两糟之 闻黉用蘸搬线进行连接，作为控巷g 或电源。兰控制器骶控制舱电器元件数蹙达到数 十个甚至数百个时，整个系统的接线就最得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十 分不便。如何把那么多的导线合并到一起，将设备串行连接起来，且所鸯的数攒和 信母都在这根线七流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置，完成上述任务的 这掇线被称为总线。由予控制对象都在正矿现场，不同于计算机邋常用予室内，所 以魄种总线被称为现场的总线，简称现场总线例。 2 ) 现场总线的特点 现场总线技术实质上是采用串行数据传输和串联连接方式代替传统的并联信号 传输和连接方式的方法，它实现了控制层和现场总线设备之间的数据传输，同时在 保诞传输实时性的情况下实现信息的硪靠性和弼= 发住。 9 华中科技大学硕士学位论文 现场总线具有以下几个特点i 删： ( 1 ) 赢线麓萃。这是丈多瑰场慧线共有黪特性。瑷场总线鳇最大革命怒毒线方式 的革命，最小化的布线方式和最大化的网络拓扑使得系统的接线成本和维护成本大 大降低。凌予采鼷串霞方式，瓣数大多数现场总线慕震双绞线，还有蹇接在秀搬镶 号线上加载电源的总线形式。这样，采用现场总线类型的设备和系统给人明显的感 觉楚箍单豢鼹。 ( 2 ) 开放性。一个总线必须舆有开放性。这指两个方面：，一方面是能向不同醐控 胄琴统相逡接，嫩裁是墩用的嚣敖性；雯一秀嚣裁韪运售栽约的开放，魂就是帮发 的歼放性。只有具备了开放性，才能使得现场总线既具备传统总线的低成本，又能 适念先进靛剖系统豹髓终纯和系统化要求。 ( 3 ) 实时性。总线的寅时性邋应了现场控制和现场采集的特点。一般的现场总线 都要求在保证数攒可靠饿和完熬性的条件下舆餐较崧酶传输速率秘传输效率。憨线 的传输速度要求越快越好，速度越快，系统的响应时间就越短，但是传输速率不能 仅靠提赢佟输速度来鳃决，传输的效摩也很鬟要。传输效攀主要是有效用户数据在 传输帧中的比率，还有成功传输帧在所有传输帧的比率。 ( 4 ) 可靠性。一般总线都具铬一定的抗干扰能力：同时，当系统发生赦障时，具 备一定的诊断能力，以最大限度地保护两络，并较快地查找和更换故障节点。总线 故障诊断始办的大小是由总线传输所采用的物理媒介和软件协议决定的，所以不同 的总线具寄不同的诊断能力和娥理能力。 3 ) r s 4 8 5 总线特点 r s - 4 8 5 具有漩下特点1 氆l ； o ) r s 4 8 5 的电气特性；逻辑“1 ”以两线间的电压差为+ ( 2 6 ) v 表示；逻辑叼” 淡嚣线藏豹耄压熬隽- ( 2 6 ) v 袭示。接口信号毫乎跑r s - 2 3 2 c 降低了，就不弱损 坏按口电路的芯片，且该电平岛1 几电平兼容。 ( 2 ) r s 4 8 5 酶数据最蹇转输速率为l o m b p s 。 ( 3 ) r s - 4 - 8 5 接阴是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即 抗嗓声予撬性好。 ( 4 ) r s - 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米。 r s - 2 3 2 - c 羧日在鼹线上必灸谗连接1 仓l l 殳发器，帮零遮能力；夏r s - 4 8 5 接霹在憨线 上题允许连接多达1 2 8 个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的r s 4 8 5 接髓方便地建立熬设冬嬲络。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 因r s 4 8 5 接口具有良好的抗噪声于扰性、远的传输距离和多站能力簿优点，这 使箕成为举行接翻的首选。 ( 5 ) 现场总线岛r s 2 3 2 、r s 4 8 5 的隧别： p c 与镭能设备逶讯多詹劲r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、班太溺等方式，采用何耪方式敬决 于设备的接口规范。但r s 2 3 2 、r s 4 8 5 只能代表通讯的物理介质层和链路层，如果 要安瑷数糍的双囱访淘，就必须自己编写逶谶应用程序；憾这种稀序多数都不熊符 合i s o o s i 的规范，只熊实现较单一的功能，适用予单一设备类型。程序不具备趟 曩l 谯。在r s 2 3 2 域r s 4 8 5 设备联藏的设备溺巾，懿祭设备数量超j 建2 台，裁必须使 用r s 4 8 5 做通讯介质，r s 4 8 5 网的设备间要怨互通储息只有通过“童( m a s t e r ) ”设备 孛转方能炙现，这个圭设备遥鬻是p c ，嚣这耱设螯翔中只允许存在一令生设备，其 余龛部是从( s l a v e ) 设备。而现场总线技术怒以i s o o s l 模型为熬础的，具有究整 酶软徉支撩系统，蔻够霪攀决总线控裁、滓突捻溅、链貉维护等趣憨。瑷场慧线设各 自动成网，无主从设备乏分或允许多燕存在，且在阔一个朦次上不同厂家的产晶可 潋麓换，设螽之闽其寄茧操作魅。 2 3 2 c a n 总线 c a n ( c a n 悬c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 的简称，即控制器局域嗣) 是一种最初为汽 车攀载设备控制传感器、执行器丽设计的串行数字通信总线，由德翅b o s c h 公弼和 美函i n t e l 公司在2 0 世纪8 0 年代末期歼发成功。其翻的是桶多点、串行数字通倍技 术 3 4 1 取代鬻规的巍接导线信号连接，可以大量节省设蛋的电缆布线。由予c a n 总线 芯片可靠饿高、协议稽炼、价格低、货源广泛，立刻在工蛾测控领域获褥应用，成 为种新型的工业控制现场总线方案。 由于巢用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通信总线褶跣，它的 数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 c a n 憨线的特点如下； 0 ) c a n 总线是到目前为止嘴一有踊际标准的现场总线。 ( 2 ) c a n 总线为多圭穷式工作，网络上任一节点均可在经意时翔主动魄囱鼹络上 其他节点发送信息，而不分主从。 ( 3 ) 在缀文嚣谈符上，c a n 憨线上豹节煮分成不闷的优先级，霹满足不同静实黠 要求，优先级高的数据最多可在1 3 4 z s 内得到传输。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) c a n 总线采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息如现冲 突时，优先级较低静节点会圭动地退疆发送，两最黼优先缀的节赢可不受影响稳继 续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负担很煎的情况下， 也不会密堍隧络瘫痪现象。 ( 5 ) c a n 总线节点只需通道对报义的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及 全竭广攒铸尼秘方式传遴接收数据。 ( 6 ) c a n 总线的直接通信躐离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ，通信速率最 蜀露迭1 m b p s ( 蠹乏隧逶信距离疑长为4 0 m ) 。 ( 7 ) c a n 总线上的节点数奎臻取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。标准帧报 文标识镑窍l l 绽，扩袋鲮的掇文标识符足孚不受蔽潮。 ( 8 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰率低，保证了数据出错率极低。 ( 9 ) c a n 总线瓣每峻信息郝有c r c 铰验及其它捡镶掺旅，其裔辍努的捡锩效采。 ( 1 0 ) c a n 总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光缆，选择灵活。 l 王 a 、k 节患在错误严重媳情况下共存岛动关闭输出凌毙，软馒总线上其它节 点的操作不受影响。 0 2 ) c a n 总线县考较高的艘毙绘楱魄。它结梅麓革，器件容棼购置，每令节点 的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 c a n 协议也是建立在国霞标准缀织的舞敖系统匿联模型基磁上的，c a n 总线仅 仅定义了物理层、数据链路层。由于c a n 的数据结构简单，又是范围较小的局域网， 结构层次少，有列于系统中实时控制信号的传送【3 5 6 l 。 c a n 核心器件包括独立的c a n 控制器s j a l 0 0 0 芯片和c a n 总线驱动器8 2 c 2 5 0 芯片。s j a l 0 0 0 是一款独变的控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域 网络p 7 - 3 8 。它怒p h i l i p s 半等体p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控制器( b a s i cc a n ) 的替代产品， 它增加了一种新的工作模式f p e l ic a n ) ，这种模式支持具有很多颞特性的c a n2 。0 1 3 协议。 s j a l 0 0 0 的基本特性为： 和p 淞a 啪独藏c a n 控镧器弓i 脚兼容；和p c a 8 2 c 2 0 0 独立c a n 控制器电 气兼容；p c a 8 2 c 2 0 0 模式( 息默认的b a s i c c a n 模式) ；扩展的接收缓冲器( 6 4 字节、 先进先出f i f o ) ：支持c a n 2 0 a 和c a n 2 0 1 3 协议；同时支持l l 位和2 9 位识荆码； 通信位速率可达1 m b i t s s 。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 p e l ic a n 模式扩展功能：可读写访问的锚误计数器；w 编程的错误报警限制； 最_ i 穗一次错误代弱寄存器；对每一个c a n 总线错误的中断；具体控制位控制的仲裁 丢失中断；单次发送( 无重发) ；只听模式( 无应豁、无主幼的出错标志) ；支持热插拔( 软 俘实现豹彼速率检测) ；验收滤波器扩箴( 4 字节代码，4 字节屏蔽) ；自身信息接收( 自 接收请求) ；2 4 m h z 时钟频率；对不同微处理器的接口；可编程的c a n 输出驱动器 配鬟；增强耱环蠛温度范匿( - 4 0 + 1 2 5 0 c ) 。+ 根据c a n 规范，c a n 核心模块控制c a n 帧的发送和接收，接口管理逻辑负责 连羧外郝圭控裁器，该控镶g 器霹戳是微鳌控豢器或毯露其它器释。经过s j a l 0 0 0 复 用的地址数据总线访问寄存器和控制读写选通信号都在这熙处理。另外除了p c a 8 2 a 姻| o 已囊的e i a ! s i c c a n 功憝，：i 丕热入了一个毅戆羚l i c 盎n 功毙。 s j a l 0 0 0 的发送缓冲器能够存储一个完整的报文( 扩展的或标准的) ，当主控 毒l 器甥始化发送，接日管理逻辑会镬c a n 核心模块从发送缓渖器读c a n 掇文。当 收到一个报文时，c a n 核心模块将串行位流转换成用于验收滤波器的并行数据，通 过这个可编程的滤波器，s j a l 0 0 0 能确定主控制器要接收哪些报文。所有收到的摄 文由验收滤波器验收并存储在接收f i f o ，储存撮文的多少由工作模式决定( 而最多能 存储3 2 个撤文1 。缀为数据超载可能性被大大降低，这使用户能更灵活地搬定中断服 务翻中断优先级。 8 2 c 2 5 0 是c a n 控制器与物理总线之间的接口，它最初是为汽车中的高速应用 ( 这1 m b p s ) 霖设计韵。嚣彳孛胃淤提供对惑线鹃羞动发送和接收功能。8 2 c 2 5 0 豹主 要特性如为：与i s o l l 8 9 8 标准完全兼容；高速率( 最高可达1 m b p s ) ；具有抗汽车 嚣境下静瓣阕于我，保护总线能力；采用麓率控翱( s l o p ec o n t r 0 1 ) ，降低射颓予挠 ( r f i ) ；过热保护；总线与电源及地之间的短路保护；低电流待机模式；未上电节 点不会子拨总线；总线至少霹连接1 1 0 今节熹。 2 4 基于现场总线的车站防错控制系统的结构设计 基于现场总线的车站防错控制系统总体结构设计如图2 0 所示。配套6 5 0 2 电气 集孛使用豹防镑控潮系统，主簧翻车务经班室控刳台窳覆、僖班受视、防错办梳、 工控机( 口o 、驱动和采集电路等部分组成。 控制系统虫按期台蠹覆窝王控枫缓成，圭簧完成镶号鳇掇终秘擞苯凑舞歉盘甏鹃 操作和显示与常规控制台一样。盘面正筒由单元模块拼装组成，单凭模块阿部结构 如图2 。4 蹶示。 由于空间限制，盘面上的8 9 s 5 2 单元模块与通信机3 2 5 1 之闯采阁了r s 4 8 5 总线， 1 3 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 车站防错控制系统总体结构图 通信机3 2 5 1 与i p c 之问也采用r s 4 8 5 总线，而没有采用c a n 总线；i p c 与值班员 枫、防错办、采集、驱动摸块采用c a n 总线方式。这耱结镌霹实瑗单元模块撬接纯、 无配线。 隧2 。4 单露模块内部缝孝每隧 华中科技大学硕士学位论文 驱动、采集电路是配套6 5 0 2 电气集中研制的，完成机械室到控制台之间的数据 传输。值班员机由两台p c 机组成，完成信号的监视控制和标准化作业操作。为增 加系统可靠性，在值班员机上开发了站场平面显示和鼠标操作功能，当控制台发生 故障时，可由鼠标和显示终端代替控制台进行操作。防错