（机械电子工程专业论文）现场总线技术在微机联锁系统中的应用与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1页 摘要 f 微机联锁是车站联锁发展过程中的最新阶段，它对于保障铁路运输安 个、提高铁路运输自动化和工作效率，发挥着重要的作用。现场总线技术是 i ： l k 控制领域的一项革命性的技术，它使现场设备实现信息化、智能化成为 了可能。将现场总线技术应用到微机联锁系统中乃至整个铁路运营系统中是 个最新的课题。提出基于现场总线的微机联锁系统实现方案，并且将此应 用在实验仿真系统中，这是本论文的主要目的。 ) 本论文对现场总线技术作了深入的分析和研究，并且着重介绍了目自“ 应用比较广泛的一种现场总线技术l o n w o r k s 现场总线。对该总线技术 的原理、n e u r o n 芯片、l o n t a l k 协议、应用编程和网络安装等进行了详细、 系统的的论述。( 根据微机联锁系统的特点，论文中提出了采用现场总线技术 的多种方案，同时选用了其中一种方案进行了实验，设计了相关的接 j 驱动 放大电路，完成了微机联锁系统的硬件系统开发4 本论文的微机联锁系统提 出了站场分机的概念，其主要作用是软硬件模块问的接口，通过站场分机， 既可以进行脱离硬件的离线仿真，同时又可以与l o n ( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k ) 网通信完成实际的硬件控制。站场分机软件模块采用了v i s u a l c + + 6 0 编程环境下的c + + 面向对象技术，实现了站场图形界面。同时通过 局域网与微机联锁系统中韵其他主机进行通讯，采用d d e ( d y n a m i cd a t a e x c h a n g e ) 技术实现了与l o n 网的联系。 关键词：微机联锁；现场总线；局域网；站场分机；l o n w o r k s ；i ) i ) e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t c o m p u t e r b a s e di n t e r l o c k i n gs y s t e m i st h en e w e s tp h a s ei nt h e p r o c e s so fs t a t i o ni n t e r l o c k i n g i tw i l lp a l y a ni m p o r t a n tr o l ei nt h e e n s u r i n gr a i l a g es e c u r i t y ，a d v a n c i n g t h ea u t o m a t i o no fr a i l a g ea n d i m p r o v i n gt h ew o r ke f f i c i e n c y f i e l d b u si s ar e v o l u t i o n a r yt e c h n o l o g yi n t h ei n d u s t r yc o n t r o ld o m a i n ，w h i c hm a k e si tp o s s i b i l et or e a l i z et h ef i e l d d e v i c e si n f o r a m t i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i z i n g a p p l y i n gt h et e c h n o l o g yi n t o t h ec o m p u t e r b a s e di n t e r l o c k i n gs y s t e ma n de v e ni n t ot h er a i l a g es y s t e m a r ea nu p t o d a t es u b j e c t p u t t i n gf o r w a r dt h ei m p l e m e n t t i n gs c h e m eo f c o m p u t e r b a s e di n t e r l o c k i n gs y s t e mb a s e di nt h ef i e l d b u sa n da p p l y i n gi t i n t oo u rs i m u l a t i o ns y s t e ma r et h em a i ng o a lo ft h i st h e s i s i nt h i st h e s i s ，t h e t e c h n o l o g y a b o u tf i e l d b u si s a n a l y z e d a n d r e s e a r c h e d ，a n dt h e nak i n do ff i e l d b u st e c h n o l o g y - - l o n w o r k s ，c u r r e n t l y w h i c hi s w i d e l ya p p l i e d ，i si n t r o d u c e dd e t a i l e d l y t h i st e c h n o l o g y s p r i n c i p l e ，n e u r o nc h i p ，l o n t a l kp r o t o c o l ，p r o g r a m m i n gm e t h o da n d i n s t a l l a t i o no fi t sn e t w o r ka r ed i s c u s s e di nd e t a i l sa n db yt h en u m b e r s a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fc o m p u t e r b a s e di n t e r l o c k i n gs y s t e m ， s e v e r a ls c h e m e sa r ed i s c u s s e d i nt h em e a n t i m eas c h e m ei sc h o o s e da n d i t sc o r r e l a t i v ee x p e r i m e n tc i r c u i ta st h eh a r d w a r eb a s i so fc o m p u t e r b a s e d i n t e r l o c k i n gs y s t e mi sd e s i g n e d i nt h i st h e s i s ，ac o n c e p t ，s t a t i o ns u b m a c h i n e ，i sb r o u g h tf o r w a r df o rt h ei n t e r l o c k i n gs y s t e m i t sm a i nf u n c t i o n i st oa c ta st h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h es o f t w a r em o d u l ea n dt h eh a r d w a r e m o d u l e t h r o u g ht h es u b - m a c h i n e ，t h es o f t w a r ee m u l a t i o nc a nb e i m p l e m e n t e da n da l s ot h er e a lh a r d w a r ec a nb ec o n t r o l l e dt h r o u g ht h e l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) t h es o f t w a r em o d u l eo fs t a t i o ns u b m a c h i n ep e r f o r m st h et a s ko fs t a t i o ng r a p h i ci n t e r f a c eb yt h ec + + o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + 6 0 a tt h e s a m et i m et h es u b m a c h i n ea l s oc a nc o m m u n i c a t ew i t ho t h e rm a c h i n e so f i n t e r l o c k i n gs y s t e mt h r o u g hl a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) a n dw i t h i n t e l l i g e n tn o d eo fl o nt h r o u g ht h ed y n a m i cd a t ae x c h a n g et e c h n o l o g y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 k e yw o r d s ：c o m p u t e r b a s e di n t e r l o c k i n g ；f i e l d b u s ；l a n ；s t a t i o ns u b - - m a c h i n e ；l o n w o r k s ；d d e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 微机联锁系统概述 1 1 1 引言 众所周知，车站通过对道翁、信号机等设备的控制来保证列车、调车等 的正常运行。控制上述道俞、进路和信号机并实现三者之间联锁的设备，称 为车站联锁设备。目前在我国铁路行业中广泛采用的是电气集中联锁设备， 多数通过电磁继电器的继电电路实行控制并实现联锁。随着微机广泛应用及 计算机技术的r 新月异，国内外已经丌始采用微机来实现联锁控制，也就是 所谓的微机联锁技术。其与电气集中联锁系统相比，可以进一步提高车站行 车作业的安全和效率，为运营现代化提供所需的信息，可以降低工程费用， 取得更好的经济效益。因此对于微机联锁系统研究与推广也是大势所趋。 联锁技术为了保证行车安全，信号机、道俞和进路的动作和建立所必 须遵循的一定条件和程序。我们称这些条件和程序为联锁，那么实现联锁的 技术称为联锁技术。 1 1 2 微机联锁系统与电气联锁系统的比较 微机联锁系统的主要组成部分及相互联系在结构上是和电气集中联锁 系统相似的。图1 1 的结构框图可以作为二者的基本结构模型。通过以下比 较可以看出微机联锁系统的优越性。 联锁机构 信号机转撤机轨道l 乜路 幽卜1 联锁机构结构示意幽 ( 1 ) 减少了很多硬件设施，减少了安装费用。和电气联锁系统相比较， 微机联锁系统的特点主要是以微型计算机及特殊接口电路代替了大部分继电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 , i x 路( 保留了少部分用以控制信号机和转撇机的电路) ，用软件逻辑代 夺硬 件实现联锁关系的逻辑r 乜路。 ( 2 ) 功能更加完善。继电电路在功能j ：存在不足，而且在扩展功能力 面也受到限制。例如r 轨道电路误动造成进路解锁的可能性仍然存在，以 致妨碍进路的预先排列。存i 微机联锁系统【f 1 可用少罱硬件投资和丌发软l t ：d l i 以克服。 ( 3 ) 铁路行业管理要求实现现代化，而电气联锁则严重阻碍了它的发 展。铁路行业现场微机化控制是实现管理现代化的前提条件。 1 2 微机联锁系统的发展状况及前景 微机联锁系统是当今铁路车站信号自动控制系统的发展方向。七卜午 代以来，瑞典、同本、英国、德国、美国和原苏联等相继丌展微机联锁的研 制。据报道，1 9 7 8 年在瑞典的歌德堡车站首先使用了微机联锁系统，此后， 美、同、英、法、德和其它一些欧洲国家也实验或使用了微机联锁系统。我 国自八十年代以来也丌展了微机联锁的研制工作。铁道部通信信号总公司研 制的用于厂矿铁路的微机联锁系统与1 9 8 4 年元旦投入使用。铁道部科学研 究院研制的驼峰编组场尾部微机联锁系统，作为国家级科研项目，于1 9 8 9 年术通过鉴定并在郑州北编组站使用。这些成果标志着我国的车站联锁技术 已跨入了一个新的阶段。9 0 年代开始，微机联锁系统已经在我国的工矿企 业的铁路上、驼峰编组厂尾部以及一些专用线车站上推广使用。近几年，我 国干线铁路的车站上也正在逐步使用微机联锁系统。因此，积极推广现有 的微机和联锁设备和继续开发安全性、可靠性更高、综合性更强、经济效益 更好的，具有国际先进水平的微机联锁新产品已经成为我国铁路信号科研单 位共同努力的目标。 1 3 论文的主要内容 1 3 1 实际系统概述 微机联锁的突出优点决定了其必将成为我国铁路发展重要方向。微机 联锁系统尽管已有十几年的发展历史，但出于它涉及生命财产安全在人们 对其安全性和可靠性尚未通过长期实践而充分肯定的情况下，我们对微机联 锁进行的实验研究就更显重要。开发一套实验仿真系统不仅从安全、经济 角度有其必要性，而且有助于对车站信号员、电务信号工进行技术培训。囚 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 此，我们决定丌发一套微机联锁实验仿真系统。图l 一2 我们实际丌发的容错 微机联锁系统结构示意图。 控制分机联锁机i联锁机i l站场分机 l o n 网 l o n 节点l o n 节点 l o n1 ，点 状态输入接u状态输j 接u 拧制输接lj t 、，j r 继电器组合电路 凹1 - 2 微机联锁实验仿真系统不意图 本论文的工作主要是实现站场分机的仿真软件，及其完成微机联锁系 统硬件电路部分的设计。站场分机的软件主要任务是图形化站场设备，与联 锁分机的通讯，获取联锁分机的指令，从而软件仿真站场设备动作情况或进 一步对实际的站场设备进行控制。在此过程中它要不断的查询当i j 设备的状 态并及时反馈给联锁分机。软件的实现采用c + + 面向对象编程技术，与联 锁机的通信采用了局域网总线拓扑方式。硬件部分我们采用现在较流行的现 场总线技术l o n w o r k s 来实现，设计过程中要求完成l o n 网智能节点用户 电路原理图设计及电路板的制作。现场总线技术正以前所未有的速度在工业 控制领域推广应用，成为种新型的现场控制技术。现场总线足一种仝分散、 全数字化的，智能、双向、多变量、多点、多站的分布式通信系统。其特点 也决定了其在微机联锁系统1 1 i 应用的町能。我们所要作的就是使这种可能在 一定程度一k 得到实现。为微机联锁系统朝着更加安全可靠的方向发展作 j 一 定的努力，并希望得到认可。 1 3 2 系统开发环境与工具 微机选用p e n t i u mi i i 系列，操作系统平台为w i n d o w s9 8 操作系统，以 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 总线为拓扑结构的局域网实现微机问的相互通信任务。站场分机控显界面采 用v c + + 6 0 集成环境编程实现。低层控制软件的丌发及硬件接口电路的设 计均使用了e c h e l o n 公司的一套丌发工具( n o d e b u i l d e r 丌发包、l o n m a k e r 安装工具、l o n m a n a g e rd d es e r v e r 等) 。电路板的原理图及电路板的设计 均采用p r o t e l9 9 软件完成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章基于现场总线的微机联锁系统的研究 现场总线技术是建立在计算机、电子和信息技术基础上的一项系统技 术，它在工业控制领域产生了巨大影响，并改变了传统控制方式。本章在 介绍了现场总线的基本概念、突出特点、发展前景等的基础上，对现场总线 将来在铁路系统及微机联锁系统中的应用作可能性的研究和探讨。 2 1 现场总线技术概述 现场总线技术的丌发始于8 0 年代。随着微处理器与计算机功能的不断 增强、价格急剧降低、计算机与计算机网络系统得到迅速发展，信息沟通联 络的范围不断扩大。而处于企业生产过程基层的测控自动化系统，由于仍在 通过丌关、阀门、传感测量仪表间的一对一连线，用电压、电流的模拟信号 进行测量控制，或者只能采用某种自封闭式的集散系统，难以实现设备之问 以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”，严重制 约了其本身的发展。要实现企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设 计出一种能在工业现场环境运行的、可靠性高、实时性强、造价低廉的通信 系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信、实现 底层现场设备之i b j 、以及自动化与外界的信息交换。现场总线就是在这种实 际需求的驱动下应运而生的。国际标准化组织、北美、欧洲等许多国家的仪 表控制界，陆续开始着手现场总线标准制定与技术丌发。由于行业、地域、 经济利益等多种原因，本应是统一标准、丌放互连的控制通信网络目的已经 在不同领域形成了颇具影响的几大总线系列。人们f 期待着统一的国际标准 形成。 2 1 1 现场总线的定义 由于标准实质上并未统+ ，所以对现场总线的定义也不统一的。目前 有两种有代表性的定义。i s as p 5 0 中对现场总线的定义：现场总线是一种 串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备( 及场地 级设备之间) 以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备( 及车问级设 备) 之间的联系。国际电工委员会l e c 标准和现场总线基金会f f 的定义： 现场总线是连接只能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结 构的通信网络。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 而简单的况就是通过一个适当的总线把工业现场的各种设备连接在一 起，从而形成一个完整的网络系统。连接在总线上的设备既可以是各种具备 智能和通信特点的传感器，控制器，也可以是通信设备和计算机，设备之问 可以直接进行信息交换。现场总线的系统布线已经脱离了点对点方式，采用 的是串行总线结构，系统中的所有设备全部通过一对串行总线连接在一起， 同时各种设备采用统一的控制系统连接标准，并具有相应的智能特点，从而 使整个系统形成了一个完整的控制网络。 2 1 2 现场总线的特点 1 现场总线系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模式控制系统采 用了一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器 与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、丌关、马达之阳j 均为一对一的物理连接。 传功捧制糸统 。i 构_ i 患1 4 f 脱场总线拧制系统小也蚓 幽2 1传统控制系统与现场总线控制系统比较 现场总线系统山于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统f f 处于 控制室的模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能 力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系 统功能能够不依赖控制室的计算机或控制系统的结构对比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 由于采用了数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电缆上传输多个 信号( 包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息) ，同时又为多个设 备提供电源；现场设备以外不在需要模拟数字、数字模拟转换部件。这样 就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创 造了条件。 2 现场总线系统的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下特点： 系统的开放性丌放是指对相关标准的致性、公丌性，涠调对标准 的共识与遵从。一个丌放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准 的其他设备或系统连接。通信协议一致公丌，各厂家的设备之间可实现信息 交换。现场总线丌发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的丌放系统。 用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系 统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 互操作性与互用性互操作性，是指实现互连设备i b j ，系统问的信息 传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替 换。 现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量 处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制 的基本功能，并随时诊断设备的运行状态。 系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系统 的体系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统， 简化了系统结构，提高了可靠性。 对现场环境的适应性工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现 场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射 频、红外线电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供 乜与通 信，并可满足本质安全防爆要求等。 2 1 3 现场总线的优点 j 二现场总线的以上特点，特别是现场e a , 线系统结构的简化，是控制 系统从设计、安装、投运到l l ! 常牛产运行及其检修维护，都体现出优越性。 节省硬件数量与投资fjj j ：现场总线系统巾分散在现场的智能设备能 直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 要单独的调节器，计算单元等，也不再需要d o s 系统的信号调理、转换、隔 离等功能单元极其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了 一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，对双绞线或一条电 缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒桥架等的用量大大减少， 连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无 需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设 计、安装的工作量。 节省维护开销出于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能 力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有 设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维 护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂家提供的 设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被框死了使用设备的选择 范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。是系统集成过程 中的主动权牢牢掌握在用户手中。 提高了系统的准确性与可靠性由于现场总线设备的智能化、数字 化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送 误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加 强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而具有设计简单，易予 重构等优点。 2 2 l o n w o r k s 技术 2 2 1 简述 现场总线控制系统( f c s ) 将代替集散式控制系统( d c s ) 已成为人们 的共识，现场总线的种类很多，女1 1 c a n 、f f 、p r o f i b u s 、i s p 、f i p 、l o n w o r k s 等等，至今还没有统一的标准来定义现场总线整个体系结构，但从这些总 线的产品和特性来看，l o n w o r k s 在许多方面有着明显的优势。 首先，l o n w o r k s 具有很强的网络功能，l o n 网本身就是一个局域操作 嘲，它采用l o n t a l k 协议，浚协 义遵循国际标准化组织定义的丌放系统互连 o s i 全部七层模型。l o n w o r k s 的n e u r o n ；占片中含有3 个8 位c p u ，m a c 处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 器实现协议第一、二层；网络处理器实现协议的三至六层；应用处理器实现 协议的第七层。这种协议对任何用户都是丌放的，可以实现不同产品之间的 互操作。 其次，l o n w o r k s 不受已有网络的限制，能够充分利用原有的网络结 构，可用任何传输媒介进行通信，如双绞线、电力线、光纤、电缆等。其网 络通信采用网络变量的方法，可以进行捆绑，实现各个节点之问的互操作。 最后，l n s ( l o n w o r k sn e t w o r ks e r v i c e ) 体系结构是现场总线中唯一 基于o l e c o m 组件的现场总线结构体系，并支持多客户多服务器体系结 构，就今后软件丌发的互操作性来讲，l o n w o r k s 显然处于领先地位。c o m 是m i c r o s o f t 公司提出的基于对象编程的模式的标准规范，它的基本思想是按 照这种规范编写的程序可以互操作，而不涉及开发语言、操作平台、网络地 址等问题，可能将成为今后软件丌发的标准。 e c h e l o n 公司的技术策略是鼓励各o e m 开发商运用l o n w o r k s 技术和神经元 芯片，丌发自己的应用产品，据称目前已有2 6 0 0 家公司在不同程度上卷入了 l o n w o r k s 技术，1 0 0 0 家公司已经推出了l o n w o r k s 产品，并进一步组织起l o n m a r k 互操作协会，开发推广l o n w o r k s 技术与产品。它以被广泛应用在楼宇自 动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行 业。另外，在丌发智能通信接口、智能传感器方面，l o n w o r k s ：o 经元芯片 也具有独特的优势。 2 2 2 基本概念 神经元芯片( n e u r o no h i p ) ：n e u r o n 芯片是节点的核心部分，它包括一 套完整的通信协议，即l o n t a l k 协议，从而确保节点阳j 使用可靠的通信标准 进行瓦操作。 网络节点( n o d e ) 也称为智能节点，它是同物理上与之相连的i 0 设备 交互作用并在网上使用l o n t a l k 协议与其它节点互相通信的一类对缘。它包 括一片n e u r o n 芯片、传感器和控制设备、收发器( 用于建立n e u r o n 芯片与 传输之间的物理连接) 和f _ l 源。图2 2 是种典型的l o n 仃点的方框图。 l o n w o r k s 控制节点的处理类型有两种：尽于节点( n e u r o nc h i p h o s t e d ) 方式和基于主机( h o s t b a s e d ) 方式。 基于节点方式：不需要争门的处理器，节点l i 的n e u r o n 芯片u i j 可处理 仃务。这种方式在系统一t l j + 以允订：没有j i 机，适用_ i o 设备较简睢，处朋! 仃务小复杂的系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 夏 幽2 - 2 典7 弘1 y 点方框幽 基于主机方式：由于n e u r o n 芯片中的c p u 只是8 位总线，支持的最 高主频是1 0 m h z ，因此它处理的功能受到了限制。为了克服这一缺陷，可 以采用于主机方式。在这种方式下，n e u r o n 芯片只是作为通信协处理器， 用更高级的处理器来完成更复杂的测控任务。下面是基于主机( h o s t - b a s e d ) 方式的结构示意图： 幽2 - 3 革rt ；+ ) t t j 式的结构示意蚓 l o n t a ik 协议：l o n t a l k 足l o n w o r k s 的通信协议，固化在神经元芯片 内。l o n t a l k 局部操作网协议足为l o n w o r k sr | i 通信所设的框架，支持i s o 组 纵制定的o s l 参考模型的7 层协议，并i ，r 使简短的控制信息往各种介质t l t 忙 常州诘地传输。l o n t a l k 协议足血按面向对缘的刚络协议，j l 体实现h j 采f j 网 络变量的形式。义i l j 于硬件芯片的支持，使它实现了实时性和接口的直观、 旃沽等现场总线的应用要求。n e u r o n 芯片的协议处理与通信媒介无关， 耵能支持多种通信媒介，如双绞线、f 也力线、射频、同轴电缆和光纤等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 网络变量( n e t w o r kv a r i a b i e ) ：又可以称为隐式消息。它是网络节点之 间进行数据通信的一种方式。所以我们也可以认为是一种内置了通信功能的 特殊数据。安装过程中，不同节点上的输出网络变量和输入网络变量之i 剞可 以建立连接。建立连接后的输出网络变量的值可以影响输入网络边的值。如 图2 - 2 所示。n v io u t 与n v ii n 建立连接后就可以数据自动通信。 圈2 - 4 网络变封通信不恿幽 显式消息( e x p l i c i tm e s s a g e ) 节点问数据通信的另一种方式。它的特点 是数据结构灵活但不能实现互操作。 n e u r o nc 是专门为n e u r o n 芯片设计的编程语言。它是从a n s ic 中派 生出来的，并对a n s ic 进行了扩展。它有专门的软件丌发环境 n o d e b u i l d e r 或l o n b u i l d e r 丌发包。 2 2 3l o n w o r k s 系统的核心器件n e u r o n 芯片 k o n w o r k s 系统的核心器件是n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯片是1 9 9 2 年 m o t o r o l a 公司为配合l o n w o r k s 系统生产的一种超大规模集成电路 ( v l s i ) ，目i j t o s h i b a 公司也是其生产商之一。它主要有1 4 3 1 5 0 和 1 4 3 1 2 0 两种型号，可提供实现现场总线l o n w o r k s 系统的硬件基础。 n e u r o n 芯片内部总体结构芯片的整体结构框图如图2 5 所示 与各种单片机、微处理器：出片的内部结构没有太大的差异。在物理e 的区别主要在于n e u r o n 芯片采用比较特殊的三c p u 结构。也就足该芯片采 用了三个c p u 来工作，侮个c p u 各自分工不同，见图2 - 6 所示。c p u l 是 介质访问控制处理器，处理l o n t a l k 协议的第一和第二层，这包括驱动通信 子系统硬件和执行m a c 的算法。c p u 1 和c p u 一2 用共享存储区中的网络缓 存区进行通信，一确地对网i ：报文进行编码、解码。c p u 一2 是网络处理器， 它实现l o n t a l k 协议的第三列第六层，它包括处理网络变量、寻址、，缸物处 理、权限证实、背景诊断、软f l ：i , i 一时器、网络管理和路出等。同时，它还控 制网络通信端口，物理地发送和接收数据包。该处理器用共享存储区中的网 亘童窑塑盔兰塑主塑塞生堂垡笙塞 笺! 三要 _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - _ _ - _ _ _ _ _ l - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ 一一 络缓存区与c p u 1 通信，用应用缓存区与c p u 3 通信。c p u - 3 是应用处理 器，它执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。 韶帑帘嚅昭帑i雨雨雨雨雨| i l j 。- - 。丧雕擞若曜-。- 。- _ j i 1 l 一1 1 制1 i i i i 1 l l i ll制l l i 洲1 竽一鼎 幽2 - 5 整体结构框图 幽2 - 67 - c p u 结构示意幽 2 2 4 神经元芯片的固件 神经元芯片的固件是指固化在n e u r o n 芯片内的软件。 n e u r o n 芯片的存储映象是指软件目标代码的存储区域，陔区域可以分为 二个部分：系统映象、应用映象和网络映象。 亘蜜壅鎏盔兰堡主堡壅兰兰壁堡塞 蔓! ：夏 j - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ l _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - 一 系统映象包括l o n t a l k 协议、n e u r o nc 库函数、任务调度程序和i ，o 口 固件。对于n e u r o n3 1 2 0 x x 芯片，系统映象软件存储在片内1 0 k b 的r o m 中：对于n e u r o n3 1 5 0 芯片，系统映象软件存储在片外的r o m 或闪存中a 应用映象包括n e u r o hc 编译应用程序产生的对象代码和应用程序指定 的有关参数。n e u r o nc 程序包括程序代码、网络变量、自文档信息、程序 号、域表记录数目、地址表记录数目、缓冲区大小和数目以及接收事务记录 数等。 网络映象节点地址分配、网络变量的连接信息以及消息标签的连接信 息、安装时要设置的网络参数以及应用程序的配置变量。 下面给出n e u r o n 芯片的内存分配和存储映象在内存中的位置： 幽2 7 内存分配和存储映象在内存中的f 7 ：置示意蚓 2 3 基于现场总线的微机联锁系统的设计 2 3 1 微机联锁系统与室外设备联系的几种方式 在既有的继电联锁设备i f l ，信号机、转辙机以及轨道电路等都是利用 各自的电缆芯线与室内控制设备楣联系。我们称这种联系方式为专线方式。 当车站规模较大时，这种专线方式将用多条多芯干线电缆。这些干线乜缆 的费用在整个投资中占用相当大的比重。如果采用现代通信技术，可用双芯 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 电缆或光缆取代多芯电缆，也就是说用总线方式取代专线方式a 在一定条件 下，总线方式经济合理。下面就专线方式、总线方式，以及一些派生的方式 作些讨论。 专线方式所谓专线方式就是当前继电集中联锁所采用的几种方式。根 据目i j 技术水平，在微机联锁系统中仍采用安全型继电器作为执行元件，既 在室内仍保留轨道继电器、信号继电器、灯丝继电器、道俞控制、启动和表 示继电器等继电器。联锁系统通过特殊的接口电路与这些继电器发生联系。 这种方式适用于用微机联锁设备代换既有的继电联锁设备，而不需要更改室 外电缆和增设室外设备。在新装微机联锁设备时，若经过技术经济比较，认 为采用干线电缆在总投资中站的比重不大时，应采用专线方式。 总线方式采用这种方式需将室外监控对象按地理位置划分为群，为每 一群设置一个由微机及安全电路构成的控制器( 也称轨旁终端) 。控制器的 任务一是接收来自联锁执行机的控制信息，再输出到相应的被控对象；二是 接受来自监控对象的状态，在转送给联锁机。图2 8 所示是采用多个控制器 的系统且每个控制器各有自己的串行数据通道与联锁机相联，所以称为多总 线方式。 相对于专线方式而占，多总线方式节省干线电缆芯线，而且为使用光 缆提供了条件。由于光缆有较强的抗干扰的性能，从而提高了系统的可靠性 和安全性。控制器与各个监控对象之间是用专用芯线连接的，它应装在紧靠 对象群的机箱或机械室内，以缩短集中器与对象之间的电缆长度。这样不仅 节省电缆，而且有利于降低电缆内部线问干扰。 l li 1i l _ 、， 舱控对象 | 4 l2 - 8 多总线办式示意幽 西南交通大学硕士研究生学位论文第l5 页 实际上，总线中传输的信息就是集中器与对象之间交换的信息，而且 都是安全信息，只是在形式上有所区别，所以总线和控制器都必须满足故障 一安全要求。然而目前尚无具有故障安全性能的硬件串行接口，仍需采用通 用的接口电路。在这种情况下，只能通过编码和差错控制技术以保证总线传 输的安全性。就控制器来说，它虽然不具有联锁功能，但其安全性和可靠性 应和联锁机具有相同的水平。因此，其硬件设计原则应和联锁机一样的。 图2 - 9 所示是联锁机与多个控制器之间采用公用总线相联系。当信号楼离集 ，辛器的距离很远时，采用这种共用总线( 或称单总线) 方式可以更节省电 缆，但联锁机与各个控制器的通信要复杂些。另外，这种方式也不能使用光 缆，因为，目前尚没有简便的光缆分支连接方法。 幽2 - 9 单总线方式示意幽 在实际工程中，联锁机与室外的联系通道也可能采取混合方式。例 如，与一个车站咽喉监控对象采用专线方式，与另一个咽喉的对象采用总线 方式。总之，采用何种方式主要取决于经济效益。 2 3 2 联锁系统对现场总线的技术要求 1 简单可靠的信息通道。这不仅关系到信息能否畅通，也关系到工程 实只j 性。可靠的通信系统是现场设备和系统工作的保证，同时，【| j 于铁路的 现场设备具有分命性和多样性的特点，故其简_ 荦j 化设计就成为现场总线能否 啦刑的关键。 2 系统故障一安全特性。铁路系统运行对各种设备设施的基本要求之 ，是设备和设施具有故障一安全特性。也就是说，当设备或设7 施发生故障 时，必须提供故障一安全保证。对现场总线而言，当系统一p 任何设签发生故 障时，均能提供故障一安全运行模式，而不能以故障概率作为安令【：作的保 证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l6 页 3 恶劣环境下稳定工作的能力。对于铁路设备，工作环境一般都比较 恶劣。这种恶劣环境不仅包括自然因素( 如温度、湿度、风、雨、雷电 等) ，而且包括铁路设备本身的因素，例如电气化铁路的电磁干扰、列车运 行引起的振动等。 4 可靠的信息安全技术保证。现场总线技术的基础是信息技术。因 此，对于工业控制系统来说，必须考虑信息安全。尤其对于信息化的铁路系 统，安全成为性命攸关的问题。所以，联锁系统对现场总线的一个技术要求 就是具有信息安全技术保证。 2 3 3 现场总线技术在微机联锁系统中的可能性 近年来，随着i t s ( 智能运输系统) 概念的提出，铁路信息化的进程大 大加快了，信息流控制物流的时代已经到来。因此，如何使铁路系统中各种 设备和进程控制满足信息化的要求，是一个亟待解决的课题。从实际应用来 看，现场总线技术恰好为解决这个问题提供了良好的技术基础。 铁路信号系统实际上是一个分稚式控制系统。在d m i s ( 调度管理信息 系统) 的促进下，它已经丌始向基于信息化的网络信号系统方向发展。传统 信号系统实际上是孤立和封闭的系统，铁路信号设备之间没有信息交换，只 有间接的控制顺序，缺乏与信息系统直接连接的能力，因此难以实现一信息 化为基础的网络信号系统。微机联锁系统虽然在很大程度上解决了铁路信号 系统信息化的问题，但仍然无法达到设备级的信息化程度。而且在控制方式 上多采用集中控制的方式，现场设备存在抗干扰的诸多问题。所以微机联锁 系统的推广仍然是个谨之，慎之的。而现场总线技术的出现可以在很大程度 e 解决这个问题。 l o n w o r k s 现场总线的可靠性非常高，其原因在于：超大规模的n e u r o n 芯片是每个节点的应用变得很简单，而最简单的就是最可靠的：固化的 l o n t a l k 规约具有检测应答、自动重发、请求响应等功能，保证了通信的高 可靠；高可靠的检点结构分散，使得故障隔离，不影响整个系统的f 常运 行，易于实现冗余备份，从而大大提高了系统的可靠性。如美国r a v t h e o n 公司使用的三环冗余及二环冗余窬错光纤分布控制系统，就很好解决了飞机 1 s 行控制中的高可靠性。 结合现场总线的特点与联锁系统对其基本要求，我们认为基于二信息技 术的，安全、可靠的现场总线技术对于微机联锁系统乃至于整个铁路系统都 是有广泛的应用前景的。 要查壅亟盔堂塑圭塾塞生兰丝迨壅蔓! ! 夏 2 3 4 基于l o n w o r k s 现场总线技术的设计方案 设计方案一这是一种比较理想的设计方案，也就是说在条件允许的 情况下设计的一种方案，而且该设计方案必须保证有合适的集成电路、电子 器件替代现有的由继电器组成的控制电路。而且该部分的设计必须符合故障 一安全特性。 图2 1 0 设计方案一不惫图 室外现场中的每个方框图代表一个在n e u r o n 芯片控制下的信号设备， 每个设备都是网络中的一个节点，节点问可以通过同一条通信线路连接在一 起，这不仅可以节省通信线路，用其它电子器件取代继电器，还可以使各个 节点的n e u r o n 芯片相互监视和相互替代。这就相当于每个节点都有一个或 几个热备用节点，极大地提高了全系统的可靠性和安全性。系统中各个节点 的相互连接提高了转辙机整体控制的协调性，各信号设备不再是孤立的设 备，而是联结在一个相互协调的网络中，相互监视、相互控制。当某个转辙 机或转辙机控制系统、信号设备发生故障时，作为其后备控制系统的其他节 点可以及时发现并通知控制中心，在控制中心控制下实现相应的控制动作， 以防止信号设备误动作。各节点的控制依掘不仅有自身的信息( 转辙机动作 时1 1 j j 、拉力、尖轨密贴程度、f 乜动机状念和信号标志等) ，而且还有预先设 锊：好的各转辙机与其他信号设备之问的动作、位置等逻辑配合关系，又因为 1 o n w o r k s 系统为数据传输提供了高速安全信道，所以控制系统的安全性、 丁靠性和电磁兼容特性都得到了相应的提高。使用n e u r o n 芯片组成信号控 制l ，o n w o r k s 系统是要注意，、e u r o n 芯片的作用不仅仅是提供网络通信的硬 件基础，每个节点还都具有i j 户微处理器功能，对此应当充分利用。如果 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 节点的用户微处理器功能不够用，则可以在节点用户电路中增加单片机或微 处理器。当然，由于微处理器的时钟频率、内存大小和通信速度等方面的限 制，对于复杂的算术运算、逻辑运算及大量的采集数据处理仍然需要控制室 主处理器来完成。这罩的主处理器我们可以选用目前时常上常用的高性能的 工业控制机，它可以看作为l o n 网上的一个基于主机的节点。 设计方案二 在微机联