（计算机应用技术专业论文）高速公路隧道监控的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本论文基于一个实际的工程项目一重庆上界高速公路监控系统，是对作者 所完成的隧道监控系统的概括总结的基础上完成的。 论文首先简要介绍了上界高速公路监控系统及其子系统一隧道监控子系统 的特点、功能和体系结构。然后，研究了目前工控领域中最常见的控制网络技 术一现场总线技术，分析了p r o f i b u s 现场总线技术在隧道监控系统的应用， 同时对o p c 技术做了深入的研究。在此基础上，对上界高速公路隧道监控系统 的网络体系结构进行了分析设计。论文在深入研究统一建模语言( u m l ) 的基 础上，采用u m l 软件建模工具对隧道监控系统软件进行了详细的需求分析与 总体设计建立了隧道监控系统的设备类，设计了系统的数据库，重点分析设 计了监控中心隧道监控模块系统软件。最后，给出了系统的具体实现，并深入 研究了隧道系统开发过程中的关键技术一组件技术。 本课题的研究与设计综合了网络技术、计算机控制技术、现场总线技术、 面向对象设计方法、数据库设计、组件技术等技术。通过对高速公路隧道监控 系统的软硬件进行分析设计及实现，论证了p r o f i b u s 现场总线技术在隧道监 控系统应用的优点和可行性，并用实例说明了将u m l 应用于隧道监控系统软 件分析设计中的可行性及其方法。这些理论和方法对隧道监控系统的设计与应 用都提供了有益的参考。 关键词：高速公路；隧道监控系统l 现场总线；统一建模语言；组件技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h i sp a p e ri st h es u m m a r i z a t i o no ft h et u r m e lm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ( t m c s ) ，w h i c hi st h es u b s y s t e mo f t h es h a n g j i ee x p r e s s w a ym o n i t o rs y s t e m ( s e t m c s ) f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e s e t m c sa n dt h e t m c s ，i n c l u d i n gt h e i r c h a r a c t e r s ，f u n c t i o n sa n ds t r u c t u r e s a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h em o s tp o p u l a rc o m p u t e r n e t w o r kt e c h n o l o g yo fa u t o m a t i cc o n t r o l f i e l d b u s ，w eh a v ei n d e p t ha n a l y z e dt h e a p p l i c a t i o no f t h ep r o f i b u st e c h n o l o g y i nt h et m c s t h e n ，t h e t e c h n o l o g y o f o p ci s i n t r o d u c e d b a s e do na l lo ft h e s et h e o r i e sa b o v e ，t h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fs t r u c t u r e o ft s c sa l ep r e s e n t e d a st h eo b j e c t o r i e n t e dd e s i g nm e t h o d ，u m li ss t u d i e df o r t h et s c s ss o f t w a r ed e s i g n i nt h e p r o c e s so f t h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ed e v i c e sc l a s s a n dt h ed a t a b a s ea r ed e s i g n e d e s p e c i a l l y , t h ed e s i g no ft h et u n n e ls o f t w a l em o d u l e o ft m c si nt h ec o n t r o lc e n t r ei sd e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o no ft h e t m c s ss o f t w a r ei s p r e s e n t e d a n dt h et m c sk e yt e c h n o l o g y c o m p o n e n t t e c h n o l o g y i ss t u d i e d d e e p l y t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h es u b j e c ts y n t h e s i z e sm u l t i f o l dt e c h n o l o g i e s ，s u c h a sn e t w o r k ，c o n t r o l ，o o p , d a t a b a s ed e s i g n ，c o m p o n e n te t c w eh a v es u c c e e d e di n t h et m c s ，s oi ti sf e a s i b l ya n dp r a c t i c a b l yt h a tp r o f i b u st e c h n o l o g ya n du m la r e a p p l i e di nt h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h et m c s h a v i n g g o o df l e x i b i l i t ya n dh i g h r e l i a b i l i t y , t h ew h o l es y s t e mi sw o r t ht op o p u l a r i z e k e y w o r d sl e x p r e s s w a y , t m c s ，f i e l d b u s ，p r o f i b u s ，u m l ，c o m p o n e n t t e c h n o l o g y 糟甫交邋大学硕士研究生学位论文嚣1 页 第1 耄绪论 。 澡蹶譬景及研究意义 。 。 谦莲背景 遥整年，溺家太力发震齑瀵公路鹳建设。薅若离逮公路景稷翡灞麓，交逶 隧道越来越多。目前我国已建成的隧道超过1 0 6 9 座，单洞延长超过3 4 0 公里， 建残瓣3 0 0 0 寒渡上豹隧遭1 3 簌，涟繁国家麓大公路建设静步饯雾力残，特羽 是西部大开发。山区浅等级公路在公路建设中的比重越来越大，国家主干线上 歪在建设帮“十五”将要建设豹特长醛遂书多予3 0 褒l ”。嚣戴，疆逶安全阏爨 日益引起关注。 爨藩，墓内缀多裹速公蘸豢配备了褰逮公鼹整控系统。毫逮公薅羧控系统 能及时地采集路段内的各种信息，记黎违章车辆，实现快速的交通指挥调度， 宠分剽矮道路瓷源，娥理各穆突发事移。麸瑟经久、攀、臻枣甥遮琵会、弱淫 地统一，极大地提高运营效率、保障交通安全、改善环境质量和提高熊源利用 搴【2 】。嚣裹速公路隧邋羧控系统往往穆为裹速公鼹骏控系统鼓予系绞，遽过隧 道信息采集系统获取隧道的运行信息并进行分析、判断、决策，对隧道采取恰 当的按测措施、减少偶发事律靛影豌，馒褥隧道内豹交道滚乎稳、安全、通畅 地运行，以获取隧道最佳的运行效益。其主要技术包括先进的通风控制技术与 交通镣理技术。 本课题来源予“重庆市上羿高速公路监控系统”项髓，该项目于2 t j 0 2 年立 项实施，系统软 牛子2 0 0 3 年6 月在重庆枣上秀懑速公路投入使用。该磺g 中嬲 高速公路全线长2 2 7 公里，龛线双向六车道，是重庆外环线的段，共有5 座互遇式立交、1 座特大桥为码桑溪大桥；2 鹰隧道( 小泉璇邋、吉庆隧遭) 。 全线 5 乏1 个蓝控中心、若干外场监控点、一个隧道现场监控站。监控中心统一 对全线交通运行实施宏观管理和调控，蜘调备黢控点的运行，必要时下达控制 命令f 3 l 。 蘸南交遴大学辗士矫究生学稼论文 黎2 嚣 1 1 2 研究意义 隧道竣控系统麴题标是使蟹理郝门越全瑟掌摄秘了髌隧道交逶、环境秘设 铬运行状态，及时发现各种突发事件，到达预防隧道发，主火灾和交通事故的耳 的，从而保证隧道设备的嶷全运行，确保隧道行车舒适、安全、尚效、流畅【4 j 。 函诧，发展高速公路隧道箍控系统。碍数搓高隧道营运的科学管瑗水平，增强 管理熬 j j c 重隧遴交通异常攀 孛躲娃毽缝力，绦涯隧遂营遮豹麓效憔、节髓搜秘 低成本，综合地提高整个隧道蓿运的总体经济效益鄱社会效髓。 1 2 国内外的发糕现状 2 国外发暴现状 公路隧道棚关的领域主要包括前馈式通风控制技术与先遴的交通管理技 术【卯。前者以模糊控制为主，如日本，后者范围很广，用于公路隧道主要有交 通异常自动检测技术，如美国从1 9 6 8 年就开始进行异常检测的研究，剐现在已 遴舒了3 0 多年秘疆究与实黢，形成了莘藏覆法、双截瑟法( 按稔溯赛鬻分类) 、 宏双法、微观法( 按竣入数据类型分类) 、乎潴法、加洲法、h t o c c 法、器疆 漫滤波法、互相关法、灾变法( 按数据处理方式分类) 蹲多种方法，2 0 0 0 年美 国联邦公路局出版了m u t c d 2 0 0 0 ( m a n u a l o i l u n i f o r m t r a f f i c c o n t r o l d e v i c e s ) 专门论述交通按稍设施静标准，僵宙于嚣s 渗及的褥裰广泛，并宋形成较完善 翻成熬熟悉统。 1 2 2 国内发展现状 焱我髫，燧遵夔控发嶷熬魄较姨。土海惩安东鼹疆遴与深瓣梧褐隧邋在 我国较早实现了隧道监控。此慝，成浚裹速公路豹中梁出隧道、缳云出隧遵簿 高等级公路的隧道，通过引进因外设备与自主开发相结龠实现了隧道馓控。目 前，我国公路隧道啦控主骚存在以下问题鸭 ( 1 设诗阏题 嚣毫交遴大学弼 士醑究熊学位论文繁3 页 系统功能问麒。大多数工程业主给的设计工期又不合理，往往不能认 真逮孬方案爹牵选。 设计方法问题。大多数设计都是在类似图纸上复制修改，而不是按鼠 钵薅鼹，采矮瑰能设诗熬方法+ 凌蛙熊徐揍魄辍貔，不在设计上下互夫是我翻 公路隧道管理水平低的主要原因之一。 瑟技本瘟臻方嚣豹翔题。大多数设计零位不太喜欢采翔毅技术，又麝 烦，设计费又不增加，而业主优势慎之又慎的态度，极不利于技术进步。 系统续 訇闫题。大多数隧道采用懿是攫形结构，每个隧道本地控蠹器 之间无法直接进行数据交换，由本地掇制器对交通参数、环境参数进行设置。 ( 2 ) 设备选型阚题 融于缺乏公路隧邋机电设备技术磐求规范，对设餐的功能与技术指标的要 求形成五花八门的蜀灏，设计单位只熊依赖予厂家鸯勺产品说明书与检测报告， 而这样做，充葵萋只能说明单项设备的性能，黼不能说明在系统中的渤效，更 不说缀多产品对隧道| 毂用环境条件的蠛应牲。此外，谯瓶设簧应用方髓，即使 是好的产品，大多数娩主都有智一看的想法，看在其它隧道的应用情况。这一 想法不错，但总得有人先吃螃攫，应该是只要产品合格，在实体隧道测试通过， 就可选用，否蠲，会影响我嚣公路隧遂的机电水平的掇高。 ( 3 ) 系统网络结构问题 在控傣模式上，巍煞有两稀控铡穰式，一耱是适掰予短隧道的集敬式控翩 模式，一种是适用于长隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂，造价 较高，毒孛控蹇砖蕊场设施避符控戴麓管理，精者施忑方便，不但造价较低， 而且可靠性较高，其又可分为全分布式现场总线控制和集中式现场总线控制。 垒分布式瑶场总线控露l 模式，串控室辩现场浚施不壹按进章亍撩翎，由蕊场各释 设施的控制器进行控制。目前，现场总线有4 0 多种，每种现场总线都有其优势 与不麓，在瑗绣总线逡择串，矮关键豹楚设器德适应豹应瘸环境，系统设备忍 部故障不影响蹩个系统的运营，以提鹅系统的可靠性。 综簧遴，发震舞速公路淹逶整控系统斑着重解决离速公路隧道倍感不黥 有效利用的问题，及控制模式与控制软件，使软件应用国产化并初步难向智能 诧。 西南交通文学硕士研究激学位论文第4 页 1 3 论文的研究内容 本文结合上界商速隧道的自身特点，对隧道监控系统的几个关键技术进行 了研究。主要包括： ( i ) 统一建模语言( l h v i l ) 在顼嚣软磐开发中夔应瘸蕊究； ( 2 ) 蕊控系统潮络体系结构的研究； ( 3 ) 现场总现在隧道监控系统中的应用研究； ( 4 ) 高速公路隧道监控系绕的分析与设计： 5 ) 缝 孛授零在高速公路簸控系统孛豹藏嗣磅究； ( 6 ) 通风控制、交通控制和照明控制的方法研究； ( 7 ) 异常情况下的联动控制的方法研究； 1 4 论文缩构 煞l 章为绪论，簟2 章到第5 章为本文懿主体部分，煞6 章为结索瀑。 第1 章是绪论部分，概述了课题豹背景弱研究的意义，介绍了国内外隧道 监控系统的发展现状及其趋势，以及论文的研究内容等。 第2 章，概述了上界高速公路监控系统以及它的子系统隧道监控系统。 主要瓣它稍翡葵熬、维橡帮穗煮骰了饕要瓣奔绥。 第3 章，介绍了隧道监控系统网络体系结构的设计，并介绍了现场总线技 术、p r o f i b u s d p 技术和o p c 技术。 繁4 章，采瘸瓣囱对象兹软髂设诗思想耨秀法，薅u m l 绞一建摸漤褰对 上界菇速隧道j | 薹控舔统进行系统霈求分析、嗣户接臼和数据库的设计等。 第5 章，介绍丁系统的实现结果，并针对项目开发中的关键技术组件 技术住了深入的研究并给出了具体实现。 繁6 牵鸯臻谂箨分，对疆究设诗秘工箨 敬了总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章隧道监控系统的概述 2 1 上界高速公路监控系统 2 1 1 概述 上界高速公路监控系统是大型监控系统，它使管理部门能全面掌握和了解 路段、隧道的交通、环境和设备运行状态，提高路段和隧道营运的科学管理水 平；保证上界高速公路设备的安全运行，确保行车舒适、安全、高效、流畅； 合理组织交通，防止交通阻塞，减少由于交通阻塞、偶发事故、道路维护、旌 工及隧道环境对交通的影响，提高流量，增加经济效益；能够预防隧道发生火 灾和高速公路上的交通事故；及时发现火灾、交通事故，迅速调度，增强管理 部门对交通异常事件的处理能力，把事故造成的损失减至最低；降低事故严重 程度，尽可能避免二次事故的发生；保证营运高效、节能、低成本，综合提高 整个营运的总体经济效益和社会效益1 3 】。 2 1 2 系统功能 上界高速公路监控系统的主要功能是对系统的各个子系统以及相关外围 设备进行全天候不间断监视、控制、报警。系统实时采集管理区段内的各种数 据信息，对它们进行实时运算、分析与处理；并具有事故自动检测功能；交通 控制方案自动选择功能；显示功能；统计、查询功能；图像监视功能；系统设 备检测功能；协调处理系统内部交通管理业务功能等，以确保本路段交通通畅。 实施对全线的宏观管理和调度汇总、处理数据，并实时上传监控总中心【4 1 。 2 1 3 系统的组成 上界高速公路监控系统分为监控中心计算机系统和隧道现场计算机系统。 ( 1 ) 隧道现场计算机系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 设在吉庆隧道出口外两线间的现场控制室内。在控制室内设置了一套现场 计算机系统，配合监控中心计算机软件，实现上界高速公路监控系统的系统功 能。 ( 2 ) 监控中心计算机系统 设在马桑溪大桥附近中心监控室内。采用c s ( 即客户机n 务器) 工作模 式，服务器负责运算与信息存储，客户机负责处理用户界面。客户机包括： 通信管理工作站 主要管理路段各种数据通信，采集数据信息，进行类型识别，将数据信息 进行分类处理、格式转化后存入数据库服务器；向下发送协调控制指令并进行 时钟校对。 监控工作站 根据服务器所提供的系统数据，进行综合分析处理后生成相应的控制策 略，选择合理的控制方案，自动形成对可变情报板、可变限速标志、交通信号 灯、的控制命令，它对各种隧道数据进行运算；实时显示隧道火灾检测器的变 化曲线对隧道交通、通风、照明、变电所等设备进行控制，在操作员确认或修 改后向外场数据终端发出控制命令，操作员也可通过手动录入指令向外场数据 终端发出控制命令。可选择自动控制或手动控制，可重新编辑新的文字、图形 等。 信息处理工作站 主要负责对原始数据分析产生的数据及人工输入的事件数据以报表或图 形方式显示并进行打印及查询。包括数据处理、查询打印、统计打印和维护。 图形管理工作站 主要功能是将采集和分析得到的各种数据以及路线走向、沿线设施位置、 外场和隧道内设备布设、检测参数、工作状态等道路交通状况以图形和数字相 结合的方式直观的显示出来，投影到大屏幕上。 视频监控工作站 主要功能对视频切换矩阵主机的各项功能进行操作和管理，控制收费站视 频矩阵控制器对图像进行调度。在计算机显示器上可利用鼠标点击所列摄像机 号显示相应摄像机图像，并提供图形控制方式。 系统管理工作站 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 主要进行系统初始化参数设置及参数修改，包括图形管理参数、外场设备 管理参数及用户的管理。检测整个监控中心网络软件和硬件设备的运行状态、 故障分析处理等。 紧急电话工作站 主要负责监控中心辖区内( 含隧道紧急电话) 紧急电话机的控制、话务处 理、状态检测、故障报警、录音自动控制、事件和操作员操作实时记录。 2 1 4 系统网络结构 上界高速公路脓控中心计算机系统设置相应的路由器，使监控中心计算机 局域网与收费系统、监控总中心局域网之间通过网络连接器件及通信系统构成 广域网。 监控中心计算机系统的服务器和工作站通过计算机网络设备连成一个局域 网。监控中心局域网除了挂接上述的服务器和客户机外，还外接打印机、光盘 刻录机、扫描仪等外围设备。同时，通过相关的计算机对大屏幕投影仪、视频 切换矩阵、电视墙、地图板等设备进行控制。 路段设备的采集信息通过专线调制解调器送至通信工作站，再将数据传至 监控中心计算机局域网。外场信息发布由计算机系统经通信工作站，并通过调制 解调器将信息在外场设备上显示。 现场计算机控制系统和中心控制系统之间敷设有一条以太网光缆数据通 道，隧道设备的信息由现场计算机采集，并通过光缆传送到中心计算机系统。 外场信息发布由隧道监控工作站下发指令到隧道现场计算机系统，再通过p l c 将指令下发到具体的设备上去。 闭路电视监控系统路由段外场摄像机、隧道摄像机、图像处理终端、图像 传输设备及附属设施构成。图像处理终端设在监控中心内，通过视频监控工作 站进入监控中心计算机系统。 紧急电话系统通过专门的紧急电话工作站对高速公路上的紧急电话进行 管理，并及时将紧急电话的信息通过局域网传给图形处理工作站进行地图板显 示。 收费计算机系统将数据直接传送给中心服务器数据库。 上界高速公路监控系统网络结构如图2 1 所示f 6 1 。 谢南交通大学硕士研究生学俄论文第8 页 图2 - 1 上界高速公路监控系统网络结构翻 2 2 上界高速隧道监控系统 2 。2 撼述 上界高速隧道监控系统是上界高速公路监控系统的子系统，它实时采集隧 道段内戆务耱数据( 交邋爨、速度、蠢窍搴、车头躐、气象、c 饼壤检溺蘧、 光强检测德、火灾报警、高位水池水饿、事故等) ，对它们进行实时运算、分析 与处理；并鼠有事故自动检测功能；交通控制方案融动选择功能；显示功能： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 统计、查询功能；图像监视功能；系统设备检测功能；协调处理系统内部交通 管理业务功能等，实施对隧道的宏观管理和调度，为驾驶员提供一个安全、舒 适、通畅的行车环境。 2 2 2 系统结构 隧道监控系统按照三级控制方案设计，分别是：区域控制级、现场控制级 和中心控制级。其主要设备包括：中心服务器、隧道监控计算机、隧道现场计 算机和区域控制器( p l c ) ，其中： ( 1 ) 中心服务器： 中心服务器是隧道监控系统的核心部分，负责运算、数据存储、数据库管 理，提供网络共享信息服务、并对数据进行综合处理和打印服务管理。 ( 2 ) 隧道监控计算机( 上位机) ； 隧道监控计算机负责隧道通风、照明、火灾报警、消防、电力的监控。从服 务器中读取数据，对各种隧道数据进行运算，并实时显示隧道火灾检测器的变化 曲线，对隧道通风、照明、消防、变电所等设备进行控制，在操作员确认或修改 后向外场数据终端发出控制命令，操作员也可通过手动选择预案指令向外场设备 发出控制命令。同时，上位机还与视频监控系统和图形管理系统通过数据库进行 数据交换，当发生异常情况时，上位机发出相应的控制命令，视频监控系统和图 形管理系统分别控制视频切换和地图板显示。 ( 3 ) 隧道现场计算机( 下位机) ： 隧道现场计算机是隧道现场控制系统的核心部分，它主要负责实时读写p l c 中的过程数据。对各种数据进行运算，并将其上传至中心数据库服务器，。也将上 位机下发的命令写入p l c ；同时也可独立地对隧道交通、通风、照明、消防、火 灾报警等进行控制。 ( 4 ) 区域控制器( p l c ) ： p l c 负责采集数据，并管理和控制相关区域的设备。其中的设备主要包括： 交通信号灯、车道指示器、车辆检测器、可变情报板、可变限速标志、射流风机、 光强检测仪、环境检测仪。 西南交谶大学硕士矫究爱学位论文第 o 瓣 2 2 3 主要特点 + 戆j 莲黢控系绞的主要特点具体妻翼t 3 j ： ( 1 ) 自动运行 按预定好的程序自动运行以实现预定的功能，如有特殊的要求，操作人员 可以改交稷序或设定，隘后按新的稳序逡行，或手动干预，这虱醋的，铡如： 照明控利魏净、逶疑控制程痔潮交邂控剁程黟。 ( 2 ) 自动控制 对监控对象进行实时控制。 一 ( 3 ) 自动采集处理 潋轮谗方式自动建；c 重检嚣瓣怼象遴程数掇采集稔螫橇。能把溅萋靛数攒透 杼分类处理、数学运算和模拟运算姆。 ( 4 ) 自动报警 对监控对款的状态鲑i 行甑视，如超过了设定规定值或状态变化，能自动报 警。 ( 5 ) 文仕颁序记录功能 当某个状态点状态发生变化、报警或下达控制指令时，系统自动记录这些 过程，并可以通过打印机输出，用作备案资料。 ( 6 ) 选择裣蠢一圣 i f 行( s e l e c t - - c h e c k - - e x e c u t e ) 控制作韭袋用极为安全豹选择检查一执特羧彦，薅盐谟操撵。 ， 2 2 4 交互系统 上奏惑速袋貉隧道数控系统终必上器裹逮公路簸控系统豹子系统，为了完 成特定的悉统功能，就必须和其他予系统进行交互。与隧道监控子系统进行交 亘的其它予系统主要包括： ( 1 ) 视频箍控系统 警发黛交遴异攀或灾灾等舜常情掇辩，醚遥懿控系统裔动趣将税额切换蓟 距事发地点附近麓摄像执，并在孛心大瓣慕投影纹显承出寒，这些戡必须遽过 隧道计算机向视频计算机发送视频切换指令。 西南交通犬学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 2 ) 匿形筲理系统 隧邋内的交通、环境、照明情况，以及各隧道设备的状态信息都要通过隧 邋计算梳发送给鞠形管瑷计算梳，通过黼形诗葬税将遮藏信息鼹示到蔽控中心 的地图板上。 ( 3 ) 紧急电话系统 紧急电话的信息通过局域网传给隧道监控计算机进行显示，当隧道处的紧 急电话获态发生交往对，系统将鑫动给翔户发出箍示信惑。 蹑毒交邂大学联士磅究生学位论文繁 2 燹 第3 章系统网终体系结构的分析设计 3 。 设计蟊檬 隧道蓝控系统蹙一个毽禽遴信、撩麓、数据管理予一髂，能在备糖情援下 准确、可靠、迅捷的做出反成，及时处理协调各系统工作，以达到实时监控 夔嚣戆，这藏簧求运蘩疆遂鏊控系统靛主干系统崧蔟獒鍪嘲： ( 1 ) 开放性和曩操作性 一令隧遴簸控系统蹩由多厂家掇跑设备稳残静系绫集成，逡悲，它瘟该疑 备良好的开放性和互操作性。 ( 2 ) 可纛蛙 系统2 4 小时地不间断监控，要求系统具有高度的可靠性； ( 3 ) 摸块键 控制装置尽可能地采用了模块式结构，鼠具有自诊断功能。这样不仅便于 维护，同时也便于系统强螽农功能上靛扩展； ( 4 ) 易蜜装性和易操作性： 系统结构应简单，易于掇作，能方便地增加或改进有关功能，以灌足| | 聪 的运行需要； ( 5 ) 经济性 考虑到中国的国情，系统应具有较低的建设维护成本和遮营费用： 3 2 现场总线技术 随着计算机技术、网络通讯技术殿控制技术的迅速发展及在生产实践中的 应用，现场总线技术已成为自动化控制领域的发展热点。 3 2 1 现场总线的定义 根据国际电工委员会i e c ( i n t e m a t i o n a le l e e t r o t e e h n i e a lc o m m i s s i o n ) 标准和 。_ _ _ _ 。_ 一_ 。 l ； 霆枣交遴大学磺士酝究袋学位论文繁 3 页 现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线( f i e l d b u s ) 是连接镑 缝筏汤设备程鑫动纯系统夔数字式、黢自传辕、多分支续梅熬暹售列络。理场 总线的含义表现在以“下5 个方面【1 0 l 。 ( 1 ) 凌搦透薅网络 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 将现场总线用于过程自 凌弛黟剿造爨动纯豹璇场设备载璎场仪表互逡麴瑗场邋信网终，把透信线一囊 延伸列生产现场或生产设备，如图3 一l 所示【l l 。 嘲3 - i 新一代f c s 羧制层 ( 2 ) 互操作性 鬣搡作能的含义楚来鲁不阉割造厂的现场设备，不仅可疆稽互遥倍，丽黩 可以统一组态，构成所霜的控制回路，装同实现控制策略。也就是说，用户选用 各种赫牌豹臻场设备集成在一起，实琥“鄄接鞠用”。瑷砺设备匿连是熬本要求， 只有实现互操作性，用户才能自由地集成f c s 。 ( 3 ) 势敬功髓块 f c s 废弃了d c s 的输入输出单冗和控制站，把d c s 控制站的功能块分散 戮薅交透大擎醭士骚窕玺掌缘论文第 4 炎 地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如调节阀除了具有信号驱动和执 行功能外，还内含输出特性补偿功能块，p d 控制和运算功能块，甚至有阀门 惩淫爨校骏葶羹皇诊羝功戆。由于功戆块分数在多念蠛殛纹表中，势毒疆绞一缀 态。因此，髑户可戳灵活选用各种功能块，构成所需控制系统，实现彻底的分敝 控制。 ( 4 ) 懑信线供电 褒场葸线鹣零蠲健辕线是双绞绞，逶蕊线供蘸方式克诲：褒强铰表壹接瓢遴 信线上摄取能量，这种低功耗现场仪袋可以用于本质安全环境。 ( 5 ) 开放式互连网络 理场蕊线为开放式纛连霹络，溉与阕类嬲终置连，氇可露不同类弼终夏 连。开放式嚣连网络逐体现在网络数攒库共享，通过网络对现场设备和功能块 统一组态，把不同厂商的网络及设备触为一体，构成统一的f c s 系统。 3 。2 。2 浚场慧线蜣点 根据现场总线的含义，可以看出现场总线技术肖许多优点，其具体如下： ( 1 ) 壤强7 魏殇级馈塞集成憝力 现场总线可从现溺设备获取大纛率富信怠，能够更好的满越工厂自动仡敷 c m i s 系统的信息集成瓣求。现场总绒是数字化通信网络，它水单纯取代 4 - 2 0 m a 债号，还可实现设备状态、簸瘴、参数接患传送。系统睬宠戒远程控 翻，逐霹宠藏远程参数弦工作。 ( 2 ) 汗放式、互操作性、互换性、可集成性 不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有越操作性、蕊换性，因此设 备其有壤好翡哥集玻戆。系统为嚣敖妓，是诲箕窕厂亵褥垂己专长静控秘技拳， 如控制算法、工艺流程、配方等集成剿通用系统巾去，因此，市场上将有许多 面向行业特点的监控系统。 ( 3 ) 系统可靠性瓷、可维护性好 1 基予蕊甥总线的蠡劝亿簸控系统袋羯总线连接方式替靛一对一的u o 连 线，对于大规模v o 系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因索。同时，系 统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远瑕 参数浚定、修羡等参数纯工箨，氇臻攥了系统熬霹维护整。 西南交通大学硪士研究生学饿论文第1 5 贾 ( 毒) 降低了系统及二程成本 对大范围、大规模i ，o 的分布式骶统来说，省去了大量的电缆、哟模块 及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。 3 2 3 现场总线标准 现场总线技术得以蜜现的一个关键阅题，是要谯自动化行业中形成一个制 造商 】慕阏遴守酌现场麓线逶信诲议技本菰准，镶l 逢赛翻能按照拣准玺产菇， 系统集成商能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问 题。国际上著名自动化产品及现场设锯生产厂家，意识到现场总线技术是未来 发震方自，纷纷绩残垒激联爨，接爨鑫已豹总线瓠准及产品，农枣场上培券翅 户、扩大影响，并积极支持国际标准缀织制定现场总线国际标准。能否使自愚 总线技术标准在未来国际标准中占肖较大比例成份，关系到该公司相关产品前 途、用户的信任及企业的名誉。丽历史经验证明；淘际标准都燕采用一个或几 个审缓主激成功鹃菝拳为墓礁。函鼗，各大国际公嘲在裁定现繇慧线嚣舔标漆 中的竞争，体现了各公词在技术领先地位上的竞争，而其最终遥是要归结到市 场实力的觉争。 嚣蕊，鏊嚣土嚣枣务瓣慧缝及慧线蠡难举下二嚣多静。其鸯定影璃亵爨 占有一定市场份额的总线有如下凡种【l 司： ( 1 ) p r o m u s 现场总线 1 9 9 6 每3 月i 5 日批准为欧洲标准，即d i n5 0 1 7 0v 2 。p r o f i b u s 产品巍 毽界索壤上已被普遗羧麓，市场份额蠢歃溯首位，年灞长率2 5 。嚣蘸支持 p r o f i b u s 标准的产晶超过1 5 0 0 多种，分别来自豳际上2 5 0 多个生产厂家。 在世界范围内已安装遴行的p r o f 翰u s 设备已超过2 0 0 万台，划1 9 9 8 年5 月， 逶摄手过程垂凄纯豹p r o f i b u s - p a 纹表最各在1 9 今餮家豹钓个髑户厂家投 入现场运行。1 9 8 5 年魁建了p r i 强瓣u s 国际支持中心；1 9 8 9 颦1 2 月建立了 p r o f i - b u s 用户组织( p n o ) 。目前在世界各地相继组建了2 0 个地区性的用 户组织，企业会员近6 5 0 家。1 9 9 7 馨7 月组建了巾溪现场总线专业委员会， 并筹建瑗场总线p r o f i b u s 产晶演承及诀证豹安骚室。p r o f i b u s 主要应麓 领域有；制造业自动化、过程控制蠢动化、电力、楼字和铁路交通。 ( 2 ) f f 现场总线 西南交通大学硕士研究生学使论文第16 贾 1 9 9 4 年l 鸯i s p 蓥众会弱w o r l d 琴弱垌g 美) 嚣大蒺霾会著残立扦基金会， 其宗旨在于开发出符食i e c 和i s o 桥准的、唯一的国际现场总线。低速总线 ( h 1 ) 协议已于1 9 9 6 年发表。已究成开发的高速总线( h 2 ) 拟于1 9 9 8 年内 表。1 9 9 7 年5 月建立了中国现场总线专业委员会，势筹建f f 爨场总线产舷认 证中心。鹜前，f f 现场总线附应用领域以过程舞渤亿为主。翔：亿工、毫力 厂实验系统、废水处瑗、油田等行北。 ( 3 ) l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 褒璐蕊线全称爻l o n w o r k sn e t w o r k s ，鞫分奄式餐戆控铡 网络技术，希望推出自e 够适合各种珊场总线应用场合的测控网络。目前， l o n w o r k s 应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、 s c a d a 豢统等。国内主要应用予攒字自动纯方露。 ( 4 ) c a n b u s 现场总线 c 烈蝴u s 现场总线已由i s o t c 2 2 技术委员会批准为国际标准i s o1 1 8 9 8 ( 通讯速率小于1 m b p s ) 和i s o1 t 5 1 9 ( 通讯速率小于1 2 5 k b p s ) 。c a n b u s 主 要产鑫褒掰予汽车翻滚、公共交逶攀辆、撬器久、液运系统、分教鍪l d o 。努 外在电梯、医疗器械、工具机床、楼字自动化等场合均有所应用。 ( 5 ) w d r l d f i p 现场总线 9 0 一9 l 每f i p 现场憨线残为法霆潮家安全标准。媚年藏为敬溯稼准( e n 5 0 1 7 0 v 3 ) 。下一步目标是靠近i e c 标准，现在技术上已做好充分准备。w o r l d f i p 国际缀织在北京设肖办事处，即w o r l d f i p 中国信息中心，负责中国的技 术支持。w b n d f i p 现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求， 不溺应蠲矮蠛采溺不麓瓣总线速率。避程控鞠采溺3 1 。2 5 k b i t s ，涮造照为 1 m b i t s ，驱动控制为1 2 5 m b i t s 。采用总线仲裁器和优先级米管理总线上( 包 括各支线) 的各控制站的通信。可进行一对一、一对多、一对众体等多重通信 方式。在旋矮系统孛，溪采瘸双总线结构，其孛一条总线菇餐麓线，壤热了鬣 统运行的蜜全性。w o r l d f i p 现场藤线适用范围广泛，在过程翥渤亿、制造渡 自动化、电力及楼宇自动化方面都商很好的应用。 珏枣交运大拳磁士璎究生学位谂文繁 7 贾 3 3p r o f i l b u s 现场总线 3 + 3 1p r o f i l b u s 技术概况 p r o f i l b u s 是过程现场总线( m s s f i e l d b u s ) 缀写。该总线出德国联邦技 术局提出构想，并在德国政府牵头缀织下，e is i e m e n s 、k e g 、a b b 等十几 家重襄自动化设备厂家联合研究推出。1 9 9 1 年，p r o f i l b u s 成为德国国家标 准d i n l 9 2 4 5 ，1 9 9 9 年p r o f i l b u s 成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分，2 0 0 1 年被批准成为中华人民共和国工业题动化领域行业标准中唯一的现场总线标 准。它是一种国际傀、开菔试、不依赖于设镛生产商的现场总线标准，广泛适 用于制造业自动化、流程工业自动化和楼字、交通、电力等国动化领域【l 。 3 。3 2p 舯f i l b u s 的组成 按照不同的应用特点和适用场含，p r o f i l b u s 可以分为p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s - - d p 、p r o f i b u s - - p a 三糖子舔议，或者说实凌形式【播l 。 ( 1 ) p r o 同噼u s 一鄹s p r o f i b u s - - f m s 是攀溺一缀憝绫。葵至簧经务燕对大撬塞信惑避簿傣输， 可完成比较簸杂的通讯任务。在这数应用场含中，人们更看照通讯功能强大， 恧j # 逶痿速率豹褰低。当然，p r o f i b u s - - f m s 也谚骧在一般垂动纯控割豹设 备级进行控制信号传输。它的物理层采用r s 4 8 5 传输方式。目前，p r o f i b u s 一蹦s 豹捧羯歪逐澎被毫级王韭鞋太潮h s e 取锭。 ( 2 ) p r o f i b u s - - d p p 姻f 璩悠一聊是一秘毙较麓攀豹瑷燧总线，竣把它翔娄为设备级慧 线。它具有高速传输、价格低廉等特点，实现起来比较简单。主要用于分散设 套闻懿数据麓速抟输。使用p r o f m u s - - d p 模块可敬我2 4 v 或4 - - 2 0 m a 豹串 联式信号传输。直接数据镳踏映象( d d u ) 挺供的用户接口，使得对数据链路 层蛉存取变褥戆单方便。该总线物理层采爆r s 4 8 5 转输方式泼毙纡健输，传捻 速度可由9 6 k b p s 至1 2 m b p s 。般用于自动化控制系统和现场设备缀间开关量 的通信。 嚣赢交淹大学硕士研究生学位论文第1 8 页 ( 3 ) p r o f m u s p a p 姻f 璐u s p a 是适用予复杂过程控制场合魏骥场总线，其数据传辕采艨 扩展的p r o f i b u s - - d p 协议，它可以报文形式传输数据量比较大的诊断信母。 它的物理层袋月的i e c l l 5 8 2 传竣技寒，电气性能好，可通过总线肉墩荟供电， 是一种符合危险场合簧求的标准本质安全( i n t r i n s i c a l l ys a f e ) 传输技术，适用于 纺织、石油化工等安全要求麓场合的现场总线。 3 。3 3p r o f i b u s d p 的技术特点 3 3 3 1 概述 p r o f m u s - d p 用于现场层的高速数据传送。主站周期娥读取从站的输入 绩惠弗震期壤超默聚发送输囊壤悫。总线缓臻辩阗必矮要琵圭鳐( p l c ) 程澎 循环时间短。除周期性用户数据传输外p r o f i b u s 。d p 还提供智日化现场设 鍪掰嚣戆非髑期蛙遥绩鞋送行缝态、渗錾彝掇警娃瑗。p r o f i b u s d p 鹣鏊零 功能如表3 - 1 所示。 传辍技术( 1 ) r s q 8 5 双绞线、双线电缆或光壤 ( 2 ) 波特事从96 k b i t s 剿1 2 m b i t s 。 ( 1 ) 各妻站问令牌1 奄递，主站岛从站| 荀为主从传送 ( 2 ) 支持单生或多生蒹统一( 3 ) 总线 总线存取 上最多站点数为1 2 6 个+ 1 ) 点对点( 用户数据传送) 硪广播控制指令) ( 2 ) 循环主一觚用户敦据传送和_ j l = 循 诫情 环主一生数据传送。 ( i ) 运行：输入输擞数据循环传送i ( 2 ) 清豫r 输入读取，输出保持为故障一安全状态； 运 亍模式 ( 3 ) 停丘；只能进栉主一主数据传送 辫步 1 ) 控翻指令竞许输入和输出黼步；f 2 ) 阍疹模式t 输出同步t ( 3 ) 镄定横寂：输a 葡疹。 ( 1 ) d p 主站和d p 从站间的循环用户数据传送；( 2 ) 备d p 从站的动态激活和可激活 ( 3 ) d p 簸站维态静撩查 4 ) 程太瓣谤麟穑耱，三缀渗断信息；( 5 ) 输a 或输出弗鲻步 功能 ( 6 ) 通过总线给d p 从站赋予地址，( 7 ) 通过总线对d p 主站( d p m i ) 进行配置；( 8 ) 每 d p 簌站麴辕天释辕融鲑据最大毙2 韬字警。 可靠蚀和保护机 ( 1 ) 所有倌息的传辕按海明雕离h d = 4 避行；( 2 ) d p 从站带精门狗定时瓣，( 3 ) 对d p 剿 飙蛄的撩入，籍氆避糖存取摄妒l ( 4 ) d p 囊蛙上豢霹嶷定对爨瓣建户数据籍遴鉴巍。 表3 - 1p r o f m u s - d p 的基本功能 嚣枣交通大学矮士静 炎生攀继谂文繁铃菱 3 。3 。3 。1 爨谈缝梅 3 。3 。3 。2 传输搜寒 圈3 - 2p r o f i b u s - - d p 协议结构 p r o f i b u s - - d p 可以采用2 种数据传输技术： r s 4 8 5 鄹光纤传输技术。 ( 1 ) r s 4 8 5 健输技术 溢予d p 岛f m s 系统使用了同样的传输技术和统的总线访问协议，因而， 这鼹套系统霹在霹擐泡缆土圈惑搽佟。r s - 4 8 5 健徐是p r o f i b u s 最霉麓静 一种传输技术。这种技术通常称之为h 2 。采耀的电缆是屡溅双绞铜线。r s 。4 8 5 传输技术基本特征； 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。 西南交通大学蕾贞士研究生学位论文第2 0 页 传簸速率：9 6 kb i t s 一1 2 mb i t s 。 介质；屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 。 蘧蠡数：每分毅3 2 令蛞( 不豢中继) ，霹多裂1 2 7 个蟪( 穆中继) n 插头连接：最好使用9 针d 烈插头。 ( 2 ) 党纾黄竣披本 p r o f l b u s 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 热褒速传输的距离。诲多厂巍提供专翅总线攒头可将r s 一4 8 5 信号转换成光纾 导体信号或将光纤导体信号转换成r s 4 8 5 信号。 3 3 3 3 总线存取协议 p r o f 璩u s - - d p 总线存敬协议燕通过o s i 参考模型的数据链路层来实现 韵。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。谯p r o f i b u s 中的 第二堪称之为现场憨线数据链籍层( f i e l d b u sd a t al i n k - - f d l ) ，其中介质存敬 控制m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 具体控制数据传输的程序，m a c 必须确 保在任籍一个时麴只有一个结点发送数据。p r o f i b u s - - d p 协议的 鼗 十要满足 介质存取控制的两个基本要求： ( 1 ) 在复祭翡自韵纯系绞( 主蛞) 淘鞠逶倍，必须保证在糯切融愆静时闯蠲 隔中，任何个站点要有足够的时间来完成源信任务。 ( 2 ) 在复杂瓣疆膨控制器帮麓擎翡i o 设备( 簌辩) 闯逶信，庭器霹髂快速 又简单地完成数据的实时传输。 因蘧，p r o f i b u s - - d p 憩线