现场总线技术在公路监控系统上的应用

1、现场总线技术在公路监控系统上的应用曾盛（广东省公路勘察规划设计院，广州510507）摘要： 本文简述了在公路隧道监控系统设计时，常用到的三种现场总线 （Modbus , Profibus , Lonworks） 的特 点、通信原理和传输介质等基本特征，并例举相应实例说明它们在隧道监控系统中的应用。关键词： 现场总线 ; Modbus ; Profibus; Lonworks0 序言高速公路隧道系统包括：隧道本地控制器、交通诱导、环境检测、通风和照明、火灾报警器、 闭路电视监控、有线广播、无线对讲、紧急电话和中央控制管理等几大系统，隧道监控系统负责隧 道监控中心、隧道内机电设备以及隧道外信号灯等

2、的监视与控制。为保证隧道内恶劣环境下行车的 安全性、舒适性 , 隧道监控系统必须能够及时采集隧道内的交通数据、设备运行状况等上传给监控 中心 , 监控中心对这些数据进行分析处理后对现场的设备进行控制和事故处理。因此选用何种网络 技术来构成隧道监控系统就成了设计隧道监控系统的关键问题。从隧道监控系统结构考虑 , 应用现 场总线技术，用FCS （现场控制系统）代替现在的DCS （集散控制）是发展的必然趋势，可提高系统的 可靠性 , 维护操作的方便性 , 同时采用现场总线可大大节省网络设备 , 从而降低工程造价。1 现场总线技术说明1.1 Profibus 现场总线简介 11.1.1 基本特点Pro

3、fibus是Process Field Bus 的缩写，它是由以西门子为首的13家公司和5家科研机构在联合开发项目中制定的标准化规范，是一种国际性的开放式的现场总线标准，世界上许多生产厂家都为 他们生产的设备提供接口。 Profibus 目前3种系列： Profibus-DP （传输速率为 12Mbps）、Profibus -FMS Profibus-PA 。 Profibus现场总线广泛应用于加工制造、过程控制和楼宇自动化，具有较强影响力，现代公路隧道监控系统大部分都采用这种总线技术。Profibus 通信协议以ISOOSI参考模型为基础 ， 采用了其中的 3层， 即物理层、数据链路层、应用

4、层，增加了用户接口。 P rofibus-DP: 主要用于现场级的高速数据传输 ，解决自动控制系统（如PLC PC等）通过高 速串行总线与分散的现场设备 （I/0 、驱动器等） 之间的通信任务。 使用 Profibus-DP 可取代现场的、 价格昂贵的24V或020mA行信号传输技术。 Profibus-FMS: 用于现场层和单元层的通讯任务 ， 旨在解决车间级通用性通信任务 ， 承上 启下的作用 ， 因此在这一级的高性能的功能要求远比系统的快速反应更为重要。 Profibus-PA: 专门为过程自动化设计 ， 标准的、本质安全的传输技术 ， 实现了 IEC1158-2 中规定的通信规程 ，

5、用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。Profibus 的这3 种协议分别适用于不同的领域 ， 基本覆盖了整个现场自动化的被控对象 ， 且3 种类型均使用统一的总线访问协议 ， 可以将它们的各自系统互联起来构成三层的现场自动化控制 系统。在Profibus的3种协议中，FMS和DP都支持光纤传输，鉴于隧道监控系统要求较高的实时性，所以采用 Profibus-DP 协议。1.1.2 通信原理Profibus 使用混合的总线存取机制来实现通信 ， 系统分为主站和从站。在隧道监控系统中主站 为各个PLC,也叫做区域控制器，从站为与PLC相连接的各检测器、照明、通风、交通诱导等现场设 备。PLC

6、之间的通信采用逻辑令牌传递方式通信，PLC与各现场设备以轮询方式通信。从站没有总线控制权 ， 仅对接受到的控制命令进行执行或给予确认及当主站发出请求时向它发送信息。连接到 profibus总线上的主站即PLC按它的总线地址的升序组成一个逻辑环，控制令牌总是按这个顺序从一个PLC专递到下一个PLC,具有总线地址最高的PLC只传递令牌给具有最低总线地址的PLC 个PLC 和它连接相的设备构成了一个主从系统 , 当主站获得控制令牌 , 就有权给它的从站发送命 令并接受从站的信息 , 主站循环地与从站交换数据。1.1.3 介质及协议选择 由于光纤具有传输距离长、高速率、抗干扰性强、高品质及良好的低噪音

7、等特性, 故采用光纤作为现场总线传输介质。在Profibus的3种协议中，FMS和DP都支持光纤传输,鉴于隧道监控系统要求较高的实时性 , 所以采用 Profibus-DP 协议。1.1.4 拓扑结构设计 现场控制层网络采用光纤环网形式 , 中央控制室的一套光端机和现场的各套光端机连接成一 个冗余环 , 形成高速、可靠的数据通信网络 , 隧道现场的各光端机分别挂接一个 PLC, 各区段的现 场设备由该区段的PLC直接控制。冗余环的优点是如果在环的某处发生断路，它将重新配置网络使通讯得以继续。现场总线通过线路连接到监控中心, 为监控中心的管理、决策等各个环节提供数据支持。Profibus 使用混

8、合的总线存取机制来实现通信, 上面已经提到系统分为主站和从站。从站没有总线控制权 , 仅对接受到的控制命令进行执行或给予确认及当主站发出请求时向它发送信息。连接 到Profibus总线上的主站即PLC按它的这个顺序从一个 PLC专递到下一个PLC,具有总线地址最高的 PLC只传递令牌给具有最低总线地址的PLG 个PLC和它相连接的设备构成了一个主一从系统，当主站获得控制令牌 , 就有权给它的从站发送命令并接受从站的信息 , 主站循环地与从站交换数据。1.2 Modbus 现场总线简介1.2.1 基本特点Modbud Plus 是一种在工业控制中应用非常广泛的局域网系统，是由法国 Schneid

9、er 电气Modicon公司为其PLC系列产品研究开发的高速、对等工业局域网。通过Modbus Plus网，不仅可以将Modicon公司的可编程控制器、适配器、网络转接卡、分布式I/O模块等设备连接起来进行相互通讯，而且可以连接许多其他厂家的相关产品。通过网桥可以将多个Modbus Plus 网络进行互联，或将Modbus Plus与其他网络如Ethernet连接起来，从而使得 Modbus Plus网络的扩展性能和工业控 制的能力大大加强。1.2.2 通信Modbus 协议支持两种数据传输模式 :ASCII 模式及 RTU 模式。 ASCII 模式中字符串每个 8 位字 节分两个 ASCII

10、 码发送。 RTU 模式字符格式中每 8 位字符分成两个 4 位16 进制格式数据传送。当主机发送命令请求消息帧 , 从机读取串口缓冲区内的消息 , 首先根据帧内的第一个字节 （ 从机 地址）判断命令是否发送给自己，如否，丢弃该消息。否则进行 LRC或CRC校验，判断消息帧传送是否 正确,并发出相应的应答帧。若主机在规定时间内未收到从机应答报文, 将重发请求报文 ,若多次未收到应答 ， 则报通信故障。Modbus协议除定义通信功能码外，还定义了出错码。这有助于主机及时发现通信错误，排除故障。这些错误包括 :指定的地址错误、指定数据量错误、从站自身错误、无法应答或执行所要求的 指令、从站忙等。当

11、从机接收到主机发送的错误消息后 ，在应答帧中把功能码高位取反 ， 并在应答数 据中报告错误原因。主机接收到错误码后 ， 根据错误原因采取相应措施 ， 如数据重发、加大发送时间 间隔、改变数据地址等 ， 以确保通信成功。1.2.3 协议选择在Modbus网络中有两种传输模式可以选择，一是ASCH码模式，二是RTU模式。使用Modbus现场总线时，根据选用传输模式的不同，相应的帧校验方法也不同，如果选用ASCH码传输模式，帧校验的 方法为LRC（纵向冗余检）;如果选用RTU传输模式，帧校验的方法为CRC循环冗余校验）。1.3 LONWORKS场总线简介21.3.1 基本特点LonWorks技术是美

12、国Echelon公司在90年代开发的现场总线控制网络产品，其网络节点以神经 元芯片(Neuron Chip)为核心，她所遵循的协议LonTalk符合ISO的OS标准，同样采用七层分层结构， 并可利用多种媒介进行通信。Lon works技术由Lon works节点和路由器、Lo nTalk协议、Lo nworks收发器及Lon Works网络和接点开发工具组成，以其优秀的分布处理能力、开放性、互操作性、多媒介 适应能力及多网络拓扑结构等特性，广泛应用于工业、楼宇、能源、交通等自动化领域。网络通信协议LonWorks技术采用专用的通信协议LonTalk，它是ISO组织制定的OSI七层协议的一个子集

13、。它包容了 LON总线的所有网络通信功能，包含一个功能强大的网络操作系统，通过所提供的网络 开发工具生成固件，可使通信数据在各种介质中非常可靠地传输。由于Lon Talk协议对OSI的七层协议的支持，使 LON总线能够直接面向对象通信，具体实现就是采用网络变量这一形式，使节点 之间的通信实现只是采用网络变量这一形式，使节点之间的通信实现只是通过网络变量的互相连接 便可完成。通信介质物理层协议支持多种通信介质，如双绞线、电力线、无线电、红外线、同轴电缆、光纤甚至用 户自定义的通信介质，为适用不同的介质而支持不同的数据解码和编码，如双绞线使用差分曼彻斯 特编码；MAC?层采用带预测的 P-坚持CS

14、MA算法；其表示层的数据称为网络变量，提供变量服务， 当定义为输出的网络变量改变时，能自动地将网络变量的值变成APD U下传并发送，使所有把该变量定义为输入的节点收到该网络变量的改变。当收到信息时，能根据上传的APDU判断是否是网络变量，以及是哪一个输入网络变量，并激活相应的处理进程。2应用实例2.1 Profibus-DP 应用重庆外环高速公路上界段的小泉、吉庆俩隧道监控系统就应用了Profibus-DP现场总线。由于重庆地区多山，隧道分布区域广，Porfibus-DP能够满足测控点分散的特点。各个控制点根据其距区域控制器的远近分别由14台区域控制器(LC0-LC13 )控制。这14台区域控制器通过光纤链路模式(OLM )组成冗余光纤 PROFIBUS-DP的隧道监控系统，实践证明这种网 络结构通信质量及效率很高，故障率少，该系统无论从速度、可靠性、还是先进性上都有着极大的