现场总线技术在公路监控系统上的应用

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1.1Profibus现场总线简介[1]1.1.1基本特点Profibus是ProcessFieldBus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ISO～OSI参考模型为基础,采用了其中的3层,即物理层、数据链路层、应用层，增加了用户接口。①Profibus-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0—20mA并行信号传输技术。②Profibus-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。③Profibus-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,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传递到下一个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。一个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传递到下一个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。一个PLC和它相连接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。1.2Modbus现场总线简介1.2.1基本特点ModbudPlus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Schneider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ModbusPlus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ModbusPlus网络进行互联，或将ModbusPlus与其他网络如Ethernet连接起来，从而使得ModbusPlus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ASCⅡ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ASCⅡ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)。1.3LONWORKS现场总线简介[2]1.3.1基本特点LonWorks技术是美国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(NeuronChip)为核心，她所遵循的协议LonTalk符合ISO的OSI标准，同样采用七层分层结构，并可利用多种媒介进行通信。Lonworks技术由Lonworks节点和路由器、LonTalk协议、Lonworks收发器及LonWorks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。1.3.2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。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LonTalk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。1.3.3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子层采用带预测的P-坚持CSMA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APDU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2.1Profibus-DP应用[3][4]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优越性。通讯方式为Profibus的主站/从站方式，根据具体情况采用单主站通讯，主站设为LC0，其余作为从站（包括LC1～LC13为远程I/O从站）。硬件组成：主站采用SIEMENSS7-400的CPU412,从站采用S7-300的CPU315和ET200。软件为STEP7V5.1版，系统结构图如图1所示。图1系统结构图本系统按三级控制方案设计，分为区域控制，现场监控和中央控制级。现场监控级由现场控制工作站、火灾报警控制器、交换式集线器、PLC主控柜构成。LC0通过通讯模块和集线器连接，火灾为最高级别的事件,所以设一台专用控制计算机,具有以太网接口，通过以太网接口与现场控制工作站交换数据。中控室计算机系统以服务器、客户机(如通信管理工作站、监控工作站、信息处理工作站、紧急电话控制工作站等)和网络设备构成。该系统采用PROFIBUS现场总线技术实现了隧道监控系统,现已经调试完毕并投入运行，从目前效果看运行稳定,可靠性高。2.2ModbusPlus应用[5]京珠高速公路甘塘-翁城段隧道群负责对宝林山、大宝山和靠椅山三条隧道的交通信号灯、车道指示器、通风设备、照明设备、能见度VI、CO浓度检测器和车辆检测器等设备进行集中监测、控制和数据采集。采集的数据通过ModbusPlus自愈式环光纤网上传至中央控制管理站统一处理。隧道本地控制系统还负责接收中央管理站下达的控制命令，对本地设备实施控制。以太网采用星形拓扑结构，通讯介质采用100BASET屏蔽双绞线，交换机选用3COM公司的产品。因为采用了星形结构，三条隧道的控制和数据采集是相互独立。如果其中一条隧道的通讯链路断了，将不影响另外两条隧道监控工作的正常运作，提高了整个系统的可靠性,系统网络结构图如图2所示。ModbusPlus自愈式光纤网是环形冗余结构，通讯介质采用4芯多模光纤，光纤中断器是Modicon490NRP254.它提供两个光纤输入输出口：Tx和Rx.4条光纤分别接入4个光纤输入输出口。当网络上的一条光纤出了故障，它所对应的另外一条冗余光纤将继续负责数据的传输，使到系统更加可靠。各个隧道管理站的监控计算机负责通过ModbusPlus自愈式光纤网采集各PLC的数据，并将数据转移到以太网上。因为以太网的协议是TCP/IP，自愈式环光纤网的协议是ModbusPlus,所以各隧道管理站的监控计算机兼有网桥（Bridge）的作用。图2系统网络结构图 ModbusPlus自愈式环光纤网是环形冗余结构，当网络上的一条光纤出了故障，它所对应的另外一条冗余光纤将继续负责数据的传输。各个隧道管理站的监控计算机负责通过ModbusPlus自愈式环光纤网采集各PLC的数据，并将数据转传到以太网上。各个隧道管理站监控计算机除负责传输数据外，还负责隧道内部分设备的控制工作。区域控制机是本地控制系统的核心设备，可独立完成对外场设备的采集和控制。每条隧道设置有4到6个区域控制机，控制机之间、控制机与监控计算机之间通过现场网络进行通信，目前此套系统运行状况良好。2.3Lonworks应用LonWorks分布式公路隧道监控系统(TMCS)公路隧道机电设备的监控管理系统是基于Echelon公司的LNS操作平台的，目前已经在温州和重庆等地应用运行。它是LonWorks技术在中国成功应用的实例之一。TMCS公路隧道监控系统中的各子系统的控制节点安装在密封、防尘、防水的节点箱内，完全靠近被控制设备安装。根据控制要求，选用各种型号的节点，在隧道出入口的变电站、中央控制室、竖井、隧道体内分布式安装。材料、施工的综合造价与传统的采用集中放线形式的集散控制系统相比较，可节约70%的费用。TMCS公路隧道监控系统可以对单洞双向公路隧道或双洞单向公路隧道内的机电设备进行分布式监控，每一座隧道均可设置独立的集中监控中心。在此基础上，采用光纤网络，可对隧道群进行集中管理。3结论由于高速公路隧道内环境复杂，对设备的干扰力强，为保证在隧道内恶劣环境下交通数据、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，对现场设备进行有效控制，实际证明，现场总线技术具有技术先进，可靠性、稳定性高，实用性、可维护性和可扩展性好等特点，能及时、有效地发挥隧道监控系统的功能。参考文献：[1]许宏科,王维敏.现场总线技术在隧道监控系统中的应用.山西交科技.2003,(5):52～54.[2]郑其俊.隧道机电监控系统运用LonWorks现场总线的关键技术.交通