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基于PROFIBUS-DP总线技术实现分布式网络的设计

关键词:网络 DP 网

时间:2020-12-09 10:39:04      来源:网络

车站联锁系统是铁路信号系统中的一个重要组成部分,它的主要任务是控制车站中的信号机和道岔,并且对信号灯状态进行处理和对进路进行选择等。随着铁路信号系统的信息化发展,微机联锁系统必然取代旧式的电气联锁系统。

引言

车站联锁系统是铁路信号系统中的一个重要组成部分,它的主要任务是控制车站中的信号机和道岔,并且对信号灯状态进行处理和对进路进行选择等。随着铁路信号系统的信息化发展,微机联锁系统必然取代旧式的电气联锁系统。

就国内外现状来看,大多采用上、下位机的办法来实现对车站信号的控制;有些微机联锁系统中,下位机主要实现数据的采集、命令发送、数据输出等,而把主要的联锁功能置于上位机,这样一来,上位机负担太重,一旦上位机产生故障,不能保证系统的安全性、可靠性。如果能够将联锁功能块置于下位机,而且下位机安全性、可靠性比较高,那么整个系统的安全性、可靠性就能够得到有效保证。
 
在以前的微机联锁系统中,用工业控制机作为下位机,实现联锁功能,但不能保证系统冗余,这样就不能保证整个系统的安全性、可靠性。因此,就要不断更新和研究,寻求更完善的、更可靠的硬件、软件环境,以提高系统性能和安全系数。用西门子 PLC 完成联锁功能,构成 PROFIBUS-DP/MPI 分布式网络系统,这样整个联锁系统安全可靠。
 
PROFIBUS 现场总线技术是随全数字信号系统的发展而产生的,是由德国组织开发的工业现场总线协议标准——PROFIBUS 现场总线标准(DIN19254)。
 
PROFIBUS 是近年来国际上最为流行的现场总线,也是目前数据传输率最快的一种现场总线(传输率可达 12M 波特),因此在很多领域内广泛应用。它是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线,各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。
 
将以 S7-400HPLC 为例,结合其在铁路信号中的应用,探讨实现 PROFIBUS-DP/MPI 网络系统原理和方法。
 
PROFIBUS-DP/MPI 网的性质和特点

PROFIBUS-DP 适用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。除周期性用户数据传输外,PROFIBUS-DP 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理等。
 
DP 网的协议结构

PROFIBUS 定义了各种数据设备连接的串行现场总线的技术和功能特性,这些数据设备可以从底层(如传感器、执行器层)到中间层(如车间层)广泛分布。
 
PROFIBUS 连接的系统由主站和从站组成。主站一般要复杂些;从站为简单的外围设备,典型的从站为传感器、执行器及变送器,它们没有总线控制权,仅对接收到的信息给予回答,或者主站发出请求时回送给主站相应信息。因此,从站只需要协议的一小部分,实现起来非常方便。
 
PROFIBUS 协议结构是根据 ISO7498 国际标准,以开放式系统互联网络(Open System Interconnection,OSI)作为参考模型,该模型共有 7 层,PROFIBUS-DP 定义了其中的第一、二层和用户接口。第 3 到 7 层未加描述。
 
图 1 为 ISO/OSI 参考模型与 PROFIBUS 体系结构比较。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,并详细说明了各种不同 PROFIBUS-DP 设备的设备行为。物理层采用 EIARS-485 双绞线或光纤,连接器采用 RS-485 标准的 9 针 D 型插座。数据链路层提供了介质存取控制功能、数据的完整性检查以及传输执行的协议,在 PROFIBUS 中称第 2 层为现场总线数据链路(FDL)(包括介质访问存取控制(MAC)子层、现场总线链路控制(FLC)子层、现场总线管理(FMA1/2)子层),采用混合介质存取协议,对应于 DIN(E)19245,支持单主或多主系统,主或从设备,最大站数为 126。它包括主站之间的数据传输的令牌环方式和从站之间的主 - 从方式。PROFIBUS 第 7 层包括底层接口(LLI)、现场总线信息规范(FMS)和现场总线管理(FMA7)。


图 1ISO/OSI 参考模型与 PROFIBUS 体系结构比较

图 2 为 PROFIBUS-DP 数据传输示意图,即主站发送请求,访问 DP 从站,其中包括帧格式;从站收到请求信息后,立即响应主站,并回送响应帧。


图 2PROFIBUS-DP 用户数据传输

DP 网的性质及特点

PROFIBUS—DP 采用主从方式和低层的令牌环传递相结合的形式进行通道分配,整个网络可以将总线系统分割成线段,分步建立,段间用中继器连接,每个段可以有 32 个网络站,整个网络可以达到 126 个网站。由于最大传输速率可达 12Mbps,以及其第 2 层采用 SRD(发送并要求回送)功能,使得输入、输出数据可以在一个周期内完成,所以传输速度提高了,可尽可能地减少总线周期。而在单主站系统中只有一个主站,这种组态提供了最短的总线周期。 PROFIBUS-DP 开放性好,开展性强,灵活性高。
 
用 S7-400HPLC 构成 DP 网,由于 SIMATICS7V5.2 提供有效的系统主持,可实现软件参数化 I/O、多功能自诊断,功能模块更易于连接。在 S7-400H 系统中,CPU 之间的同步,由同步模块通过同步光纤连接,在软件和硬件方面都可以实现 CPU 同步。采用 STEP7 编程软件进行现场集中控制编程,诊断测试就象采用集中处理单元的集中编程接口时一样。在编程过程中,不需考虑硬件配置,由编程软件实现网络系统组态。
 
MPI 网的性质和特点

CPU 中用于连接象编程器这样的设备的接口叫多点接口(MPI),这是因为通过这个接口,两个或两个以上的设备可以从两个或两个以上的节点与 CPU 通讯。也就是说,带有 MPI 的 CPU 已经具有连网能力。MPI 网络的结构与 PROFIBUS-DP 网络是相同的,就是说,两种网络遵循的规则和使用部件是相同的。
 
S7-400HPLC 实现的 DP/MPI 网络系统

下面是一个按照上述原理用 S7-400HPLC 构成的多主站 DP/MPI 网络的实例。
 
系统结构

整个网络系统为一个车站信号的控制,如图 3 所示。该网络为由两台 S7-414HPLC 和 ET200M 组成的分布式结构。PLC 通过 CP5611 卡与上位机通信。其中一台 PLC 为主站,另一台为热备。
 
ET200M 选用西门子 IM153-2。IM153-2 的作用是连接 I/O 模板,提供 PROFIBUS-DP 连接;输入模块选用 SM321DI32× DC24V,共需要 18 个模块,主模块 9 个,备用 9 个。输出模块用 SM322DO32×24V,共用 8 个,主模块 4 个,备用 4 个。输入、输出模块都是通过 DP 连接。3 台上位机,都是通过 CP5611 与 PLC 的 CPU 相连。两个 CPU 之间通过同步光纤连接。
 
用户界面

每台 PLC 都通过 CPU 模块上的 MPI 集中编程接口和配置有 MPI 接口的 PC 机相连。我们采用西门子的 CP5611 与 PLC 的 CPU 相连。PC 机中配置 SIMATICSTEP7V5.2 编程软件。
 
由于是冗余系统,还需要安装西门子的冗余软件,才能做到 PLC 的两个 CPU 之间同步。3 台上位机中,其中两台是操作员用的监控机,另一台为维修机。在整个系统中,上位机之间可以互相通讯,也可以与 PLC 之间通讯。每台 PC 机都要安装 CP5611 驱动软件,才能完成功能。
 
程序结构

系统组态及参数设置

由 SIMATICSTEP7V5.2 编程软件,进入硬件组态状态,对各台 PLC 进行网络参数设置。首先,建立 Pro2ject,如取名为 C: swjtu,在该文件下选择网络 Subnet 为 PROFIBUS,站名为 SIMATIC414HStation,然后进行硬件组态。其次是建立各站在网络的地址。最后组态 3 个 PG/PC 站,在选项窗口中选中 CP5611,并分配地址,主编程站地址为 0,其余两个只要地址不相同即可。
 
程序结构

西门子 SIMATICS7-400HPLC 的编程器 STEP7 可运行在 PC 机的 Windows 环境下,界面友好,提供了梯形图、语句表和块图 3 种形式的编程、调试、诊断等功能。本实例采用模块化程序结构,程序由几大功能块组成,每个功能块完成一系列的控制逻辑,放置在组织块 OB1 中的指令决定控制程序的各功能块的执行。本例中功能块 FC1 是微机联锁命令处理程序,FC2 是进路处理程序,FC3,FC4 是微机联锁状态处理程序,FC5 是常量定义,FC6 是信号输出处理,FC7 是道岔输出处理,FC8 是信号采集。程序结构框图如图 4 所示。功能块为多层次调用,FC1 在调用其他功能块,比如 FC1 调用 FC9, FC9 调用 FC10,FC10 调用 FC11、FC12、FC13、FC14 等。在 STEP7 中,允许功能块调用最多为 16 层。
 
图 3 为应用于唐山钢铁集团公司焦化厂火车站的微机联锁系统的 PROFIBUS-DP/MPI 网络原理框图。3 台监控机为监控层,PLC 为联锁层,I/O 为控制层。车站联锁系统主要由联锁以及信号、道岔、区段和进路的动作建立。本例中,以车站微机联锁的控制过程说明 PROFIBUS-DP 网络的实践应用。


图 3 网络系统结构图

进路控制过程包括进路建立、进路解锁。进路建立包括进路选择、道岔控制、进路锁闭、信号控制,进路解锁就是对已建立的进路、道岔进行的进路锁闭,进路解锁包括取消进路、人工解锁、正常解锁、中途折返解锁、故障解锁。


图 4 程序结构框图

在组织块 OB1 中,先调用 FC1 对联锁命令进行处理,其中包括进路处理、道岔处理、信号处理,调用 FC2 对进路进行处理,调用功能块 FC1、FC2 对联锁状态进行处理,再调用功能块 FC6、FC7、FC8 对数据进行输入输出处理。以功能块 FC1 命令处理程序为例,说明其功能调用过程。功能块 FC1 先调用 FC10 进行进路选择,然后调用 FC11、FC12、FC13 等,对其他命令进行处理。
 
结论

从实际应用来看,整个网络运行良好,网络结构简单,技术性能稳定。实践证明,PROFIBUS-DP 网构成的灵活实用分布式网络在铁路系统有良好的应用前景。

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