工业控制总线技术讲解

CAN总线在铁路车站全电子计算机联锁系统中的应用
铁路信号计算机联锁系统是一种以计算机为主要技术手段实现车 站联锁的系统, 是保障行车安全的基础设备之一。随着我国铁路不断地 提速和运输效率的提高, 对计算机联锁的安全性及控制的要求也越来越 高, 而国内车站的联锁控制现在主要是6502 电气集中联锁控制和计算 机联锁加继电器执行控制, 由于这两种系统中都存在继电器, 都有维修 、运行及施工等方面的问题, 难以适应新的更高的要求, 并且基础信号 设备模拟量监测上也存在一定问题, 还需单独增加微机监测系统, 而全 电子计算机联锁系统, 去掉了执行部分的继电器电路, 代之以智能全电 子执行单元, 实现了控制、监督、监测一体化,为铁路信号设备的升级 做了有益的技术积累。由于系统数据采集量大且实时性要求高, 故采用 FCS 控制结构, 利用现场总线组成分布式智能控制和采集系统, CA N 总线具有通信速率高、可靠性强、连接方便、性能价格比高等诸多特 点, 因此本系统采用CAN 总线作为现场总线。
2.工业控制总线在城轨交通中所处的地位
工业控制总线是用于现场控制终端及控制中心之 间的一种分散，数字化的智能、双向、多点、多站、 多变量的通信系统。
PROFIBUS—DP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。总线循环时间必须 要比主站(PLC)程序循环时间短。 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PROFIBUS— DP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126个 站点。系统配置的描述包括；站数、站地址、输入／输出地址、输 入／输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。 每个PROFIBUS -DP系统可包括DPROFIBUS—DP用于现场层 的高速数据传送。主出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程 序循环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。PROFIBUS—DP允许构成单主站或多主站系统。在同 一总线上最多可连接126个站点。系统配置的描述包括；站数、站地 址、输入／输出地址、输入／输出数据格式、诊断信息格式及所使 用的总线参数。每个PROFIBUS DP系统可包括一级DP主站(DPMl) 、二级DP主站(DPM2)，DP从站三种不同类型设备。
4）FF介质访问控制
FF总线的介质访问控制方式采用令牌加主 从的控制方式。
5.城轨交通中工业控制总线的连接方式
• AFC系统（连接方式如右 图）： 主要由中心AFC系统、车站 AFC系统、终端设备和车票四部 分组成。 终端设备包括出/入站检票 闸机、自动售票机、车站票务 系统、自动充值机、自动验票 机等现场设备。车票有单程票、 储值票、特殊票。
• 监控系统（连接方式如右 图）： 系统架构分为三层:管理监控 层、代理层和应用层。 应用 层是现有的各种硬件系统，比如 传输系统、自动售检票系统等。 代理层是数据集中的中间层。包 括数据采集硬件和软件。管理监 控层将对采集的所有数据进行综 合处理并形成新的业务模型。
CAN总线帧结构示意图
3). PROFIBUS的介质访问控制
PROFIBUS采用分布式令牌（混合介质存取）。
总线的介质访问控制方式采用主站间的令牌传递方式和主站与 从站之间的主从方式。 主节点之间为令牌环传递方式，主节点与从节点之间为主从轮 询方式。
2）LON介质访问控制
LON总线的介质访问控制采用的是带预 测的P一坚持CSMA技术协议。LON总线采 用分层网络逻辑地址(即域地址、子网地址、 节点地址)寻址方式，支持单址、多址和广 播的访问方式。
2） PROFIBUS—DP在微机联锁系统中的应用
从图可以看出．各个本地工作站和控制中心通过通用 的PROFIBUS现场总线进行相互的连接。而联锁则通过 具有故障安全结构的PROFIBUS现场总线进行数据传输 。由于采用了现场总线，整个系统结构高度分散，构造 了网络集成式全分布控制系统，不仅提高了可靠性还简 化了系统结构，使得安装工作量也大大减小。现场设备 的信息采集和控制通过分散式设备接口和轨道空闲检测 系统完成，设备均为网件。同时将进路、轨道电路、道 岔和信号机的状态信息传送至控制中心和列车自动控制 系统。所有正线信号设备均通过联锁机进行安全逻辑运 算后加以控制，通过现场总线使得联锁机控制设备范围 大大拓展+全线的联锁机则可集中在一处，在线路长度超 过总线有效传输距离的情况下才需要分散设置联锁机。
3）现场总线技术在城轨道交通列车运行监控系统中的实现
基于现场总线的CHECK方式列车运行控制系统，该 系统具有以下特点：①采用射频技术作为列车检测手段 ；②最大可能地采用现有定掣设备．保证信号设备工作 可靠，确定行车安全；③利用工业用现场总线作为其信 息传输和采集通道，提高了系统的可靠性；④在满足闭 塞、联锁及调度监督功能的前提下，降低系统的投资费 用。干扰能力强、通讯速率高、维护成本低等特点，现 场总线网络技术已被许多国家铁路用于列车控制网或旅 客列车信息网。其中CAN总线可实现全分布式多机系统 ， “进行网对点、一点对多点及全局广播几种方式通讯 ，其最远直接通讯距离可达lOkm(传输率为5kbp/s)，最 多能带节点数可达110个。
多功能车辆总线（MVB）
现场图
整体网络架构拓扑图
4.城轨交通中工业控制总线的介质访问控制方式
介质访问控制方式有以下4种： 1）CAN总线 2）LON总线
3） PROFIBUS总线
4）FF总线
1).CAN的介质访问控制
采用非破坏性的基于优先级的CSMA/CD (载波监听多路访 问／冲突检测)仲裁技术。 即在多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点主 动退出发送，而优先级较高的节点可不受影响地继续传输数据。 这样可保证网络在负载重的情况下也不会瘫痪。 由于CAN的介质访问控制采用基于优先级的非破坏性总线仲 裁方式，要求网络一定要同步，对优先级较低的CAN节点存在传 输延迟不确定的问题，因此较适于介质单一、节点数较少的网络。
数据层 数据层 中心数据库 子系统数据库 元数据子系统 交通信息子系统 交通信息数据管理应用服务器 PGIS服务器 WEB服务器 应用程序客户端 客户层 WEB客户端
中间层
PROFIBUS DP和微机联锁系统相结合的信号控制系统较 好地解决城轨交通信号控制的一系列问题
地铁机电设备监控系统（EM CS 系 统）由监控中心 和车站级监控系统以及两者之间的通信通道构成。监控 中心由中央级局域网构成，网络采用SERVER/CLIENT 方式，网络内包括两台互为备用的监控主机、主备用服 务器、一台维护计算机、打印机服务器、通信前置机以 及与时钟系统和信号系统的通信接交通管理系统采用三层结构模型：数据层、中间 层(逻辑层)和客户层(表示层)。数据层主要由中心数据库、子 系统数据库和元数据子系统组成，中间层是由交通信息子系统、 交通信息数据管理应用服务器、PGIS服务器和WEB服务器组成， 客户层（表示层）主要是应用程序客户端和Web客户端，由一 些图形界面组成。系统结构的核心是交通信息平台应用服务器。
地铁隧道显示系统采用的图像显示技术非常独特，它 能使乘坐地铁的乘客在高速运行的列车上欣赏窗外连续 播放的视频图像。显示屏幕由几百根或上千根间距为几 十厘米的列显示器构成，所有的列显示器作为下位机， 通过中间层的数据交换器与作为上位机的PC主机通信， 构成一个三级树型拓扑结构的计算机通信网络，参见系 统组成框图1(列显示器在图中标注为光柱)。对于中间层 数据交换器与列显示器之间的数据传输网络，原系统采 用的是RS485总线。由于地铁隧道环境复杂，总线出错的 机率很大，而RS485总线每次⋯错都需要重传数据，所以 导致整体的传输效率很低。新型系统中采用先进的CAN现 场线代替原来的RS485总线，提高了数据传输的的实时性 、有效性、抗干扰性和可靠性
1）CAN现场总线在地铁隧道显示系统的应用 采用基于CAN 总线的通信网络替代原系统的RS485 网络。利用CAN控制器的消息对象机制实现CAN总线网 络中的CAN 端口节点与各个列显CAN 节点的通信，设 计并实现了CAN 网络通信程序及通信出错的检查与恢复 方法。实际的数据传输测试表明，CAN总线通信网络完 全满足地铁隧道显示系统对数据传输的设计要求，并大 大提高了整个。地铁隧道显示系统数据传输的可靠性和 实时性
工业控制总线技术
第三组
主要内容 • • • • • 工业控制总线在城轨交通中的应用 工业控制总线在城轨交通中所处的位置 城轨交通系统中使用的工业控制总线相关现场设备 城轨交通中工业控制总线的介质访问控制方式 城轨交通中工业控制总线的连接方式
1.工业控制总线在城轨交通中的应用
工业控制总线技术被广泛应用于先进的城轨交通中。 它不仅被应用于牵引、制动、空调、照明、通风等系统的 控制，还用于牵引、制动、空调、车门等系统的故障诊断 分析以及与车辆行车安全相关的一些监测设备如供电电压、 电流监测、火灾报警等。车载通讯网络系统通过无线网络 与中央控制室通讯，还可以将车辆的控制系统工作状态和 运行情况及时传输给中央控制室，进行远程监控。