引言
車站聯(lián)鎖系統(tǒng)是鐵路信號系統(tǒng)中的一個重要組成部分，它的主要任務(wù)是控制車站中的信號機和道岔，并且對信號燈狀態(tài)進行處理和對進路進行選擇等。隨著鐵路信號系統(tǒng)的信息化發(fā)展，微機聯(lián)鎖系統(tǒng)必然取代舊式的電氣聯(lián)鎖系統(tǒng)。
就國內(nèi)外現(xiàn)狀來看，大多采用上、下位機的辦法來實現(xiàn)對車站信號的控制;有些微機聯(lián)鎖系統(tǒng)中，下位機主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、命令發(fā)送、數(shù)據(jù)輸出等，而把主要的聯(lián)鎖功能置于上位機，這樣一來，上位機負(fù)擔(dān)太重，一旦上位機產(chǎn)生故障，不能保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。如果能夠?qū)⒙?lián)鎖功能塊置于下位機，而且下位機安全性、可靠性比較高，那么整個系統(tǒng)的安全性、可靠性就能夠得到有效保證。
在以前的微機聯(lián)鎖系統(tǒng)中，用工業(yè)控制機作為下位機，實現(xiàn)聯(lián)鎖功能，但不能保證系統(tǒng)冗余，這樣就不能保證整個系統(tǒng)的安全性、可靠性。因此，就要不斷更新和研究，尋求更完善的、更可靠的硬件、軟件環(huán)境，以提高系統(tǒng)性能和安全系數(shù)。用西門子PLC完成聯(lián)鎖功能，構(gòu)成PROFIBUS-DP/MPI分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這樣整個聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠。
PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)是隨全數(shù)字信號系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是由德國組織開發(fā)的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)——PROFIBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)（DIN19254）。
PROFIBUS是近年來國際上最為流行的現(xiàn)場總線，也是目前數(shù)據(jù)傳輸率最快的一種現(xiàn)場總線（傳輸率可達12M波特），因此在很多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。它是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場總線，各種各樣的自動化設(shè)備均可通過同樣的接口交換信息。
PROFIBUS-DP（DistributedI/OS-分布系統(tǒng)）是一種經(jīng)過優(yōu)化的模塊，有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的通信，遠程I/O系統(tǒng)尤為適合。它允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對時間要求比較高的自動化場合。
筆者將以S7-400HPLC為例，結(jié)合其在鐵路信號中的應(yīng)用，探討實現(xiàn)PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理和方法。
PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)的性質(zhì)和特點
PROFIBUS-DP適用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理等。
DP網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)
PROFIBUS定義了各種數(shù)據(jù)設(shè)備連接的串行現(xiàn)場總線的技術(shù)和功能特性，這些數(shù)據(jù)設(shè)備可以從底層（如傳感器、執(zhí)行器層）到中間層（如車間層）廣泛分布。
PROFIBUS連接的系統(tǒng)由主站和從站組成。主站一般要復(fù)雜些;從站為簡單的外圍設(shè)備，典型的從站為傳感器、執(zhí)行器及變送器，它們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予回答，或者主站發(fā)出請求時回送給主站相應(yīng)信息。因此，從站只需要協(xié)議的一小部分，實現(xiàn)起來非常方便。
PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection，OSI）作為參考模型，該模型共有7層，PROFIBUS-DP定義了其中的第一、二層和用戶接口。第3到7層未加描述。
圖1為ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結(jié)構(gòu)比較。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同 PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。物理層采用EIARS-485雙絞線或光纖，連接器采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)的9針D型插座。數(shù)據(jù)鏈路層提供了介質(zhì)存取控制功能、數(shù)據(jù)的完整性檢查以及傳輸執(zhí)行的協(xié)議，在PROFIBUS中稱第2層為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路（FDL）（包括介質(zhì)訪問存取控制（MAC）子層、現(xiàn)場總線鏈路控制（FLC）子層、現(xiàn)場總線管理（FMA1/2）子層），采用混合介質(zhì)存取協(xié)議，對應(yīng)于DIN（E）19245，支持單主或多主系統(tǒng)，主或從設(shè)備，最大站數(shù)為126。它包括主站之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧钆骗h(huán)方式和從站之間的主-從方式。PROFIBUS第7層包括底層接口（LLI）、現(xiàn)場總線信息規(guī)范（FMS）和現(xiàn)場總線管理（FMA7）。
圖1 ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結(jié)構(gòu)比較
圖2為PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)傳輸示意圖，即主站發(fā)送請求，訪問DP從站，其中包括幀格式;從站收到請求信息后，立即響應(yīng)主站，并回送響應(yīng)幀。
圖2 PROFIBUS-DP用戶數(shù)據(jù)傳輸
DP網(wǎng)的性質(zhì)及特點
PROFIBUS—DP采用主從方式和低層的令牌環(huán)傳遞相結(jié)合的形式進行通道分配，整個網(wǎng)絡(luò)可以將總線系統(tǒng)分割成線段，分步建立，段間用中繼器連接，每個段可以有32個網(wǎng)絡(luò)站，整個網(wǎng)絡(luò)可以達到126個網(wǎng)站。由于最大傳輸速率可達 12Mbps，以及其第2層采用SRD（發(fā)送并要求回送）功能，使得輸入、輸出數(shù)據(jù)可以在一個周期內(nèi)完成，所以傳輸速度提高了，可盡可能地減少總線周期。而在單主站系統(tǒng)中只有一個主站，這種組態(tài)提供了最短的總線周期。 PROFIBUS-DP開放性好，開展性強，靈活性高。
用 S7-400HPLC構(gòu)成DP網(wǎng)，由于SIMATICS7V5.2提供有效的系統(tǒng)主持，可實現(xiàn)軟件參數(shù)化I/O、多功能自診斷，功能模塊更易于連接。在 S7-400H系統(tǒng)中，CPU之間的同步，由同步模塊通過同步光纖連接，在軟件和硬件方面都可以實現(xiàn)CPU同步。采用STEP7編程軟件進行現(xiàn)場集中控制編程，診斷測試就象采用集中處理單元的集中編程接口時一樣。在編程過程中，不需考慮硬件配置，由編程軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組態(tài)。
MPI網(wǎng)的性質(zhì)和特點
CPU中用于連接象編程器這樣的設(shè)備的接口叫多點接口（MPI），這是因為通過這個接口，兩個或兩個以上的設(shè)備可以從兩個或兩個以上的節(jié)點與CPU通訊。也就是說，帶有MPI的CPU已經(jīng)具有連網(wǎng)能力。MPI網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)是相同的，就是說，兩種網(wǎng)絡(luò)遵循的規(guī)則和使用部件是相同的。
S7-400HPLC實現(xiàn)的DP/MPI網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
下面是一個按照上述原理用S7-400HPLC構(gòu)成的多主站DP/MPI網(wǎng)絡(luò)的實例。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為一個車站信號的控制，如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)為由兩臺S7-414HPLC和ET200M組成的分布式結(jié)構(gòu)。PLC通過CP5611卡與上位機通信。其中一臺PLC為主站，另一臺為熱備。
ET200M選用西門子IM153-2。IM153-2的作用是連接I/O模板，提供PROFIBUS-DP連接;輸入模塊選用SM321DI32× DC24V，共需要18個模塊，主模塊9個，備用9個。輸出模塊用SM322DO32×24V，共用8個，主模塊4個，備用4個。輸入、輸出模塊都是通過 DP連接。3臺上位機，都是通過CP5611與PLC的CPU相連。兩個CPU之間通過同步光纖連接。
用戶界面
每臺PLC都通過CPU模塊上的MPI集中編程接口和配置有MPI接口的PC機相連。我們采用西門子的CP5611與PLC的CPU相連。PC機中配置SIMATICSTEP7V5.2編程軟件。
由于是冗余系統(tǒng)，還需要安裝西門子的冗余軟件，才能做到PLC的兩個CPU之間同步。3臺上位機中，其中兩臺是操作員用的監(jiān)控機，另一臺為維修機。在整個系統(tǒng)中，上位機之間可以互相通訊，也可以與PLC之間通訊。每臺PC機都要安裝CP5611驅(qū)動軟件，才能完成功能。
程序結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)組態(tài)及參數(shù)設(shè)置
由SIMATICSTEP7V5.2編程軟件，進入硬件組態(tài)狀態(tài)，對各臺PLC進行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置。首先，建立Pro2ject，如取名為C：\ swjtu，在該文件下選擇網(wǎng)絡(luò)Subnet為PROFIBUS，站名為SIMATIC414HStation，然后進行硬件組態(tài)。其次是建立各站在網(wǎng)絡(luò)的地址。最后組態(tài)3個PG/PC站，在選項窗口中選中CP5611，并分配地址，主編程站地址為0，其余兩個只要地址不相同即可。
程序結(jié)構(gòu)
西門子SIMATICS7-400HPLC的編程器STEP7可運行在PC機的Windows環(huán)境下，界面友好，提供了梯形圖、語句表和塊圖3種形式的編程、調(diào)試、診斷等功能。本實例采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，程序由幾大功能塊組成，每個功能塊完成一系列的控制邏輯，放置在組織塊OB1中的指令決定控制程序的各功能塊的執(zhí)行。本例中功能塊FC1是微機聯(lián)鎖命令處理程序，F(xiàn)C2是進路處理程序，F(xiàn)C3，F(xiàn)C4是微機聯(lián)鎖狀態(tài)處理程序，F(xiàn)C5是常量定義，F(xiàn)C6是信號輸出處理，F(xiàn)C7是道岔輸出處理，F(xiàn)C8是信號采集。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。功能塊為多層次調(diào)用，F(xiàn)C1在調(diào)用其他功能塊，比如FC1調(diào)用FC9， FC9調(diào)用FC10，F(xiàn)C10調(diào)用FC11、FC12、FC13、FC14等。在STEP7中，允許功能塊調(diào)用最多為16層。
圖3為應(yīng)用于唐山鋼鐵集團公司焦化廠火車站的微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的PROFIBUS-DP/MPI網(wǎng)絡(luò)原理框圖。3臺監(jiān)控機為監(jiān)控層，PLC為聯(lián)鎖層，I /O為控制層。車站聯(lián)鎖系統(tǒng)主要由聯(lián)鎖以及信號、道岔、區(qū)段和進路的動作建立。本例中，以車站微機聯(lián)鎖的控制過程說明PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的實踐應(yīng)用。
圖3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
進路控制過程包括進路建立、進路解鎖。進路建立包括進路選擇、道岔控制、進路鎖閉、信號控制，進路解鎖就是對已建立的進路、道岔進行的進路鎖閉，進路解鎖包括取消進路、人工解鎖、正常解鎖、中途折返解鎖、故障解鎖。
圖4 程序結(jié)構(gòu)框圖
在組織塊OB1中，先調(diào)用FC1對聯(lián)鎖命令進行處理，其中包括進路處理、道岔處理、信號處理，調(diào)用FC2對進路進行處理，調(diào)用功能塊FC1、 FC2對聯(lián)鎖狀態(tài)進行處理，再調(diào)用功能塊FC6、FC7、FC8對數(shù)據(jù)進行輸入輸出處理。以功能塊FC1命令處理程序為例，說明其功能調(diào)用過程。功能塊 FC1先調(diào)用 FC10進行進路選擇，然后調(diào)用FC11、FC12、FC13等，對其他命令進行處理。
結(jié)論
從實際應(yīng)用來看，整個網(wǎng)絡(luò)運行良好，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)性能穩(wěn)定。實踐證明，PROFIBUS-DP網(wǎng)構(gòu)成的靈活實用分布式網(wǎng)絡(luò)在鐵路系統(tǒng)有良好的應(yīng)用前景。