现场总线技术在公路监控系统上的应用.doc

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