引言

車站聯鎖系統是鐵路信號系統中的一個重要組成部分，它的主要任務是控制車站中的信號機和道岔，并且對信號燈狀態進行處理和對進路進行選擇等。隨著鐵路信號系統的信息化發展，微機聯鎖系統必然取代舊式的電氣聯鎖系統。

就國內外現狀來看，大多采用上、下位機的辦法來實現對車站信號的控制；有些微機聯鎖系統中，下位機主要實現數據的采集、命令發送、數據輸出等，而把主要的聯鎖功能置于上位機，這樣一來，上位機負擔太重，一旦上位機產生故障，不能保證系統的安全性、可靠性。如果能夠將聯鎖功能塊置于下位機，而且下位機安全性、可靠性比較高，那么整個系統的安全性、可靠性就能夠得到有效保證。

在以前的微機聯鎖系統中，用工業控制機作為下位機，實現聯鎖功能，但不能保證系統冗余，這樣就不能保證整個系統的安全性、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、軟件環境，以提高系統性能和安全系數。用西門子PLC完成聯鎖功能，構成PROFIBUS-DP/MPI分布式網絡系統，這樣整個聯鎖系統安全可靠。

PROFIBUS現場總線技術是隨全數字信號系統的發展而產生的，是由德國組織開發的工業現場總線協議標準——PROFIBUS現場總線標準（DIN19254）。

PROFIBUS是近年來國際上最為流行的現場總線，也是目前數據傳輸率最快的一種現場總線（傳輸率可達12M波特），因此在很多領域內廣泛應用。它是不依賴于生產廠家的、開放式的現場總線，各種各樣的自動化設備均可通過同樣的接口交換信息。

PROFIBUS-DP（DistributedI/OS-分布系統）是一種經過優化的模塊，有比較高的數據傳輸率，適用于系統和外部設備之間的通信，遠程I/O系統尤為適合。它允許高速度周期性的小批量數據通信，適用于對時間要求比較高的自動化場合。

將以S7-400HPLC為例，結合其在鐵路信號中的應用，探討實現PROFIBUS-DP/MPI網絡系統原理和方法。

PROFIBUS-DP/MPI網的性質和特點

PROFIBUS-DP適用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理等。

DP網的協議結構

PROFIBUS定義了各種數據設備連接的串行現場總線的技術和功能特性，這些數據設備可以從底層（如傳感器、執行器層）到中間層（如車間層）廣泛分布。

PROFIBUS連接的系統由主站和從站組成。主站一般要復雜些；從站為簡單的外圍設備，典型的從站為傳感器、執行器及變送器，它們沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予回答，或者主站發出請求時回送給主站相應信息。因此，從站只需要協議的一小部分，實現起來非常方便。

PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際標準，以開放式系統互聯網絡（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體系結構比較。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同 PROFIBUS-DP設備的設備行為。物理層采用EIARS-485雙絞線或光纖，連接器采用RS-485標準的9針D型插座。數據鏈路層提供了介質存取控制功能、數據的完整性檢查以及傳輸執行的協議，在PROFIBUS中稱第2層為現場總線數據鏈路（FDL）（包括介質訪問存取控制（MAC）子層、現場總線鏈路控制（FLC）子層、現場總線管理（FMA1/2）子層），采用混合介質存取協議，對應于DIN（E）19245，支持單主或多主系統，主或從設備，最大站數為126。它包括主站之間的數據傳輸的令牌環方式和從站之間的主-從方式。PROFIBUS第7層包括底層接口（LLI）、現場總線信息規范（FMS）和現場總線管理（FMA7）。

圖1ISO/OSI參考模型與PROFIBUS體系結構比較

圖2為PROFIBUS-DP數據傳輸示意圖，即主站發送請求，訪問DP從站，其中包括幀格式；從站收到請求信息后，立即響應主站，并回送響應幀。

圖2PROFIBUS-DP用戶數據傳輸

DP網的性質及特點

PROFIBUS—DP采用主從方式和低層的令牌環傳遞相結合的形式進行通道分配，整個網絡可以將總線系統分割成線段，分步建立，段間用中繼器連接，每個段可以有32個網絡站，整個網絡可以達到126個網站。由于最大傳輸速率可達12Mbps，以及其第2層采用SRD（發送并要求回送）功能，使得輸入、輸出數據可以在一個周期內完成，所以傳輸速度提高了，可盡可能地減少總線周期。而在單主站系統中只有一個主站，這種組態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構成DP網，由于SIMATICS7V5.2提供有效的系統主持，可實現軟件參數化I/O、多功能自診斷，功能模塊更易于連接。在 S7-400H系統中，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CPU同步。采用STEP7編程軟件進行現場集中控制編程，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，由編程軟件實現網絡系統組態。

MPI網的性質和特點

CPU中用于連接象編程器這樣的設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備可以從兩個或兩個以上的節點與CPU通訊。也就是說，帶有MPI的CPU已經具有連網能力。MPI網絡的結構與 PROFIBUS-DP網絡是相同的，就是說，兩種網絡遵循的規則和使用部件是相同的。

S7-400HPLC實現的DP/MPI網絡系統

下面是一個按照上述原理用S7-400HPLC構成的多主站DP/MPI網絡的實例。

系統結構

整個網絡系統為一個車站信號的控制，如圖3所示。該網絡為由兩臺S7-414HPLC和ET200M組成的分布式結構。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，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控機，另一臺為維修機。在整個系統中，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驅動軟件，才能完成功能。

程序結構

系統組態及參數設置

由SIMATICSTEP7V5.2編程軟件，進入硬件組態狀態，對各臺PLC進行網絡參數設置。首先，建立Pro2ject，如取名為C：\ swjtu，在該文件下選擇網絡Subnet為PROFIBUS，站名為SIMATIC414HStation，然后進行硬件組態。其次是建立各站在網絡的地址。最后組態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。

程序結構

西門子SIMATICS7-400HPLC的編程器STEP7可運行在PC機的Windows環境下，界面友好，提供了梯形圖、語句表和塊圖3種形式的編程、調試、診斷等功能。本實例采用模塊化程序結構，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行。本例中功能塊FC1是微機聯鎖命令處理程序，FC2是進路處理程序，FC3，FC4是微機聯鎖狀態處理程序，FC5是常量定義，FC6是信號輸出處理，FC7是道岔輸出處理，FC8是信號采集。程序結構框圖如圖4所示。功能塊為多層次調用，FC1在調用其他功能塊，比如FC1調用FC9， FC9調用FC10，FC10調用FC11、FC12、FC13、FC14等。在STEP7中，允許功能塊調用最多為16層。

圖3為應用于唐山鋼鐵集團公司焦化廠火車站的微機聯鎖系統的PROFIBUS-DP/MPI網絡原理框圖。3臺監控機為監控層，PLC為聯鎖層，I/O為控制層。車站聯鎖系統主要由聯鎖以及信號、道岔、區段和進路的動作建立。本例中，以車站微機聯鎖的控制過程說明PROFIBUS-DP網絡的實踐應用。

圖3網絡系統結構圖

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程序結構框圖

在組織塊OB1中，先調用FC1對聯鎖命令進行處理，其中包括進路處理、道岔處理、信號處理，調用FC2對進路進行處理，調用功能塊FC1、FC2對聯鎖狀態進行處理，再調用功能塊FC6、FC7、FC8對數據進行輸入輸出處理。以功能塊FC1命令處理程序為例，說明其功能調用過程。功能塊FC1先調用 FC10進行進路選擇，然后調用FC11、FC12、FC13等，對其他命令進行處理。

結論

從實際應用來看，整個網絡運行良好，網絡結構簡單，技術性能穩定。實踐證明，PROFIBUS-DP網構成的靈活實用分布式網絡在鐵路系統有良好的應用前景。

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