第四章--其它控制网络2011-3

西南交通大学机车车辆工程系4.3WorldFIP总线•1987年3月，以法国几家大公司为主，开发了FIP（FIP：FactoryInstrumentationProtocol）现场总线技术。•FIP最初为法国标准EIP-C46-601/C46-607，后经WorldFIP组织推荐于1999年被采纳为现场总线国际标准IEC61158-2，改名为WorldFIP。•WorldFIP组织是一个非赢利、中立性国际组织，不附属于任何工业集团，致力于推动WorldFIP技术在世界范围的开发和应用，与其它一些现场总线组织不同的是，成员半数来自用户。目前已有一百多个成员，其中许多是工控领域的世界著名大公司，如Honeywell、Cegelec、Alstom、Schneider等。•现在WorldFIP是欧洲现场总线标准EN50170-3和国际标准IEC61158-type7。西南交通大学机车车辆工程系•WorldFIP的主要应用于过程控制。•随着我国引进法国ALSTOM公司的机车车辆的增多，铁路行业对于WorldFIP总线研究也日益增加。西南交通大学机车车辆工程系4.3.1WorldFIP的特点和性能1．WorldFIP现场总线的特点（1）通信速率高，通信距离长双绞线方式具有31.25kbps、1Mbps及2.5Mbps三种标准速率，最大通信距离分别为5km、1km和500m，通过网络中继器，总线可分别扩展到20km、5km和2km。（2）效率高最长支持128字节变量报文或256字节消息报文。（3）实时性强WorldFIP现场总线对传输介质的访问属于基于总线仲裁器（BA）的集中式介质访问控制，各通信站的数据可以在预先确定的时间内通过网络传输。这种方式不存在介质使用碰撞问题，因而非常适合于对于传输时间具有严格要求的场合。西南交通大学机车车辆工程系（4）误码率低报文自带CRC校验功能，数据校验功能由通信控制器完成，报文不可检错概率小，据统计采用1Mbps速率，其误码在20年中不会超过一帧。（5）介质冗余通信控制器连接两路独立的传输介质，在双介质运行时，两路介质相互热备用。当某一介质发生断线、短路等故障而造成通信中断时，通信控制器会自动将通信数据无缝切换到另一条无故障介质上，并能保证数据的完整性及正确性，不需要应用程序的干预，极大地增强了通信可靠性。（6）抗电磁干扰性强WorldFIP现场总线采用曼彻斯特编码方式并利用磁性变压器隔离，具有良好的抗电磁干扰能力，根据测试，在EMCⅢ级干扰条件下，能保证正常通信。西南交通大学机车车辆工程系2．WordFIP的性能（1）实用性WorldFIP采用IEC物理层标准，支持电缆冗余，大部分协议固化在硬件上，稳定性强；（2）同步性生产者/使用者模式和总线仲裁器的调度方式保证在一条总线上的传递大量信息的同时，不会干扰实时变量的通信。（3）实时性通信模式支持后台传输消息、周期和事件变量，保证诊断信息传输不影响实时控制（4）较好的抗干扰能力能满足IEC关于电磁兼容性EMC标准，可靠性高；（5）通信协议单一WorldFIP现场总线不论低速还是高速，只有一套通信协议，不需要任何网桥和网关，低速与高速网络的衔接只用软件完成。西南交通大学机车车辆工程系4.3.2WordFIP总线的体系结构•WorldFIP采用了3层结构：物理层、数据链路层和应用层。WorldFIP的体系结构西南交通大学机车车辆工程系1．物理层物理层的传输介质为屏蔽双绞线或光纤。物理层有专用线路驱动芯片管理介质冗余。在一条通道出现故障的情况下，另一条能自动切入。物理层具有信号检错并通知网络管理、杂音侦听及中断链路层服务的机制。A.SSSSSSRRSSRR光纤子段光纤干线铜干线铜子段光纤段铜干线铜子段西南交通大学机车车辆工程系双绞线介质的拓扑结构•每个子段最多可有32个物理连接点，通过使用分线盒（中继器）可以连接256个站点，整个网络最多使用3个中继器连接4个子段。西南交通大学机车车辆工程系•连接到WorldFIP总线上的设备/计算机从网络角度看，可称为“站点”，执行两种功能：–1）总线仲裁器：管理对传输介质的访问（只调度通信，不调度进程）。–2）产生者/使用者功能：向总线发布/从总线接收信息，也称“工作站”功能。•任何一个站点可以同时具备两种功能，但在任何一个给定的时刻，整个网络上只能有一个站点执行总线仲裁器功能。•所有要传递的变量均由一个16位的逻辑地址来标识。每一个变量的值只能由一个“产生者”产生，可为一个或多个“使用者”所使用。西南交通大学机车车辆工程系2.数据链路层•数据链路层负责数据传输和差错、访问控制。•具有周期和非周期两种数据交换，变量寻址和报文寻址两种寻址空间，采用生产者/消费者、单播和多播等通信模式，基于总线仲裁器（BA）的集中式介质访问控制，总线仲裁器和生产者分别具有时空唯一性。西南交通大学机车车辆工程系（1）WorldFIP的帧•WorldFIP使用两种类型的帧：询问帧（ID_DAT）和响应帧（RP_DAT）。•WorldFIP使用曼彻斯特码进行编码和解码，可以同时传递数据和时间同步信号。•每帧由三部分组成：帧起始序列（FSS）、数据和控制段（CAD）和帧结束序列（FED）。WorldFIP的帧格式西南交通大学机车车辆工程系3.应用层：WorldFIP应用层提供变量和消息两种访问服务。西南交通大学机车车辆工程系4.3.3WorldFIP的数据类型•WorldFIP现场总线定义了物理层、数据链路层和应用层三层通信协议，结构相对简单。•在数据链路层WorldFIP协议提供了变量及消息两种传输机制。在WorldFIP总线上允许3种类型的数据同时传递。表4.22WorldFIP的数据类型场合特点周期变量临界时间的闭环控制总在传递，针对控制事件变量显示、报警有要求或状态改变时传递消息报文诊断、维护非临界时间，针对信息服务西南交通大学机车车辆工程系•变量是指周期性地在网络上传输的数据包，每一个变量有一个唯一的16位数据标识，这种周期性报文根据预先设定的时间周期性地在网络上传输。在实际应用中通常被用于传输实时状态及控制信息，如控制现场I/O实时状态、各种现场遥测值等。•消息主要用于传输一些诸如配置信息、诊断信息及事件信息等非周期性数据，消息只有在应用程序提出传输申请后一次性地在网络上传输。西南交通大学机车车辆工程系4.3.4WorldFIP的介质访问•WorldFIP介质访问控制，采用基于总线仲裁器（BA）的集中式介质访问控制功能，总线仲裁器和生产者分别具有时空唯一性。基于总线仲裁器（BA）的集中式介质访问控制西南交通大学机车车辆工程系•总线上的通信由总线仲裁器（BA）管理。它根据应用程序所要求的服务来规定总线上信息的传送次序，执行三种功能：–扫描周期性变量；–扫描非周期性变量；–传输消息；•总线仲裁器发布带标识符的查询帧，在预定时间内收到响应帧后发布下一个查询帧。周而复始，循环进行。其基本思想是，按一定的时序，为每个信息生产者分配一个固定的时段，通过总线仲裁器逐个呼叫每个生产者，如果该生产者已经上网，应在规定时间内应答，生产者提供必要的信息。西南交通大学机车车辆工程系•WorldFIP的传输模式称为“生产者—消费者”（PRODUCER-CONSUMER）模式，简单地说，生产者指的是变量或消息报文的发送者，消费者指的是报文的接收者。一个变量或消息只能有一个生产者，但可以有一个或多个消费者。“生产者—消费者”传输模式西南交通大学机车车辆工程系•对传输介质的访问控制类似于基于总线仲裁器（BA）的集中式介质访问控制。•变量的生产者可以按照固定的时间间隔将变量在网络上广播，变量的消费者则同时接收变量内容。•在变量中有一个字节的控制信息，其中一位为消息发送请求，当该通信站有消息需要发送时，则该控制位有效，向总线申请消息发送。在固定的时间窗内，当所有通信子站生产的变量数据被发送后，“令牌”被传递给提出发送消息请求的通信子站，此时得到“令牌”的通信子站将消息在网络上广播。•这种介质访问控制方式使得变量与消息的传输相对独立，非周期消息的传输不影响周期变量的传输，因此WorldFIP非常适合于对于传输时间具有严格要求的场合，同时也使得某些突发数据能够尽快在网络上传输。西南交通大学机车车辆工程系4.3.5AGATE列车控制系统•AGATE列车控制系统是ALSTOM公司在WorldFIP准通信协议的其基础上根据铁路机车车辆应用特点开发出来的。•已成功应用于TGV高速列车、城市轨道交通等领域，并且有574.8km/h的世界最高轮轨车辆运行记录。•AGATE列车控制系统包括–AGATEControl；–AGATEAUX；–AGATELink；–AGATEeMedia四个子系统，分别应用于列车控制的不同领域。西南交通大学机车车辆工程系1．AGATEControl子系统•AGATEControl子系统应用于列车牵引电机和制动的实时控制，有两种不同的应用版本：AGATEControl3和AGATEControl3X。–AGATEControl3设计为应用于电力机车和双层EMU的高压牵引变换（highpowertractioninverters），在同一个6U机箱中实现监视和转换控制–AGATEControl3X设计应用于动力分散的地铁和轻轨的牵引控制以达到较高的牵引加速度。系统由一个或多个分散在不同3U21和6U机箱中的监视和转换控制单元组成。AGATEControl3和3X外形西南交通大学机车车辆工程系*AGATEControl子系统有以下特点：•采用模块化设计，可实现快速有效的操作；•使用成熟可靠的模块。•主要子系统功能的标准化；•具有各自通信网关完成与其它网络的通信（如LON，CAN，FIP，TCN网络）；•具有内置上电自动测试功能；•采用即插即用技术；•采用了最新的计算机技术，包括CompactPCI体系结构和FPGA元件。西南交通大学机车车辆工程系2．AGATEAUX子系统•AGATEAUX子系统应用列车的静态逆变器和电池的充电控制，具有集成、模块化和低成本的特点。•AGATEAUX子系统也有两种应用版本：AGATEAuxMini和AGATEAuxOpti。AGATEAuxMini和AGATEAuxOpti外形西南交通大学机车车辆工程系•AGATEAuxOpti能够实现对宽电压波动的控制。•AGATEAuxOpti配上网卡，能够与GATELink列车控制和监视系统进行通信。•AGATEAuxMini是一种十分集成化的产品，用于一个逆变器或一个电池的控制，它有具有CPU或无CPU的两种版本。•AGATEAux具有以下特点：–能够方便的根据用户的需求进行功能与软件的修改；–噪声小；–操作温度范围：-25°C～+70°C；–平均无故障时间：40000h；–快速保护时间：30μ。西南交通大学机车车辆工程系3．AGATELink子系统•AGATELink是列车控制与监视系统，它监视和管理着列车上所有电气设备的功能，是列车维护的一种非常有效的工具。•通过监视列车的各个子系统，它能够快速、准确的提供列车故障信息，因此列车的检查、时间以及费用将大大减小，AGATELink是提高生命周期成本的关键。•AGATE技术平台的其它产品：AGATEControl，AGATEAux和AGATEe-media都被设计成与AGATELink集成在一起。AGATELink的形式西南交通大学机车车辆工程系•AGATELink的特点：AGATELink产品范围包括各种基本模块，能够满足不同的应用需要：–计算；–远程输出模块；–司机驾驶台；–GPS定位模块；–无线数据传输；–车载网络通信系统；–具有与其它系统连接的扩展能力，以满足车载设备的需要。西南交通大学机车车辆工程系4．AGATEe-Media子系统•AGATEe-Media是旅客信息系统，它用于列车实时的多媒体信息和娱乐系统。•现在，车载旅客信息和娱乐功能不再被视为是一种可选或奢侈的功能，对于长途旅客列车，长时间的商业通信中断早已被证明是