摘要:本文通过对深圳地铁一期信号数据传输系统的分析，从中央设备层、中间传输层及现层设备层逐一介绍其工作原理及设备特点。信号系统通过802.3,OTN,Profibus等通信协议使中央控制中心与现场设备大量的数据交换成为可能，分布性、可靠性与扩展性都得到了极大的提高。

　　关键字：OTN，802.3，Profibus，地铁信号

　　1.引言

　　深圳地铁一期工程包括一号线东段和四号线南段.一号线东段从罗湖站至世界之窗站共设车站15座且均为地下车站，正线全长约17.25km;四号线南段共设车站5座亦均为地下车站，正线全长约4km.深圳地铁一期工程信号系统设备由德国西门子公司提供.西门子的信号和控制系统的安全性是公认的，符合国际标准.由于数据传输的安全性和可靠性对于列车运行控制系统至关重要，本文将对整个系统的数据传输结构组成及通讯方式进行分析.

　　2.数据传输系统网络结构

　　深圳地铁一期工程信号系统设备采用的是西门子准移动闭塞信号系统，系统采用标准的模块结构和标准接口电路，具有广泛的适应性且易于扩展.该信号系统主要由计算机联锁系统(SICAS)，列车自动防护系统(ATP)，列车自动驾驶系统(ATO)和列车自动监督(ATS)等4个子系统组成.上述有关的计算机都采用符合故障-安全原理的"三取二"或"二取二"配置.各子系统之间的数据传输系统可以划分为中央设备层，中间传输层和现场设备层等三层结构

　　2.1中央设备层

　　图1-1中央网络结构简图如图1-1所示，中央级设备是一个典型的分布式系统，根据模块化设计规则，系统功能被划分为若干个块功能分别由各个服务器实现，如ADM，Report，Fako，MMI分别实现数据存储，报表服务，时刻表及人机交互功能，所有功能块又通过LAN进行数据通信在COM服务器组合在一起，实现对现场设备与列车的控制.LAN是建立在以太网IEEE802.3协议基础上的100M容量的通信网络, 采用总线型拓扑结构，任一服务器故障并不影响网络上其它服务器通信.同时为确保整个信号系统设备的时钟同步，系统通过SICLOCK提供标准GPS时钟，以报文形式传递至整个信号系统设备,当GPS时钟故障时SICLOCK将使用自已内部时钟，当SICLOCK失效时系统将使核心服务器COM的时钟.为了提高中央级设备的可靠性，服务器与通信设备均采用硬件冗余结构，任何单一设备故障均可迅速切换到备用服务器或备用信息通道，不会造成系统瘫痪.

　　PCU为过程耦合单元，由S5-155型SIMATIC控制器(PLC)及各通信模块组成，各通信模块与PLC之间是通过S5可编程控制器的DHB数据管理功能块进行信息交换的.这种具有进程监控的S5控制服务器通过两块通信处理模块CP1430TF连接中央LAN网络和两块通讯模块CP544连接OTN传输网络，实现中央级设备与现场设备冗余通信，并负责处理和发送各种信息报文，为外系统设备提供信息接口.

　　2.2中间传输层

　　由于位于控制中心的服务器与分布在地铁各站的现场设备距离较远，如何将现场的信号设备与控制中心的服务器网络实现通信，这就需要OTN(开放式传输网络Open Transport Network)这个中间传输系统来实现[1].

　　OTN是德国西门子ATEA公司开发的面向专网应用的开放式传输网络.OTN利用最新的光纤技术建立的一种传输系统，传输距离几乎没有限制。由于OTN的主要操作都是在OSI模型的物理层中，它对高层的各种协议都是透明的传输.OTN网通过OTN节点机采用点对点链接方式互连并形成2个方向相反的环，分别称为主环和次环。正常运行时，与OTN相连设备的数据被发送到主环上，次环处于备用状态并与主环保持同步，以便监视系统的可用性。紧急情况下，次环能部分或全部接管所有数据的传输。当主/次环光纤都断开时，与断开点相邻的的两个节点自动将输出光纤上的信息回送到同一节点上的另一环上的输入光纤，从而形成回环，使系统继续保持工作，并将故障段隔离.当节点机出现故障时，与该节点机相邻的两节点机自动将输出光纤上的信息回送到同一节点上的另一环上的输入光纤，从而形成回环，并隔离该节点机，使其他节点系统继续保持工作，等待该故障节点机修好后，再切换到主环工作，保证了系统的可用性，同时也为系统提供了高可靠性。

　　2.3现场设备层

　　图1-2 现场设备结构图

　　如图1-2所示，为实现现场设备与中央设备通信功能，在地铁每一联锁站均设置有与PCU相似作用的RTU使用两块通信模块CP544板与OTN冗余通信，实现与中央设备层的联结.RTU与现场设备之间使用Profibus总线实现通信

　　2.3.1Profibus总线

　　Profibus技术是87年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发.Profibus是一种国际化、开放式、不依赖设备生产商的现场总线标准，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等领域。Profibus由3个兼容部分组成，即Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA。三种Profibus均使用一致的总线存取协议。该协议通过OSI参考模型的第二层来实现[2]。在Profibus中，第二层称为现场数据链路层(FDL)

　　Profibus – Dp用于现场层的高速数据传送。主要采用主/从通讯模式，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。

　　Profibus-FMS的设计旨在解决车间监控级通信。主要采用主/主通讯模式，在这一层，可编程序控制器(如PLC.PC机等)之间需要比现场层更大量的数据传送，但通信的实时性要求低于现场层。

　　Profibus-PA适用于PROFIBUS 的过程自动化。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、湿度和液位变送器等现场设备连接起来，PA可用来替代4～20mA的模拟技术。

　　2.3.2现场设备数据传输

　　如图1-2所示，现场设备的数据传输由三条独立的总线通道组成，其中系统总线与联锁总线联结全线的所有联锁站，实现信号设备关键的联锁功能.此外RTU使用一条独立的站台设备总线实现对本联锁区的所有站台设备进行控制.由于三条总线上设备距离上均分布比较远，故采用光纤做为总线的传输介质，具有不受电磁干扰影响，适用大范围，电隔离等特点。各通讯节点使用光电转换模块(OLM)接入。三条总线均采用总线拓扑，在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其他站的工作。

　　1.系统总线。系统总线实现了RTU，LOW/C-LOW，SICAS等设备之间的数据通信。总线采用Profibus-FMS通信协议，采用主/主通讯模式，总线访问控制方式采用令牌传递的方法。令牌传输方式保证了访问总线的权利在精确定议的时间内被分配。令牌作为一种特殊的信息帧，由一台主站向下一台主站传送总线访问权。系统总线上所有设备均为主站，每个站均分配唯一的总线地址，轮流获得总线访问控制权发送和接受数据.站点可在任何时间点从总线中接入或断开，Profibus将自动地重新组织令牌环。同时总线访问协议有能力发现有故障的站、失效的令牌、重复的令牌、传输错误和其他所有可能的网络失败，并通过OLM自动将故障点隔离。所有的联锁控制信息均通过系统总线传递给SICAS联锁设备，同时现场各联锁设备状态及报警也通过系统总线反馈回中央及站级人机交互计算机.为提高总线的可靠性，系统总线采用了双通道冗余方式，两条配置完全一样的总线同时工作并同步，当一条总线故障时不影响信号系统正常工作。

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