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城市軌道交通標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì) 魏曉東

中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所 趙云飛

5.2　系統(tǒng)集成接口協(xié)議

5.2.1　接口協(xié)議結(jié)構(gòu)

協(xié)議（Protocol）是接口各方對信息交換方式的約定，協(xié)議內(nèi)容通常包括信息格式、信息含義、交互過程，這是接口通信協(xié)議的三要素：

信息格式：信息格式規(guī)定傳輸時(shí)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包的格式。信息格式設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮的因素包括：（1）界定數(shù)據(jù)包，即通過什么方式在通信線路的順序字節(jié)流中界定出數(shù)據(jù)包。可以采用同步碼方式，如CDT規(guī)約的三組“EB 90”,也可以采用字節(jié)時(shí)間間隙，如Modbus-RTU的幀間間隔3.5字符時(shí)間。指定信息目的地，即指定數(shù)據(jù)包最終要傳輸?shù)哪繕?biāo)設(shè)備/系統(tǒng)。（2）指定信息源，即數(shù)據(jù)包發(fā)送者的身份。可以用發(fā)送者的地址、站號(hào)、用戶等類似信息來標(biāo)示發(fā)送者身份，該信息可用于身份鑒別，或用于信息過濾。（3）保證數(shù)據(jù)完整性，即設(shè)法對傳輸信息是否完整提供監(jiān)測方式。傳輸過程中任何干擾都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)，接口通信必須要作好數(shù)據(jù)完整性檢查，通常可采用在數(shù)據(jù)包中附加校驗(yàn)碼的方式來進(jìn)行檢查。（4）保證傳輸完整性，指接口雙方的會(huì)話保持完整，不存在語句錯(cuò)漏。通信過程中可能會(huì)有丟包、數(shù)據(jù)包亂序等異常，需要信息格式中提供一定的支持，如數(shù)據(jù)包順序標(biāo)識(shí)等。（5）提高傳輸效率，即增加數(shù)據(jù)包中有效字節(jié)數(shù)在總數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)中的占比，以節(jié)約帶寬資源。

并非所有協(xié)議都要處理以上全部因素，應(yīng)綜合平衡應(yīng)用需求和處理復(fù)雜度。此外，有時(shí)還需要增加處理其它更多因素，如實(shí)現(xiàn)信息安全的數(shù)據(jù)加密、實(shí)現(xiàn)接口靈活性的設(shè)備無關(guān)驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)現(xiàn)直接輸出給打印機(jī)等人機(jī)終端的ASCII傳輸模式等。

信息含義：信息含義規(guī)定了接口雙方對信息的理解和處理的要求，包括從應(yīng)用角度提出的對協(xié)議的約束，這些約束會(huì)影響會(huì)話的用詞、消息格式和交互規(guī)則的制定，以及面向應(yīng)用功能的接口。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，接口信息含義的最常見表現(xiàn)形式是點(diǎn)表。點(diǎn)表是自動(dòng)控制行業(yè)用語，表征自動(dòng)化控制系統(tǒng)內(nèi)各種變量的情況，集成系統(tǒng)接口傳輸?shù)男畔⒍鄶?shù)可用點(diǎn)表來表示。作為接口協(xié)議的一部分內(nèi)容，點(diǎn)表是系統(tǒng)集成商與設(shè)備和子系統(tǒng)供應(yīng)商共同的約定，是工作的重要基礎(chǔ)。通常每個(gè)變量都會(huì)有對應(yīng)的唯一的變量名、設(shè)備名、設(shè)備地址、寄存器地址等相關(guān)內(nèi)容。

交互過程：交互過程規(guī)定了接口雙方信息傳輸行為的發(fā)生條件和動(dòng)作順序，如建立連接、請求和應(yīng)答、主動(dòng)傳輸、數(shù)據(jù)重傳、拆除連接等。交互過程承載著多數(shù)接口應(yīng)用的需求，也直接受限于接口局部和系統(tǒng)整體的實(shí)現(xiàn)方案，需考慮的因素比較多，是接口協(xié)議的難點(diǎn)。

按交互過程，接口協(xié)議可分為主動(dòng)傳送型、請求應(yīng)答型、混合型協(xié)議。

本節(jié)闡述了接口協(xié)議的一些總體性結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中還需考慮更多需求特性，如報(bào)文和數(shù)據(jù)完整性、報(bào)文順序、時(shí)間異常、靈活性和擴(kuò)展性等；也要考慮許多實(shí)現(xiàn)技術(shù)的特性，如生產(chǎn)者消費(fèi)者協(xié)議結(jié)構(gòu)中的生產(chǎn)和消費(fèi)操作的無序隨機(jī)性、體現(xiàn)生產(chǎn)和消費(fèi)操作制約的信號(hào)量形式、體現(xiàn)生產(chǎn)/消費(fèi)操作原子性的互斥鎖等。如何將需求和技術(shù)的這些特性轉(zhuǎn)換到協(xié)議中，需在設(shè)計(jì)協(xié)議時(shí)仔細(xì)處理。

5.2.2　接口協(xié)議示例

本節(jié)將簡要介紹三種常見的標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，分別是Modbus、IEC61850（變電站網(wǎng)絡(luò)與通信協(xié)議）和OPC（OLE for process control）。通過這些例子，可進(jìn)一步理解接口協(xié)議的結(jié)構(gòu)和特性。

Modbus：Modbus是由Modicon公司在1979年發(fā)明的全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。ModBus網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)主機(jī)，所有通信都由它發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個(gè)之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，實(shí)際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。

為更好地普及和推動(dòng)Modbus在基于以太網(wǎng)上的分布式應(yīng)用，該協(xié)議所有權(quán)已移歸IDA（Interface forDistributed Automation，分布式自動(dòng)化接口）組織，并成立了Modbus-IDA組織，為Modbus發(fā)展奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在中國，Modbus已經(jīng)轉(zhuǎn)換成國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008。

（1）信息格式：Modbus協(xié)議幀結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 Modbus協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

其中：地址域：要訪問的從站設(shè)備的地址。功能碼：用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類別和操作類別的編碼。如01代表讀線圈，05代表寫單個(gè)線圈。數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)依不同的功能碼有不同格式，通常有寄存器/線圈地址、數(shù)量、寄存器值/線圈狀態(tài)等構(gòu)成。所謂寄存器、線圈，指Modbus的一些基本數(shù)據(jù)類型。Modbus以不同類型的數(shù)據(jù)列表為基礎(chǔ)，其中最基本的四個(gè)數(shù)據(jù)類型為離散量輸入、線圈、輸入寄存器、保持寄存器，如表1所示：

表1 Modbus協(xié)議的基本數(shù)據(jù)類型

差錯(cuò)校驗(yàn)：對報(bào)文內(nèi)容的冗余校驗(yàn)，根據(jù)不同的傳輸模式（RTU或ASCII）使用CRC和LRC兩種不同個(gè)計(jì)算方法。

（2）信息含義：Modbus協(xié)議不規(guī)定具體信息含義，具體信息的含義有應(yīng)用去約定。以某動(dòng)力變壓器設(shè)備為例，其接口點(diǎn)表如表2所示（表中僅提供部分信息，其中DI為離散量輸入，AI為輸入寄存器）：

表2 某動(dòng)力變壓器的設(shè)備接口點(diǎn)表

（3）交互過程：Modbus是同步請求應(yīng)答型協(xié)議。作為接口主站的信息接收方發(fā)起，輪流與各子站設(shè)備進(jìn)行會(huì)話。對采集方向的信息傳遞，主站發(fā)起會(huì)話的時(shí)機(jī)通常是周期的；對控制方向的信息傳遞，發(fā)起會(huì)話時(shí)機(jī)是應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的。會(huì)話時(shí)，子站依據(jù)其操作的成敗結(jié)果來應(yīng)答，操作正常時(shí)用正常數(shù)據(jù)應(yīng)答，操作異常時(shí)回復(fù)錯(cuò)誤應(yīng)答，如圖3和圖4所示。

圖3 Modbus協(xié)議交互過程之正常響應(yīng)

圖4 Modbus協(xié)議交互過程之異常響應(yīng)

IEC61850：IEC61850標(biāo)準(zhǔn)由國際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)（IECTC57）制定，是電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)中國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為DL/T860。IEC61850將變電站通信體系分為3層：變電站層、間隔層、過程層。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范（MMS）、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng)。IEC61850的特點(diǎn)是：（1）面向?qū)ο蠼? （2）抽象通信服務(wù)接口;（3）面向?qū)崟r(shí)的服務(wù);（4）配置語言;（5）整個(gè)電力系統(tǒng)統(tǒng)一建模。

（1）信息格式：IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型。每個(gè)IED包含一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器本身又包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點(diǎn)，邏輯節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)對象。數(shù)據(jù)對象則是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類的命名實(shí)例。

IEC61850采用抽象通信服務(wù)接口（ACSI），不存在常規(guī)協(xié)議中的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU。通過ACSI，可將對象結(jié)構(gòu)中的服務(wù)器、邏輯設(shè)備和邏輯節(jié)點(diǎn)，分別映射成制造報(bào)文規(guī)范（MMS）中的虛擬設(shè)備、域和命名變量；也可將數(shù)據(jù)集，映射成命名變量列表。

所有信息均由抽象語法標(biāo)記語言（ASN.1）完成信息編碼。ASN.1定義在ISO8824/8825中，它采用TLV（type,length,value）三元組編碼規(guī)則，支持布爾型、整型、二進(jìn)制字符串、八進(jìn)制字符串、對象標(biāo)識(shí)符、實(shí)數(shù)、枚舉、時(shí)間等多種簡單數(shù)據(jù)類型，也支持SEQUENCE等復(fù)合數(shù)據(jù)類型，編碼器復(fù)用性非常強(qiáng)。

（2）信息含義：在信息含義方面，IEC61850表達(dá)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通點(diǎn)表。它提供了兩種交換接口信息含義的方式：離線系統(tǒng)配置文件，或在線的對象自描述。

離線系統(tǒng)配置使用基于XML的子站配置描述語言（SCL），其中SCD文件描述了整個(gè)變電站的結(jié)構(gòu)和布局、ICD文件提供了智能設(shè)備能力的描述，任何集成商都可通過它來快速獲得智能系統(tǒng)集成適用的信息。

SCD內(nèi)容也被用于在線對象自描述，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述在數(shù)據(jù)源就對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行自我描述，傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)都帶有自我說明，不需要再對數(shù)據(jù)進(jìn)行工程物理量對應(yīng)、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等工作。由于數(shù)據(jù)本身帶有說明，所以傳輸時(shí)可以不受預(yù)先定義限制，簡化了對數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)工作。

（3）交互過程：IEC61850對象模型包含監(jiān)視、控制等方向性信息，也規(guī)定了連接、訪問信息模型、文件傳輸、時(shí)鐘同步等抽象服務(wù)（ACSI），這些抽象服務(wù)都要通過映射到制造報(bào)文規(guī)范（MMS）的服務(wù)來實(shí)現(xiàn)，具體如表3所示。

表3 ACSI服務(wù)向MMS服務(wù)的映射

MMS服務(wù)采用原語的形式，由MMS協(xié)議機(jī)完成服務(wù)原語與MMSPDU之間的轉(zhuǎn)換，關(guān)聯(lián)控制服務(wù)ACSE可完成MMPDU與表示層之間的轉(zhuǎn)換，編碼和傳輸是在表示層及以下完成的。MMS服務(wù)原語有“請求+指示、應(yīng)答+確認(rèn)”兩種類別，支持召喚和訂閱，支持各服務(wù)異步并行，具有高傳輸效率和靈活性。

OPC標(biāo)準(zhǔn)：OPC是1996年秋由OPC基金會(huì)建立了一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口協(xié)議。它包括一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如數(shù)據(jù)訪問（Data Access）、報(bào)警&事件（Alarms & Events）、批量（Batch）、數(shù)據(jù)交換（Data eXchange）、歷史數(shù)據(jù)訪問（HistoricalData Access）、安全性（Security）、XML數(shù)據(jù)訪問（XML-DA）、復(fù)合數(shù)據(jù)（Complex Data）、指令（Commands）等。OPC采用統(tǒng)一的方式存取不同生產(chǎn)商的設(shè)備或子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“互操作”。它的特點(diǎn)是把軟硬件供應(yīng)商和系統(tǒng)集成供應(yīng)商分離開來，各自只對數(shù)據(jù)的格式負(fù)責(zé)，而不用管復(fù)雜的數(shù)據(jù)鏈路層。當(dāng)需要接入基于以太網(wǎng)的智能設(shè)備時(shí)，用OPC接口可明顯降低系統(tǒng)的復(fù)雜度、改善系統(tǒng)性能，提高軟件重用度。

（1）信息格式：OPC功能中最常用的是數(shù)據(jù)訪問（DA），這里只簡要介紹DA中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。DA中規(guī)定了三層接口：服務(wù)器（Server）、組（Group）和數(shù)據(jù)項(xiàng)（Item），依次呈包含關(guān)系。服務(wù)器對象：服務(wù)器對象包含了信息源的所有信息，服務(wù)器對象也是組對象的容器，它是OPC的啟動(dòng)服務(wù)器，它獲得其他對象和服務(wù)的起始對象，并返回Group類對象；一個(gè)數(shù)據(jù)源對應(yīng)于一個(gè)OPC服務(wù)器，即一種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。OPC擴(kuò)展了設(shè)備的概念。只要符合OPC服務(wù)器的規(guī)范，OPC客戶都可與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而無需了解數(shù)據(jù)源究竟是PLC還是儀表。組對象：組對象包含一組信息。OPC的組對象為客戶提供了組織數(shù)據(jù)的一種方法，可對其進(jìn)行直接讀寫、還可設(shè)置數(shù)據(jù)更新的速率，或設(shè)置為有數(shù)值變化時(shí)傳輸。有2種組對象：全局組（public）和局部組（local）,全局組由多個(gè)客戶共有，局部組只能對建立它的客戶有效。數(shù)據(jù)項(xiàng)：數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有3個(gè)成員變量：數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)質(zhì)量和時(shí)間戳，一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)與一個(gè)具體的位號(hào)相連，是讀寫數(shù)據(jù)的最小邏輯單位，通常指向設(shè)備/子系統(tǒng)的一個(gè)存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)項(xiàng)并不提供對外接口，客戶不能直接對其進(jìn)行操作，所有操作都是通過組對象進(jìn)行的。

（2）信息含義：與Modbus類似，OPC不規(guī)定具體的信息含義，由具體應(yīng)用約定。

（3）交互過程：OPC規(guī)范基于DCOM技術(shù)，本質(zhì)上是一種分布對象標(biāo)準(zhǔn)。OPC可視為一個(gè)將通信協(xié)議設(shè)計(jì)與接口驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)緊密結(jié)合起來的標(biāo)準(zhǔn)，OPC服務(wù)器本身通常就是一個(gè)可執(zhí)行程序，它以設(shè)定的速率采集和緩存數(shù)據(jù)，緩存的內(nèi)容有最新的數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)和時(shí)間戳，客戶可通過訪問分布對象來使用這些數(shù)據(jù)和服務(wù)。

OPC客戶和OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互有兩種方式：同步方式和異步方式。同步方式在客戶數(shù)目較少、客戶同服務(wù)器交互的數(shù)據(jù)量也較少的時(shí)候采用；采用異步方式時(shí)，由客戶程序?qū)崿F(xiàn)服務(wù)器回調(diào)函數(shù)，服務(wù)器中執(zhí)行遠(yuǎn)程調(diào)用，當(dāng)有大量客戶和大量數(shù)據(jù)交互時(shí)，異步方式的效率更高。

作者簡介：

魏曉東，1967年畢業(yè)于天津大學(xué)精儀系。1984~1991年任安徽工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化系副教授。1991年出版《分散型控制系統(tǒng)》（ 上海科技文獻(xiàn)出版社） 。2000~2012年任北京和利時(shí)系統(tǒng)工程公司副總工、事業(yè)部總設(shè)計(jì)師，北京地鐵13號(hào)線、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號(hào)線綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)總負(fù)責(zé)人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)與技術(shù)》初版與第二版（電子工業(yè)出版社）；2010年主編國家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50636-2010）《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關(guān)于兩化融合的國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范》（GB/T26335-2010）。2013年至今任清華同方數(shù)字城市工程中心技術(shù)專家，住建部城市軌道交通標(biāo)注技術(shù)網(wǎng)Eu委員會(huì)委員，全國自動(dòng)化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)委員。

摘自《自動(dòng)化博覽》2017年8月刊