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城市軌道交通標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會魏曉東

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

接口技術(shù)是系統(tǒng)集成的關(guān)鍵,在信息化集成系統(tǒng)內(nèi)部，各子系統(tǒng)通過接口連接成一個整體、通過接口進(jìn)行相互作用；在信息化集成系統(tǒng)邊界，各類接口設(shè)備與外部環(huán)境建立起聯(lián)系，感知和影響外部環(huán)境。本講討論的接口技術(shù)，重點(diǎn)針對工業(yè)信息化集成系統(tǒng)第1、2、3層系統(tǒng)集成中的接口，特別是現(xiàn)場設(shè)備接入的數(shù)據(jù)采集接口、控制子系統(tǒng)集成的接口和橫向集成的信息交換接口。將闡述與之相關(guān)的共性技術(shù)，分為接口形式、接口協(xié)議、接口可靠性、接口軟件、接口管理等五方面。

5.1　系統(tǒng)集成接口形式

系統(tǒng)集成接口形式會受限于應(yīng)用環(huán)境和架構(gòu)設(shè)計。接口必須滿足應(yīng)用功能要求，如果它用在工業(yè)環(huán)境中，必須要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求的質(zhì)量水平；此外，接口還要滿足許多架構(gòu)原則，以實(shí)現(xiàn)靈活性和標(biāo)準(zhǔn)化。用在集成系統(tǒng)、特別是工業(yè)環(huán)境中的接口，通常須通用、成熟，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。滿足條件的有兩種基本形式：硬接線接口和網(wǎng)絡(luò)通信接口。其中，硬接線是用標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流來傳輸信號；網(wǎng)絡(luò)通信則還有多種形式，如串行通信、現(xiàn)場總線、TCP/IP通信、分布組件和服務(wù)接口等。

5.1.1　硬接線形式

硬接線是相對于通信方式而言的，是指使用電纜將信號端子點(diǎn)對點(diǎn)連接起來，通過該電纜電壓或電流變化來傳輸模擬量和數(shù)字量狀態(tài)和控制信號。硬接線方式信號傳輸反應(yīng)快,幾乎不需要響應(yīng)時間，而且與使用通信方式相對，采用純硬件會更加可靠。所以，對于信號品質(zhì)要求非常高的場合都可以考慮使用硬接線形式。但使用硬接線時，一根電纜只能傳輸一個信號，當(dāng)需要傳輸許多信號的時候，敷設(shè)的電纜就會非常多，這不僅導(dǎo)致空間布局緊張和使用困難，還因接頭數(shù)量激增，反而降低接口的可靠性。硬接線常用作重要信號傳輸，或提供備用控制信號。安全級系統(tǒng)互聯(lián)常會使用硬接線，來傳輸一些重要的連鎖、報警和控制信號；硬接線也常被用作備用接口，實(shí)現(xiàn)安全級要求的備用手動控制功能。

5.1.2　串行通信

計算機(jī)系統(tǒng)與外設(shè)或其它計算機(jī)之間的通信，通常有兩種方式：并行通信和串行通信。串行通信需要的通信線少、成本低、傳輸距離遠(yuǎn)，是集成系統(tǒng)通信接口的主要形式。

從接受端和發(fā)送端的行為耦合度看，串行通信可分為兩種方式：同步方式和異步方式。從串行通信收發(fā)行為的同時性看，串行通信可分為三種傳輸方式：單工方式、半雙工方式、全雙工方式。

串行通信速率用波特率衡量，波特率指每秒內(nèi)傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，以位每秒（b/s或bps）為單位，常用的波特率有110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、115200bps等。

受線路質(zhì)量、電磁干擾等因素影響，串行通信不可避免地會受到不同程度的干擾，導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)錯誤。因此，串行通信中不可缺少數(shù)據(jù)校驗。校驗時，可視編碼條件進(jìn)行適度糾錯，通常采用奇偶校驗來進(jìn)行檢錯、采用重發(fā)的方式來進(jìn)行糾錯，或采用循環(huán)冗余碼（CRC）來檢錯和自動糾錯。串行通信的電氣標(biāo)準(zhǔn)有RS-232、RS-422、RS-485、USB、載波等。RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議；USB是近幾年發(fā)展起來的新型接口標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域；載波是一種傳統(tǒng)的通信方式，近年來也有所發(fā)展。

RS-232接口：RS-232是一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)，它采取點(diǎn)對點(diǎn)不平衡傳輸方式，即所謂單端通信，其發(fā)送電平與接收電平的差值小，共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，致使其傳送距離短、速率低，僅適合本地設(shè)備間的接口通信。RS232接線可按三線方式（只連接收、發(fā)、地三根線），也可采用簡易接口方式（除連接收、發(fā)、地外，另增加一對握手信號DSR和DTR），或采用完全串口線方式（兩端設(shè)備的串口9線全接）。

RS-422接口：RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向平衡傳輸規(guī)范，克服了RS-232通信距離短、速度低的缺點(diǎn)，允許在一條平衡總線上連接多個接收器，支持點(diǎn)對多的雙向通信,支持掛接多臺設(shè)備組網(wǎng)等。RS-422四線接口采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道。接口各方間信號交換可按軟件方式（XON/XOFF握手）實(shí)現(xiàn)，也可以按硬件方式實(shí)現(xiàn)。用RS422總線接入多設(shè)備時，具有不同的地址，在接口主設(shè)備控制下通信。

RS-485接口：為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA在RS-422的基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，它采用平衡發(fā)送和差分接收機(jī)制，可抑制共模干擾，接收靈敏度高，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米以外。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信；而在采用四線連接時，RS-485與RS-422一樣，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的通信，即只能有一個主設(shè)備，其余為從設(shè)備，但連接的設(shè)備數(shù)量有所增加。RS-485總線上的設(shè)備具有相同的通信協(xié)議，地址各不相同，不通信時所有設(shè)備均處于接收狀態(tài)，需要發(fā)送數(shù)據(jù)時串口翻轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，以此來避免沖突。

USB接口：USB全稱是Universal Serial Bus（通用串行總線），近年來被廣泛應(yīng)用。自1994年發(fā)表USB V0.7，已經(jīng)歷了六年的發(fā)展。USB接口的特點(diǎn)是：傳輸速率高、傳輸可靠；菊花鏈形式可同時掛接多個設(shè)備；USB接口能為設(shè)備供電，低功耗設(shè)備可以直接取電；USB支持熱插拔，能夠即插即用。

5.1.3　現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線使得自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡(luò)的行列，使工業(yè)信息化集成系統(tǒng)朝著“智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化”的方向進(jìn)一步邁進(jìn)，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。

現(xiàn)場總線多采用一對多雙向傳輸信號，可在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多點(diǎn)通信，傳輸信號精度高、可靠。使用現(xiàn)場總線，不僅能使設(shè)備終處于用戶的監(jiān)視和控制狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)集成系統(tǒng)的價值，還能使用戶和集成商在不同品牌設(shè)備中自由選擇，通過使用智能儀表，簡化集成系統(tǒng)的控制和運(yùn)算處理。

現(xiàn)場總線技術(shù)有兩個發(fā)展趨勢：一是尋求統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；一是發(fā)展工業(yè)以太網(wǎng)。

1999年12月國際標(biāo)準(zhǔn)組織經(jīng)過十多年努力，最終通過現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，可惜它包括8種類型現(xiàn)場總線,它們是：（1）Type 1 IEC61158技術(shù)規(guī)范；（2）Type 2 Contro1Net 現(xiàn)場總線；（3）Type 3 Profibus現(xiàn)場總線；（4）Type 4 P_Net現(xiàn)場總線 ；（5）Type 5 FF HSE（High Speed Ether-net）；（6）Type 6 SwiftNet現(xiàn)場總線；（7）Type 7 WorldFIP現(xiàn)場總線；（8）Type 8 Interbus現(xiàn)場總線。此后，被并列入標(biāo)準(zhǔn)的愈來愈多，8+3；8+7；8+11，目前已超過8+17。很多重要企業(yè)都力圖開發(fā)接口技術(shù)，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標(biāo)準(zhǔn)中也出現(xiàn)了追求共存的動向；

統(tǒng)一、開放的以太網(wǎng)是發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ，過去一直認(rèn)為以太網(wǎng)是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時性、環(huán)境適應(yīng)性、總線饋電等方面的要求存在差距，在工業(yè)自動化中只能有限應(yīng)用。事實(shí)上，這些問題正在迅速得到解決，EPA技術(shù)（Ethernet for Process Automation）已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，隨著FF HSE和PROFInet等新型總線的成功開發(fā)和推廣應(yīng)用，以太網(wǎng)正在迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)。

5.1.4　TCP/IP通信

網(wǎng)絡(luò)通信的基本結(jié)構(gòu)是七層OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型。而以太網(wǎng)是目前最流行的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一，具有傳播速率高、網(wǎng)絡(luò)資源豐富、系統(tǒng)功能強(qiáng)、安裝簡單和使用維護(hù)方便等很多優(yōu)點(diǎn)。基于以太網(wǎng)的TCP/IP已被廣泛使用在全世界的網(wǎng)絡(luò)上,在PC、UNIX工作站、小型機(jī)、Macintosh計算機(jī)、大型機(jī)以及用于連接客戶機(jī)和主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上都可以使用TCP/IP。在信息化系統(tǒng)和工業(yè)自動化系統(tǒng)集成中，TCP/IP有非常廣泛的應(yīng)用。

TCP/IP是一個協(xié)議族，它的核心協(xié)議主要有傳輸控制協(xié)議（TCP）、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）和網(wǎng)際協(xié)議（IP）。在TCP/IP中，與OSI模型的網(wǎng)絡(luò)層等價的部分為IP，另外一個兼容的協(xié)議層為傳輸層，TCP和UDP都運(yùn)行在這一層。OSI模型的高層與TCP/IP的應(yīng)用層協(xié)議是對應(yīng)的。對主要協(xié)議起補(bǔ)充作用的協(xié)議有五個，它們是通過TCP/IP提供的五個應(yīng)用服務(wù)：文件傳輸協(xié)議（FTP）、遠(yuǎn)程登錄協(xié)議（TELNET）、 簡單郵件傳輸協(xié)議（SMTP）、域名服務(wù)（DNS）、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測（RMON）等。

TCP/IP地址是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和主機(jī)的標(biāo)識，網(wǎng)絡(luò)中存在兩種尋址方法：MAC地址和IP地址，兩種尋址方法既有聯(lián)系又有區(qū)別。MAC地址是設(shè)備的物理地址，位于OSI參考模型的第2層，全網(wǎng)唯一標(biāo)識，無級地址結(jié)構(gòu)（一維地址空間），固化在硬件中，尋址能力僅限在一個物理子網(wǎng)中。IP地址是設(shè)備的邏輯地址，位于OSI參考模型的第3層，全網(wǎng)唯一標(biāo)識，分級地址結(jié)構(gòu)（多維地址空間），由軟件設(shè)定，具有很大的靈活性，可在全網(wǎng)范圍內(nèi)尋址。

5.1.5　分布組件和服務(wù)

實(shí)施企業(yè)信息系統(tǒng)集成時，需建立不同應(yīng)用之間的接口，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)間的互聯(lián)互通互操作。信息系統(tǒng)接口要能適應(yīng)和屏蔽異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫和信息格式，也要支持標(biāo)準(zhǔn)化和提供開放性，并特別要求在軟件能直接體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和開放的特性?；谶@些要求，分布組件和服務(wù)應(yīng)運(yùn)而生。組件和服務(wù)分別應(yīng)用在不同的場合，區(qū)別是用系統(tǒng)間的耦合程度不同：組件通常用于企業(yè)內(nèi)的緊密集成，服務(wù)則用于企業(yè)間的松散集成。如圖1所示：

圖1 組件和服務(wù)的應(yīng)用場合

組件集成是一種同步集成方式，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用間緊密的配合。在組件集成方式，通過使用公共對象請求代理程序結(jié)構(gòu)體系CORBA、組件對象模型COM等組件，能實(shí)現(xiàn)跨語言、進(jìn)程和計算機(jī)間的遠(yuǎn)程過程調(diào)用，從而構(gòu)建起企業(yè)內(nèi)分布式計算環(huán)境。

基于服務(wù)的集成方式屬于異步方式，有基于消息的中間件服務(wù)和基于WebService等多種形式。在基于消息中間件服務(wù)的集成中，使用類似MSMQ、MQSeries等消息中間件實(shí)現(xiàn)互操作；在基于WebService的集成中，通過SOAP消息交換協(xié)議來實(shí)現(xiàn)Internet環(huán)境下的分布式計算。由于Web服務(wù)的方式具有良好的松散耦合服務(wù)集成結(jié)構(gòu)，因此它更適合于實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的應(yīng)用的集成。

除前述常見的接口形式外，還有一些不太常見的、或新生的接口形式，如載波通信、HART網(wǎng)絡(luò)、云服務(wù)接口等。載波通信是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)度的通信方式，它將電力線和信號線合二為一,以電力線為物理媒介，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸。載波通信的最大特點(diǎn)是無須單獨(dú)布線，只要有電力線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。HART是由艾默生提出的一個總線標(biāo)準(zhǔn)，主要特征是在4~20毫安電流信號上面疊加數(shù)字信號。HART通信速率低、組網(wǎng)困難，協(xié)議也還未完全開放。在企業(yè)信息系統(tǒng)集成領(lǐng)域，體現(xiàn)智能時代特征的云計算、大數(shù)據(jù)等應(yīng)用形式也在快速發(fā)展，后續(xù)，隨著云接口、特別是應(yīng)用編程接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，和云計算服務(wù)的安全性增強(qiáng)，信息系統(tǒng)集成會呈現(xiàn)出更新形式。

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)自動化系副教授。1991年出版《分散型控制系統(tǒng)》（ 上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社） 。2000~2012年任北京和利時系統(tǒng)工程公司副總工、事業(yè)部總設(shè)計師，北京地鐵13號線、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)總負(fù)責(zé)人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動化系統(tǒng)與技術(shù)》初版與第二版（電自工業(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委員會委員，全國自動化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會委員。

摘自《自動化博覽》2017年7月刊