城市軌道交通標準技術(shù)委員會(huì ) 魏曉東

中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所 趙云飛

5.2　系統集成接口協(xié)議

5.2.1　接口協(xié)議結構

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

信息格式：信息格式規定傳輸時(shí)數據和數據包的格式。信息格式設計時(shí)，需考慮的因素包括：（1）界定數據包，即通過(guò)什么方式在通信線(xiàn)路的順序字節流中界定出數據包?？梢圆捎猛酱a方式，如CDT規約的三組“EB 90”,也可以采用字節時(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，即指定數據包最終要傳輸的目標設備/系統。（2）指定信息源，即數據包發(fā)送者的身份?？梢杂冒l(fā)送者的地址、站號、用戶(hù)等類(lèi)似信息來(lái)標示發(fā)送者身份，該信息可用于身份鑒別，或用于信息過(guò)濾。（3）保證數據完整性，即設法對傳輸信息是否完整提供監測方式。傳輸過(guò)程中任何干擾都可能導致數據出錯，接口通信必須要作好數據完整性檢查，通?？刹捎迷跀祿懈郊有ｒ灤a的方式來(lái)進(jìn)行檢查。（4）保證傳輸完整性，指接口雙方的會(huì )話(huà)保持完整，不存在語(yǔ)句錯漏。通信過(guò)程中可能會(huì )有丟包、數據包亂序等異常，需要信息格式中提供一定的支持，如數據包順序標識等。（5）提高傳輸效率，即增加數據包中有效字節數在總數據包字節數中的占比，以節約帶寬資源。

并非所有協(xié)議都要處理以上全部因素，應綜合平衡應用需求和處理復雜度。此外，有時(shí)還需要增加處理其它更多因素，如實(shí)現信息安全的數據加密、實(shí)現接口靈活性的設備無(wú)關(guān)驅動(dòng)程序、實(shí)現直接輸出給打印機等人機終端的ASCII傳輸模式等。

信息含義：信息含義規定了接口雙方對信息的理解和處理的要求，包括從應用角度提出的對協(xié)議的約束，這些約束會(huì )影響會(huì )話(huà)的用詞、消息格式和交互規則的制定，以及面向應用功能的接口。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，接口信息含義的最常見(jiàn)表現形式是點(diǎn)表。點(diǎn)表是自動(dòng)控制行業(yè)用語(yǔ)，表征自動(dòng)化控制系統內各種變量的情況，集成系統接口傳輸的信息多數可用點(diǎn)表來(lái)表示。作為接口協(xié)議的一部分內容，點(diǎn)表是系統集成商與設備和子系統供應商共同的約定，是工作的重要基礎。通常每個(gè)變量都會(huì )有對應的唯一的變量名、設備名、設備地址、寄存器地址等相關(guān)內容。

交互過(guò)程：交互過(guò)程規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、請求和應答、主動(dòng)傳輸、數據重傳、拆除連接等。交互過(guò)程承載著(zhù)多數接口應用的需求，也直接受限于接口局部和系統整體的實(shí)現方案，需考慮的因素比較多，是接口協(xié)議的難點(diǎn)。

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

本節闡述了接口協(xié)議的一些總體性結構，實(shí)際應用中還需考慮更多需求特性，如報文和數據完整性、報文順序、時(shí)間異常、靈活性和擴展性等；也要考慮許多實(shí)現技術(shù)的特性，如生產(chǎn)者消費者協(xié)議結構中的生產(chǎn)和消費操作的無(wú)序隨機性、體現生產(chǎn)和消費操作制約的信號量形式、體現生產(chǎn)/消費操作原子性的互斥鎖等。如何將需求和技術(shù)的這些特性轉換到協(xié)議中，需在設計協(xié)議時(shí)仔細處理。

5.2.2　接口協(xié)議示例

本節將簡(jiǎn)要介紹三種常見(jiàn)的標準接口協(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(guò)這些例子，可進(jìn)一步理解接口協(xié)議的結構和特性。

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)現場(chǎng)的總線(xiàn)協(xié)議。ModBus網(wǎng)絡(luò )只有一個(gè)主機，所有通信都由它發(fā)出。網(wǎng)絡(luò )可支持247個(gè)之多的遠程從屬控制器，實(shí)際所支持的從機數要由所用通信設備決定。協(xié)議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設備。許多工業(yè)設備，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準。

為更好地普及和推動(dòng)Modbus在基于以太網(wǎng)上的分布式應用，該協(xié)議所有權已移歸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)展奠定了更堅實(shí)的基礎。在中國，Modbus已經(jīng)轉換成國家標準GB/T19582-2008。

（1）信息格式：Modbus協(xié)議幀結構見(jiàn)圖2所示。

圖2 Modbus協(xié)議幀結構

其中：地址域：要訪(fǎng)問(wèn)的從站設備的地址。功能碼：用于區分數據類(lèi)別和操作類(lèi)別的編碼。如01代表讀線(xiàn)圈，05代表寫(xiě)單個(gè)線(xiàn)圈。數據：數據依不同的功能碼有不同格式，通常有寄存器/線(xiàn)圈地址、數量、寄存器值/線(xiàn)圈狀態(tài)等構成。所謂寄存器、線(xiàn)圈，指Modbus的一些基本數據類(lèi)型。Modbus以不同類(lèi)型的數據列表為基礎，其中最基本的四個(gè)數據類(lèi)型為離散量輸入、線(xiàn)圈、輸入寄存器、保持寄存器，如表1所示：

表1 Modbus協(xié)議的基本數據類(lèi)型

差錯校驗：對報文內容的冗余校驗，根據不同的傳輸模式（RTU或ASCII）使用CRC和LRC兩種不同個(gè)計算方法。

（2）信息含義：Modbus協(xié)議不規定具體信息含義，具體信息的含義有應用去約定。以某動(dòng)力變壓器設備為例，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)力變壓器的設備接口點(diǎn)表

（3）交互過(guò)程：Modbus是同步請求應答型協(xié)議。作為接口主站的信息接收方發(fā)起，輪流與各子站設備進(jìn)行會(huì )話(huà)。對采集方向的信息傳遞，主站發(fā)起會(huì )話(huà)的時(shí)機通常是周期的；對控制方向的信息傳遞，發(fā)起會(huì )話(huà)時(shí)機是應用驅動(dòng)的。會(huì )話(huà)時(shí)，子站依據其操作的成敗結果來(lái)應答，操作正常時(shí)用正常數據應答，操作異常時(shí)回復錯誤應答，如圖3和圖4所示。

圖3 Modbus協(xié)議交互過(guò)程之正常響應

圖4 Modbus協(xié)議交互過(guò)程之異常響應

IEC61850：IEC61850標準由國際電工委員會(huì )第57技術(shù)委員會(huì )（IECTC57）制定，是電力系統自動(dòng)化領(lǐng)域的全球通用標準，對應中國電力行業(yè)標準為DL/T860。IEC61850將變電站通信體系分為3層：變電站層、間隔層、過(guò)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)接口映射到制造報文規范（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(guò)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）面向對象建模; （2）抽象通信服務(wù)接口;（3）面向實(shí)時(shí)的服務(wù);（4）配置語(yǔ)言;（5）整個(gè)電力系統統一建模。

（1）信息格式：IEC61850標準采用面向對象的建模技術(shù)，定義了基于客戶(hù)機/服務(wù)器結構數據模型。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)邏輯設備。邏輯設備包含邏輯節點(diǎn)，邏輯節點(diǎn)包含數據對象。數據對象則是由數據屬性構成的公用數據類(lèi)的命名實(shí)例。

IEC61850采用抽象通信服務(wù)接口（ACSI），不存在常規協(xié)議中的協(xié)議數據單元PDU。通過(guò)ACSI，可將對象結構中的服務(wù)器、邏輯設備和邏輯節點(diǎn)，分別映射成制造報文規范（MMS）中的虛擬設備、域和命名變量；也可將數據集，映射成命名變量列表。

所有信息均由抽象語(yǔ)法標記語(yǔ)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、對象標識符、實(shí)數、枚舉、時(shí)間等多種簡(jiǎn)單數據類(lèi)型，也支持SEQUENCE等復合數據類(lèi)型，編碼器復用性非常強。

（2）信息含義：在信息含義方面，IEC61850表達能力遠遠超過(guò)普通點(diǎn)表。它提供了兩種交換接口信息含義的方式：離線(xiàn)系統配置文件，或在線(xiàn)的對象自描述。

離線(xiàn)系統配置使用基于XML的子站配置描述語(yǔ)言（SCL），其中SCD文件描述了整個(gè)變電站的結構和布局、ICD文件提供了智能設備能力的描述，任何集成商都可通過(guò)它來(lái)快速獲得智能系統集成適用的信息。

SCD內容也被用于在線(xiàn)對象自描述，面向對象的數據自描述在數據源就對數據本身進(jìn)行自我描述，傳輸到接收方的數據都帶有自我說(shuō)明，不需要再對數據進(jìn)行工程物理量對應、標度轉換等工作。由于數據本身帶有說(shuō)明，所以傳輸時(shí)可以不受預先定義限制，簡(jiǎn)化了對數據的管理和維護工作。

（3）交互過(guò)程：IEC61850對象模型包含監視、控制等方向性信息，也規定了連接、訪(fǎng)問(wèn)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(guò)映射到制造報文規范（MMS）的服務(wù)來(lái)實(shí)現，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(yǔ)的形式，由MMS協(xié)議機完成服務(wù)原語(yǔ)與MMSPDU之間的轉換，關(guān)聯(lián)控制服務(wù)ACSE可完成MMPDU與表示層之間的轉換，編碼和傳輸是在表示層及以下完成的。MMS服務(wù)原語(yǔ)有“請求+指示、應答+確認”兩種類(lèi)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標準：OPC是1996年秋由OPC基金會(huì )建立了一套標準的OLE/COM接口協(xié)議。它包括一系列標準規范，如數據訪(fǎng)問(wèn)（Data Access）、報警&事件（Alarms & Events）、批量（Batch）、數據交換（Data eXchange）、歷史數據訪(fǎng)問(wèn)（HistoricalData Access）、安全性（Security）、XML數據訪(fǎng)問(wèn)（XML-DA）、復合數據（Complex Data）、指令（Commands）等。OPC采用統一的方式存取不同生產(chǎn)商的設備或子系統，實(shí)現“互操作”。它的特點(diǎn)是把軟硬件供應商和系統集成供應商分離開(kāi)來(lái)，各自只對數據的格式負責，而不用管復雜的數據鏈路層。當需要接入基于以太網(wǎng)的智能設備時(shí)，用OPC接口可明顯降低系統的復雜度、改善系統性能，提高軟件重用度。

（1）信息格式：OPC功能中最常用的是數據訪(fǎng)問(wèn)（DA），這里只簡(jiǎn)要介紹DA中的數據結構。DA中規定了三層接口：服務(wù)器（Server）、組（Group）和數據項（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(lèi)對象；一個(gè)數據源對應于一個(gè)OPC服務(wù)器，即一種設備驅動(dòng)程序。OPC擴展了設備的概念。只要符合OPC服務(wù)器的規范，OPC客戶(hù)都可與之進(jìn)行數據交換，而無(wú)需了解數據源究竟是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(hù)提供了組織數據的一種方法，可對其進(jìn)行直接讀寫(xiě)、還可設置數據更新的速率，或設置為有數值變化時(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(hù)共有，局部組只能對建立它的客戶(hù)有效。數據項：數據項的數據結構有3個(gè)成員變量：數據值、數據質(zhì)量和時(shí)間戳，一個(gè)數據項與一個(gè)具體的位號相連，是讀寫(xiě)數據的最小邏輯單位，通常指向設備/子系統的一個(gè)存儲單元。數據項并不提供對外接口，客戶(hù)不能直接對其進(jìn)行操作，所有操作都是通過(guò)組對象進(jìn)行的。

（2）信息含義：與Modbus類(lèi)似，OPC不規定具體的信息含義，由具體應用約定。

（3）交互過(guò)程：OPC規范基于DCOM技術(shù)，本質(zhì)上是一種分布對象標準。OPC可視為一個(gè)將通信協(xié)議設計與接口驅動(dòng)程序實(shí)現緊密結合起來(lái)的標準，OPC服務(wù)器本身通常就是一個(gè)可執行程序，它以設定的速率采集和緩存數據，緩存的內容有最新的數據值、數據質(zhì)量標識和時(shí)間戳，客戶(hù)可通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)分布對象來(lái)使用這些數據和服務(wù)。

OPC客戶(hù)和OPC服務(wù)器進(jìn)行數據交互有兩種方式：同步方式和異步方式。同步方式在客戶(hù)數目較少、客戶(hù)同服務(wù)器交互的數據量也較少的時(shí)候采用；采用異步方式時(shí)，由客戶(hù)程序實(shí)現服務(wù)器回調函數，服務(wù)器中執行遠程調用，當有大量客戶(hù)和大量數據交互時(shí)，異步方式的效率更高。

作者簡(jiǎn)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》（ 上?？萍嘉墨I出版社） 。2000~2012年任北京和利時(shí)系統工程公司副總工、事業(yè)部總設計師，北京地鐵13號線(xiàn)、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線(xiàn)綜合監控系統工程技術(shù)總負責人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動(dòng)化系統與技術(shù)》初版與第二版（電子工業(yè)出版社）；2010年主編國家標準《城市軌道交通綜合監控系統工程設計規范》（GB50636-2010）《城市軌道交通綜合監控系統施工與質(zhì)量驗收規范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關(guān)于兩化融合的國家標準《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統規范》（GB/T26335-2010）。2013年至今任清華同方數字城市工程中心技術(shù)專(zhuān)家，住建部城市軌道交通標注技術(shù)網(wǎng)Eu委員會(huì )委員，全國自動(dòng)化系統與集成標準技術(shù)委員會(huì )委員。

摘自《自動(dòng)化博覽》2017年8月刊