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

接口技術(shù)是系統集成的關(guān)鍵,在信息化集成系統內部，各子系統通過(guò)接口連接成一個(gè)整體、通過(guò)接口進(jìn)行相互作用；在信息化集成系統邊界，各類(lèi)接口設備與外部環(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)信息化集成系統第1、2、3層系統集成中的接口，特別是現場(chǎng)設備接入的數據采集接口、控制子系統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　系統集成接口形式

系統集成接口形式會(huì )受限于應用環(huán)境和架構設計。接口必須滿(mǎn)足應用功能要求，如果它用在工業(yè)環(huán)境中，必須要達到工業(yè)應用要求的質(zhì)量水平；此外，接口還要滿(mǎn)足許多架構原則，以實(shí)現靈活性和標準化。用在集成系統、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)標準。滿(mǎn)足條件的有兩種基本形式：硬接線(xiàn)接口和網(wǎng)絡(luò )通信接口。其中，硬接線(xiàn)是用標準電壓/電流來(lái)傳輸信號；網(wǎng)絡(luò )通信則還有多種形式，如串行通信、現場(chǎng)總線(xiàn)、TCP/IP通信、分布組件和服務(wù)接口等。

5.1.1　硬接線(xiàn)形式

硬接線(xiàn)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(lái)，通過(guò)該電纜電壓或電流變化來(lái)傳輸模擬量和數字量狀態(tài)和控制信號。硬接線(xiàn)方式信號傳輸反應快,幾乎不需要響應時(shí)間，而且與使用通信方式相對，采用純硬件會(huì )更加可靠。所以，對于信號品質(zhì)要求非常高的場(chǎng)合都可以考慮使用硬接線(xiàn)形式。但使用硬接線(xiàn)時(shí)，一根電纜只能傳輸一個(gè)信號，當需要傳輸許多信號的時(shí)候，敷設的電纜就會(huì )非常多，這不僅導致空間布局緊張和使用困難，還因接頭數量激增，反而降低接口的可靠性。硬接線(xiàn)常用作重要信號傳輸，或提供備用控制信號。安全級系統互聯(lián)常會(huì )使用硬接線(xiàn)，來(lái)傳輸一些重要的連鎖、報警和控制信號；硬接線(xiàn)也常被用作備用接口，實(shí)現安全級要求的備用手動(dòng)控制功能。

5.1.2　串行通信

計算機系統與外設或其它計算機之間的通信，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(xiàn)少、成本低、傳輸距離遠，是集成系統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(shí)性看，串行通信可分為三種傳輸方式：?jiǎn)喂し绞?、半雙工方式、全雙工方式。

串行通信速率用波特率衡量，波特率指每秒內傳送二進(jìn)制數據的位數，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(xiàn)路質(zhì)量、電磁干擾等因素影響，串行通信不可避免地會(huì )受到不同程度的干擾，導致傳輸數據錯誤。因此，串行通信中不可缺少數據校驗。校驗時(shí)，可視編碼條件進(jìn)行適度糾錯，通常采用奇偶校驗來(lái)進(jìn)行檢錯、采用重發(fā)的方式來(lái)進(jìn)行糾錯，或采用循環(huán)冗余碼（CRC）來(lái)檢錯和自動(dòng)糾錯。串行通信的電氣標準有RS-232、RS-422、RS-485、USB、載波等。RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議；USB是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型接口標準，主要應用于高速數據傳輸領(lǐng)域；載波是一種傳統的通信方式，近年來(lái)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準，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(xiàn)上的分布電容，致使其傳送距離短、速率低，僅適合本地設備間的接口通信。RS232接線(xiàn)可按三線(xiàn)方式（只連接收、發(fā)、地三根線(xiàn)），也可采用簡(jiǎn)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(xiàn)方式（兩端設備的串口9線(xiàn)全接）。

RS-422接口：RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向平衡傳輸規范，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(xiàn)上連接多個(gè)接收器，支持點(diǎn)對多的雙向通信,支持掛接多臺設備組網(wǎng)等。RS-422四線(xiàn)接口采用單獨的發(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，也可以按硬件方式實(shí)現。用RS422總線(xiàn)接入多設備時(shí)，具有不同的地址，在接口主設備控制下通信。

RS-485接口：為擴展應用范圍，EIA在RS-422的基礎上制定了RS-485標準，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，它采用平衡發(fā)送和差分接收機制，可抑制共模干擾，接收靈敏度高，數據傳輸可達千米以外。RS-485可以采用二線(xiàn)與四線(xiàn)方式，二線(xiàn)制可實(shí)現真正的多點(diǎn)雙向通信；而在采用四線(xiàn)連接時(shí)，RS-485與RS-422一樣，只能實(shí)現點(diǎn)對多的通信，即只能有一個(gè)主設備，其余為從設備，但連接的設備數量有所增加。RS-485總線(xiàn)上的設備具有相同的通信協(xié)議，地址各不相同，不通信時(shí)所有設備均處于接收狀態(tài)，需要發(fā)送數據時(shí)串口翻轉為發(fā)送狀態(tài)，以此來(lái)避免沖突。

USB接口：USB全稱(chēng)是Universal Serial Bus（通用串行總線(xiàn)），近年來(lái)被廣泛應用。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(shí)掛接多個(gè)設備；USB接口能為設備供電，低功耗設備可以直接取電；USB支持熱插拔，能夠即插即用。

5.1.3　現場(chǎng)總線(xiàn)

現場(chǎng)總線(xiàn)使得自控設備與系統步入了信息網(wǎng)絡(luò )的行列，使工業(yè)信息化集成系統朝著(zhù)“智能化、數字化、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(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。

現場(chǎng)總線(xiàn)多采用一對多雙向傳輸信號，可在現場(chǎng)設備之間、現場(chǎng)設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。使用現場(chǎng)總線(xiàn)，不僅能使設備終處于用戶(hù)的監視和控制狀態(tài)，真正實(shí)現集成系統的價(jià)值，還能使用戶(hù)和集成商在不同品牌設備中自由選擇，通過(guò)使用智能儀表，簡(jiǎn)化集成系統的控制和運算處理。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有兩個(gè)發(fā)展趨勢：一是尋求統一標準；一是發(fā)展工業(yè)以太網(wǎng)。

1999年12月國際標準組織經(jīng)過(guò)十多年努力，最終通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)標準，可惜它包括8種類(lèi)型現場(chǎng)總線(xiàn),它們是：（1）Type 1 IEC61158技術(shù)規范；（2）Type 2 Contro1Net 現場(chǎng)總線(xiàn)；（3）Type 3 Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)；（4）Type 4 P_Net現場(chǎng)總線(xiàn) ；（5）Type 5 FF HSE（High Speed Ether-net）；（6）Type 6 SwiftNet現場(chǎng)總線(xiàn)；（7）Type 7 WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)；（8）Type 8 Interbus現場(chǎng)總線(xiàn)。此后，被并列入標準的愈來(lái)愈多，8+3；8+7；8+11，目前已超過(guò)8+17。很多重要企業(yè)都力圖開(kāi)發(fā)接口技術(shù)，使自己的總線(xiàn)能和其他總線(xiàn)相連，在國際標準中也出現了追求共存的動(dòng)向；

統一、開(kāi)放的以太網(wǎng)是發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò )技術(shù) ，過(guò)去一直認為以太網(wǎng)是為IT領(lǐng)域應用而開(kāi)發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡(luò )在實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應性、總線(xiàn)饋電等方面的要求存在差距，在工業(yè)自動(dòng)化中只能有限應用。事實(shí)上，這些問(wèn)題正在迅速得到解決，EPA技術(shù)（Ethernet for Process Automation）已在國內外得到廣泛應用，隨著(zhù)FF HSE和PROFInet等新型總線(xiàn)的成功開(kāi)發(fā)和推廣應用，以太網(wǎng)正在迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系統的各級網(wǎng)絡(luò )。

5.1.4　TCP/IP通信

網(wǎng)絡(luò )通信的基本結構是七層OSI開(kāi)放系統互聯(lián)參考模型。而以太網(wǎng)是目前最流行的網(wǎng)絡(luò )標準之一，具有傳播速率高、網(wǎng)絡(luò )資源豐富、系統功能強、安裝簡(jiǎn)單和使用維護方便等很多優(yōu)點(diǎn)?；谝蕴W(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、Macintosh計算機、大型機以及用于連接客戶(hù)機和主機的網(wǎng)絡(luò )設備上都可以使用TCP/IP。在信息化系統和工業(yè)自動(dòng)化系統集成中，TCP/IP有非常廣泛的應用。

TCP/IP是一個(gè)協(xié)議族，它的核心協(xié)議主要有傳輸控制協(xié)議（TCP）、用戶(hù)數據報協(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(jià)的部分為IP，另外一個(gè)兼容的協(xié)議層為傳輸層，TCP和UDP都運行在這一層。OSI模型的高層與TCP/IP的應用層協(xié)議是對應的。對主要協(xié)議起補充作用的協(xié)議有五個(gè)，它們是通過(guò)TCP/IP提供的五個(gè)應用服務(wù)：文件傳輸協(xié)議（FTP）、遠程登錄協(xié)議（TELNET）、 簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議（SMTP）、域名服務(wù)（DNS）、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議（SNMP）和遠程網(wǎng)絡(luò )監測（RMON）等。

TCP/IP地址是網(wǎng)絡(luò )設備和主機的標識，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)系又有區別。MAC地址是設備的物理地址，位于OSI參考模型的第2層，全網(wǎng)唯一標識，無(wú)級地址結構（一維地址空間），固化在硬件中，尋址能力僅限在一個(gè)物理子網(wǎng)中。IP地址是設備的邏輯地址，位于OSI參考模型的第3層，全網(wǎng)唯一標識，分級地址結構（多維地址空間），由軟件設定，具有很大的靈活性，可在全網(wǎng)范圍內尋址。

5.1.5　分布組件和服務(wù)

實(shí)施企業(yè)信息系統集成時(shí)，需建立不同應用之間的接口，以實(shí)現應用系統間的互聯(lián)互通互操作。信息系統接口要能適應和屏蔽異構網(wǎng)絡(luò )、異構數據庫和信息格式，也要支持標準化和提供開(kāi)放性，并特別要求在軟件能直接體現標準和開(kāi)放的特性?；谶@些要求，分布組件和服務(wù)應運而生。組件和服務(wù)分別應用在不同的場(chǎng)合，區別是用系統間的耦合程度不同：組件通常用于企業(yè)內的緊密集成，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)的應用場(chǎng)合

組件集成是一種同步集成方式，可實(shí)現應用間緊密的配合。在組件集成方式，通過(guò)使用公共對象請求代理程序結構體系CORBA、組件對象模型COM等組件，能實(shí)現跨語(yǔ)言、進(jìn)程和計算機間的遠程過(guò)程調用，從而構建起企業(yè)內分布式計算環(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(lèi)似MSMQ、MQSeries等消息中間件實(shí)現互操作；在基于WebService的集成中，通過(guò)SOAP消息交換協(xié)議來(lái)實(shí)現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)集成結構，因此它更適合于實(shí)現企業(yè)間的應用的集成。

除前述常見(jiàn)的接口形式外，還有一些不太常見(jiàn)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。載波通信是傳統電力系統遠程調度的通信方式，它將電力線(xiàn)和信號線(xiàn)合二為一,以電力線(xiàn)為物理媒介，通過(guò)載波方式將模擬或數字信號進(jìn)行高速傳輸。載波通信的最大特點(diǎn)是無(wú)須單獨布線(xiàn)，只要有電力線(xiàn)，就能進(jìn)行數據傳遞。HART是由艾默生提出的一個(gè)總線(xiàn)標準，主要特征是在4~20毫安電流信號上面疊加數字信號。HART通信速率低、組網(wǎng)困難，協(xié)議也還未完全開(kāi)放。在企業(yè)信息系統集成領(lǐng)域，體現智能時(shí)代特征的云計算、大數據等應用形式也在快速發(fā)展，后續，隨著(zhù)云接口、特別是應用編程接口技術(shù)標準的統一，和云計算服務(wù)的安全性增強，信息系統集成會(huì )呈現出更新形式。

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（電自工業(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7月刊