發(fā)電廠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議分析

1、發(fā)電廠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議分析（朱慧 王薇 青島科技大學(xué)）摘要系統(tǒng)面向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，要求能夠及時(shí)可靠地傳輸現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程信息和操作管理信息。智能前端與智能前端、智能前端與控制站之間要進(jìn)行頻繁的通信；其通信應(yīng)該具有快速性、實(shí)時(shí)響應(yīng)能力和高可靠性的特點(diǎn)，因此必須采用實(shí)時(shí)性好、可靠性高的通信協(xié)議。關(guān)鍵詞：智能前端，實(shí)時(shí)性，可靠性引言O(shè)SI網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)七層協(xié)議和服務(wù)，應(yīng)用在某些通信要求高可靠性的場(chǎng)合?？墒菍?duì)于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)準(zhǔn)的OSI七層協(xié)議滿足不了實(shí)時(shí)控制的要求。通信層數(shù)越多，一方面，有效數(shù)據(jù)打包、解包的次數(shù)就越多，就要花費(fèi)較多的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的打包解包；另一方面，經(jīng)過(guò)多層打包的幀變得更長(zhǎng)，傳輸過(guò)長(zhǎng)的幀花費(fèi)的時(shí)間也

2、越長(zhǎng)，以致于有效數(shù)據(jù)傳輸率下降而影響實(shí)時(shí)性的提高24。因此，針對(duì)發(fā)電廠數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)對(duì)快速實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的要求，本通信系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)ISO-OSI參考模型的第一層（物理層）、第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和第七層（應(yīng)用層），使數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)中盡量減少中間環(huán)節(jié)，加快數(shù)據(jù)傳輸速度，提高網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。CAN、PROFIBUS，HART協(xié)議就屬于此類(lèi)。本系統(tǒng)即采用了三層通信協(xié)議模型，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。如圖1所示。 操作員站 智能前端應(yīng)用層應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 物理層圖1 系統(tǒng)通信協(xié)議模型其中，物理層考慮傳輸媒體的機(jī)械特性、電氣特性和各種功能特性；數(shù)據(jù)鏈路層的主要內(nèi)容是規(guī)定邏輯鏈路

3、管理方式、錯(cuò)誤校驗(yàn)方式、超時(shí)處理等；應(yīng)用層則面向用戶定義了信息的封裝和解析格式。1. 系統(tǒng)通信協(xié)議模型1.1物理層物理層采用RS-485串行通信標(biāo)準(zhǔn)。RS-485以平衡輸出、差動(dòng)輸入方式傳輸數(shù)據(jù)，信息傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線，具有較高的傳輸速率(最高可達(dá)10Mbps)以及較強(qiáng)的抗共模干擾能力。RS-485總線允許多達(dá)32個(gè)終端連接在一段總線上?？偩€的傳輸速率和傳輸距離以及傳輸介質(zhì)有關(guān)，對(duì)于通信速率為1.25MBPS時(shí)，通信距離應(yīng)該小于500m，采用截面為0.50.77mm2的聚乙烯屏蔽雙絞線；對(duì)于通信速率為312.5KBPS時(shí)，通信距離小于1200m，采用截面為0.751.0mm2聚乙烯屏蔽雙絞

4、線。RS-485既支持異步傳輸，也支持同步傳輸。本系統(tǒng)采用了半雙工異步進(jìn)行傳輸，每個(gè)字符包括11個(gè)字符，1位起始位，9位數(shù)據(jù)位，1位停止位。1. 2數(shù)據(jù)鏈路層1.2.1 差錯(cuò)檢驗(yàn) 在傳輸線路中，不可避免地存在噪聲，這些噪聲可能使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯(cuò)，必需采取一定的檢驗(yàn)措施，并糾正錯(cuò)誤。有幾種方法可以檢驗(yàn)錯(cuò)誤，并可以糾正。第一種是將數(shù)據(jù)發(fā)送幾次，在接收端進(jìn)行多數(shù)表決。第二種是接收端收到數(shù)據(jù)以后，再傳回發(fā)送端，如果傳回的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，則認(rèn)為傳輸正確。第三種是對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾編碼，即在信息數(shù)據(jù)上增加冗余位，發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)或自動(dòng)糾正差錯(cuò)。根據(jù)是否在接受端糾正錯(cuò)誤，又可采用兩種策略：一種是在接收端讓每

5、塊數(shù)據(jù)包含足夠的冗余信息，以便在接受端進(jìn)行錯(cuò)誤糾正，即采用糾錯(cuò)碼；另一種是在接受端只能檢測(cè)傳送的數(shù)據(jù)包是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包有錯(cuò)時(shí)，則通過(guò)請(qǐng)求發(fā)送端重發(fā)數(shù)據(jù)達(dá)到無(wú)錯(cuò)傳輸數(shù)據(jù)的目的，即采用錯(cuò)誤碼加重傳。三種方法中，由于前兩種方法開(kāi)銷(xiāo)太大，本設(shè)計(jì)采用了第三種方法的第二種策略。主站在接收端驗(yàn)錯(cuò)，如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，要求智能前端重發(fā)數(shù)據(jù)；智能前端也在接收端檢驗(yàn)接收幀，如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤將此次接收的數(shù)據(jù)扔掉，要求重發(fā)數(shù)據(jù)。檢錯(cuò)碼采用循環(huán)冗余碼(CRC)。1.2.2 超時(shí)處理 主站采用超時(shí)重發(fā)。主站發(fā)出一數(shù)據(jù)幀時(shí)，即啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器到所設(shè)定的時(shí)間值時(shí)清零。在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，要保證一幀到達(dá)從站并作相應(yīng)處理后，從站

6、的應(yīng)答幀能返回主站。正常情況下，在定時(shí)器中止計(jì)時(shí)前，幀被從站正確接收，并返回應(yīng)答幀，定時(shí)器清為零。如果所傳出的幀或響應(yīng)幀被丟失，則定時(shí)器發(fā)出超時(shí)信號(hào)，主站則重發(fā)此幀，若重發(fā)次數(shù)達(dá)到最大重發(fā)次數(shù)，主站則報(bào)告通信出錯(cuò)。對(duì)于從站，當(dāng)一幀尚未接收完畢，而后續(xù)字節(jié)超過(guò)規(guī)定時(shí)間仍未到達(dá)，則判斷通信出錯(cuò)。出錯(cuò)則丟棄本幀，復(fù)位工作區(qū)，準(zhǔn)備下一次通信。1.2.3 邏輯鏈路管理方式 邏輯鏈路管理方式負(fù)責(zé)總線使用權(quán)的分配與管理。為保證網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性，總線使用權(quán)的分配與管理需要滿足三個(gè)時(shí)間約束條件。(1)應(yīng)保證在某一固定的時(shí)間周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)站至少有一次機(jī)會(huì)取得通信權(quán)，以防個(gè)別站因長(zhǎng)時(shí)間得不到通信權(quán)而使實(shí)時(shí)性降

7、低，甚至喪失。(2)應(yīng)當(dāng)限制網(wǎng)上各站取得通信權(quán)占用局網(wǎng)的時(shí)間值，如果超過(guò)時(shí)間值，無(wú)論本次通信是否完成，均應(yīng)立即釋放通信權(quán)。這樣可以防止某一通信站長(zhǎng)期占用網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致其它各站實(shí)時(shí)性普遍惡化。 (3)對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的站，應(yīng)使其獲得通信權(quán)的機(jī)會(huì)比其它站多一些，即可用靜態(tài)(固定)通信方式賦予某些站較高的通信優(yōu)先權(quán)。在主從式總線網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)總線使用權(quán)的分配與管理采用網(wǎng)絡(luò)查詢的方式。要發(fā)送數(shù)據(jù)的站首先發(fā)送一個(gè)“搶線同步”信號(hào)，申請(qǐng)總線，若總線空閑，則占用總線，否則，繼續(xù)查詢。如果兩個(gè)站同時(shí)申請(qǐng)總線，則由主站根據(jù)優(yōu)先權(quán)的高低，來(lái)決定誰(shuí)將獲得總線。為了避免某一通信站長(zhǎng)期占用網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致其它站的通信無(wú)法進(jìn)行，用

8、硬件定時(shí)復(fù)位來(lái)完成。這樣，就同時(shí)滿足了通信實(shí)時(shí)性與可靠性。1.2.4 數(shù)據(jù)通信報(bào)文服務(wù) 數(shù)據(jù)通信報(bào)文服務(wù)的基本類(lèi)型有4種：確認(rèn)、請(qǐng)求/響應(yīng)、重復(fù)/非確認(rèn)重復(fù)和非確認(rèn)4種。(1) 確認(rèn) 發(fā)送者發(fā)送一報(bào)文，并等待來(lái)自接收者的確認(rèn)。有收到來(lái)自目的站的確認(rèn)消息，并且超過(guò)發(fā)送者預(yù)定時(shí)間，發(fā)送者則重新發(fā)送該報(bào)文，重發(fā)次數(shù)和超時(shí)時(shí)間可選。(2) 請(qǐng)求/響應(yīng) 報(bào)文服務(wù)的雙方以請(qǐng)求和響應(yīng)的方式進(jìn)行。(3) 重復(fù)/非確認(rèn)重復(fù) 一個(gè)站點(diǎn)的報(bào)文在不要求得到確認(rèn)或者得不到確認(rèn)并且超過(guò)一定的限時(shí)，重復(fù)發(fā)送給另一個(gè)或一組站點(diǎn)。(4) 非確認(rèn) 報(bào)文由一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送給另一個(gè)或者一組站點(diǎn)，且僅僅發(fā)送一次，也不期望確認(rèn)或響應(yīng)。由于本

9、系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)通信的可靠性，而確認(rèn)具有較高的可靠性，因此數(shù)據(jù)通信報(bào)文服務(wù)采用了確認(rèn)方式。1.2.5 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀格式 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀包括五個(gè)域：同步字、控制信息、地址信息、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和。為了在通信網(wǎng)上盡量減少一些“輔助數(shù)據(jù)”的傳輸，增加“有效數(shù)據(jù)”的傳輸，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度為0255個(gè)字節(jié)。在此，明確一下“有效數(shù)據(jù)”和“輔助數(shù)據(jù)”的概念。所謂“有效數(shù)據(jù)”是指兩個(gè)用戶進(jìn)程之間真正需要交換的數(shù)據(jù)。凡不屬于有效數(shù)據(jù)的其它數(shù)據(jù)一律稱(chēng)為“輔助數(shù)據(jù)”。輔助數(shù)據(jù)用來(lái)確保通信的正確進(jìn)行。例如正式通信前的呼叫與應(yīng)答、通信過(guò)程中的應(yīng)答、數(shù)據(jù)的差錯(cuò)校驗(yàn)、對(duì)有效數(shù)據(jù)的幀格式包裝以及填充字符的加入都屬于輔助數(shù)據(jù)。

10、表1幀格式域同步字地址信息控制信息數(shù)據(jù)校驗(yàn)和 字節(jié)數(shù)1 1202552注：(1) 同步字通知接收端準(zhǔn)備通信。同步字用“FF”表示。(2) 當(dāng)?shù)刂沸畔?0H時(shí)，表示廣播信息。(3) 控制信息域包括消息類(lèi)型和幀長(zhǎng)度兩個(gè)子域。1.3.應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層中的消息類(lèi)型指明了一幀中來(lái)自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)類(lèi)型：數(shù)據(jù)掃描、模擬量通道模式設(shè)置、前端地址設(shè)置。應(yīng)用層協(xié)議的任務(wù)一方面是對(duì)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、解釋、合并，并確定發(fā)送對(duì)象，然后根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范填寫(xiě)各個(gè)信息幀。另一方面是解釋接收到的數(shù)據(jù)的具體含義并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。下面分別介紹對(duì)應(yīng)于每種消息類(lèi)型的應(yīng)用層數(shù)據(jù)類(lèi)型的封裝和解析格式。(1)數(shù)據(jù)掃描 在

11、數(shù)據(jù)掃描中，應(yīng)用層數(shù)據(jù)包可以封裝一個(gè)或幾個(gè)數(shù)據(jù)段，表2(a) 數(shù)據(jù)掃描請(qǐng)求幀數(shù)據(jù)段格式字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)3標(biāo)識(shí)每次必須掃描的通道跳過(guò)掃描的通道數(shù) 每個(gè)數(shù)據(jù)段的格式如表3-3所示。表2(b)數(shù)據(jù)掃描應(yīng)答幀數(shù)據(jù)段格式字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)3字節(jié)4-N標(biāo)識(shí)每次必須掃描的通道跳過(guò)掃描的通道數(shù)數(shù)據(jù)(2)通道模式設(shè)置 用來(lái)設(shè)定各類(lèi)模擬量輸入通道的工作模式。表3 模入通道模式設(shè)置數(shù)據(jù)段格式字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)3字節(jié)4字節(jié)5待設(shè)定的通道模式代碼電壓量程函數(shù)運(yùn)算越限比較(3)前端地址設(shè)置 將編號(hào)為m的前端地址設(shè)為n。表4 前端地址設(shè)置數(shù)據(jù)段格式字節(jié)1字節(jié)2 待設(shè)定地址前端編號(hào)2結(jié)束語(yǔ)文章從通信的實(shí)時(shí)性和可靠性出發(fā)，介紹了發(fā)

12、電廠數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用三層通信協(xié)議模型：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。物理層采用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯鏈路管理采用查詢并結(jié)合硬件超時(shí)復(fù)位方式，一方面保證了通信的可靠性，同時(shí)也滿足了通信的實(shí)時(shí)性。應(yīng)用層則直接面向用戶，完成信息的封裝與解析。參考文獻(xiàn)1 陳曉.熱電站的冗余控制系統(tǒng).機(jī)電技術(shù).2003,(1)：9112 kazunori Takahashi Msys Net Series Instrumentation Module for Network Integration-PC based Super DCS Will Handle Next Stage of Instrumention. 1997,(II):36393 Wang Shengtie. Intelligent Netwo