發(fā)電廠監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議分析

1、發(fā)電廠監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議分析（朱慧 王薇 青島科技大學）摘要系統(tǒng)面向現(xiàn)場設備，要求能夠及時可靠地傳輸現(xiàn)場過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行頻繁的通信；其通信應該具有快速性、實時響應能力和高可靠性的特點，因此必須采用實時性好、可靠性高的通信協(xié)議。關鍵詞：智能前端，實時性，可靠性引言OSI網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)七層協(xié)議和服務，應用在某些通信要求高可靠性的場合。可是對于工業(yè)通信網(wǎng)絡，標準的OSI七層協(xié)議滿足不了實時控制的要求。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，就要花費較多的時間進行數(shù)據(jù)的打包解包；另一方面，經(jīng)過多層打包的幀變得更長，傳輸過長的幀花費的時間也

2、越長，以致于有效數(shù)據(jù)傳輸率下降而影響實時性的提高24。因此，針對發(fā)電廠數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)對快速實時響應能力的要求，本通信系統(tǒng)只實現(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（應用層），使數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡流動中盡量減少中間環(huán)節(jié)，加快數(shù)據(jù)傳輸速度，提高網(wǎng)絡通信及數(shù)據(jù)處理的實時性。CAN、PROFIBUS，HART協(xié)議就屬于此類。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、應用層。如圖1所示。 操作員站 智能前端應用層應用層數(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、錯誤校驗方式、超時處理等；應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串行通信標準。RS-485以平衡輸出、差動輸入方式傳輸數(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10Mbps)以及較強的抗共模干擾能力。RS-485總線允許多達32個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，對于通信速率為1.25MBPS時，通信距離應該小于500m，采用截面為0.50.77mm2的聚乙烯屏蔽雙絞線；對于通信速率為312.5KBPS時，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行傳輸，每個字符包括11個字符，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 差錯檢驗 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，必需采取一定的檢驗措施，并糾正錯誤。有幾種方法可以檢驗錯誤，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，則認為傳輸正確。第三種是對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行抗干擾編碼，即在信息數(shù)據(jù)上增加冗余位，發(fā)現(xiàn)差錯或自動糾正差錯。根據(jù)是否在接受端糾正錯誤，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，以便在接受端進行錯誤糾正，即采用糾錯碼；另一種是在接受端只能檢測傳送的數(shù)據(jù)包是否出現(xiàn)錯誤，當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包有錯時，則通過請求發(fā)送端重發(fā)數(shù)據(jù)達到無錯傳輸數(shù)據(jù)的目的，即采用錯誤碼加重傳。三種方法中，由于前兩種方法開銷太大，本設計采用了第三種方法的第二種策略。主站在接收端驗錯，如發(fā)現(xiàn)錯誤，要求智能前端重發(fā)數(shù)據(jù)；智能前端也在接收端檢驗接收幀，如發(fā)現(xiàn)錯誤將此次接收的數(shù)據(jù)扔掉，要求重發(fā)數(shù)據(jù)。檢錯碼采用循環(huán)冗余碼(CRC)。1.2.2 超時處理 主站采用超時重發(fā)。主站發(fā)出一數(shù)據(jù)幀時，即啟動一個定時器，定時器到所設定的時間值時清零。在這個時間間隔內(nèi)，要保證一幀到達從站并作相應處理后，從站

6、的應答幀能返回主站。正常情況下，在定時器中止計時前，幀被從站正確接收，并返回應答幀，定時器清為零。如果所傳出的幀或響應幀被丟失，則定時器發(fā)出超時信號，主站則重發(fā)此幀，若重發(fā)次數(shù)達到最大重發(fā)次數(shù)，主站則報告通信出錯。對于從站，當一幀尚未接收完畢，而后續(xù)字節(jié)超過規(guī)定時間仍未到達，則判斷通信出錯。出錯則丟棄本幀，復位工作區(qū)，準備下一次通信。1.2.3 邏輯鏈路管理方式 邏輯鏈路管理方式負責總線使用權(quán)的分配與管理。為保證網(wǎng)絡通信的實時性，總線使用權(quán)的分配與管理需要滿足三個時間約束條件。(1)應保證在某一固定的時間周期內(nèi)，網(wǎng)絡上的每個站至少有一次機會取得通信權(quán)，以防個別站因長時間得不到通信權(quán)而使實時性降

7、低，甚至喪失。(2)應當限制網(wǎng)上各站取得通信權(quán)占用局網(wǎng)的時間值，如果超過時間值，無論本次通信是否完成，均應立即釋放通信權(quán)。這樣可以防止某一通信站長期占用網(wǎng)絡而導致其它各站實時性普遍惡化。 (3)對于實時性要求比較高的站，應使其獲得通信權(quán)的機會比其它站多一些，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)絡中，對總線使用權(quán)的分配與管理采用網(wǎng)絡查詢的方式。要發(fā)送數(shù)據(jù)的站首先發(fā)送一個“搶線同步”信號，申請總線，若總線空閑，則占用總線，否則，繼續(xù)查詢。如果兩個站同時申請總線，則由主站根據(jù)優(yōu)先權(quán)的高低，來決定誰將獲得總線。為了避免某一通信站長期占用網(wǎng)絡而導致其它站的通信無法進行，用

8、硬件定時復位來完成。這樣，就同時滿足了通信實時性與可靠性。1.2.4 數(shù)據(jù)通信報文服務 數(shù)據(jù)通信報文服務的基本類型有4種：確認、請求/響應、重復/非確認重復和非確認4種。(1) 確認 發(fā)送者發(fā)送一報文，并等待來自接收者的確認。有收到來自目的站的確認消息，并且超過發(fā)送者預定時間，發(fā)送者則重新發(fā)送該報文，重發(fā)次數(shù)和超時時間可選。(2) 請求/響應 報文服務的雙方以請求和響應的方式進行。(3) 重復/非確認重復 一個站點的報文在不要求得到確認或者得不到確認并且超過一定的限時，重復發(fā)送給另一個或一組站點。(4) 非確認 報文由一個站點發(fā)送給另一個或者一組站點，且僅僅發(fā)送一次，也不期望確認或響應。由于本

9、系統(tǒng)強調(diào)通信的可靠性，而確認具有較高的可靠性，因此數(shù)據(jù)通信報文服務采用了確認方式。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)幀包括五個域：同步字、控制信息、地址信息、數(shù)據(jù)、校驗和。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)域的長度為0255個字節(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)”是指兩個用戶進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)一律稱為“輔助數(shù)據(jù)”。輔助數(shù)據(jù)用來確保通信的正確進行。例如正式通信前的呼叫與應答、通信過程中的應答、數(shù)據(jù)的差錯校驗、對有效數(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)校驗和 字節(jié)數(shù)1 1202552注：(1) 同步字通知接收端準備通信。同步字用“FF”表示。(2) 當?shù)刂沸畔?0H時，表示廣播信息。(3) 控制信息域包括消息類型和幀長度兩個子域。1.3.應用層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層中的消息類型指明了一幀中來自應用層的數(shù)據(jù)類型：數(shù)據(jù)掃描、模擬量通道模式設置、前端地址設置。應用層協(xié)議的任務一方面是對將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行分類、解釋、合并，并確定發(fā)送對象，然后根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范填寫各個信息幀。另一方面是解釋接收到的數(shù)據(jù)的具體含義并對其進行相應的處理。下面分別介紹對應于每種消息類型的應用層數(shù)據(jù)類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，應用層數(shù)據(jù)包可以封裝一個或幾個數(shù)據(jù)段，表2(a) 數(shù)據(jù)掃描請求幀數(shù)據(jù)段格式字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)3標識每次必須掃描的通道跳過掃描的通道數(shù) 每個數(shù)據(jù)段的格式如表3-3所示。表2(b)數(shù)據(jù)掃描應答幀數(shù)據(jù)段格式字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)3字節(jié)4-N標識每次必須掃描的通道跳過掃描的通道數(shù)數(shù)據(jù)(2)通道模式設置 用來設定各類模擬量輸入通道的工作模式。表3 模入通道模式設置數(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待設定的通道模式代碼電壓量程函數(shù)運算越限比較(3)前端地址設置 將編號為m的前端地址設為n。表4 前端地址設置數(shù)據(jù)段格式字節(jié)1字節(jié)2 待設定地址前端編號2結(jié)束語文章從通信的實時性和可靠性出發(fā)，介紹了發(fā)

12、電廠數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)所采用的通信協(xié)議的設計與實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用三層通信協(xié)議模型：應用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。物理層采用RS-485總線標準。數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯鏈路管理采用查詢并結(jié)合硬件超時復位方式，一方面保證了通信的可靠性，同時也滿足了通信的實時性。應用層則直接面向用戶，完成信息的封裝與解析。參考文獻1 陳曉.熱電站的冗余控制系統(tǒng).機電技術.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