发电厂监测系统通信协议分析

1、发电厂监测系统通信协议分析（朱慧 王薇 青岛科技大学）摘要系统面向现场设备，要求能够及时可靠地传输现场过程信息和操作管理信息。智能前端与智能前端、智能前端与控制站之间要进行频繁的通信；其通信应该具有快速性、实时响应能力和高可靠性的特点，因此必须采用实时性好、可靠性高的通信协议。关键词：智能前端，实时性，可靠性引言OSI网络体系结构七层协议和服务，应用在某些通信要求高可靠性的场合。可是对于工业通信网络，标准的OSI七层协议满足不了实时控制的要求。通信层数越多，一方面，有效数据打包、解包的次数就越多，就要花费较多的时间进行数据的打包解包；另一方面，经过多层打包的帧变得更长，传输过长的帧花费的时间也

2、越长，以致于有效数据传输率下降而影响实时性的提高24。因此，针对发电厂数据通信系统对快速实时响应能力的要求，本通信系统只实现ISO-OSI参考模型的第一层（物理层）、第二层（数据链路层）和第七层（应用层），使数据在网络流动中尽量减少中间环节，加快数据传输速度，提高网络通信及数据处理的实时性。CAN、PROFIBUS，HART协议就属于此类。本系统即采用了三层通信协议模型，即物理层、数据链路层、应用层。如图1所示。 操作员站 智能前端应用层应用层数据链路层数据链路层 物理层 物理层图1 系统通信协议模型其中，物理层考虑传输媒体的机械特性、电气特性和各种功能特性；数据链路层的主要内容是规定逻辑链路

3、管理方式、错误校验方式、超时处理等；应用层则面向用户定义了信息的封装和解析格式。1. 系统通信协议模型1.1物理层物理层采用RS-485串行通信标准。RS-485以平衡输出、差动输入方式传输数据，信息传输介质采用屏蔽双绞线，具有较高的传输速率(最高可达10Mbps)以及较强的抗共模干扰能力。RS-485总线允许多达32个终端连接在一段总线上。总线的传输速率和传输距离以及传输介质有关，对于通信速率为1.25MBPS时，通信距离应该小于500m，采用截面为0.50.77mm2的聚乙烯屏蔽双绞线；对于通信速率为312.5KBPS时，通信距离小于1200m，采用截面为0.751.0mm2聚乙烯屏蔽双绞

4、线。RS-485既支持异步传输，也支持同步传输。本系统采用了半双工异步进行传输，每个字符包括11个字符，1位起始位，9位数据位，1位停止位。1. 2数据链路层1.2.1 差错检验 在传输线路中，不可避免地存在噪声，这些噪声可能使传输的数据出错，必需采取一定的检验措施，并纠正错误。有几种方法可以检验错误，并可以纠正。第一种是将数据发送几次，在接收端进行多数表决。第二种是接收端收到数据以后，再传回发送端，如果传回的数据与发送的数据相同，则认为传输正确。第三种是对传输的数据进行抗干扰编码，即在信息数据上增加冗余位，发现差错或自动纠正差错。根据是否在接受端纠正错误，又可采用两种策略：一种是在接收端让每

5、块数据包含足够的冗余信息，以便在接受端进行错误纠正，即采用纠错码；另一种是在接受端只能检测传送的数据包是否出现错误，当发现数据包有错时，则通过请求发送端重发数据达到无错传输数据的目的，即采用错误码加重传。三种方法中，由于前两种方法开销太大，本设计采用了第三种方法的第二种策略。主站在接收端验错，如发现错误，要求智能前端重发数据；智能前端也在接收端检验接收帧，如发现错误将此次接收的数据扔掉，要求重发数据。检错码采用循环冗余码(CRC)。1.2.2 超时处理 主站采用超时重发。主站发出一数据帧时，即启动一个定时器，定时器到所设定的时间值时清零。在这个时间间隔内，要保证一帧到达从站并作相应处理后，从站

6、的应答帧能返回主站。正常情况下，在定时器中止计时前，帧被从站正确接收，并返回应答帧，定时器清为零。如果所传出的帧或响应帧被丢失，则定时器发出超时信号，主站则重发此帧，若重发次数达到最大重发次数，主站则报告通信出错。对于从站，当一帧尚未接收完毕，而后续字节超过规定时间仍未到达，则判断通信出错。出错则丢弃本帧，复位工作区，准备下一次通信。1.2.3 逻辑链路管理方式 逻辑链路管理方式负责总线使用权的分配与管理。为保证网络通信的实时性，总线使用权的分配与管理需要满足三个时间约束条件。(1)应保证在某一固定的时间周期内，网络上的每个站至少有一次机会取得通信权，以防个别站因长时间得不到通信权而使实时性降

7、低，甚至丧失。(2)应当限制网上各站取得通信权占用局网的时间值，如果超过时间值，无论本次通信是否完成，均应立即释放通信权。这样可以防止某一通信站长期占用网络而导致其它各站实时性普遍恶化。 (3)对于实时性要求比较高的站，应使其获得通信权的机会比其它站多一些，即可用静态(固定)通信方式赋予某些站较高的通信优先权。在主从式总线网络中，对总线使用权的分配与管理采用网络查询的方式。要发送数据的站首先发送一个“抢线同步”信号，申请总线，若总线空闲，则占用总线，否则，继续查询。如果两个站同时申请总线，则由主站根据优先权的高低，来决定谁将获得总线。为了避免某一通信站长期占用网络而导致其它站的通信无法进行，用

8、硬件定时复位来完成。这样，就同时满足了通信实时性与可靠性。1.2.4 数据通信报文服务 数据通信报文服务的基本类型有4种：确认、请求/响应、重复/非确认重复和非确认4种。(1) 确认 发送者发送一报文，并等待来自接收者的确认。有收到来自目的站的确认消息，并且超过发送者预定时间，发送者则重新发送该报文，重发次数和超时时间可选。(2) 请求/响应 报文服务的双方以请求和响应的方式进行。(3) 重复/非确认重复 一个站点的报文在不要求得到确认或者得不到确认并且超过一定的限时，重复发送给另一个或一组站点。(4) 非确认 报文由一个站点发送给另一个或者一组站点，且仅仅发送一次，也不期望确认或响应。由于本

9、系统强调通信的可靠性，而确认具有较高的可靠性，因此数据通信报文服务采用了确认方式。1.2.5 数据链路层数据帧格式 数据链路层数据帧包括五个域：同步字、控制信息、地址信息、数据、校验和。为了在通信网上尽量减少一些“辅助数据”的传输，增加“有效数据”的传输，数据帧结构中数据域的长度为0255个字节。在此，明确一下“有效数据”和“辅助数据”的概念。所谓“有效数据”是指两个用户进程之间真正需要交换的数据。凡不属于有效数据的其它数据一律称为“辅助数据”。辅助数据用来确保通信的正确进行。例如正式通信前的呼叫与应答、通信过程中的应答、数据的差错校验、对有效数据的帧格式包装以及填充字符的加入都属于辅助数据。

10、表1帧格式域同步字地址信息控制信息数据校验和 字节数1 1202552注：(1) 同步字通知接收端准备通信。同步字用“FF”表示。(2) 当地址信息为00H时，表示广播信息。(3) 控制信息域包括消息类型和帧长度两个子域。1.3.应用层协议数据链路层中的消息类型指明了一帧中来自应用层的数据类型：数据扫描、模拟量通道模式设置、前端地址设置。应用层协议的任务一方面是对将要发送的数据进行分类、解释、合并，并确定发送对象，然后根据数据链路层协议规范填写各个信息帧。另一方面是解释接收到的数据的具体含义并对其进行相应的处理。下面分别介绍对应于每种消息类型的应用层数据类型的封装和解析格式。(1)数据扫描 在

11、数据扫描中，应用层数据包可以封装一个或几个数据段，表2(a) 数据扫描请求帧数据段格式字节1字节2字节3标识每次必须扫描的通道跳过扫描的通道数 每个数据段的格式如表3-3所示。表2(b)数据扫描应答帧数据段格式字节1字节2字节3字节4-N标识每次必须扫描的通道跳过扫描的通道数数据(2)通道模式设置 用来设定各类模拟量输入通道的工作模式。表3 模入通道模式设置数据段格式字节1字节2字节3字节4字节5待设定的通道模式代码电压量程函数运算越限比较(3)前端地址设置 将编号为m的前端地址设为n。表4 前端地址设置数据段格式字节1字节2 待设定地址前端编号2结束语文章从通信的实时性和可靠性出发，介绍了发

12、电厂数据监测系统所采用的通信协议的设计与实现。本系统采用三层通信协议模型：应用层、数据链路层、物理层。物理层采用RS-485总线标准。数据链路层的逻辑链路管理采用查询并结合硬件超时复位方式，一方面保证了通信的可靠性，同时也满足了通信的实时性。应用层则直接面向用户，完成信息的封装与解析。参考文献1 陈晓.热电站的冗余控制系统.机电技术.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