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城市軌道交通標準技術委員會魏曉東

中國電子信息產業集團有限公司第六研究所趙云飛

接口技術是系統集成的關鍵,在信息化集成系統內部，各子系統通過接口連接成一個整體、通過接口進行相互作用；在信息化集成系統邊界，各類接口設備與外部環境建立起聯系，感知和影響外部環境。本講討論的接口技術，重點針對工業信息化集成系統第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。將闡述與之相關的共性技術，分為接口形式、接口協議、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受限于應用環境和架構設計。接口必須滿足應用功能要求，如果它用在工業環境中，必須要達到工業應用要求的質量水平；此外，接口還要滿足許多架構原則，以實現靈活性和標準化。用在集成系統、特別是工業環境中的接口，通常須通用、成熟，符合工業標準。滿足條件的有兩種基本形式：硬接線接口和網絡通信接口。其中，硬接線是用標準電壓/電流來傳輸信號；網絡通信則還有多種形式，如串行通信、現場總線、TCP/IP通信、分布組件和服務接口等。

5.1.1　硬接線形式

硬接線是相對于通信方式而言的，是指使用電纜將信號端子點對點連接起來，通過該電纜電壓或電流變化來傳輸模擬量和數字量狀態和控制信號。硬接線方式信號傳輸反應快,幾乎不需要響應時間，而且與使用通信方式相對，采用純硬件會更加可靠。所以，對于信號品質要求非常高的場合都可以考慮使用硬接線形式。但使用硬接線時，一根電纜只能傳輸一個信號，當需要傳輸許多信號的時候，敷設的電纜就會非常多，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。安全級系統互聯常會使用硬接線，來傳輸一些重要的連鎖、報警和控制信號；硬接線也常被用作備用接口，實現安全級要求的備用手動控制功能。

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。從串行通信收發行為的同時性看，串行通信可分為三種傳輸方式：單工方式、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。

受線路質量、電磁干擾等因素影響，串行通信不可避免地會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，可視編碼條件進行適度糾錯，通常采用奇偶校驗來進行檢錯、采用重發的方式來進行糾錯，或采用循環冗余碼（CRC）來檢錯和自動糾錯。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、電纜或協議；USB是近幾年發展起來的新型接口標準，主要應用于高速數據傳輸領域；載波是一種傳統的通信方式，近年來也有所發展。

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，它采取點對點不平衡傳輸方式，即所謂單端通信，其發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接線可按三線方式（只連接收、發、地三根線），也可采用簡易接口方式（除連接收、發、地外，另增加一對握手信號DSR和DTR），或采用完全串口線方式（兩端設備的串口9線全接）。

RS-422接口：RS-422是一種單機發送、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，允許在一條平衡總線上連接多個接收器，支持點對多的雙向通信,支持掛接多臺設備組網等。RS-422四線接口采用單獨的發送和接收通道。接口各方間信號交換可按軟件方式（XON/XOFF握手）實現，也可以按硬件方式實現。用RS422總線接入多設備時，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、雙向通信能力，它采用平衡發送和差分接收機制，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可以采用二線與四線方式，二線制可實現真正的多點雙向通信；而在采用四線連接時，RS-485與RS-422一樣，只能實現點對多的通信，即只能有一個主設備，其余為從設備，但連接的設備數量有所增加。RS-485總線上的設備具有相同的通信協議，地址各不相同，不通信時所有設備均處于接收狀態，需要發送數據時串口翻轉為發送狀態，以此來避免沖突。

USB接口：USB全稱是Universal Serial Bus（通用串行總線），近年來被廣泛應用。自1994年發表USB V0.7，已經歷了六年的發展。USB接口的特點是：傳輸速率高、傳輸可靠；菊花鏈形式可同時掛接多個設備；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　現場總線

現場總線使得自控設備與系統步入了信息網絡的行列，使工業信息化集成系統朝著“智能化、數字化、信息化、網絡化、分散化”的方向進一步邁進，被譽為自動化領域的計算機局域網。

現場總線多采用一對多雙向傳輸信號，可在現場設備之間、現場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、多點通信，傳輸信號精度高、可靠。使用現場總線，不僅能使設備終處于用戶的監視和控制狀態，真正實現集成系統的價值，還能使用戶和集成商在不同品牌設備中自由選擇，通過使用智能儀表，簡化集成系統的控制和運算處理。

現場總線技術有兩個發展趨勢：一是尋求統一標準；一是發展工業以太網。

1999年12月國際標準組織經過十多年努力，最終通過現場總線標準，可惜它包括8種類型現場總線,它們是：（1）Type 1 IEC61158技術規范；（2）Type 2 Contro1Net 現場總線；（3）Type 3 Profibus現場總線；（4）Type 4 P_Net現場總線 ；（5）Type 5 FF HSE（High Speed Ether-net）；（6）Type 6 SwiftNet現場總線；（7）Type 7 WorldFIP現場總線；（8）Type 8 Interbus現場總線。此后，被并列入標準的愈來愈多，8+3；8+7；8+11，目前已超過8+17。很多重要企業都力圖開發接口技術，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標準中也出現了追求共存的動向；

統一、開放的以太網是發展最成功的網絡技術 ，過去一直認為以太網是為IT領域應用而開發的，它與工業網絡在實時性、環境適應性、總線饋電等方面的要求存在差距，在工業自動化中只能有限應用。事實上，這些問題正在迅速得到解決，EPA技術（Ethernet for Process Automation）已在國內外得到廣泛應用，隨著FF HSE和PROFInet等新型總線的成功開發和推廣應用，以太網正在迅速地進入工業控制系統的各級網絡。

5.1.4　TCP/IP通信

網絡通信的基本結構是七層OSI開放系統互聯參考模型。而以太網是目前最流行的網絡標準之一，具有傳播速率高、網絡資源豐富、系統功能強、安裝簡單和使用維護方便等很多優點。基于以太網的TCP/IP已被廣泛使用在全世界的網絡上,在PC、UNIX工作站、小型機、Macintosh計算機、大型機以及用于連接客戶機和主機的網絡設備上都可以使用TCP/IP。在信息化系統和工業自動化系統集成中，TCP/IP有非常廣泛的應用。

TCP/IP是一個協議族，它的核心協議主要有傳輸控制協議（TCP）、用戶數據報協議（UDP）和網際協議（IP）。在TCP/IP中，與OSI模型的網絡層等價的部分為IP，另外一個兼容的協議層為傳輸層，TCP和UDP都運行在這一層。OSI模型的高層與TCP/IP的應用層協議是對應的。對主要協議起補充作用的協議有五個，它們是通過TCP/IP提供的五個應用服務：文件傳輸協議（FTP）、遠程登錄協議（TELNET）、 簡單郵件傳輸協議（SMTP）、域名服務（DNS）、簡單網絡管理協議（SNMP）和遠程網絡監測（RMON）等。

TCP/IP地址是網絡設備和主機的標識，網絡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，全網唯一標識，無級地址結構（一維地址空間），固化在硬件中，尋址能力僅限在一個物理子網中。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，可在全網范圍內尋址。

5.1.5　分布組件和服務

實施企業信息系統集成時，需建立不同應用之間的接口，以實現應用系統間的互聯互通互操作。信息系統接口要能適應和屏蔽異構網絡、異構數據庫和信息格式，也要支持標準化和提供開放性，并特別要求在軟件能直接體現標準和開放的特性。基于這些要求，分布組件和服務應運而生。組件和服務分別應用在不同的場合，區別是用系統間的耦合程度不同：組件通常用于企業內的緊密集成，服務則用于企業間的松散集成。如圖1所示：

圖1 組件和服務的應用場合

組件集成是一種同步集成方式，可實現應用間緊密的配合。在組件集成方式，通過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，能實現跨語言、進程和計算機間的遠程過程調用，從而構建起企業內分布式計算環境。

基于服務的集成方式屬于異步方式，有基于消息的中間件服務和基于WebService等多種形式。在基于消息中間件服務的集成中，使用類似MSMQ、MQSeries等消息中間件實現互操作；在基于WebService的集成中，通過SOAP消息交換協議來實現Internet環境下的分布式計算。由于Web服務的方式具有良好的松散耦合服務集成結構，因此它更適合于實現企業間的應用的集成。

除前述常見的接口形式外，還有一些不太常見的、或新生的接口形式，如載波通信、HART網絡、云服務接口等。載波通信是傳統電力系統遠程調度的通信方式，它將電力線和信號線合二為一,以電力線為物理媒介，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸。載波通信的最大特點是無須單獨布線，只要有電力線，就能進行數據傳遞。HART是由艾默生提出的一個總線標準，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、組網困難，協議也還未完全開放。在企業信息系統集成領域，體現智能時代特征的云計算、大數據等應用形式也在快速發展，后續，隨著云接口、特別是應用編程接口技術標準的統一，和云計算服務的安全性增強，信息系統集成會呈現出更新形式。

作者簡介：

魏曉東，1967年畢業于天津大學精儀系。1984~1991年任安徽工業大學自動化系副教授。1991年出版《分散型控制系統》（ 上海科技文獻出版社） 。2000~2012年任北京和利時系統工程公司副總工、事業部總設計師，北京地鐵13號線、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線綜合監控系統工程技術總負責人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動化系統與技術》初版與第二版（電自工業出版社）；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量驗收規范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關于兩化融合的國家標準《工業企業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專家，住建部城市軌道交通標注技術網Eu委員會委員，全國自動化系統與集成標準技術委員會委員。

摘自《自動化博覽》2017年7月刊