（控制理论与控制工程专业论文）面向dcs的通用接口技术的应用与研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电力企业中由于不同生产单元采用异构d c s ( 分散控制系统) 而使企业生产过程 的全局信息难以集成与综合，阻碍了企业综合自动化实现。论文针对这一实际问题， 提出了建立面向异构d c s 控制系统的通用数据接口的解决方案。经研究发现国内外 众d c s 系统与外界通信时一般都支持m o d b u s 协议，d d e 协议、o p c 协议中的一种或 多种。论文对上述三种标准协议进行了详细地分析，并在v i s u a lc + + 6 0 程序开发 平台下进行了程序设计。文中给出了上述协议程序设计的难点和重点，程序经测试 能长期稳定的运行。 关键词：分散控制系统；数据接口；m o d b u s ；d d e ；o p c a b s t r a c t i ti st h ea d o p t i o no fi s o m e r o u sd c sf o ru n i t si nap o w e rs t a t i o nw h i c hm a k e st h e i n f o r m a t i o no fp r o d u c t i o np r o c e s sa saw h o l ei nae n t e r p r i s ec a nn o tb es y n t h e t i z e da n d i n t e g r a t e d w h i c hb l o c kt h ea l l a r o u n da u t o m a t i o nt or e a l i z ei nt h ee n t e r p r i s e i na l l u s i o n t op r o b l e m ，t h ep a p e rf o l l o w i n gp u tf o r w a r das o l u t i o ns c h e m eo fe s t a b l i s h i n gag e n e r a l d a t ai n t e r f a c ef a c i n gd c sc o n t r o ls y s t e m s u p p o r tt h em o d b u s 、d d e 、o p ca g r e e m e n t o n eo rm o r ed i s c o v e r i n gn u m e r o u sh o m ea n da b r o a dd c ss y s t e ma sar e s u l to fs t u d y i n g w h e nc o m m u n i c a t i n gw i t ht h ee x t e r n a lw o r l d t h et h e s i sa n a l y s e sa b o v e m e n t i o n e d t h r e ek i n d ss t a n d a r d sa g r e e m e n td e t a i l e d p r o g r a m m i n gu n d e rv i s u a lc + + 6 0 p r o c e d u r e d e v e l o pp l a t f o r m h a v eg i v e no u ta b o v e m e n t i o n e da g r e e m e n tp r o g r a m m i n gd i f f i c u l t p o i n ta n dp r i o r i t yi nc u l t u r e ，p r o c e d u r ew o r k sa sar e s u l to ft e s t i n gl o n g t e r ms t a b i l i t y y us h u x i n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f d a iy i j i a n g k e yw o r d s ：d c s ，d a t ai n t e r f a c e ，m o d b u s ，d d e ，o p c 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文面向d c s 的通用接口技术的应用与 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文申不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期：幽：兰：箩 ， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 企业综合自动化 第一章引言 在大中型企业中，随着生产过程规模的大型化，生产装置的复杂化，各生产环 节之间的相互衔接，紧密配合就显得越来越重要。生产过程中的原料、产品、能源 等的调度已成为影响企业经济效益的重要因素。同时由于生产规模的大型化、分工 的细致化、协作的紧密化等等因素的影响，企业的管理从生产过程的管理扩展到了 计划、财务、供应、销售、人事等一系列与经营有关的决策功能。因此，工业企业 自动化的概念已从单方面向生产过程拓展为面向整个企业从生产过程的控制、调度 到经营管理决策等多方面的信息综合处理。 企业综合自动化是企业在自动化方面的整体解决方案，它通过对企业的生产信 息和管理信息的综合分析与处理为企业的生产调度和经营决策提供依据，从而产生 最优的经济效益。当前计算机技术与网络通讯技术的发展使得企业综合自动化的实 现成为可能。企业综合自动化系统借助于计算机网络通讯技术，实现了企业内部各 检测点信号到装置运行工况，生产流程的协调，各生产车间的调度，企业的经营管 理以及从企业到市场的信息的集成，一直到企业的优化决策，整个系统是一种由下 至上的的层次结构。如下图所示： ：业决策支持系统( d s s ) ：产管理信息系统( m i s ) 孛 生产过程设备与系统 图卜1 企业综合臼动化层次结构 由上图可见，企业综合自动化系统实现的关键在于信息的集成化。不但要物理 集成各种信息设备，通讯网络和系统软件组成的系统，更重要的是信息集成使得信 息继人、财、物、设备之后成为企业的又一主要资源。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 电力生产企业综合自动化概述 电力企业是应用信息综合处理技术较早的行业之一，从应用过程来看可分为三 个阶段：6 0 、7 0 年代属于第一阶段，电力企业的信息综合处理技术从生产过程自动 化起步，首先应用在发电厂自动监测控制和变电站自动监测、监控方面；第二阶段 8 0 、9 0 年代的专项业务应用阶段，即电网调度自动化，电力负荷控制，计算机辅助 设计，计算机仿真系统等应用开始深入广泛开展。综合信息处理系统则刚刚起步尚 不完善；9 0 年代以后是第三阶段，信息技术应用进一步发展到综合应用，由生产操 作层向管理决策层延伸，实现企业的综合自动化【2 1 。 电力企业作为市场经济中的一个独立经济实体，其领导者决策者同样要根据企 业当前的生产状况作出最合理的决策，从而产生最大的经济效益，同样需要信息的 综合处理。在北美和欧洲，由于电力市场竞争激烈，电力企业纷纷寻求将先进的计 算机技术和网络技术和企业生产系统结合起来，使自己具有企业级的综合实时信息 处理能力，从而使得企业的管理者和决策者能够在第一时间作出最有利于经济效益 的决策和操作。我国电力企业在综合自动化方面虽然起步较晚，但随着市场经济改 革的不断深入，随着厂网分开，竞价上网政策的实行，电力企业实现企业综合自动 化从而由传统的工业企业向高度技术化，高度集约化，高度知识化的现代企业转化 既是市场经济发展的客观要求，也是现代计算机技术和网络技术发展推动下的必然 趋势。 1 3 论文的选题背景及意义 论文针对电力企业中由于不同生产单元采用异构d c s ( 分散控制系统) 而使企业 生产过程的全局信息难以集成与综合，从而阻碍了企业综合自动化的实现的实际问 题，提出了建立面向异构d c s 控制系统的通用数据接口的解决方案。这个通用数据 接口是电力企业生产信息的综合平台，它将电力企业的底层生产网络与上层管理信 息系统连接起来。数据接口向下采集、管理和存储不同d c s 控制系统、生产现场不 同具体设备不同格式的生产过程实时数据，并且能够屏蔽各个d c s 控制系统开发平 台、网络通讯协议以及数据格式的互异性为上层管理信息系统提供标准、及时、准 确的实时数据与历史数据，从而使得所有与生产运行有关的管理决策者、操作者及 相关的应用程序都可以很方便及时的获得当前生产过程的实时数据和历史纪录。并 且这个通用数据接口可以做为不同d c s 系统之间的数据交换的中介，实现不同d c s 系统的数据共享。 华北电力大学硕士学位论文 1 4 论文主要的工作和研究的问题 1 、了解国内外相关课题的发展现状建立研究方向与目标。 2 、了解企业综合自动化的概念内容即实施意义。 3 、熟悉多种分散控制系统的结构原理及软硬件特点。 4 、熟悉多种分散控制系统数据通讯网络的原理和机制。 5 、进行总体分析确定通用数据接口的软硬件结构与所要实现的功能。 6 、详细研究几种d c s 系统通用的通讯协议d d e ，m o d b u s ，o p c 协议。 6 、编程实现各d c s 系统与数据接口机的数据传输。 7 、对采集到的实时数据进行综合处理，使其能为上层管理信息系统透明方便地 访问。 华北电力大学硕士学位论文 第二章面向d c s 的通用数据接口 2 1 问题的提出及解决方案 2 1 1 火电厂生产过程信息综合处理的发展及现状 在我国从七十年代到八十年代末投产的火力发电机组中，测量、控制及监测仪 表都是模拟信号仪表都是将生产过程中的温度、压力、液位等过程信号转化为4 2 0 毫安或0 5 伏的标准电信号送到相应的显示仪表或纪录仪，信息集成度很低。如 果要想了解一台机组的多个不同参数，就需要察看多个纪录仪表。当时这种状况， 企业综合自动化的概念尚未提出，客观上也不具备实现的技术条件。 从八十年代开始，随着计算机技术在工业过程中的逐步应用，我国的大部分电 厂也逐渐将计算机引入电厂的信息综合处理当中。一般是将一些比较重要的参数如 主汽温度、炉膛负压、凝汽器真空等过程信号的值通过模拟一数字转换装置送入一 台专用的计算机以供显示或打印。即使在现在，这种信息处理的方式仍然在我国的 部分电厂被广泛采用。 从九十年代开始，随着d c s ( 分散控制系统) 在电厂中的广泛使用，火电厂的 信息集成度有了质的飞跃。d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是以微处理器为核 心的新型工业控制系统，1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司推出第一套分散控制系统以 来，d c s 就以其信息集中、控制分散从而危险性低的特点，以及硬件可靠性高，软 件开放，使用方便等优点在电力、冶金、化工等行业得到越来越广泛的应用。在电 力行业，随着高参数，大容量火电机组的不断增多，电压等级的不断升高和生产过 程的不断强化，以及对生产过程的安全性和自动化程度更高的要求，使得以d c s 为 基础的计算机监测，控制及管理系统已成为电力企业安全、稳定、高效运营的现代 化必备装置。近年来投产的大型机组几乎无一例外的采用了d c s 作为其控制设备。 过去投产的采用模拟组件组装型控制设备的机组也纷纷进行了d c s 改造【3 】。 与过去传统的模拟仪表相比d c s 在信息的集成度方面有了质的飞跃。现阶段我 国电厂采用的d c s 控制系统大多采用集中式i o ，即将生产现场的测量信号由电缆 送入控制室一个或数个i o 柜内i o 柜内相应的模板再通过内部总线将这些电气信 号传给相应的信号处理模件进行模数转换后再送到过程控制单元，过程控制单元则 通过系统的通讯网络将生产过程的数据传给管理计算机，如工程师站、操作员站因 而生产操作和维护人员很方便的就可以从工程师站获得一台机组的全部生产过程 实时信息和历史纪录，而且这些数据还可以通过网络传送给上层管理信息系统，由 于信息的高度集成化，以d c s 作为控制系统的机组就有可能实现一些高级控制策略 如负荷优化分配，运行人员成绩考核，事故预测等。可以说企业综合自动化的要求 4 华北电力大学硕士学位论文 推动了d c s 的发展而d c s 的发展使得企业综合自动化成为可能。 2 1 2 信息孤岛问题 d c s 的出现极大的推动了企业综合自动化的发展，但新的问题由此产生，许多 电厂在采用d c s 控制系统的时候，处于安全、经济等多方面的考虑，往往不同机组 未必采用相同d c s 制造商提供的产品。这点在老电厂的热工控制系统d c s 改造中表 现的尤其明显。在我国目前的d c s 市场中，电厂中应用的d c s 就有十多种，主要几 种的具体情况如下图所, y , t 4 - 1 0 】：、 d c s 类型通信方式 新华x d p s 4 0 0m o d b u s 主站、t c p i p 协议 西门子m o d b u s 协议，t c p i p 协议 l n 2 0 0 0 o d b c ，t c p i p 协议 f o x b o r o ( i a )d d e 、o d b c ，a p i 、o p c 西屋( o v a t i o n )m o d b u s 从站 a b b ( s y m p h o n y ) s e m a p i 、o p c 横河 m o d b u s p a s 一3 0 0 mo p c 、m o d b u s 图2 - 1 d c s 类型及通信方式 由于不同机组采用不同的d c s 控制系统，而不同制造商提供的d c s 产品在结构 设计，标准等方面自成体系，互不兼容，集成性差，控制器层的网络协议和i o 通道 总线各厂家技术标准互不公开。使得不同d c s 之自j 的接口基本上难以实现。各d c s 制造商虽然都对数据库的访问提供一定的支持，但出于它们大多采用专用的实时数 据库，因而访问方法和机制各不相同。针对特定控制系统的实时数据库接口的开发 有一定基础，但这种开发过分依赖于特定控制系统的特定应用，使用不灵活，软件 可重用性差，与上层管理信息系统之间的数据交换必须逐一解决。这些相互独立的 d c s 之间互不沟通。大量冗余信息重复存在于各系统中，而管理者和领导者作决策 用的关于生产全局的综合信息则无法从各个系统中单独获得，不利于全局最优的实 现。 2 1 3 通用数据接口 为使生产过程中的实时数据能及时、安全、全面地传输到厂局域网以至互联网 以使厂级管理决策人员和更高一级的决策者根据当前生产的全局信息做出最合理， 最符合经济效益的决策，有必要建立这样一个能面向异构d c s 控制系统的通用数据 华北电力大学硕士学位论文 接口，将电厂底层的各个d c s 控制系统与上层管理系统联结起来。 这个数据接口将来自生产现场的各个系统的所有数据集中统一存储管理并向 外发送，这可保证数据的一致性，完整性和可靠性。所有使用相关数据的人员或应 用程序可以访问同样的数据而用于不同的目的，即从不同的视角来看相同的信息， 生产中不同系统不同设备的数据的管理和集成使管理和控制形成一个有机的整体。 形成一个自下而上的逐级数据采集，存储、管理的完整系统，并通过企业的网络系 统和互联网向上一级管理信息系统发送，对上层管理信息系统而言，可以通过这个 数据接口很方便地获得所需的底层不同控制设备与系统的生产过程实时数据，而没 有必要去关心这个底层系统的开发平台、运行环境、通讯协议和数据格式，从而使 得从厂长到操作员从调度到车间，从省局到中调，所有与生产管理有关的人员和所 有相关应用程序均可很方便地获得当前的生产过程实时数据，从而做出正确的操作 与决策。 同时，建立一个通用的数据接口还可以避免底层的生产系统之间与上层管理信 息网络相连。通用数据接口的具体结构如下图所示： 图2 2 通用数据接口结果示意图 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于m o d b u s 协议实现与d c s 通信 3 1 m o d b u s 协议 3 1 1 协议简介 m o d b u s 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互 之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有 了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。 此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络 进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备 的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在 一m o d b u s 网络上通信时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识 别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信 息并用m o d b u s 协议发出。在其它网络上，包含了m o d b u s 协议的消息转换为在此网 络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径 及错误检测的方法1 1 ”。 3 + 1 2 在m o d b u s 网络上转输 标准的m o d b u s 口是使用r s - 2 3 2 c 兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电 缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器通信使用主一从技术，即仅一设备( 主 设备) 能初始化传输( 查询) 。其它设备( 从设备) 根据主设备查询提供的数据做 出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。 主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通 信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。 m o d b u s 协议建立了主设备查询的格式：设备( 或广播) 地址、功能代码、所有要发 送的数据、错误检测域。 从设备回应消息也由m o d b u s 协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的 数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命 令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。 3 1 3 在其它类型网络上转输 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制器都能初始和其它控制 器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提 供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。 华北电力大学硕士学位论文 在消息位，m o d b u s 协议仍提供了主一从原则，尽管网络通信方法是“对等”。 如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样， 当控制器接收到消息，它将建立从设备回应格式并返回给发送的控制器。 3 1 4 查询一回应周期 图3 - 1 主一从查询一同应周期表 查询 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从 设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码0 3 是要求从设备读保持寄存器并 返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读 的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。 回应 如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功 能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：像寄存器值或状态。如果有错误 发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此 错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用【l ”。 3 1 5 两种传输方式 控制器能设置为两种传输模式( a s c i i 或r t u ) 中的任何一种在标准的m o d b u s 网络通信i 用户选择想要的模式，包括串口通信参数( 波特率、校验方式等) ，在配 置每个控制器的时候，在一个m o d b u s 网络上的所有设备都必须选择相同的传输模 式和串口参数。 华北电力大学硕士学位论文 a s c i i 模式 r t u 模式 所选的a s c i i 或r t u 方式仅适用于标准的m o d b u s 网络，它定义了在这些网络上连 续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。 当控制器设为在m o d b u s 网络上以a s c i i ( 美国标准信息交换代码) 模式通信， 在消息中的每个8 b i t 字节都作为两个a s c i i 字符发送。这种方式的主要优点是字 符发送的时间间隔可达到1 秒而不产生错误。 代码系统 十六进制，a s c i i 字符0 9 ，a f 消息中的每个a s c i i 字符都是一个十六进制字符组成 每个字节的位 1 个起始位 7 个数据位，最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位，无校验则无 1 个停止位( 有校验时) ，2 个b i t ( 无校验时) 错误检测域 l r c ( 纵向冗长检测) 当控制器设为在m o d b u s 网络上以r t u ( 远程终端单元) 模式通信，在消息中的 每个8 b i t 字节包含两个4 b i t 的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的 波特率下，可比a s c i i 方式传送更多的数据。 代码系统 8 位二进制，十六进制数o 9 ，a f 消息中的每个8 位域都是一个两个十六进制字符组成 每个字节的位 1 个起始位 8 个数据位，最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位，无校验则无 1 个停止位( 有校验时) ，2 个b i t ( 无校验时) 错误检测域 c r c ( 循环冗长检测) 华北电力大学硕士学位论文 3 1 6m o d b u s 消息帧 两种传输模式中( a s c i i 或r t u ) ，传输设备己将l d o d b u s 消息转为有起点和终 点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断哪一 个设备被选中( 广播方式则传给所有设备) ，判知何时信息己完成。部分的消息也 能侦测到，并且错误能设置为返回结果。 使用a s c i i 模式，消息以冒号( ：) 字符( a s c i i 码3 a i ) 开始，以回车换行符 结束( a s c i i 码o d h ，o a h ) 。其它域可以使用的传输字符是十六进制的0 9 ，a f 。 网络上的设备不断侦测“：”字符，当有一个冒号接收到时，每个设备都解码下个 域( 地址域) 来判断是否发给自己的。 消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1 秒，否则接收的设备将认为传输 错误。一个典型消息帧如下所示： k 始位i 设各地址i 功能代码i 巨据扯r c 校验 结束符 1 1 个字符1 2 个字符1 2 个字符i l n 个字符4 2 个字符 2 个字符 | 鳖i3 - 2a s c i i 消息帧 使用r t u 模式，消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始。在网络波 特率下多样的字符时间，这是最容易实现的( 如下图的t 卜t 2 一t 3 一t 4 所示) 。传输的 第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0 9 ，a f 。网络设备 不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域( 地址域) 接收到，每个设 备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少3 5 个 字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。 整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过1 5 个字符时 间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址 域。同样地，如果一个新消息在小于3 5 个字符时间内接着前个消息开始，接收的 设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的c r c 域的值不 可能是正确的。一典型的消息帧如下所示【l 副： l 起始侮8 殴各地址i 功能代码l 数据i c r c 校验 结束符 i t l - t 2 一t 3 _ t 4l s b i ti | 8 b i t0 。个8 b i t| 1 6 b i t t 1 - t 2 - t 3 - t 4 幽3 - 3 r t u 帧 0 华北电力大学硕士学位论文 3 1 7 m o d b u s 域 地址域 消息帧的地址域包含两个字符( a s c i i ) 或8 b i t ( r t u ) 。可能的从设备地址是 0 2 4 7 ( 十进制) 。单个设备的地址范围是1 2 4 7 。主设备通过将要联络的从设备 的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，它把自己的 地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。 地址0 是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。当m o d b u s 协议用于更 高水准的网络，广播可能不允许或以其它方式代替。 功能域 消息帧中的功能代码域包含了两个字符( a s c i i ) 或8 b i t s ( r t u ) 。可能的代码 范围是十进制的1 2 5 5 。当然，有些代码是适用于所有控制器，有此是应用于某种 控制器，还有些保留以备后用。 当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。 例如去读取输入的开关状态，读一组寄存器的数据内容，读从设备的诊断状态，允 许调入、记录、校验在从设备中的程序等。 当从设备回应时，它使用功能代码域来指示是正常回应( 无误) 还是有某种错误 发生( 称作异议回应) 。对正常回应，从设备仅回应相应的功能代码。对异议回应， 从设备返回一等同于正常代码的代码，但最重要的位黄为逻辑1 。例如：一从主设 备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器，将产生如下功能代码： 0 000 0 0l1 ( 十六进制0 3 h ) 对正常回应，从设备仅回应同样的功能代码。对异议回应，它返回： 100 0 0 011 ( 十六进制8 3 h ) 除功能代码因异议错误作了修改外，从设备将一独特的代码放到回应消息的数 据域中，这能告诉主设备发生了什么错误。主设备应用程序得到异议的回应后，典 型的处理过程是重发消息，或者诊断发给从设备的消息并报告给操作员。 数据域 数据域是由两个十六进制数集合构成的，范围0 0 f f 。根据网络传输模式，这 可以是由一对a s c i i 字符组成或由一r t u 字符组成。 从主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息：从设备必须用于进行执行 由功能代码所定义的做为。这包括了像不连续的寄存器地址，要处理项的数目，域 中实际数据字节数。例如，如果主设备需要从设备读取一组保持寄存器( 功能代码 0 3 ) ，数据域指定了起始寄存器以及要读的寄存器数量。如果主设备写一组从设备 的寄存器( 功能代码1 0 十六进制) ，数据域则指明了要写的起始寄存器以及要写的 寄存器数量，数据域的数据字节数，要写入寄存器的数据。 华北电力大学硕士学位论文 如果没有错误发生，从从设备返回的数据域包含请求的数据。如果有错误发生， 此域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。在某种消息 中数据域可以是不存在的( 0 长度) 。例如，主设备要求从设备回应通信事件记录( 功 能代码o b 十六进制) ，从设备不需任何附加的信息。 错误检测域 标准的m o d b u s 网络有两种错误检测方法。错误检测域的内容视所选的检测方 法而定。 a s c i i 当选用a s c i i 模式作字符帧，错误检测域包含两个a s c i i 字符。这是使用l r c ( 纵向冗长检测) 方法对消息内容计算得出的，不包括开始的冒号符及回车换行符。 l r c 字符附加在回车换行符前面。 r t u 当选用r t u 模式作字符帧，错误检测域包含一1 6 b i t s 值( 用两个8 位的字符来 实现) 。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗长检测方法得出的。c r c 域附加在消息的最后，添加时先是低字节然后是高字节。故c r c 的高位字节是发送 消息的最后一个字节。 3 1 8 字符的连续传输 当消息在标准的m o d b u s 系列网络传输时，每个字符或字节以如下方式发送( 从 左到右) ：最低有效位最高有效位 使用a s c i i 字符帧时，位的序列是： 无奇偶校验： 图3 4 位顺序( a s c i i ) 位用r t ，字符帧时，付的序列是： 有奇偶校验： 无奇偶校验： 幽3 - 5 位顺序( r t u ) 华北电力大学硕士学位论文 3 1 9 错误检测方法 标准的m o d b u s 串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用， 帧检测( l r c 或c r c ) 应用于整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的， 从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。 用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔，这个时间间隔要足够长，以 使任何从设备都能作为正常反应。如果从设备测到传输错误，消息将不会接收，也 不会向主设备做出回应。这样超时事件将触发主设备来处理错误。发往不存在的从 设备的地址也会产生超时。 用户可以配置控制器是奇或偶校验，或无校验。这将决定了每个字符中的奇偶 校验位是如何设置的。 如果指定了奇或偶校验，“1 ”的位数将算到每个字符的位数中( a s c i i 模式7 个数据位，r t u 中8 个数据位) 。例如r t u 字符帧中包含以下8 个数据位： l l0 o o1o1 整个“1 ”的数目是4 个。如果便用了偶校验，帧的奇偶校验位将是0 ，使得整 个“1 ”的个数仍是4 个。如果便用了奇校验，帧的奇偶校验位将是l ，使得整个 “1 ”的个数是5 个。 如果没有指定奇偶校验位，传输时就没有校验位，也不进行校验检测。代替附 加的停止位填充至要传输的字符帧中。 使用a s c i i 模式，消息包括了一基于l r c 方法的错误检测域。l r c 域检测了消 息域中除开始的冒号及结束的回车换行号外的内容。l r c 域是一个包含一个8 位二 进制值的字节。l r c 值由传输设备来计算并放到消息帧中，接收设备在接收消息的 过程中计算l r c ，并将它和接收到消息中l r c 域中的值比较，如果两值不等，说明 有错误。l r c 方法是将消息中的8 b i t 的字节连续累加，丢弃了进位。 l r c 简单函数如下： s t a t i cu n s i g n e dc h a rl r c ( a u c h m s g ，u s d a t a l e n ) u n s i g n e dc h a r * a u c h m s g ：胁要进行计算的消息宰 u n s i g n e ds h o r tu s d a t a l e n ：木l r c 要处理的字节的数量$ u n s i g n e dc h a ru c h l r c = 0 ：胁l r c 字节初始化$ w h il e ( u s d a t a l e n 一一) 传送消息木 u c h l r c + = * a u c h m s g + + ：堆累力口 r e t u r n ( ( u n s i g n e dc h a r ) ( - 。( c h a r u c h l r c ) ) ) ； ) 使用r t u 模式，消息包括了一基于c r c 方法的错误检测域。c r c 域检测了整个 消息的内容。c r c 域是两个字节，包含一1 6 位的二进制值。它由传输设备计算后加 华北电力大学硕士学位论文 入到消息中。接收设备重新计算收到消息的c r c ，并与接收到的c r c 域中的值比较， 如果两值不同，则有误。 c r c 是先调入一值是全“1 ”的1 6 位寄存器，然后调用一过程将消息中连续的 8 位字节各当前寄存器中的值进行处理。仅每个字符中的8 b i t 数据对c r c 有效，起 始位和停止位以及奇偶校验位均无效。 c r c 产生过程中，每个8 位字符都单独和寄存器内容相或( o r ) ，结果向最低有 效位方向移动，最高有效位以0 填充。l s b 被提取出来检测，如果l s b 为1 ，寄存 器单独和预置的值或一下，如果l s b 为0 ，则不进行。整个过程要重复8 次。在最 后一位( 第8 位) 完成后，下一个8 位字节又单独和寄存器的当前值相或。最终寄 存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的c r c 值。c r c 添加到消息中时，低 字节先加入，然后高字节【1 4 】。 c r c 简单函数如下： u n s i g n e ds h o r tc r c l 6 ( p u c h m s g ，u s d a t a l e n ) u n s i g n e dc h a r * p u c h m s g ： 要进行c r c 校验的消息术 u n s i g n e ds h o r tu s d a t a l e n ：宰消息中字节数 u n s i g n e dc h a ru c h c r c h i = o x f f ：a 高c r c 字节初始化丰 u n s i g n e dc h a ru c h c r c l o = o x f f ：术低c r c 字节初始化半 u n s i g n e du l n d e x ：芈c r c 循环中的索引木 w h i l e ( u s d a t a l e n ) 肛传输消息缓冲区 u l n d e x = u c h c r c h i * p u c h m s g g + + ：宰计算c r c u c h c r c h i = u c h c r c l o a u c h c r c h i u l n d e x ： u c h c r c l o = a u c h c r c l o u l n d e x ： r e t u r n ( u c h c r c h i w r i t e s y n c ( c l t e m s ，c v a l u e s ，c d w l t e m s ) ： b r e a k ： c a s ew r i t ea s y n c l 0 ： m _ p g r o u p 一 w r i t e a s y n c l 0 ( c i t e m s ，c v a l u e s ， c d w i t e m s ) b r e a k ： c a s ew r i t ea s y n c 2 0 ： m _ p g r o u p 一 w r i t e a s y n c 2 0 ( c l t e m s ，c v a l u e s ，c d w i t e m s ) b r e a k ： 5 6 小结 图5 - 1 3p a s - 3 0 0 mo p c 服务器 华北电力大学硕士学位论文 图5 1 4o p c 客户端 o p c 客户端程序图5 1 4 所示，该客户端已经成功和o v a t i o n ，p a s 一3 0 0 m ( 图5 1 3 ) 等d c s 系统成功对接，可以实现实时数据的稳定采集。 4 7 华北电力大学硕士学位论文 第六章结束语 本课题在火力发电厂综合自动化发展迅速的背景下，深入研究了多种d c s 对外 接口的特点，完成了程序的书写，主要工作如下： 1 深入探讨了国内外众厂家d c s 系统软硬件结构特点，在分析其对外提供接 口特点的基础上提出了通用d c s 接口技术的应用方案。 。 2 深入研究了m i c r o s o f tv i s u mc + + v e r s i o n6 0 程序开发环境。 3 从开发的角度出发，深入研究了l o d b u s 通信协议和w i n d o w s 串口通信编程， 完成了m o d b u s 主站和从站程序的编写。该主站和从站程序经测试已成功运用于工 程实际。 3 从开发的角度深入研究了d d e 通信的机理，动态管理库d d e m l 内涵，完成 了基于d d e m l 的d d e 通信编程，该程序经测试可以长时间稳定运行。 4 从开发的角度出发，深入剖析了目前以c o m d c o m 为技术基础的o p c 应用原 理和内部实现机制，结合o p c 规范分析了o p c 对象模型、c l i e n t s e r v e r 应用架构 以及应用程序开发的重点和难点。所做的工作为理解o p c 技术实质和完成o p c 应用 开发有理论指导作用。该课题完成的o p cc l i e n t 已经成功的实现与o p cs e r v e r 的 对接，可以作为一标准的o p c 客户端使用。 m o d b u s ，d d e ，o p c 是d c s 比较通用的对外通信接口方式，每个协议都有其各自的 特点，满足了不同用户的要求。从应用角度来看，本课题的研究具有一定的理论和 实际意义! 由于时间有限，本课题所做工作只是针对上述标准的通信协议进行了程 序开发，对于一些特殊情况，如d c s 厂商提供的对外接口函数编程并未涉及，在以 后的工作中可以进一步完成接口函数的程序设计。 4 8 华北电力大学硕士学位论文 参考文献 1 马宏远，工业自动化系统的一体化，基础自动化2 0 0 0 2 马宏远，自动化系统的综合技术，世界仪表与自动化2 0 0 2 3 王运泽等，分散控制系统的最新发展及展望，河北电力技术1 9 9 8 4 l n 2 0 0 0 分散控制系统使用说明书 5 o v a t i o ns m a r t d o c s1 7 ，e m e r s o np r o c e s sm a n a g e m e n t 6 y as e r i e su s e rg u i d e ，f o x b o r oc o m 7 x d p s 用户参考手册 8 s e m a p id e v e l o p e rm a n u a l ，a b b ，2 0 0 1 9 张岩，电厂集散控制与m i s 接口方式探讨发电设备，2 0 0 2 1 0 杨林海d c s 数据上网技术与实现石化技术，2 0 0 1 11 封亚斌，采用串口通信技术实现m o d b u s 数据通信自动化仪表，2 0 0 0 1 2 祝木田，师勇，m o d b u s 协议通信的应用控制系统，2 0 0 4 1 3 m o d i c o nm o d b u sp r o t o c o lr e f e r e n c eg u i d e j u n e1 9 9 6 ，m o d i c o ni n c 1 4 其其格，梁元，郭科，利用v c 实现m o d b u s 的两种错误检测方法网络与通信， 2 0 0 3 1 5 q l cu s e r sg u i d e z 】s e p 1 9 9 6 ，w e s t i n g h o s u e 1 6 谭思亮，邹超群v i s u a lc + + 串口通信工程开发实例导航 m 北京：人民邮 电出版社，2 0 0 3 1 7 李现勇v i s u a lc + + 串口通信技术与工程实践 m 北京：人民邮电出版社， 2 0 0 3 1 8 新华控制工程有限公司x d p s - 4 0 0 工程师手册 z 上海：新华控制工程有限 公司，2 0 0 0 1 9 钱雪中，须文波，d c s 与m i s 互连的方法与实现无锡轻工大学学报，2 0 0 1 2 0 康博创作室v i s u a lc + + 6 0 高级开发教程人民邮电出版社1 9 9 9 2 1 朱三元等，网络通信软件设计指南清华大学出版社，1 9 9 4 2 2 张晋斌，面向2 1 世纪的计算机控制系统四川电力技术，2 0 0 0 2 3 王业如等，发电厂实时数据采集w e b 浏览系统电力情报，2 0 0 0 2 4 王黛江，计算控制系统的设计与应用清华大学出版社，1 9 9 3 2 5 i as e r i e su s e rg u i d e ，f x o b o r oc o m 2 6 o p c 国际基金会中国办事处o p c 技术综述 m o l 北京：o p c 国际基金会中国办 事处，2 0 0 1 2 7 o p ct a s k f o r c e o p co v e r v i e w , v e r s i o n1 o s o l ，1