（机械电子工程专业论文）轨道交通互连互通消防监控系统的通信设计.pdf

摘要 摘要 上海轨道交通存在不同线路使用不同消防监控系统设备的现象，由于行业 保密的原因这些系统是不兼容的。当轨道交通出现不同线路交汇共享同一个车 站的时候，会出现两套不同的消防监控系统同时运行的现象，此外轨道消防监 控中心目前还没有轨道交通消防网级监控系统。 辘道交通不同网络火灾自动报警系统互连互通技术研究藏是为了解决 这些问题的实际工程项目，项目研究的目的是设计一个新监控系统，用来实现 轨道交通不同线路消防报警监控系统的互连互通，同时新设计的消防监控系统 不能影响现有各系统的功能。本项目是该工程项目的一个子项圈，主要研究新 消防监控系统的通信设计。 本项题研究的通信设计包括通信网络拓扑结构的设计，通信硬件设计和通 信驱动软件设计三大部分。在完成这些设计的任务中有一个必须要解决的技术 难题，即对各种实际应耀的消防报警控制系统的终端通信协议妁剖析。本项露 在学习总结原有消防报警控制系统运行方式和功能的基础上，通过大量的实验 和分析，完成了s i m p l e x 4 1 0 0 消防报警控制系统的通讯协议的剖析任务。最后， 对关于进一步进行研究的内容进行了筋要的讨论。 关键词：网络架构，通讯协议，消防监控系统 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n td i f f e r e n tf i r ea l a r mc o n t r o ls y s t e m s ( f a c s ) a r eu s e di ns h a n g h a ir a i l t r a n s p o r t a t i o n b u tt h e s es y s t e m sa r en o tc o m p a t i b l ew i t he a c h o t h e r w h e no n e s t a t i o ni ss h a r e dw i t hs e v e r a lr a i lt r a n s p o r t a t i o nl i n e s ，s e v e r a ld i f f e r e n tf i r e a l a r m c o n t r o ls y s t e mw i l lw o r ki nt h es a m et i m e i na d d i t i o n ，o r b i t a l f i r e p r e v e n t i o n m o n i t o r i n gc e n t e rh a sn o af i r ea l a r mc o n t r o ls y s t e m t os h a n g h a if i r eb u r e a u ，i ti sa s e r i o u ss e c u r i t yr i s kw h i c hw i l lt h r e a tt h es a f e t yo ft h ep e o p l ea n ds o c i a lh a r m o n y t h es u b p r o j e c ti sap a r to ft h ep r o j e c tt h a ti sd e s i g n e dt os o l v et h er i s k t h e p r e m i s eo ft h ep r o j e c ti st h a tn e ws y s t e md o e sn o ta f f e c tt h ef u n c t i o no ft h ee x i s t i n g s y s t e m a n d t h e p u r p o s eo f t h er e s e a r c hi s t om a k ei n t e r c o n n e c t i o na n d i n t e r c o m m u n i c a t i o n a m o n gf i r e a l a r mc o n t r o l s y s t e m sb yd e s i g n i n g an e w s u p e r v i s o r ys y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nd e s i g ni n c l u d e st h en e t w o r kt o p o l o g yd e s i g n o ft h e c o m m u n i c a t i o n t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o na n dt h es o f t w a r ed e s i g n o ft h ec o m m u n i c a t i o n i nt h ew h o l ed e s i g n ，t h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mw h i c h n e e d st o b es o l v e di st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n a l y s i s o nt h es u m m a r yo fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o no ff i r ea l a r m c o n t r o ls y s t e m ，t h ea u t h o rd i dal o to fe x p e r i m e n t sa b o u tt h e c o m m u n i c a t i o no ft h es i m p l e x 4 1 0 0f a c s ，a n df o u n dt h e s t r u c t u r eo ft h e s i m p l e x 4 1 0 0f a c sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 f i n a l l y t h ea u t h o rm a d eab r i e f d i s c u s s i o ni nt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：n e t w o r kt o p o l o g y , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n a l y s i s ，f i r ea l a r mc o n t r o l s y s t e m 学位论文版权使用授权书一 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 王币 炯g 年弓月刁e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第l 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究的背景 上海轨道交通( 俗称地铁和轻轨) 目前所采用的火灾报警系统以及相关消防 报警设备是按线路进行建设、安装、使用和维护的。以已经投入运营的线路为 例，一号线和二号线安装使用的是美国s i m p l e x 公司的4 1 0 0 火灾报警系统：而 三号线和四号线安装使用的是美国爱德华公司( 现已经被g e 收购) 的e s t - 3 火 灾报警系统。正在建设还未投入运营的其他线路，有的已确定了相关的火灾报 警系统和消防设备、有的正在进行火灾报警系统和消防设备的招标、有的还处 于进一步的线路规划之中，但无论轨道交通线路的建设处于何种进程，最后选 择不同厂家所开发生产的火灾报警系统及其相关产品是市场经济发展和轨道交 通发展的必然结果。上海现有的轨道交通所出现的几种火灾报警系统共存的现 象将来还会长期存在，并且还会出现更多种系统并存的情况。 这种现象的存在一方面可以促进产品和产品之间的竞争，从而可以提高轨道 交通设备系统和控制系统整体的技术水平和服务质量，对于轨道交通的建设、 运营管理的健康发展有很大益处；另一方面由于各种设备之间没有统一的标准， 通信协议和数据接口互不开放，导致了火灾控制系统存在很多缺陷和安全隐患。 最主要的有以下几点： 1 ) 设备之间无法兼容，几种不同轨道线路重合的站点需要重复建设。 例如，2 号线使用的是s i m p l e x 系列的设备，3 号线使用的是e s t 3 系列的 设备。2 号线和3 号线在东方路站交叉，由于系统不兼容，必须在同一个站铺设 2 套消防报警系统，设置2 个监控室，而且两套系统不能共享。这样不仅浪费资 源更为关键的是导致了管理上的混乱。 2 ) 不便于统一协调管理。 由于系统的不兼容，导致了各条线只能控制本线路上的设备，各条线路上 的火灾信息也不能上传到一个统一的监控界面，不能建成网络级别的监控。 3 ) 各个设备的监控执行件的动作自成一套体系，在交叉站火灾发生时存在执行 动作混乱的现象。 例如，在众多的轨道交通交叉共享站中，一旦发生火灾，往往相互交叉的 第1 章引言 几条轨道交通线路的不同火灾自动报警系统均会发出控制信号，对一系列被控 对象产生控制作用，引起重叠控制、甚至控制冲突，极其容易酿成事故，这将 对人民的生命财产带来极大威胁，造成重大经济损失并产生不良的社会政治影 响。 1 2 课题研究的来源 本课题研究的问题来源于实际工程项目轨道交通不同网络火灾自动报警系 统互连互通技术研究。该项目是由同济大学机械电子研究所和上海申通地铁有 限公司共同资助的工程项目。项目的目的是在不改变现有消防设备的控制和执 行硬件的前提下，开发一套火灾报警监控系统，消除目前轨道交通站消防报警 系统的安全隐患。该系统不仅要能实现不同公司生产的火灾自动报警系统及其 设备之间的配合联动的功能，而且要具备界面统一和配置灵活的特点，并且要 为最终建立网络中央监控系统打下基础和预留扩展空间。 1 3 课题研究的任务 本课题研究的主要目的是为完成项目轨道交通不同网络火灾自动报警系 统互连互通技术研究打下基础，解决该项目的技术瓶颈( 第3 章将会详细分 析说明) 。在项目可行性的详细分析后，确定本课题需要解决的问题和完成的任 务是： 1 ) 完成上海地铁消防自动报警控制系统( 后称n f a c s 系统) 的控制系统网络 架构设计和硬件设计； 2 1 剖析s i m p l e x 4 1 0 0 系列消防报警系统终端通信协议，完成协议的转换过程， 为后续n f a c s 系统的数据库管理和图形监控软件的设计提供底层通讯的支 持： 3 ) 完成通讯驱动软件模块的设计。 1 4 课题研究采用的方法和实施方案 为了完成课题项目的研究，经过了项目组的可行性分析后，确定了本课题 的研究方案。 第一步，分析总结各类典型的控制系统中所使用的通信方式。由于消防报 2 第1 章引言 警控制系统中的通讯方式都是采用和控制系统同类型的通讯方式，因此分析综 合典型的控制系统中的通讯方式，是完成本课题研究任务中的系统架构设计和 通讯协议剖析的理论前提和指导； 第二步，在第一步的基础上，结合现在轨道交通的实际需求和现存状况， 设计n f a c s 系统的控制网络架构和硬件架构； 第三步，在分析学习现有的s i m p l e x4 1 0 0 消防报警控制系统设备的基础上， 通过模拟各种消防报警状况，对s i m p l e x4 1 0 0 系列火灾报警控制系统工作原理 做深入分析和反复实验，截取所有的实验数据： 第四步，通过实验和对通信数据的详细分析，在前述理论基础的支持下逐 渐摸索出s i m p l e x4 1 0 0 消防报警控制系统的通信协议帧和分组格式，并且详细 说明各个字段的含义，然后完成协议的转换过程，为驱动模块的程序设计做准 备； 第五步，设计通信软件模块，编写驱动程序，为n f a c s 的监控软件提供底 层支持。 第2 章控制系统中通信方式的分析 第2 章控制系统中通信方式的分析 消防报警监控系统的通信方式和控制系统中的通信方式十分相近。在设计 消防报警监控系统的通信方式之前分析总结控制系统中常用的通信方式是十分 必要和具备指导意义的。本章首先介绍控制系统中通讯方式的发展历程，然后 详细分析典型体系结构的优缺点，对常用的各种不同通讯媒介做性能比较分析， 最后介绍控制系统中通信协议的分层结构。 2 1 控制中通讯系统的发展历程 电报、电话等出现后，就有了用于信息传递的通信网络，特别是微型计算 机出现后，功能不同或地域不同的计算机之间连成网络，数字通信技术就由一 般单机( 主机对终端) 、多机通信扩展成计算机网络系统。用于控制的自动化控 制系统是一种完成测量和控制功能的分布式计算机局域网，其发展过程大致经 历了以下几个阶段： 1 17 0 年代d c s 初级通讯系统 上世纪7 0 年代中期开始出现d c s 分散型控制系统，这是在并无统一网络标 准的情况下，以大型企业为主各自完成的。网络规模大约有节点3 2 6 4 个，通信 距离约在l 公里以内，主要节点为控制站和操作站，拓扑结构以环形和总线型 为主，通信介质多为同轴电缆，也有采用双绞线的，通信速率为1 m b p s 以内【1 】。 在控制站、操作站内均有“通信卡”等专用网络部件。这期间通信规程中有i b m 等提出的同步数据链路规程( s d l c ) 、高级数据链路规程( h d l c ) 和国际电报 电话咨询委员会的c c i t t x 2 5 等【2 】。 2 11 9 7 5 年推出以太网( e t h e m e t ) 1 9 7 5 年美国施乐( x e r o x ) 公司推出了以太网( e t h e r n e t ) ，以后3 c o m 等多 家供应商参与，在此基础上形成的以太网局域网，在突发性事务处理的各种通 用系统中得到了较大发展，以太网以载波侦听多路访问冲突检测方式即 c s m c d 方式进行数据通信。 3 ) 1 9 8 0 年的i s o o s i 参考模型与i e e e 8 0 2 家族标准 1 9 8 0 年2 月，i e e e 电子电气工程师协会建立了一个委员会( 简称i e e e 8 0 2 4 第2 章控制系统中通信方式的分析 委员会) ，负责制定局域网标准。又在1 9 8 3 年i s o 国际标准化组织通过了开放 系统互联参改模型( o s i ，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 即i s o o s i 参考模型， 在此基础上，1 9 8 5 年i e e e 8 0 2 委员会成立9 个分委员会，( 后来又增加成1 3 个 委员会，变成2 2 个分委员会) ，其中i e e e 8 0 2 - 3 负责c s m a c d 网，i e e e 8 0 2 4 负责令牌总线网，8 0 2 5 负责令牌环网( 其他分委员会负责高层接口、逻辑电路 控制、广域网、宽带、光纤、数据和语音综合网络、可互操作的局域网的安全、 无线局域网、有限高速局域网、有线电视等) ，这些分委员会的工作，后来形成 了i s o 的标准，这些标准又统称为i e e e 8 0 2 标准【3 】f 4 】【5 1 。 4 ) 8 0 年代的p l c 多层通讯 p l c 可编程控制器在8 0 年代已由单独控制器连成中小型规模以上的系统， 9 0 年代初，一台或多台p l c 通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 串口与一台或多台p c 机( 操作 站内装h m l 人机界面和组态软件或称s c a d a 软件) 连成系统，它采用了现成 的网络技术，特别是d d e 或o p c 数据交换软件技术及i e 6 6 1 1 3 1 3 标准的组态曩 软件，使p l c 系统的开放性、可用性大大提高，成为低成本自动化的典范，现 已逐步过渡到2 1 世纪初的工业以太网为主的网络，而且由罗克韦尔公司牵头的 c i p 通用工业协议( c o m m o ni n d u s t r i a lp r o t o c 0 1 ) 已经形成，d e v i c e n e t c o n t r o l n e t e t h e r n e t i p 三层结构的通信网络，已为人们接受，p l c 由原来通信功能较差变 成走在网络化的前列。 5 ) 9 0 年代现场总线 ” 现场总线技术在9 0 年代已经形成了开发的热潮，它适应了各行业现场测控 方面的需求，形成了多标准并存的局面，细分为传送数据宽度为位级的传感器 总线、传送数据宽度为字节级的设备总线和传送数据宽度为数据流或功能块级 的现场总线1 1 1 。 2 2 控制系统中通讯方式的体系结构及其优缺点分析 通讯方式的体系结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局。将参与局 域网工作的各种设备用传输介质互连在一起有多种方法，经过多年的发展，控 制系统中的通讯技术已经很成熟，其体系结构方式( 又称拓扑结构) 大体可以 归纳为以下几类【3 】【4 】： 公共总线拓扑结构 筹2 章控制系统中通信方式熬分柝 星形拓扑结构 环形拓扑结构 全连接拓扑结构 组合连接拓扑结构 下面小节分别对这几种连接方式做性能分析和比较。 2 2 1 公共总线拓扑结构及其优缺点 下图2 1 显示了一个连接工作站、主机和文件服务器等设备的公共总线拓扑 结构( c o m m o nb u st o p o l o g y ) ，或简称总线拓扑结构( b u st o p o l o g y ) 。它们通 过一根单总线( 一束并行线) 进行通信。每一个设备通过相应的接口侦听总线， 捡查数据传输。如果接口判断出数据是送往它所服务的设备的，它就从总线上 读取数据并传给设备。同样地，当一个设备有数据需要传送时，其接口电路检 测总线是否空闲，如果是，就立亥l 歼始发送数据。 l - f l ：站 玉终始 文f l ：激务器 劂2 。l公共总线拓扑结构 下面分析总线拓扑结构的主要优缺点。 总线拓扑的优点主要有如下几点： 1 ) 网络结构篱单，易于布线 因为总线型网络各节点共享传输介质，通常无须另外的网络设备，所以整 个网络结构比较简单，布线比较容易。 6 第2 章控铡系统中遒信方式的分拆 2 1 扩展较容易 因为在总线型结构网络中，各节点与总线的连接是通过连接线并行连接的， 所以节点的扩展无须断舞躁络，扩展容易了许多。两且还霹通过孛继器设备扩 展连接到其他网络中，进一步提高了可扩展性能。 3 ) 维护容易 同样是因为总线型结构网络中的连接器与总线电缆并行连接的，所以这给 整个网络的维护带来了极大的便利，因为一个节点的故障不会影响其他节点， 更不会影响整个网络，所以故障点的查找就容易了许多。 尽管有以上一些优点，但是仍然存在很多缺点，总线型结构的主要缺点表 现在以下几个方瑟： 1 ) 传输速率受限制 i e e e8 0 2 4 标准下的令牌总线标准最高传输速率仅为l0 m b p s 。这严重限制 住了它用在某些需要高速传输速率的控制领域1 2 l 。 2 ) 故障诊断困难 虽然总线拓扑结构简单、霹靠性高，焉且是互不影峨的并行连接，僵故障 的检测仍然很不容易。这是因为这种网络不是集中式控制，故障诊断需要在网 络中各节点计算机上分别进行。 3 ) 故障隔离比较困难 在这种结构中，如采故障发生在各个节点内部，只需要将节点从总线上去 掉，比较容易实现故障的隔离。但是如果是总线传输介质发生故障，则故障隔 离就比较困难了。 4 ) 网络效率和传输性能不高 因为在这种结构网络中，所有的计算机都在一条总线上，发送信息时比较 容易发生冲突，故这种结构酌网络实时性不强。网络传输性能也不高。 5 ) 难以实现大规模扩展 虽然相对环型网络来说，总线型的网络结构在扩展性方面有了一定的改善， 可以在不断开网络的情况下添力翼设备，还可添加中继器之类的设备予以扩展， 但仍受到传输性能的限制，其扩展性远不如星型网络，难以实现大规模的扩展。 7 第2 肇控制系统中邋信方式的分析 2 2 2 星形拓扑结构及其优缺点 另一种常见的连接方案是星形拓扑结构( 见图2 2 ) 。它使用一台中心计算 机与网络中的其他设备通信，采用集中控制计算机的方式。一个需要通信的设 备把数据传输给中心计算机，然后计算机再把数据送 圭謦标节点。中央控制的 方式使责任明确，这也正是星形拓扑结构的一大优势。 缀务器 图2 2 星形拓扑结构 星型拓扑结构的主要优点体现在以下几个方面： 1 ) 网络传输数据快 因为整个网络呈星型连接，网络的上行通道不是共享的，所以每个节点的 数据传输对其他节点的数据传输影响非常之小，这样就加快了网络数据传输速 度。不同子下蘸将要介绍的环型网络所有节点的上、下行通道都共享一条传输 介质，而同一时刻只允许一个方向的数据传输。其他节点要进行数据传输只有 等到现有数据传输完毕后才行。另外，星型结构所对应的双绞线和光纤以太网 标准的传输速攀可以非常高，如普通的5 类、超5 类都可以通过4 对芯线实现 1 0 0 0 m p s 传输，7 类屏蔽双绞线则可以实现1 0 g b p s ，光纤则更是可以轻松实现 千兆位、万兆缎兹传输速率1 3 焖。 2 ) 实现容易，成本低 星型结构所采用的传输介质通常采用常见的双绞线( 也可以采用光纤) ，这 种传输介质相对其他传输介质( 如同轴电缆和光纤) 来说比较便宜。 3 ) 节点扩展、移动方便 g 第2 章控制系统中通信方式的分析 在这种星型网络中，节点扩展时只需要从交换机等集中设备空余端口中拉 一条电缆即可；而要移动一个节点只需要把相应节点设备连接网线从设备端口 拔出，然后移到新设备端口即可，并不影响其他任何已有设备的连接和使用， 不会像下面将要介绍的环型网络那样“牵一发而动全身”。 4 ，维护容易 在星型网络中，每个节点都是相对独立的，一个节点出现故障不会影响其 他节点的连接，可任意拆走故障节点。正因如此，这种网络结构受到用户的普 遍欢迎，成为应用最广的一种拓扑结构类型。但如果集线设备出现了故障，也 会导致整个网络的瘫痪。 星型拓扑结构的主要缺点体现在如下几个方面： 1 1 核心交换机工作负荷重 虽然说各工作站用户连接的是不同的交换机，但是最终还是要与连接在网 络中央核心交换机上的服务器进行用户登录和网络服务器访问的，所以中央核 心交换机的工作负荷相当繁重，要求担当中央设备的交换机的性能和可靠性非 常高。其他各级集线器和交换机也连接多个用户，其工作负荷同样非常重，也 要求具有较高的可靠性。 2 ) 网络布线较复杂 每个计算机直接采用专门的网线电缆与集线设备相连，这样整个网络中至 少就需要所有计算机及网络设备总量以上条数的网线电缆，使得本身结构就非 常复杂的星型网络变得更加复杂了。特别是在大中型企业网络的机房中，太多 的电缆无论对维护、管理，还是机房安全都是一个威胁。这要求我们在布线时 要十分注意，一定要在各条电缆和集线器和交换机端口上做好相应的标记。另 外，由于这种星型网络中的每条电缆都是专用的，利用率不高，在较大的网络 中，这种浪费是相当大的。 3 ) 广播传输，影响网络性能 其实这是以太网的一个不足，但因星型网络结构主要应用于以太网中，所 以相应也就成了星型网络的一个缺点。因为在以太网中，当集线器收到节点发 送的数据时，采取的是广播发送方式，任何一个节点发送信息在整个网中的节 点都可以收到，严重影响了网络性能的发挥。虽然说交换机具有m a c 地址学习 功能，但对于那些以前没有识别的节点发送来的数据，同样是采取广播方式发 送的，所以同样存在广播风暴的负面影响，当然交换机的广播影响要远比集线 9 第2 掌控制系统中遴信方式的分圭跨 器的小，在局域网中使用影响不大。 2 2 3 环形拓扑结构及其优缺点 在环形拓扑结构( r i n gt o p o l o g y ) ( 图2 3 ) 中，设备被连接成环。每一台 设备只能和它的个或两个相邻节点直接通信。要与其他节点通信，信息必须 依次经过嚣者之间的每一个设备。环形网络可以是单向的，也霹以是双囱的。 单向是指所有的传输都是同方向的。所以，每个设备只能和一个邻近节点通信。 双向是指数据能在两个方向上进行传输。因此，设备可以和两个邻近节点直接 通信。 图2 - 3 环形拓扑结构 环型结构网络的主要优点体现在以下几个方颟： 1 1 网络路径选择和网络组建简单 在这种结构网络中，信息在环型网络中流动是一个特定的方向，每两个计 算机之间只有个通路，简化了路径的选择，路径选择效率非常高。同样因为 这样，这类霹终的组建就相当简单。 2 ) 投资成本低 这主要体现在两个方面：一方面是线材的成本非常低。在环型网络中各计 第2 章控制系统中通信方式的分析 算机连接在同一条传输电缆上，所以它的传输电缆成本就非常低，电缆利用率 相当高，节省了投资成本；另方面，由于这种网络中没有任何其他专用网络 设备，所以无须花费任何投资购买网络设备。 尽管有以上两个看似非常诱人的优点，但环型网络的缺点仍然有很多。环 型结构网络的主要缺点体现在以下几个方面： 1 ) 传输速度慢 虽然说在出现时较当时的1 0 m b p s 以太网来说在速度上有一定优势( 因为 它可以实现1 6 m b p s 的接入速率) ，但由于这种网络技术后来一直没有任何发展， 速度仍在原来水平，相对现在最高可达到1 0 g b p s 的以太网来说，它实在是太落 后了，连无线局域网的传输速度都远远超过了它【3 】【5 1 。 2 ) 连接用户数非常少 在这种环型结构中，各用户是相互串联在一条传输电缆上的，本来传输速 率就非常低，再加上共享传输介质，各用户实际可能分配到的带宽就非常低了， 而且还没有任何中继设备，所以这种网络结构可连接的用户数就非常少，最多 不超过2 0 个【3 1 。 3 ) 传输效率低 因为这种环型网络共享一条传输介质，每发送一个令牌数据都要在整个环 状网络中从头走到尾，即便是已经有节点接受了数据。在有节点接受数据后， 也只是复制了令牌数据，令牌还将继续传递，看是否还有其他节点需要同样一 份数据，直到回到发送数据的节点。这样一来，传输速率本来就非常低的网络 传输效率就更加低了。 4 ) 扩展性能差 因为是环型结构，且没有任何可用来扩展连接的设备，决定了它的扩展性 能远不如星型结构的好。如果要新添加或移动节点，就必须中断整个网络，在 适当位置切断网线，并在两端做好环中继器转发器才能连接。并且受网络传输 性能的限制，这种网络连接的用户数非常有限，也不能随意扩展。 5 ) 维护困难 虽然在这种网络中只有一条传输电缆，看似结构也非常简单，但它仍是一 个闭环，设备都连接在同一条串行连接的环路上，所以一旦某个节点出现了故 障，整个网络将会瘫痪。并且在这样一个串行结构中，要找到具体的故障点还 是非常困难的，必须一个个节点排除，非常不便。另一方面因为同轴电缆所采 第2 章控制系统中通信方式的分析 用的是插针接触方式，也非常容易出现接触不良，造成网络中断，网络故障率 非常高【5 1 。 2 2 4 全连接拓扑结构及其优缺点 在全连接拓扑结构( f u l l yc o n n e c t e dt o p o l o g y ) ( 见图2 4 ) 中，每一对设备 间都有直接的连接。这是一种极端的方案。由于不再需要竞争公用线路，通信 变得非常简单。任意两台设备可以直接通信，而不用涉及其他设备。然而，每 一对设备直接连接必然使费用增加。而且，肯定有很多连接得不到充分利用。 如果两台设备间很少通信，那么它们之间的物理线路就很少使用。因此这种结 构的优缺点是很明显的。在本课题研究中基本不会采用这种连接方式。 图2 4 全连接拓扑结构 2 2 5 组合拓扑结构及其优缺点 很多网络组合使用各种拓扑结构。图2 5 给出了一个可能的组合方案。网络 中有一条公共总线，称为主干。它允许用户访问大型机，以及高容量或频繁存 取的存储媒体。然而大多数时候，各类不同的用户，诸如科学家、会计师、销 售人员等，都有不同的专业需要，他们分别使用各自的l a n 。只是偶尔才需要 1 2 第2 章控制系统中通信方式的分析 访问高容量的存储媒体，或是借助大型机的计算能力。这种需求并不时常发生， 因此不需要把每一台p c 都连到主干上。一个折衷的方案是把网络划分为几个连 接p c 和其他设备的环形、星形或总线拓扑的局域网。同一局域网内的设备遵照 各自拓扑结构的通信标准进行通信。如果是跨网传输，必须通过连接两网的网 桥。不同的局域网使用不同的通信标准，而网桥的作用就是负责标准间的转换。 图2 5 组合拓扑结构 童壶 直黧器 混合型拓扑结构主要有以下几个方面的特点： 1 ) 应用广泛 这主要是因它解决了星型和总线型拓扑结构的不足，满足了大公司组网的 实际需求。目前在一些智能化的信息大厦中的应用非常普遍。在一幢大厦中， 各楼层间采用光纤作为总线传输介质，一方面可以保证网络传输距离，另一方 面，光纤的传输性能要远好于同轴电缆，所以，在传输性能上也给予了充分保 证。当然投资成本会有较大增加。 2 ) 扩展灵活 第2 章控制系统中通信方式的分析 这主要是继承了星型拓扑结构的优点。但由于仍采用广播式的消息传送方 式，所以在总线长度和节点数量上也会受到限制，不过在局域网中的影响并不 是很大。 3 ) 性能差 因为其骨干网段采用总线网络连接方式，所以各楼层和各建筑物之1 1 | j 的网 络互联性能较差，仍局限于最高1 6 m b p s 的速率。另外，这种结构网络具有总线 型网络结构的弱点，网络速率会随着用户的增多而下降。当然在采用光纤作为 传输介质的混合型网络中，这些影响还是比较小的。 4 ) 较难维护 这主要受到总线型网络拓扑结构的制约，如果总线断开，则整个网络也就 瘫痪了，但是如果是分支网段出了故障，则不影响整个网络的正常运作。再一 个就是整个网络非常复杂，维护起来不容易。 2 3 控制系统中传输媒介的分析 用在控制系统中的通信媒介经过多年的发展已经有了很多种选择。在数据 通信领域，新的技术并不一定会使老的技术变得过时。实际上，光导纤维和卫 星通信的发展也并没有消除人们对双绞线或同轴电缆的需求。在通信世界里， 每一种媒体都有它自己的位置。经过大量的归纳总结，下面列出了常用媒介的 一个比较表，见下表2 1 。 表2 1 传输媒介性能表刚3 】f 4 】【5 】 双绞线同轴电缆光导纤维 微波 数据随导线艮度和厚度 住一千米到两千米 2g b p s 3g b p s 的比 取决于信号的频 速术而斤，快速以太局域 的距离内可达到 特速牢已逐渐普及，率。速率从大约1 0 网的速牢可达1 0 0有报道称已达到2 8 m b p s 到3 0 m b p s 刁i 8 0 0 m b p s 的数据速 瘩 m b p s 。g b p s 的速度 等 对干接近导线或电动机保护层将屏蔽掉大对电磁干扰具有免疫同态物体将产生干 扰的的电磁干扰部分电磁干扰 1 1 扰。两端点h j 必须 敏感 存在商接的视线 度 1 4 第2 章控制系统孛通信方式靛分橱 距离取决予导线厚度窝取决于数据速攀。可达6 0 英里 2 0 3 0 英里，僵舆 数据速率。不使用中不使用中继器可以体取决于天线高度 继爨珂殴黄输5 - - 6传输5 6 英羹程两端点之闻戆囊鏊 英里形 典鼙适用予空间有限或常用俸算机网络中通常墙予途电话线中 通常用无法铺设i 瓤 用途者不需要高数据速的主要通信媒体也经常作为计算机网缆的情况下 率的情况下络中的主要通信媒体 评价添加保护层将允许戆够轻易地添加薪难以接会，难良添捆在两蛄点之藏建造 在更长的距离内达设备，接合也很方新的设备 新的建筑物将产生 到受志的数糕速率便瀚题 2 4 控制系统中通讯协议的分析 控制系统中的两络协议主要遵从i s o 定义的o s i7 层网络协议结构，下瘸 2 6 是o s i 的分层协议模型2 】【5 1 。 主概系统和刚户 传输淡体 图2 6o s l 分层协议模型 1 5 第2 章控制系统中通信方式的分析 分层协议的目的在于把各种特定的功能分离开来，并使它的实现对其他层 次来说是透明的。这种分层结构使各个层次的设计和测试相对独立。比如说， 数据链路层和物理层分别实现不同的功能。物理层为前者提供服务。数据链路 层不必理会服务是如何实现的。因此，物理层实现方式的改变将不会影响数据 链路层。这一原理同样适用于其他连续的层次。o s i 各层要实现的功能相对较多， 这里在下表2 2 中做一个简要概述。 表2 2o s i 模型各层功能概述 层次功能 7 应用层提供电子邮件、文件传输等用户服务 6 表示层转换数据格式，数据加密和解密 5 会话层通信同步，错误恢复和事务操作 4 运输层嘲络决策，实现分组和重新组装 3 网络层 路由选择，讣费信息管理 2 数据链路层错误检测和校正，组帧 1 物理层数据的物理传输 实际的控制系统中采用的分层模型绝大部分对应于o s i7 层模型中的应用 层、数据链路层和物理层三层。下面就o s i 这三层要实现的功能和协议模块进 行一下简单概括，它是后面剖析s i m p l e x 消防报警控制系统终端通信协议的理论 指导。 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 负责在网络上传输数据比特流。这与数据通信的物 理或电气特性有关。比如说：传输媒体是铜质电缆、光纤还是卫星。物理层以 比特流的方式传送来自数据链路层的数据，而不去理会数据的含义或格式。同 样，它接收数据后，不加分析，直接传给数据链路层。物理层由两个主要部分 组成：传输媒体和连接策略。传输媒体决定了信号是如何传送的。典型的有双 绞线、同轴电缆、光纤、卫星、微波塔和无线电波。每一种媒体都有不同的电 气或电磁特性，分别适用于不同的环境。要充分理解传输媒体，必须讨论模拟 和数字传输、带宽、信噪比、宽带、基带、语音级传输，甚至傅立叶变换等问 题【3 j 【4 】【5 1 。由于这些知识不是本课题研究的重点，所以这罩不做详细分析。 1 6 第2 章控制系统中通信方式的分析 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 负责监督相邻网络节点的信息流动。当物理 层发送和接收数据时，在它上面的数据链路层负责确保它正确地运作。它使用 检错或纠错技术来确保正确的传输。当数据链路检测到错误时，它请求重发， 或是根据情况纠正。数据链路层还要解决流量控制的问题：流量太大，网络会 出现阻塞；太小了，又会使发送方和接收方等待时间过长。另外，数据链路层 还管理数据格式。数据通常被组合成帧加以传输。帧是按某种特定格式组织起 来的字节集合。数据链路层用唯一的比特组合对将要发送的每一帧的开始和结 束进行标示，对接收进来的每一帧进行判断，然后把无错的帧送往上一层。链 路层是为模型中的上层提供数据传送服务的，这种服务要依靠本层具备的功能来 实现。链路层应具备如下功能： 1 ) 链路连接的建立、拆除和分离。 2 ) 帧定界和帧同步。链路层的数据传输单元是帧，协议不同，帧的长短和界面 也有差别，但无论如何必须对帧进行定界。 。 3 ) 顺序控制，指对帧的收发顺序的控制。 4 ) 差错检测和恢复。差错检测多用方阵码校验或循环码校验来检测信道上数据 的误码，而帧丢失等用序号检测。各种错误的恢复则靠反馈重发技术来完成。 5 ) 链路标识，流量控制等等。 在每种通讯的数据链路层中，都有一个很重要的协议用来实现媒介的竞争， 这里对常用的竞争协议做一个简要总结，见下表2 3 所示。 ” 表2 3 竞争协议概述【2 1 1 4 1 协议意义优点缺点 a i o h a 其变形适用于卫星通实现简啦存在潜在的延迟，因为站点可 信，在卫星通信巾，由 能对它发送出去的帧发生了冲 丁时间的延迟，侦听并突毫4 i 知情 不实用 p 一坚持 与cs m a c d 结合 试图减少媒体空闲的几率 在通信量繁重时可能出现过多 使用，广泛心用丁以太的冲突，浪费媒体带宽 叫和其他网络 非坚持 根据模型，高负载时功减少冲突次数，特别是在高即使有站点要发送数据，传输 1 7 第2 章控制系统中通信方式的分析 率不会下降负载的情况下媒体也可能空闲 c s m a 与p _ 坚持结合使用，常 减少一次冲突的时间成功传送一个帧所需要的时间 cd用丁以太i l ( 1 9 没有理论上的上限 令牌环特别流行于办公和商接口简睢，因为站点只能从除非在协议中加入恢复方法， 用巾它的邻居处收发数据。个否则一个站点上的故障就可能 站点在得到令牌前的等待破坏令牌，或使环无法工作， 时间存在上限从而影响整个网络 令牌总 最初受到很多对自动一个站点在得到令牌前的由于添加或删除站点时，必须 线化生产感兴趣的人的等待时间存在上限将变化告知其逻辑上的邻居， 炊迎所以比较困难 o s i 模型中的最高层，即应用层，负责与用户和应用程序进行通信。必须注 意的是它并不等同于一个应用程序。应用层为用户提供电子邮件、文件传输、 远程登录和资源定位等服务。比如说，一方的应用层能够直接传送文件给另一 方的应用层，而不管低层的网络和计算机体系结构是否相同。应用层定义了一 些协议集，以支持通过全屏幕文字编辑器方式来模拟各种不同类型的终端。理 想情况下，底层的差别对于用户来说应该是透明的。 由于b a c n e t 在楼宇自动控制系统领域得到了越来越广泛的应用，而消防报 警控制系统是楼宇自动控制系统的一个子系纠6 】【7 】，下面对b a c n e t 的协议结构 分层做一下简要分析，这些分析是十分有助于后面通信协议的剖析的。 实现o s i 模型协议所需的费用较高，在绝大部分楼宇自动控制系统中，并 不需要实现o s i 模型的所有内容，事实上b a c n e t 只包含o s i 模型中被选择的 层次，其它各层则被去掉【8 】【9 】【l 们。不过只从o s i 的功能性方面来考虑，经过简化， o s i 模型仍然是楼宇自动控制协议的一个很好的参考。如果只选择o s i 模型中需 要的层次，形成一个简化的模型，作为楼宇自动控制系统的协议体系结构，就 可以减少报文的长度，降低通信处理的丌销，并且也满足楼宇自动控制系统的 需要f l l j f j 2 】。这个简化的体系结构降低了楼宇自动控制工业的生产成本，同时处理 器的大批量生产、局域网技术的发展，也为过程控制和办公自动化工业的发展 起到了推动作用。并且可以充分利用现有的、易用的、应用广泛的局域网技术， 如以太网、a r c n e t 和l o n t a l k 。这样不但可以降低成本，方便技术的推广，而 且也有利于提高性能，为系统集成开辟新的途径。 第2 章控制系统中通信方式的分析 b a c n e t 的协议层次 b a c n e t 应用层 b a c n e t 网络层 i s o8 8 0 2 - 2 m s t p ( 主从p t p ( 点到 令牌传递)点协议) l o n t a a r c n e e i a 4 8 5e i a 2 3 2 i k i s o8 8 0 2 3 t ( r s 4 8 5 )( r $ 2 3 2 ) 图2 7b a c n e t 简化的体系结构层次图1 3 】【1 4 】【1 5 】 图2 7 给出了对应o s i 层次的b a c n e t 的协议层次，从中可以看出对于数据 链路层和物理层可有可多种选择。 第一种选择是i s o8 8 0 2 2 类型1 定义的逻辑链路控制( l l c ) 协议，加上 i s o8 8 0 2 3 介质访问控制( m a c ) 协议和物理层协议。i s o8 8 0 2 2 类型1 提供 了无连接( c o n n e c t i o n l e s s ) 不确认( u n a c k n o w l e d g e d ) 的服务，i s o8 8 0 2 3 则 是著名的以太网协议的国际标斛”】【1 6 】。 第二种选择是i s o8 8 0 2 2 类型1 定义的逻辑链路控制协议，加上a r c n e t ( 删a n s i8 7 8 1 ) 1 7 1 。 第三种选择是主从令牌传递( m s t p ) 协议加上e i a 4 8 5 协议。m s t p 协 议是专门针对楼宇自动控制设备设计的，同i s o8 8 0 2 2 类型1 一样，它通过控 制e i a - 4 8 5 的物理层，向网络层提供接口【1 8 】【1 9 1 1 2 0 1 。 第四种选择足点对点( p t p ) 协议加上e i a 2 3 2 协议，为拨号串行异步通信 提供了通信机制。 第五种选择是l o n t a l k 协议。 这些选择都支持主从m a c 、确定性令牌传递m a c 、高速争用m a c 以及 拨号访问。拓扑结构上，支持星型和总线型拓扑。物理介质上，支持双绞线、 同轴电缆、光缆【1 3 】。 2 5 本章小结 本章介绍了控制系统中通讯方式的发展历史，对其体系结构和传输媒介的 1 9 第2 牵控制系统中邋信方式酶分析 常用方式做了下优缺点分析，最后对国际标准组织最终认定的通信协议的层 次结构作了简要说明，并且介绍了一个和消防懿控系统密切相关的通信协议的 屡次结构即b a c n e t 的捺议层次结构。 分析这些通讯方式和协议的目的是为了本项目的n f a c s ( n e wf i r ea l a r m c o n t r o ls y s t e m ) 的逶讯架构设计和s i m p l e x 4 1 0 0 系列消防报警监控系统的终端 通讯协议剖析做好理论基础，下一章将会详细说明n f a c s 系统的架构设计过程。