（电力系统及其自动化专业论文）广邻高速公路华蓥山隧道监控系统及其性能分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文筻i i 页 a b s t r a c t t h i st h e s i sh a sb e e nc o m p l e t e do nt h eb a s i so ft h ei n v e s t i g a t i o n o ft h e h u a y i n g s h a t u n n e ls u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ( h t s c s ) a tf i r s t t h ep r i n c i p a lt h e o r ya b o u tt w ok i n d so fc o n t r o ln e t w o r k ( i e f i e l d b u s a n di n d u s t r i a le t h e m e t ) i ss t u d i e d ，w h i c hh a v eb e c o m ec o m n l o ni ni n d u s t r i a l c o n t r o if i e l d i n r e c e n t y e a r s t h e y c o n c e r l li n d i v i d u a l s p e c i a l i t i e s ， c a t a g o r y ，a d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e s ，a p p l i e ds i t u a t i o n ，a n ds o o n a t i e ri ti ss e tt h a t t h e r ea r em o r ea d v a n t a g e sa b o u ti n d u s t r i a le t h e m e to v e rf i e l d b u s ，af e wt y p i c a l p r o t o c o l sa r es t u d i e d a b o u tc o m b i n a t i o no ff i e l d b u sa n di n d u s t r i a le t h e m c t m o d b u s p r o t o c o li sc o n t i n u o u s l ya n a l y z e d w h i c h e x i s t si nt h eh t s c s a n dt h e n ，t h ec o a t e n t s ，f u n c t i o n ，n e t w o r ks t r u c t u r ea n ds e t u pa b o u th t s c s a r ed i s c u s s e d ，a sw e l la st h es o f t w a r eo ft h ed i s t r i b u t i o nt e r m i n a l sa n de x e c u t i n g t e r m i n a l s ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m i n t e r a c ta n d s u p e r v i s o r yc o r e r o ls y s t e m s ( s c s ) a l t ei _ a t e g r a t e d 沁o r d e rt o o b t a i n l o n g - h a el o n g - h a u ls u p e r v i s o r yc o n t r o l ；t h e d e t a i l e ds c h e m eo fr e p l a c i n g f i e l d b u sw i t hi n d u s t r i a le t h e m e tb a s e d0 ne m b e d d e dm o d u l ea r eg i v e n ，s oa st o m a k et m m e ls u p e r v i s o r ys y s t e m sr e a i l y o p e na n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n 矗e l d d e v i c e sr e a l t i m e b e c a u s eo ft h e v e r yi m p o r t a n c e o fs y s t e m s p e r f o r m a n c e a l li n d i v i d u a i c h a p t e r f o l l o w s t h e a v e r a g e t i m e l a g i nn e t w o r kt r a n s f e ra r e a n a l y z e da n d c a l c u l a t e d t h em a i nf a c t o r sw h i c hc a u s e dt h e a v e r a g ej a gt i m ea b o u td a t at r a n s f e r i nt h et o k e nr i n gn e t w o r ka r ek n o w n t h r o u g ht h ec o m p a r i s o na n d a n a l y s i so f t i l ec o m p u t i n gr e s u l t s t h es t a t es p a c et h e o r yi su s e dt oa n a l y z et h er e l i a b i l i t yo f h t s c si nd e t a i l t h em a r k o v r e l i a b i l i t ym o d e l s o fh t s c sa r eg i v e na n di no r d e r t om a k ee a t c u l a t i o ne a s y ，t h e s em o d e l sa r es i m p l i f i e d s y s t e m s r e l i a b i l i t yc a l lb e b e t t e ri nt h r e ew a y sa n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hw a yf o l l o w h e r e ，t h ec e r t a i nu n i t s s t a n d b y sa r ef i n a l l ys e l e c t e dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y t h e c a l c u l a t i n gr e s u l t so ft h er e l i a b i l i t ya n dm t b f ( m c a n t i m eb e t w e e nf a i l u r e ) o f h t s c ss h o wt h a tt h er e l i a b i l i t ya b o u th t s c sj sh i g h e r w h i c hc a nf u l f i l lt h ea c t u a l r e q u i r e m e n t 。t h ea b o v ea n a l y s i sp r o v i d e sas o u n d t h e o r e t i c a lb a s i sf o re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ： f i e l d b u s ：i n d u s t r i a l e t h e m e t ；s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m s n e t w o r kt i m el a g ： s y s t e mr e l i a b i l i t y 1 1 监控系统 在监控领域有许多的早期开拓者发明的方法早已被人们遗忘。肯定地 说，监控技术决不是有了电子传感器和模数转化器才开始的，而是从人们 读测量值和进行机械控制时就开始了。1 9 0 0 年到1 9 2 0 年初，许多种遥控 和监视系统发展起来了。但大多数是单功能的或者是遥控，或者是远方监 视。最早的现代监控系统是1 9 2 1 年由哈罗设计的，这个系统能检出远方 站的状态改变，并将其向控制中心报告，1 9 2 3 年培拉曼和利查森发展了 一个遥控系统，它应用了相当于现代的“操作前校核”( c h e c k b e f o r e - o p e r a t i o n ) 技术，以保证在实际控制开始前所选择的控制点是正确的。操作 员也可以要求点的“校核”来证实其状态。第一个记录系统是赫雷于 1 9 2 7 年设计的。该系统监视从远方送来的信息，并把这个设备的任何状 态变化打印出来，包括变化的日期和时间。当时元件很少有选择的余地， 所有这些系统都采用机电型元件制作。 随着科学技术的发展，监控技术( 也称之为远动技术、s c a d a 技 术) 已经成为一门独立的学科。由于生产过程自动化程度日益提高，人们 不断谋求对生产过程，特别是对处于分散状态的生产过程的集中监视、控 制和统计管理。为了达到上述要求，监控技术在综合自动控制理论、计算 机技术和现代通信技术的基础上迅速发展起来。 监控技术在2 0 世纪3 0 年代首先用于铁路运输系统，4 0 年代用于电 力系统：监控系统经历了继电器、晶体管( 分立元件) 、集成电路和微机 远动系统几个阶段，相应的监控系统也经历了第代、第二代、第三代和 第四代监控系统。第一代、第二代、第三代监控系统统称为布线逻辑监控 系统，第四代称为微机监控系统。 监控系统在基本设想方面。在应用场合和完成其特定功能方面有着繁 多的种类，各自有着不同的功能。有的可能是一个很简单的单一控制系 统；有的可能是一个很大的综合系统。它使操作员或机器在远处得到足够 的确定变电所或发电厂或公路、铁路隧道内设备状态的信息，并且进行判 断后，对远方点下达命令，去直接操作某些设备或调整某些参数，以便完 成实时控制任务。实现“四遥”( 遥测、遥信、遥控和遥调) 功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 监控系统的主要任务：一是集中监视，提高安全经济运行水平。正常 状态下实现合理的系统运行方式；事故时，及时了解事故发生的地点和范 围，加快事故处理。二是集中控制，提高劳动生产率。调度人员可以借助 远动装置进行遥控或遥调，实现无人化或少人化，并提高运行操作质量， 改善运行人员的劳动条件。 目前，广泛使用的微机监控系统由三大部分构成：控制中心( c o n t r o l c e n t e r ，即调度端) 、通道( c h a n n e l ) 和远方终端( r t u ) 构成。控制 中心由计算机主机、c r t 显示器、打印机和模拟屏等组成。它和r t u 之 间的信息通过远动通道来传输。控制中心的主要任务是对r t u 送来的信 息进行加工、处理，并根据需要进行各种报表、记录的打印、存储、显 示，对事故信号进行报警，以及操作员通过人机接口向各r t u 发送操作 命令等。r t u 的主要功能则是采集变电所、电厂和隧道等处各开关量的 状态、电气量等参数并及时上送调度中心，以及执行控制中心发送来的各 种操作命令等。 随着人类的发展，电力系统、公路或铁路隧道越来越来复杂，为了做 到安全、经济，需要建立一个能对这些地方的主要设备进行监视、测量、 调整、控制、管理以及和其它系统联网以便实现数据共享的调度自动化综 合监控系统。这是未来微机监控系统的发展方向。 1 2 高速公路隧道监控系统的特点1 2 1 1 3 高速公路监控系统，与电力系统中的监控系统，所控制的对象不 同，它们自然具有不同的的特点。 在电力系统中，各变电所、发电厂( 站) 的地理布局大多是呈辐射状 的分散布局，因而其相应的电力监控系统的通道结构也多为星型拓扑结 构。在高速隧道中，各个远动终端设备沿着隧道分布。因此，高速公路隧 道监控系统的通道结构大多采用总线型结构、环型结构，在环型结构中， 必须考虑信号的中继转发、实时性等问题，这在星型结构中是不需特别考 虑的。 从通信媒介上看，电力系统多采用电力线载波作为信息通道，而高速 公路隧道多采用载波电缆或光纤作为信息通道。 在电力系统中，采集的数据主要是变压器母线、传输电线上的潮流分 布，断路器、隔离开关的位置信号，发电机的出力等信息。而在高速公路 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 隧道中，主要采集的信息是一氧化碳的浓度、烟雾透过率，隧道中的照明 度，隧道中路面的积水情况等。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第2 章现场总线、工业以太网技术 现场总线和工业以太网是适应设备层开放发展策略的两类控制网 络，是当今自动化领域技术发展的热点。 2 1 现场总线的定义和优点 根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 标准的定义1 4 1 ：现场总线是连接智能现场设备和自动化系 统的数字化、双向传输、多分支结构的通信网络。 现场总线的本质含义表现在以下6 个方面： ( 1 ) 现场通信网络：( 2 ) 现场设备互连：( 3 ) 互操作性( 4 ) 分散功 能块：( 5 ) 通信线供电；( 6 ) 开放式互连网络。 下面分别简述一下这6 个方面的具体内容。 现场通信网络：现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设备， 用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网 络。 现场设备互连：现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器 等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、 光纤和电源线等，并可根据需要来选择不同类型的传输介质。 互操作性：现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以 提供一座工厂所需的全部现场设备，因而，互相连接不同制造商的产品是 难免的。现场总线设备互操作就是各现场设备能互相通信，传送所需的有 关信息，各设备能有机地组成一体，统一组态，互相协调地工作。 分散功能块：f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 废弃了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 ) 的输入输出单元和控制站，把d c s 控制 站功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。如调节阀的基本 功能是信号驱动和执行，其内部还有输出特性补偿模块，也可以有p i d ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a t e dd i f f e r e n t i a l ) 控制和运算模块，甚至有阀门特 性自校验和自诊断功能。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组 态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需控制系统，实现彻底的分散控 制。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 通信线供电：它允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，对于要求本 质安全环境的低功能现场仪表，可以提供这种供电方式。炼油、化工等企 业生产现场有可燃性、易爆物质，所有现场设备必须严格遵守安全防爆标 准。 开放式互连网络：现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互 连，也可与不同层网络互连。不同厂家产品的网络互连十分简便，用户不 必在硬件或软件上花多大力气。开放式互连网络还表现在网络数据库同 享。通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂家设备和网络组成 有机整体，构成统一的f c s 。 从现场总线本质特征，自然容易得出现场总线的许多优点，如高可靠 性、低成本、组态简单、可互换、可互操作、分散控制、方便运行、系统 开放等。下面做具体说明。 控制器 现场总线 圜2 1 垤线对照 现场总线的优点： 1 一对n 结构：一对传输线、n 台仪表，双向传输多个信号。这种一对 n 结构使得接线简单，工程量小，安装维修费和材料费低。f f 曾拿现场 总线示范工程与传统d c s 做了比较，各项费用节省率，导线8 2 ，螺钉 6 3 ，接1 2 1 板5 0 ，安全栅5 0 。如果增加现场设备或仪表，只需并行 挂接在电缆上，无需架设新电缆。州见图2 1 ( 图中的一根连线代表一对 传输线) 。 2 可靠性高：数字信号传输抗干扰性强，精度高，这样就从根本上提高 了系统的抗干扰性，减少了传送误差，从而减少了资金投入。 = 重= 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 3 互换性：用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比高的现场 设备，并将不同品牌的仪表互连。即使某台仪表故障，换上其它品牌的同 类仪表仍能照常工作。 4 统一组态：因为现场设备或现场仪表都采纳了功能块的概念，所有制 造商都使用了相同功能块，并统一组态方法。用户不必因为现场设备种类 不同带来组态方法的不同，节省了培训等费用。 5 开放式系统：现场总线为开放式互连网络，所有标准全是公开的，所 有制造商均要遵守。 6 可控状态：这也是d c s 系统所无法做到的，操作员在控制室既可了 解现场设备( 仪表) 工作状况，也可对其参数进行调整，还可以进行故障 检测，这样就可以提高系统的可靠性、可维护性、可控性。 2 2 现场总线标准化进程 在过去的十几年中，世界上出现了许多现场总线的企业、集团或国 家标准。多标准的存在即意味着无标准。目前，现场总线已进入了“战国 时期”，这给用户和设备制造商带来许多麻烦，使现场总线的优点不能充 分发挥，为什么会出现这种局面? 其一是技术问题。现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的 现场设备( 仪表) 互连的通信网络，涉及到不同行业标准和用户习惯的继 承。 其二是商业利益。国际标准的制定不是空想，而是要参照现存的企 业、集团或国家标准，汲取众家之长。这就使各个企业拼命想扩大自己已 有技术在国际标准中占有更多份额，以便使国际标准能对自己产生更有利 的影响，占领更多市场，带来更多经济实惠。结果是各企业互不相让，各 干各的，导致目前多种现场总线共存局面。 一些主要现场总线标准均有国际上大型跨国公司做背景和依托，如 f f 一一一一- 一f i s h e r r o s e m o u n t p r o f i b u s 西门子 w o r l d f i p a l s t o m l o n w o r k s e c h e l o n1 4 】 s w i f t n e t 波音 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 它们代表着所占有的市场，代表着利益。一旦放弃，那就意味着垮 台。因而谁也不肯相让，各现场总线标准大统一的希望在短时间内难以实 现。 然而，市场需要统一标准的现场总线控制系统。经过1 4 年纷争， 2 0 0 0 年1 月4 日，i e c 中央办公室发布了最终获得通过的i e c 6 1 1 5 8 标 准。新标准包括8 种类型的现场总线。如表2 1 。 表2 - 1i e c 6 115 8 标准定义的8 种现场总线 t y p e l f f h l现场总线 t y p e 2 c o n t r o l n e t现场总线 t y p e 3 p r o f i b u s现场总线 t y p e 4 i n t e r b u s现场总线 t y p e 5 p n e t 现场总线 t y p e 6 w o r l d f i p现场总线 t y p e 7 s w i f t n e t 现场总线 t y p e 8 f fh s e h i g hs p e e de t h e r n e t 其中，p n e t 和s w i f t n e t 是专用总线，c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、 i n t e r b u s 和w o r l d f i p 是从p l c 发展而来，而f f 和h s e 是从传统d c s 发展来的。这8 种现场总线采用的通信协议完全不同，因而，要实现这些 总线兼容和互操作相当困难。目前，这8 种现场总线都在各自修改其应用 层协议，支持i e c 6 1 7 8 4 规范，朝着争取通过高层协议达到相互兼容的目 的。但是i e c 6 1 1 5 8 成为一个基本统一、由多部分组成的标准的愿望目前 仍然没有实现。 2 3 m o d b u s 和m o d b u sp il i s 现场总线协议 工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制，如今已进入网络 时代，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。m o d b u s 通信协议就是 工业控制器的网络协议中的一种。 2 3 1 m o d b u s 协议【8 m o d b u s 是m o d i c o n 公司为该公司生产的p l c 设计的一种通信规约， 从其功能上看，可以认为是一种现场总线。它通过2 4 种总线命令实现 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 p l c 与外界的信息交换。具有m o d b u s 接1 3 的p l c 可以很方便的进行组 态。经过大多数公司的实际应用，m o d b u s 逐渐被认可，成为一种标准的 通信规约。目前，在r s 2 3 2 r s 4 8 5 通讯过程中，更是广泛采用这种规 约。 通过m o d b u s 协议，控制器相互之间、控制器经由网络( 如以太网) 和其它设备之间可以通信。它已经成为一种通用的工业标准。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。这个协议定义 了控制器能识别和使用的消息结构，而不管是在何种网络类型上进行通 信。它描述了一个控制器请求访问另一个设备的过程，如何响应其它设备 的请求，以及如何检测和记录错误。m o d b u s 协议制定了消息域格式和内 容的公共格式。在m o d b u s 网络通信过程中，m o d b u s 协议规定了每个控 制器如何知道它所控制的设备地址，如何识别发送给控制器的消息，如何 确定动作的方式，以及如何提取消息中的数据和其它信息。如果消息需要 回复，那么控制器会生成回复消息并用m o d b u s 协议将它发送出去。 在其它网络中，含有m o d b u s 协议的消息转化为在此网络上使用的帧 结构或包结构。这种转换也倾向于解决节点地址，路由选择和专用于每种 网络的检错方法。例如，m o d b u s 协议中的m o d b u s 设备地址在消息传输 之前，会转变成节点地址。检错字节也将应用到信息包，以便与每一种网 络协议相一致。 1 在m o d b u s 网络上传输 标准的m o d b u s 端口使用一个r s 2 3 2 c 可兼容性串口，它定义了针 脚，线缆，信号位，传输波特率和奇偶校验。控制器能够直接或通过 m o d e m 连成个网络。控制器使用主从技术通信，即仅一台设备( 主设 备) 能够初始化数据交换( 即查询) ，其它设备( 从设备) 根据主设备提 供的数据做出响应。典型的主设备包括主处理器和可编程仪表，典型的从 设备包括可编程控制器。主设备能够单独地与从设备通信，也能以广播方 式与所有的从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应。如 果以广播方式查询，则不作出任何回应。m o d b u s 协议建立了主设备查询 的格式：设备地址( 或广播地址) ，功能代码，所有要发送的数据和错 误检测域。从设备的回应消息用m o d b u s 协议也可以组建，含有确定要行 动的域和任何要返回的数据，以及错误检测域。如果在接收消息时出错， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 或从设备不能执行其命令，从设备将生成错误消息帧并将它作为回应发送 出去。 2 在其它类型网络上传输 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何设备能初始和其它 控制器的通信。因而，在单独的通信过程中，控制器既可以作为从设备也 可以作为主设备。提供的多个内部通道通常允许主设备和从设备同时处理 多个数据交换。即使网络通信方法是对等的，m o d b u s 协议在消息位仍 然使用主从原则。如果控制器先发送消息，那么它作为主设备使用，并等 待从设备回应。类似地，当控制器收到消息时，它生成一个从设备回应格 式并返回给发送的控制器。 3 查询一回应周期 图2 2 主从查询一回应周期表 查询：查询消息中的功能代码通知被选中的从设备要执行何种功 能a 数据段含有这个从设备执行其功能所需的附加信息。例如，功能代码 0 3 是要求从设备读取保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要 通知这个从设备的信息：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：如果从设备做了正常的响应，那么回应消息中的功能代码是 对查询消息中功能代码的回应。数据段包含了从设备收集的数据，如寄存 器的值和状态。如果出现错误，功能代码将被修改以显示回应消息是错误 的，且数据段含有描述这个错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认 消息内容是否是可用的。 2 3 1 1 两种串行传输方式 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 人们可以使用以下两种传输方式的任一种将各个控制器搭建在标准 m o d b u s 网络上进行通信：a s c i i 或r t u 。用户在设置每一个控制器时， 要选择理想的模式以及串口通信参数( 波特率，奇偶方式等) 。传输模式 和串口参数必须对m o d b u s 网络上的所有设备都一样。一般来说，通讯数 据量少而且主要是文本的通讯则采用m o d b u sa s c i i 规约，通讯数据量大 而且是二进制数值时，多采用m o d b u sr t u 规约。表2 2 与表2 3 给出了 m o d b u s 协议的两种消息帧格式。 表2 2a s c i i 模式消息帧格式 表2 3r t u 模式消息帧格式 所选的a s c i i 或r t u 模式仅适合于标准的m o d b u s 网络。它确定了 在这类网络上要连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成 消息域并如何解码。在其它诸如m a p 和m o d b u sp l u s 的网络中，m o d b u s 消息被转成与串行通信无关的帧中。 i a s c i i 模式传输 当控制器在m o d b u s 网络上使用a s c i i ( 美国标准信息交换代码) 模式 通信时，消息中的每个八位字节作为两个a s c i i 字符被发送出去。这种 模式的主要优点是字符发送的时间间隔可达一秒而不发生错误。 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 字符都由一个十六进制字符组成 每个报文的位 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) ，两个停止位( 无校验时) 错误检测域 l r c ( 纵向冗余校验) 2 r t u 模式传输 当控制器在m o d b u s 网上使用r t u ( 远程终端单元) 模式通信时，在消 息中的每8 位字节含有两个4 位十六进制字符。这种模式的主要优点是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 耍 在相同波特率下，由于其字符密度较大而比a s c i i 模式传送更多的数 据。每个消息必须连续地传输。 代码系统 8 位二进制，十六进制数0 9 ，a f 消息中的每个8 位域都是两个十六进制字符组成 每个报文的位 1 个起始位 8 个数据位，最低有效位先发送 i 个奇偶校验位，无校验则无。 1 个停止位( 有校验时) ，2 个停止位( 无校验时) 错误检测域 c r c ( 循环冗余校验) 2 3 1 2m o d b u s 消息帧 在两种传输模式( a s c i i o rr t u ) 中，传输设备可以将m o d b u s 消息 转化为具有开始点和结束点的帧。这允许接收设备在消息开始处接收，读 地址分配信息，确定哪一台设备被选中( 广播方式，则传给所有设 备。) ，并且判断何时接收完信息。部分消息也可以被检测到，并且将它 设置成错误。 1 a s c i i 消息帧 使用a s c i i 模式，消息以冒号( ：) 字符开始( a s c i i码 3 a h ) ，以一个回车换行符结束。其它域允许使用的字符是十六进制的 0 9 ，a f 。网络设备一直在监测着的( ：) 字符。当收到冒号字符 时，每个设备就对下一个域( 地址域) 解码，来判断是否是发给自己的。 消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过秒。否则，接收设备就认为 出现了错误。一个典型消息帧如表2 - 4 所示。 表2 - 4a s c i i 消息帧 起始位设备地址功能代码数据 l r c 校验结束符 1 个字符2 个字符2 个字符n 个字符 2 个字符2 个字符 2 r t u 消息帧 用r t u 模式时，消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始。 在网络使用的波特率下多样字符时间是很容易实现的。传输的第一个域是 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 设备地址。所有域允许使用的字符是十六进制的0 9 ，a f 。各网络 设备持续地监测网络总线，包括停顿间隔时间在内。当第一个域接收到 ( 地址域) 时，每个设备进行解码以便判断它是否是发给自己的。在最后 一个传输字符之后，至少3 5 倍的类似字符时间停顿表示消息的结束。 一个新消息就可在此停顿后开始。 完整的消息帧作为一个连续信息流发送。如果在完成这个帧之前有 至少1 5 倍的字符时间的停顿，那么接收设备会刷新不完整的消息并认 为下一个字节将是新消息的地址域。类似地，如果一个新消息在小于3 5 倍的字符时间间隔内接着先前的消息开始，那么接收设备将它看成先前消 息的延续。这将出错，因为最后的c r c 域的值不可能是正确的。下面举 一个典型的消息帧，见表2 5 。 表2 - 5r t u 消息帧 起始位设备地址功能代码数据 crc 校验结束符 t 卜他一t 3 - t 48b i t8b i tn 个8b i t1 6 b i tt 1 们t 3 - 1 4 3 如何处理地址域 消息帧的地址域含有两个字符( a s c i i ) 和8 b i t ( r t u ) 。有效的从 设备地址是o 2 4 7 ( 十进制) 。单个从设备地址范围是1 2 4 7 。主设 备通过将从设备地址放到消息的地址域来选通从设备。当从设备发送回应 消息时，它将自己的地址放到回应消息的地址域里，以便让主设备知道哪 一个从设备作出回应。地址0 用作广播地址，以使所有的从设备都能认 识。当在更高水准的网络上使用m o d b u s 协议时，广播方式可能不被允许 或者以其它方法取代。例如，m o d b u sp 1 0 s 使用一个共享的通用数据 库，而每个令牌环能更新这个数据库。 4 如何处理功能域 消息帧的功能代码域包含了两个字符( a s c i i ) 或8b i t s ( r t u ) 。 可能的代码范围是十进制的1 ”2 5 5 。有些代码适用于所有的控制器，而 有些应用于某种控制器，还有一些保留以备后用。 当消息从主设备发送到从设备时，功能代码域通知从设备要执行什么 动作。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：或者允许调入、记录、校验从设备内的程序。 当从设备回应时，从设备使用功能代码域来指示是正常( 无误) 的 回应，还是有某种错误发生( 称作异议回应) 。对正常反应，从设备仅回 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 应相应的功能代码。对异议回应，从设备返回一个等同于正常功能的代 码，最高有效位置为逻辑l 。 例如，从主设备发送到从设备的消息要求读一组保持寄存器，将产生 下列功能代码：0 0 0 00 0 1 1( 十六进制的0 3 h ) 对于正常回应，它会在回应消息中返回相同的功能代码。对于异议 回应，它返回：l0 0 00 01 1 ( 十六进制8 3h ) 。 除了功能代码因异议作了修改外，从设备还将一个独特的代码放到 回应消息的数据域中。这能告诉主设备发生了什么错误。 主设备的应用程序能够处理异议回应。典型的过程是重发消息，或 者将诊断消息发送绘从设备，并通知操作员。 5 数据域的内容 数据域是由两个十六进制数的集合构成，范围是o o 到f f 。根据 网络的串行传输模式，这些数字是用一对a s c i i 字符或一个r t u 字符组 成的。 从主设备发送到从设备的消息数据域含有附加信息：这可能包括诸 如不连续的寄存器地址，要处理的项目数量，以及包含在域中的实际数据 字节数。 例如，如果主设备需要从设备读一组保持寄存器( 功能代码0 3 h ) ， 数据域指明了起始寄存器以及要写入的寄存器数量。如果主设备写入一组 从设备的寄存器( 十六进制的功能代码1 0 ) ，数据域则指明了起始寄存 器，要写入的寄存器数量，数据域的数据字节数，以及要写入寄存器的数 据 。 如果没有发生错误，从设备返回的数据域含有请求的数据。如果发 生错误，那么此域含有一个异议代码，主设备应用程序可以用来判断要采 取的下一步行动。 在某些消息中，数据域可能不存在( 零长度) 。例如，主设备要求从 设备回应通信事件记录，从设备不需要任何附加的信息。功能代码单独地 给予指明。 6 错误检测域的内容 标准m o d b u s 网络有两种错误检测方法。错误检测域的内容取决于所 采用的检测方法。 堕堕奎塑查兰堡主堡塞生兰焦堡塞 塑! ! 里 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ 一。 当采用a s c i i 模式用于字符组帧时，错误检测域含有两个a s c i i 字 符。这是l r c ( 纵向冗余校验) 方法对消息内容计算的结果，不包括起始 冒号和结束位的回车换行符。l r c 字符附加在回车换行符前面 当用r t u 模式组帧时，错误检测域含有一个1 6b i t 的值( 用两个8 位字节来实现的) 。错误检测域的内容是对消息内容进行循环冗余校验计 算得来的。 c r c 域附加在这个消息的最后。添加时先低字节，随后是高字节。 c r c 高位字节是要发送消息的最后一个字节。 7 字符的连续传输 当消息在标准m o d b u s 系列网络上传输时，每个字符或字节以如下 方式发送( 按从左向右的顺序) ：最低有效位( l s b ) 最高有效位 ( m s b ) 用a s c i i 码字符组帧，位序如表2 - 6 和表2 7 ： 表2 - 6 有奇偶校验时的位顺序( a s c i i ) 起始位 1 1 i 2 i3 | 4l 5 l 6 1 7 l 奇偶位 l 停止位 表2 7 无奇偶校验时的位顺序( a s c i i ) 起始位 i 1 l 2 i 3 i 4 i 5 i 6 l 7 i 停止位 i 停止位 使用r t u 字符组帧，位序如表2 8 与2 - 9 。 表2 8 有奇偶校验时的位顺序( r t u ) 起始位 l 1 i 2 l 3 i 4 l 5 l 6 l 7 i 8 l 奇偶位 l 停止位 表2 - 9 无奇偶校验时的位顺序( r t u ) 起始位 i 1 l 2 l 3 1 4 1 5 j 6 i 7 1 8 1 停止位 l 停止位 2 3 1 3 错误检测方法 标准的m o d b u s 系列网络使用两种错误检测方法。奇偶校验( 偶或 奇) 对每一个字符都可用。帧校验( l r c 或c r c ) 适用于完整的消息。 字符校验和帧校验在消息发送前由主设备产生。从设备在接收过程中检测 每个字符和整个消息帧。 在停止数据传输前，用户给主设备配置预定的超时时间间隔。这种 时间间隔要设置得足够长以使任何从设备作出正常反应。如果从设备检测 到一个传输错误，那么消息就不会被接收，也不会对主设备产生回应。因 而超时事件将触发主设备处理这个错误。 1 奇偶校验 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 用户可以配置控制器是奇偶校验或无奇偶校验。这将决定奇偶位在每 一个字符中是如何设置的。如果确定了奇校验或偶校验，那么“l ”位数 将在每个字符的数据部分算出( 对a s c i i 模式有七个数据位，对r t u 模 式有八个数据位) 。然后奇偶校验位会被设置成0 或1 ，位“1 ”的和就 是奇数或偶数。 例如，在一个r t u 字符帧中包含下面的八个数据位， 110 00l01 。 帧中的位“1 ”之和是4 个。如果使用偶校验，帧的奇偶检验位将是 0 ，使位“1 ”之和仍然是一个偶数( 4 ) 。如果使用奇校验，帧的奇偶校 验位将是1 ，使位“l ”之和是奇数( 5 ) 。如果不指定奇偶校验，那么传 输时就没有奇偶校验位，也不会产生奇偶校验。发送消息时在字符帧中额 外地填充一个停止位。 当传输消息时，计算每个字符帧中的奇偶校验位。如果接收设备中 位“1 ”的数目与其设置不同，接收设备就会报错( m o d b u s 网络上使用 相同的奇偶校验法配置网上的所有设备) 。值得注意的是，如果字符桢中 奇数的位和在传输过程中增加或减少，奇偶检验法仅能察觉一个错误。例 如，如果使用奇校验，那么含有3 个位“1 ”的字符就会丢弃两个位l ， 结果位“1 ”的数目仍然是奇数。 2 l r c 校验 使用a s c i i 模式，消息包括基于l r c 方法的错误检测域。l r c 域校 验消息中除开头的冒号和结尾的回车换行符外的内容，这样做不考虑消息 中各字符所用的奇偶校验法。 l r c 域是一个包含一个八位二进制值的字节。l r c 的值由传输设备计 算并放到消息中，接收设备在接收消息的过程中计算l r c 的值，并在 l r c 域中将计算结果与它收到的实际值相比较。如果两个值不等，那么 就说明有错误。l r c 方法是将消息中的八位字节连续累加，丢弃进位， 在模2 8 后加补码。在a s c i i 码消息域中除开头的冒号字符以及末尾回车 换行符采用l r c 方法。在逻辑梯形图中，c k s m 功能是计算消息中的l r c 值。 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 ；i 要进行计算的消息 堕堕奎塑查兰塑主堡窒生兰焦笙塞 蔓! ! 夏 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一。 u n s i g n e d s h o r tu s d a t a l e n ； l r c 要处理的字节数量 u n s i g n e d c h a ru c h l r c = 0 ；l r c 字节初始化 w h i l e ( u s d a t a l e n ) 传送消息 u c h l r c + = a u c h m s g + + ； 累加 r e t u r n ( u c h l r c ) ； ) 3 c r c 校验 在r t u 模式中，消息包括一个基于c r c 方法的错误检测域。c r c 域校验了整个消息中的内容，而不考虑对消息中各字符采用的奇偶校验方 法。c r c 域是两个字节，含有一个1 6 位的二进制值。它由传输设备计算 后将加到消息中。接收设备重新计算所收到的c r c 值，并与所收到的实 际值做比较。如果两个值不同，就说明有错误。 c r c 校验先调入一值是全“1 ”的1 6 位寄存器。然后调用一个进程 开始处理寄存器中当前的连续八位字节。仅每一个字符中数据的8b i t 对 c r c 有效。起始位、停止位和校验位均无效。c r c 生成过程中，每个8 位字符单独与寄存器里的内容相或( 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 被提取出来检验，如果l s b 是1 ，那么 寄存器就单独地与预置值进行或运算。如果l s b 是0 ，就不进行。这个 过程重复地进行8 次。在最后一位( 第八位) 完成后，下一个八位字节单 独地与寄存器当前值进行或运算。这个过程如上所述也要重复进行8 次。 寄存器的最终值是消息的所有字节执行后的c r c 值。c r c 添加到消息中 时，低字节首先加入，然后才是高字节，这点对该协议很重要。 在实际的应用过程中，为了解决某一个特殊问题，人们喜欢自己修改 m o d b u s 规约来满足自己的需要( 事实上，人们经常使用自己定义的规约 来通讯，这样能解决问题，但不太规范) 。更为普通的用法是，少量修改 规约，但将规约格式附在软件说明书一起，或直接放在帮助中，这样就方 便了用户的理解。 2 3 2 关于m o d b u sp i u s 协议 9 1 、p o l m o d b u sp l u s 是一种面向工业控制应用的局域网网络协议。m o d b u s p l u s 网络的传播速率可达到1 m b 。联网设备能够交换工业现场的远程控 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 制和监测信息。支持m o d b u sp l u s 通信的设备包括可编程控制器和网络 适配器，许多厂家的产品都支持这种