（机械电子工程专业论文）ge爱德华est3火灾报警监控系统外部通信协议剖析.pdf

摘要 摘要 随着工业技术发展，智能建筑得到了迅猛发展，火灾报警监控系统作为楼 宇自控系统的一个子系统也获得了长足发展。由于生产厂家众多，导致消防产 品的多样性，它们的消防报警监控系统也不一样。为了实现不同消防监控系统 设备的联动操作，必须建立统一的监控系统。为了实现这一目标，以e s t 3 为例， 对火灾报警监控系统通信协议进行剖析。 本文首先介绍了s c a d a ，作为一种标准的数据采集和监控系统，分别总体 介绍了s c a d a ，指出了其发展趋势，简述了其通信协议基础，相应远程终端设 备和其网络拓扑结构，然后介绍了两种开放性的s c a d a 通信协议i e c 6 0 8 7 0 和 d n p 3 。其次，为了正确方便的剖析出g e 爱德华e s t 3 通信协议，这里做了必要 的基础工作，分别介绍了串行通信基本理论和接口标准以及串行通信协议剖析 原理。然后详细说明了硬件链路层通信协议和数据链路层通信协议的剖析方法。 接着是本文最重要的部分，在这一部分，我们给出了g e 爱德华e s t 3 火灾报警监 控系统外部通信协议的帧格式，并详细指名了每一字段的含义；同时，我们又 给出了其应用层协议格式，并详细介绍了5 种最常用的服务种类。最后，对所进 行的工作进行了总结，并指出了进一步工作的方向。 关键词：s c a d a ，通信协议，应用层协议格式 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tb u i l d i n g sh a v eb e e n d e v e l o p i n gr a p i d l y a sas u b s y s t e mo fb u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ，f i r ea l a r m m o n i t o r i n gs y s t e ma l s o h a sb e e nd e v e l o p e db yl e a p sa n db o u n d s t o om a n y m a n u f a c t u r e r sl e a dt ot h ed i v e r s i t yo ff i r ea l a r mp r o d u c t s ，m e a nt i m et h ef i r ea l a r m m o n i t o r i n gs y s t e mo ft h e mn o tt h es a m e i no r d e rt oa c h i e v ed i f f e r e n tf i r ec o n t r o l s y s t e me q u i p m e n tj o i n to p e r a t i o n ，w em u s te s t a b l i s hau n i f i e dc o n t r o ls y s t e m a st o a c h i e v et h i s g o a l ，a ne x a m p l eo fe s t 3 ，i n t r o d u c ea nm e t h o do fr e s e a r c ho n d i s s e c t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ff i r ec o n t r o la l a r m s y s t e m i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yi n t r o d u c et h es c a d a ，a sas t a n d a r dd a t aa c q u i s i t i o na n d c o n t r o ls y s t e m ，t h eo v e r a l lp r e s e n t a t i o no ft h es c a d a r e s p e c t i v e l y ，a n dp o i n t e do u t t h a ti t st r e n do f d e v e l o p m e n t ，o u t l i n e dt h eb a s i so fi t sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h e c o r r e s p o n d i n gr e m o t et e r m i n a le q u i p m e n ta n dn e t w o r kt o p o l o g y , a n dt h e ni n t r o d u c e d t h et w oo p e ns c a d ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ：i e c 6 0 8 7 0a n dd n p 3 s e c o n d l y ，i n o r d e rt of a c i l i t a t ea n a l y s i so ft h eg ee d w a r d se s t 3c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lh e r et o d ot h en e c e s s a r yw o r ko ft h ef o u n d a t i o n ：i n t r o d u c e dt h eb a s i ct h e o r ya n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c es t a n d a r d s ，a sw e l la ss e r i a lc 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 t h e o r y t h e nd e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h eh a r d w a r el i n kl a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s a n dd a t al i n kl a y e rp r o t o c o la n a l y s i so fm e t h o d s t h e ni st h em o s ti m p o r t a n tp a r t ，i n t h i sc h a p t e rw eg i v e sg ee s t 3e d w a r df i r ea l a r mm o n i t o r i n gs y s t e me x t e r n a l c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf r a m ef o r m a t ，a n dn a m e di nd e t a i lt h em e a n i n go fe a c hf i e l d ； a tt h es a m et i m e ，w eh a v ep r e s e n t e di t sa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lf o r m a ta n dd e t a i l s o ft h ef i v em o s tc o m m o nt y p e so fs e r v i c e f i n a l l y ，t h ew o r kc a r r i e do u tb yt h e s u m m a t i o n ，a n dp o i n t e do u tt h ed i r e c t i o nf o rf u r t h e rw o r k k e yw o r d s ：s c a d a ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lf o r m a t 学位论文版权使用授权书 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e i j ) 昂i i 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： 刎该嗣 - - z l o o 君年弓月z oe t 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、己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。 学位敝作者躲 知卜删 伽昭年；月瑚日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 火灾报警监控系统概述 随着工业技术的发展，智能建筑的发展也越来越快。智能建筑是大型公共 建筑及高层建筑发展的必然趋势，是利用系统集成方法将计算机技术、通信 技术、信息技术与建筑艺术有机地结合在一起，并随着现代化技术发展不断完 善其自身的功能。它可分解为若干子系统，其中火灾报警监控系统( f i r e a l a r m ) 是楼宇自控系纠1 i b a ( b u i l d i n g a u t o m a t i o n ) 的一个子系统，服务于楼宇自控系 统。火灾报警系统具有自己的网络系统和布线系统，以实现在任何情况下，该 系统都可以独立运行、操作和管理。其发展方向向着标准更加统一，更加开放， 功能的互操作和维护的互换互备用更强。火灾报警监控系统是随着计算机、网 络、通信等现代技术的应用而发展起来的，监控系统依托于公网或专网，实现系 统监控中心与监控单位的联网，监控中心实时监控联网单位的火警信息和建筑 火灾设施的运行状态信息，为火灾部门和被监控单位提供动态火灾报警、信息 查询、管理功能。 随着火灾报警系统长足的发展。各种相关企业的不断涌现。然而行业内火 灾通信没有一个固定的标准，使各企业均自行制定各自火灾监控系统，他们彼 此不能相互兼容性，导致我们在现实中要么只采用某一家公司的火灾器材，要 么在采用多家火灾器材时同时开启多个监控。无论哪种情况，都将造成不必要 的浪费。我们设想，能否我们自己建立一个监控系统，它可以同时监控不同厂 家所生产的不同产品。这样，我们就能避免上述两种不利情况的出现。要做到 这点，我们必须要对各种火灾监控系统外部通信协议进行剖析研究，为建立一 个可兼容不同监控系统的监控系统提供底层支持。 g es e c u r i t y 公司的爱德华e s t 3 ( e d w a r d ss y s t e m st e c h n o l o g y ) 火灾报警控 制面板f a c p ( f i r ea l a r mc o n t r o lp a n e l ) 是一个符合u l 8 6 4 和北美n f p a 一7 2 规 范的设备。这个f a c p 是目前世界上最著名火灾报警设各之一，g e 爱德华e s t 3 的f a c p 提供专门连接到计算机的e i ar s 2 3 2 接口，由于该设备与计算机监控 系统之间的通信采用的是g es e c u r i t y 公司专有的外部通信协议e c p ( e x t e m a l 第l 章绪论 c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 1 2 国内外火灾报警监控系统的发展现状和趋势 1 2 1 火灾报警产品的技术发展特点 通过综合分析国内外火灾报警产品，可明确的看到火灾报警产品技术发展 的特点【2 】是： 1 ) 智能化从传统型下向全总线智能型，从根本上解决火灾报警系统的误报和漏 报，提高产品的质量。 2 ) 线制从多线向全总线制，便于设计、施工、布线、维护管理。 3 ) 联动从多线制的硬件组合直向全总线软件编程，便于设计、施工、管理和现 场修改。 4 ) 标准化接口从多品种的接口走向标准化接口，只用控制、监视两种模块便可 部火灾联动。 5 ) 大屏幕汉显主机把所有报警事件的类型( 火警、故障、联动等) 、地址全部 用汉字显示和提示。 6 ) 联动标准化：为适应新颁实施火灾联动设备新规范g b l 6 8 0 6 9 7 ，所以的火灾 报警控制器均要向“火灾报警控制器( 联动型) ”方向发展。 1 2 2 火灾报警控制系统的技术发展趋势 纵观国内外火灾报警控制系统的技术发展，可以用a g 图进行描述，如图 1 1 所示【3 】： 图1 1 国内外火灾报警控制系统的技术发展 2 第1 章绪论 其中： 。 a ：传统型多线火灾报警控制系统； b ：传统型全总线火灾报警控制系统； c ： 智能型全总线火灾报警控制系统( 本系统又分为集中智能和分布智能两类) ； 为促进消防联动控制设备标准化，便于批量生产、检验和质量监督奠定技术基 础，国家技术监督局于1 9 9 7 年颁布了g b l 6 8 0 6 1 9 9 7 规范，而产生了联动型火灾 报警系统，即产生了图1 1 中所标明的d 、e 、f 、g 。 d ：火灾探测报警火灾联动控制系统； e ：非火灾探测报警型火灾联动控制系统； f ：采硬件组合的“总线联动操作盘”方案的火灾联动控制系统； g ：采用“检索查询”方案的火灾联动控制系统。 当前技术界对于火灾报警与火灾联动系统技术发展标志与趋势基本趋于一 致：即全总线制、软件编程、分布式控制、标准化模块、l c d 汉显和系统由传 统型向智能型是系统技术发展的必然趋势。 1 3 课题来源、研究的主要内容和采取的方法 1 3 1 课题来源 本课题来源于上海地铁申通公司，由于不同地铁线路存在的火灾报警监控 系统并不完全相同，这导致了在有的地铁线路交叉站点存在不同的两个( 例如 在东方路站存在s i m p l e x 和e s t 3 两种火灾报警监控系统) 或多个火灾报警系统。 在这些站点我们必须保证火灾报警设备的联动操作。 现在的火灾报警设备的联动操作是依靠节点的硬链接来实现的，这种方式 就是实现起来比较简单，可靠性好。缺点是成本较高、替换性差，不容易扩展 等。由于现在许多新的地铁线路的建设，这样必然产生更多的交叉站点，为了 减少所配置的火灾报警监控系统成本，必然会采用不同厂家的火灾报警监控设 备，所以就需要采用一种新的方法来实现这些设备来实现设备联动。 为了实现这个目标，通过多种方案的可靠性、稳定性、易扩展性及性价比 的比较，最终提出的建立一个基于地铁线路上多种火灾报警硬件装置的综合监 控系统软件的方案。这种方案不仅解决了交叉站点火灾报警监控系统设备联动 操作的问题，而且更易于监控数据管理及统一整合操作管理。 第1 章绪论 1 3 2 主要研究内容、 为了建立综合监控系统软件，我们必须对现有的火灾报警监控系统进行分 析，要知道他们不同的设备的地址格式、数据传送帧格式、应用层数据命令格 式等。即是他们的外部通信协议格式。知道了他们的通信协议格式，我们就能 依据他进行综合数据库的建立、界面程序的生成并最终建立起综合监控系统软 件。这罩我们选择上海地铁公司现在使用的g e 爱德华e s t 3 火灾报警监控系统 作为标准，介绍剖析通信协议的方法。本课题研究的内容有： 1 ) e s t 3 中设备地址格式，命令种类，操作界面，报警信息等。 2 1 通过实践和总结，给出通信协议剖析的一般方法。 3 ) 剖析通信协议的一般方法。 1 3 3 采取的研究方法 为了顺利的对g e 爱德华e s t 3 外部通信协议进行剖析研究，必须采用一定 的方法，这样才能比较方便的得到我们想要的结果。这里采取的研究方法【4 j 为： 1 ) 对相关知识的掌握，进行大量的调查研究，对各种国内外的火灾监控系统进 行调查研究，重视理论分析，并以现有的各种基本理论与具体的实际相结合 对现有的e s t 3 设备进行分析。 2 ) 重视对现有设备e s t 3 的研究。要理解其与其相关火灾报警设备的连接方式、 配置方式、相关设备地址格式、命令格式组成等。为分析通信数据做好准备 工作。 3 ) 用监控软件获取e s t 3 的相关通信数据，并结合相关知识对各个字段的含义 进行猜测，然后再进行验证。这是一个反复的过程，需要我们持续的实验。 剖析难点：由于g e 爱德华e s t 3 火灾报警监控系统的外部通信协议采用的 是二进制形式，这给剖析工作带来了一定的困难。 1 4 课题研究的背景和意义 1 4 1 本课题相关背景 一经济发展与市场需求3 l ： 随着改革丌放以来，国内的经济与技术的高速发展，全国各地高层建筑如 4 第1 章绪论 雨后春笋般拔地而起。并且楼层内部装修越来越豪华，在高层建筑内都有许多 楼梯、电梯和直通上下楼层的各种管线竖井，这就好像是在建筑物内埋藏了许 多拔火筒。建筑物内通风设备、空调设备所产生的强大气流又会在当高层建筑 内发生火灾时，起到煽风助燃的作用。再加上楼内大功率空调设备、纵横交叉 的照明线路、动力、通信、监控、报警、联支线路等，不仅增加了发生火灾的 几率，而且大增加了疏散、灭火的难度。因此一旦高层建筑失火，如果没有现 代化的自动火灾报警设备提早发现火情和及时扑救，火灾蔓延的速度、生命财 产的损失都是难于估量的。中国乃至世界上，众所周知的大型灾案例给人们留 下了严重而惨痛的教训。 由此可见，伴随着经济与技术的发展，人类物质财富与技术成果积累起来 越多的时候，整个社会、整个世界尤其是高层建筑和工业厂房对现代火灾技术 对现代火灾技术和高技术、高可靠性的火灾报警产品的需求量越来越大。也j 下 是由于这种急剧增长的市场需求导致了中外厂商在中国市场上的激烈竞争。而 产品技术的先进性，质量的可靠性，供货的及时性，服务的周到性和价格的合 理性则构成了竞争取胜的决定因素。 改革开放以来，中国经济和技术的高速发展，急剧增长的市场需求，为国 内外厂商提供了一个公平的大容量的竞争市场，而高技术，高可靠性和低成本 的设计则是产品在竞争中取胜和占领市场的钥匙。无情的市场竞争最终的结论 是：谁拥有了先进技术和高质量的产品，谁就可以赢得用户的信任而占领市场。 从这种意义上来讲，不断发展新技术，推出新产品就成为摆在国内厂商面前的 当务之急! 二市场竞争与火灾报警监控系统的普及发展 随着改革开放以来，中国的经济和技术都在飞速发展，但与世界上先进工 业国相比，我国火灾报警产品起步较晚，大约在2 0 世纪7 0 年代末才刚开始研 制并投入市场，最初产品大多数为多线制( n + 1 ) 和电位信号传输方式。火灾联动 基本上是多线制的硬件组合。另外，火灾误报几乎成为当时国内厂商的共同难 题，也是国内厂商非常重视的问题。8 0 年代我国有些厂家采用了技术引进，联 合研制，使产品在技术、质量方面有了改进与提高。9 0 年代一方面出现了国内 外联合建厂、技术引进和外商在中国独资办厂，另一方面许多著名国际厂商和 分包商带着先进产品大量闯入了中国市场。据公安部统计：国内生产厂商到1 9 9 9 年底共有1 0 8 家。诸如：西安2 6 2 厂、上海松江厂、营口、西安莱科思、同环、 5 第1 章绪论 海湾、利达、狮岛、福安、无锡、中策、4 0 4 厂、南京盛华、哈尔滨、北京4 0 1 、 天津1 0 5 厂、长沙、中原、深圳奥瑞娜等。国外厂商大约有3 6 家，诸如：美国： 盛赛尔、辛普勒斯、霍尼威尔、江森、特灵( f c i ) ，n o t i f 工e r ( 新加坡分部) ； 同本：能美、松下；英国：g e n t ，e i t t o n 、科艺、c h u b b 、阿波罗等、瑞 士、西伯乐斯；德国：安福、安舍、西门子：加拿大：爱德华等。 国外产品在中国生产的有：西安盛赛尔( 中美合资) ；北京西伯乐斯( 中瑞合 资) ；天津安福( 独资) ；上海能美( 独资) ；哈尔滨阿波罗( 技术引进) ；北京西门子( 技 术引进) 。 由于在中国市场上国内外生产厂商共有一百多家，市场竞争非常激烈，主 要包括技术、质量、服务、价格在内的全方位的竞争，竞争的焦点集中于： 1 产品技术的先进性 1 9 9 4 年以后所有的国际厂商将产品都升级为全总线智能火灾报警系统如： 西伯乐斯公司从c s l 0 0 升级为s ll ；美国辛普勒斯从2 1 2 0 升级为4 0 0 0 ；同本能 美公司从r 1 2 升级为r 2 1 z ；日本同探公司从f 1 升级为f 一3 。以及江森公司的 2 0 2 0 ，霍尼威尔公司的f s 9 0 1 英国g e n t 的3 4 0 0 0 英国z i t t o n 的z p 5 ，德国安 舍的8 0 0 7 8 ，西门子公司的两格玛系统，而中国的生产厂商到9 0 年代米也将原 有产品不同程度的升级为智能产品。可见智能化是国内外厂商产品技术升级的 主要标志，这也是将来发展的趋势。 2 产品质量的可靠性 国内8 0 多个生产厂商业已通过i s 0 9 0 0 0 质量体系认证。说明国内厂商已经 意识到产品质量是关键，各厂商的产品质量有了明显的提高。而g b l 6 8 0 6 9 7 的 贯彻执行又为火灾联动系统标准化和质量监督奠定了技术基础。 3 服务的周到性 国内外生产厂商在全国各地普遍建立办事处、代理商，力争产品就地服务， 并承诺提供完善的免费售后服务。 4 价格的合理性 各厂商在产品的设计中丌始从降低设计成本，达到降低产品的市场价格， 并且也提供各种优惠措施。 1 4 2 火灾报警控制系统的功能和结构形式 国家标准火灾自动报警系统设计规范( g b 5 0 11 6 1 9 9 8 ) 规定，火灾报警系 6 第1 章绪论 统一般由火灾探测器、输入输出模块、各类火灾报警控制器和火灾联动控制设 备等共同构成。 由于火灾信息探测与数据处理方式、火灾探测器与火灾报警控制器之间的 配合等，决定着火灾监控系统的功能与结构形式，因此，火灾监控系统根据火 灾探测器与控制器之间连接方式、火灾报警控制器中火灾信息处理方式和网络 通信能力、系统设计所基于的技术特征等，可分为下列几种基本结构形式【5 】： 一多线制系统结构 多线制系统是基于工业生产过程点对点控制方式开发的传统型系统，其结 构特点是火灾报警控制器采用直流信号巡检各个火灾探测器，火灾探测器和火 灾报警控制器之间采用硬线对应连接关系，一般系统线制为a n + b ( n 是探测器数； a = l ，2 ；b = l ，2 ，4 ) 。随着微电子技术发展，先进的多线制系统采用数字编码技术， 最少线制为n + l 。多线制系统由于工程设计、施工布线和系统维护复杂，已逐步 淘汰。 二总线制系统结构 总线制系统结构的核心是采用数字脉冲信号巡检和数据压缩传输，通过收 发码电路和微处理机实现火灾探测器与火灾报警控制器的协议通信和整个系统 的监测控制。总线制系统的结构特点是系统线制为a n 十b ( n 是探测器数；但a - o ； b = 2 ，3 ，4 等) ，一般是二总线或三总线制，体现了智能建筑中系统集成、综合布线 的技术特点；当火灾探测器与火灾报警控制器之间、各种功能模块与火灾报警 控制器之间都采用总线连接时，称为全总线制系统，其工程布线灵活，可通过 模块联动或硬线联动火灾设备，系统抗干扰能力强，误报率低，总功耗小。 三集中智能系统结构 集中智能系统结构一般采用总线制和大容量通用火灾报警控制器，其特点 是火灾探测器主要完成火灾参数的采集和传输，火灾报警控制器采用计算机技 术实现火灾信号识别、数据集中处理储存、系统巡检、报警灵敏度调整、火灾 判定和火灾设备联动等功能，并配以区域显示器完成分区声光报警。显然，建 立在总线制基础上的集中智能系统能满足智能建筑中系统集成的基本要求。但 是，系统中火灾报警控制器要及时处理每个探测器送幽的数据并完成一系列设 定功能，当建筑规模庞大、探测器及火灾设备较多时，单一主机可能出现系统 应用软件复杂庞大、火灾探测器巡检周期过长、系统可靠性降低和使用维护不 便等不足。 7 第1 章绪论 四分布智能系统结构 分布智能系统结构是在集中智能系统优势基础上形成的，它将火灾探测信 息的基本处理、环境补偿、探头污染监测和故障判断等功能由火灾报警控制器 返还给现场火灾探测器，免去控制器大量的信号处理负担，使之能从容实现火 灾模式识别、系统巡检、设备监控、数据通信等功能，提高了系统巡检速度、 稳定性和可靠性。显然，分布智能系统结构强调总线上有效数据传输，对火灾 探测器设计提出了及时性和可靠性方面的更高要求，通常是采用专用集成电路 设计( a s i c ) 技术来降低分布智能系统中高性能探测器成本，提高性能价格比。显 然，分布智能系统结构符合智能建筑系统集成思想和综合布线的性能要求。 五网络通信系统结构 网络通信系统结构可在集中智能或分布智能系统基础上形成，特殊之处是 将计算机数据通信技术应用于火灾报警控制器，使控制器之问能够通过e t h e m e t 及t o k e nr i n g ，t o k e nb u s 等通信协议，以及专用通信线或总线( r s 2 3 2 、4 2 2 总 线、4 8 5 总线) 交换数据信息，实现火灾监控系统层次功能设定、远程数据调用 管理和网络通信服务等功能。显然，网络通信系统结构既可专用通信网络实现， 也可基于丌放式的现场总线技术实现，再配以分布智能数据处理方式，能适应 高性能火灾监控系统的发展需要，为城市火灾数据信息网络系统建设奠定基础 并满足未来发展需要。 1 4 3 课题研究的意义 火灾报警监控系统利用网络通信系统结构，将计算机数据通信技术应用于 火灾报警控制器，使控制器之间能够通过专用的通信线路或总线( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 总线) 进行数据交换。实现对火灾报警系统进行设置，并上传或下载设置信息可 存储并打印各种火灾报警及系统信息等功能。并且以图形形式显示楼层平面图， 动态显示探测器、模块的工作状态和报警状态。火灾报警监控系统采用了先进 的技术和先进的系统结构，对火探测火灾隐患，安全防范有重大的意义。 通过调查研究国内外不同型号的火灾报警监控系统，分析其中具有典型代 表的火灾报警监控系统( 这里选g e 爱德华e s t 3 ) 的结构、功能和通信方式， 研究其外部通信数据帧格式及应用层协议，并根据研究分析结果，得到e s t 3 的 外部通信协议。 理论意义在许多监控系统中，可能会涉及到不同公司生产的不同类型的火 第l 章绪论 灾设备，这些设备没有相关的技术资料和统一的标准，而其供应商又不会公开 其设备与其监控系统之间信息传输的通信协议，这就使得采用火灾产品时必须 使用其特定的火灾监控系统。这就对那些采用多种火灾企业产品的单位带来了 不便。因而正确破译这些设备的通信接口和通信协议，并将其统一起来，形成 一个基于开放性标准的火灾监控系统，对于构成一个完整的智能建筑系统【5 j 具有 重要的意义。 改革开放以来，随着经济建设和火灾事业的迅速发展，我国火灾产业进入 快速发展时期。现在国内火灾产品生产企业己达到近3 0 0 0 家，生产的火灾设备 有9 0 0 多个品种近万种规格。年产值已超过了2 0 0 亿元。成为国民经济发展中 最具有活力的产业之一。然而其中的火灾监控系统虽得到了一定的发展，但它 与整个火灾系统的发展是不匹配的。通过对火灾监控系统得研究，在此基础上 建立一个统一开放的标准控制平台。对于我国消化融合各种不同国家及不同公 司的火灾设备，具有重要的意义。从而促进火灾报警监控系统得到长足发展。 1 5 章节安排 本论文有5 个章节组成： 第一章为概述部分，首先概述了火灾报警监控系统，说明了火灾报警监控 系统的发展现状和趋势；给出了课题研究的主要内容和研究方法；最后结合相 关研究背景阐述了课题研究的意义。 第二章为数据监控和采集系统s c a d a 部分，作为火灾报警监控系统通信协 议的理论基础，我们有必要对其进行了解。本章首先对s c a d a 协议进行概述， 同时介绍了s c a d a 通信协议的基础知识，其次对其远程终端设备及通信结构、 拓扑结构都进行了必要的介绍；最后列举了两种最主要的开放性s c a d a 协议 i e c 6 0 8 7 0 和d n p 3 。 第三章为g e 爱德华e s t 3 火灾报警监控系统外部通信协议剖析研究工作， 在对火灾报警监控系统通信协议的理论知识有了一定理解的基础上，这罩又做 了其它相关工作。首先介绍了串行通信的基本理论知识和相关接口标准；然后 简要说明了剖析串行通信协议的原理；接着又分别对剖析硬件链路层和数据链 路层协议的方法进行了具体描述。 第四章为g e 爱德华e s t 3 火灾报警监控系统外部通信协议剖析结果部分。 9 第l 章绪论 作为本论文最重要的部分，首先给出了g e 爱德华e s t 3 系统的地址格式和端口 设置方式；然后给出了其外部通信协议数据链路层帧格式，对e s t 3 外部通信协 议所采用二进制编码方式，这里在给出通信帧每个字节所代表的含义，同时具 体说明了每个字节中每个比特的含义；接着对e s t 3 数据链路层的上层应用层进 行了剖析，得出了其应用层协议格式，结合相关知识，说明了g e 的各种服务种 类，然后又详细介绍了其主要的5 种服务应用层格式。 第五章为总结与展望，首先对本文所做的工作进行了总结，指出所获成果 和其中不足之处；然后说明了进一步的工作方向。 1 0 第2 章s c a d a 第2 章s c a d a 2 1s c a d a 概述与发展趋势 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，即数据采集与监视 控制系统【6 ，7 1 ，s c a d a 系统是以计算机为基础的分布式网络系统与电力自动化 监控系统。它包含了从远程终端单元收集数据信息，并将其传回中央站点，进 行所有必要的分析和控制，然后以数据的形式表现在操作屏上。 它应用领域【8 】 艮广，可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集 与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统中，s c a d a 系统应用最为广 泛，技术发展也最为成熟。它在远动系统中占重要地位，可以对现场的运行设备 进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号 报警等各项功能，即我们所知的”四遥【9 】r 功能。r t u ( 远程终端单元) ，f t u ( 馈线 终端单元) 是它的重要组成部分在现今的变电站综合自动化建设中起了相当重 要的作用。 以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统s c a d a 。它可以通过对 现场运行设备的监视和控制，实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及 各类信号报警等各项功能。 s c a d a 系统，主要包括数据采集、监视控制、信息显示、信息存储及报告、 数据计算、事故追忆、事件顺序记录和报警处理等功能。s c a d a 系统是以计算 机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监 视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等 各项功能。 s c a d a 系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系 统之一，它包含两个层次的含义：一是分布式的数据采集系统，即智能数据采 集系统，也就是通常所蜕的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机 h m i ( h u n a nm a c h i n ei m e r f a c e ) 系统。s c a d a 系统自诞生之同起就与计算机技术 的发展紧密相关。s c a d a 系统发展到今天经历了三代【6 ，7 j 。 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统，这一阶段是从计 第2 章s c a d a 算机运用到s c a d a 系统时开始到7 0 年代。 此时的s c a d a 系统是通过仪表盘、光带、磁盘带等进行数据采集的。操作 者需要手动操作大量控制节点进行监测控制。这些设备现在有些依然作为控制 系统和数据采集系统应用于车间、工厂和电厂设备中。图2 1 为传感器与面板系 统的连接图。 面板系统 传感器 图2 1 传感器与面板系统的连接图 这种系统的优缺点如下： 优点： 比较简单，不需要c p u 、r a m 、r o m 及软件程序； 传感器直接连接到面板上的m e t e r s ，开关和指示灯上； 在添加一个简易设备( 例如开关或指示器) 比较容易和便宜。 缺点： 连接线的数量在传感器比较多的时候变得很难管理； 数据的类型和质量是小的和未可发展的； 随着系统越来越庞大，增加额外的传感器会变得更加困难； 重新配置系统变得极端困难； 无法进行实际数据仿真； 数据储存量小且很难进行管理； 无法关闭数据监测站点和警报； 必须有人一天2 4 小时看着仪表。 第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统，在第二代中，广泛采用 1 2 第2 章s c a d a v a x 等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的l i n u x 操作系 统。 在现代的制造业和工业处理，小型工厂中( 无论共有或私人企业) ，连接分 布式的远程设备和系统的探测系统常常是必须的。它的范围从几米到上千公里 不同，监测设备用来发送命令，程序和接收控制信息从远程设备。 s c a d a 是监测和数据采集的结合产物。它包含了信息收集，中转其到中央 站点，进行所有必要的分析和控制，然后将最后的信息通过显示屏展示给操作 者。这时必要的控制指令传回到处理过程中。 在数据采集的早期，逻辑继电器被用来进行生产控制和工厂生产。随着c p u 和其他电子设备的发明，制造商将这些电子设备和逻辑继电器集成在了一起。 p l c 是其中在工业控制系统中应用最广泛的。随着工业对监测和控制设备需求 的增长，p l c 被设计成分布式的，从而使监控系统更加智能化，微型化。p l c 和分布式网络系统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 s ) 用法如图2 2 所示。 图2 2p c 与p l c 、d c s 连接图 这种系统的优缺点如下： 优点： 计算机可以记录和储存很大的数据量； 数据可以根据需要以任何方式展示给操作者； 广大区域的成千上万的传感器可以连接到操作系统中； 操作者可以在系统中进行实际数据仿真； 可以从r t u s 中收集各种类型的数据； 1 3 第2 章s c a d a 数据可以从任何地方查看，并不仅仅是在站点上。 缺点： 系统比前者复杂的多得多； 要求有多种不同的操作技巧，例如系统分析和程序设计； 当传感器多的时候，仍有许多连接线需要处理； 操作者仅仅能看到p l c 一层。 第一代与第二代s c a d a 系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系 统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。 9 0 年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库的技术， 使得能够实现大范围联网的s c a d a 系统称为第三代。这一阶段，将计算机技术、 数据库技术、通信技术应用与工业控制系统中，使s c a d a 系统得到了飞速的发 展。 随着设备小型化和智能化的发展，传感器被设计成具有智能的p l c 和d c s 。 这些设备就是我们所熟知的智能电子设备i d e s ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e s ) 。 这些智能电子设备连接在总线上，例如p r o f i b u s ，d e v i c e n t 或者f o u n d a t i o nf i e l d b u s 到p c 。他们拥有足够的智能采集数据，和其他设备进行通信，并且拥有他 们的那一部分的程序。这些智能传感器在其面板上拥有不止一个传感器。典型 的，一个智能电子设备拥有一个模拟输入传感器，一个模拟输出传感器，p i d 控 制，通信系统和程序记忆单元。其连接图如图2 3 所示： 图2 3p c 与l e d 连接图 这种智能电子单元总线和p c 相连的优缺点： 优点： 需要的线很少； 1 4 第2 章s c a d a 操作者可以看到传感器层； 当这些设备被安装之后，从设备传来的数据包含数据序列号，数据模型等信 息，以及安装者信息； 所有设备支持即插即用，所有安装和替代非常方便； 设备的微型化意味着对数据采集系统来说需要更少的物理空间。 缺点： 系统的更加复杂化要求更优秀的经过训练的操作者； 传感器的价格更加昂贵( 但可以在一定程度上弥补缺少的p l c ) ； 这种智能电子设备非常依靠相应的通信系统s c a d a 硬件。 第四代s c a d a 系统的主要特征是采用i n t e m e t 技术、面向对象技术、神经 网络技术以及j a v a 技术等技术，继续扩大s c a d a 系统与其它系统的集成，综 合安全经济运行以及商业化运营的需要。 基于p c 机w i n d o w s 平台的s c a d a 上位机系统是目前发展的趋势，特别是 基于w i n d o w s 9 8 、2 0 0 0 、x p 或n t 平台的s c a d a 系统软件。目前，基于以上 平台，国内外应用比较广泛的s c a d a 系统软件有i nt o u c h ，f i x ，c i t e c h ， w i n c c ，r s v i e w ，t r a c e m o d e 、组态王、力控、m c g s 、世纪星、天工、c o n t r o l x ， 这些系统较好地解决了传统s c a d a 上位机系统功能，己实现的功能主要l l2 j 有： l 、数据采集与控制信息发送：提供基于进程间通信的数据采集方法，并且开发 了常用的多种智能数据采集设备的服务程序。 2 、报警处理：具有多点同时报警处理功能，提供报警信息的显示、登录、部分 提供用户应答功能。 3 、历史趋势显示与记录：提供基于专用数据库的监控数据的记录、查询和图形 曲线显示。 4 、配方管理功能：控制系统按一定的配方完成生产管理。 5 、网络通信功能：提供非透明网络通信机制，可以构筑上位机的分布式监控处 理功能。 6 、开放系统功能：提供基于d d e 数据交换机制与其它应用程序交换数据，提 供o d b c 与其它系统数据库系统连接。 随着以工业p c 为核心的自动控制集成系统技术的n 趋完善和工程技术人员 使，s c a d a 系统软件水平的不断提高，s c a d a 系统软件已不再像过去那样主 要侧重画面，而是要考虑一些实质性的应用功能，例如软p l c 、先进控制策略、 1 5 第2 章s c a d a 远程联网、冗余等，而且要求组态操作更加简便易行，国外的一些s c a d a 系统 软件己丌始将s c a d a 与软件p l c 、先进控制策略等集成在一起。如 t r a c e m o d e 是将s c a d a 和软逻辑集成为一体的s c a d a 系统软件，提供了 自适应控制和模糊逻辑模块。目前国内应用比较广泛的s c a d a 系统软件，也逐 步具有常规p i d 控制模块，但在工程的实际应用中，却因s c a d a 系统软件中 没有提供智能控制技术软件包而给用户带来诸多不便。 s c a d a 系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、水处理系统、给水 系统、石油、化工等领域以及过程控制等诸多方面。由于各个应用领域对s c a d a 的要求不同，所以不同应用领域的s c a d a 系统发展也不完全相同。 2 2s c a d a 通信协议基础 2 2 1 s c a d a 硬件 一个s c a d a 系统是由从一系列远程终端设备收集和传送数据到主站点的 通信系统组成的。主站展示收集数据和允许操作者完成远程终端任务。 数据的准确性和实时性是保证工厂设备和工艺的前提条件。而且更的优势 是使操作变得更加高效、可靠和安全。这样和以前的非自动化系统相比使得操 作成本大幅下降。 在一个复杂的s c a d a 系统中，有五个基本的组成部分【6 ，7 】： 1 ) 总线设备和控制设备 2 ) 远程终端设备 3 ) 通信系统 4 1 主站点 5 ) 计算机数据处理单元部分 在每个远程站点的远程终端设备都提供的模拟、数字传感器接口。通信系统 提供了主站点和远程终端设备的通信路径。这种通信系统可以是通过普通电缆线、光纤、 无线电波、电话线、短波甚至卫星。为了保证传输数据的有效性相关的通信协议和检错功 能是必须的。 主站( 或者二级站) 从远程终端设备收集数据并给操作者提供人机界面进 行显示信息和控制远程站点。在一个大型的监控系统中，从站点从远程站点收 1 6 第2 章s c a d a 集数据信息并作为一个间电器将信息传回中央主站。 2 2 2 s c a d a 软件 s c a d a 软件可以被分为两种类型，私有软件和开放性软件。许多公司为他 们的硬件设备开发相应的私有软件进行数据通信。这些系统被作为关键解决方 法卖给客户。这种操作系统的主要问题是在供应系统中占主导地位。开放性软 件系统由于其在操作性方面的交互性而变得越来越流行。交互性指的是能够在 同一个系统中混合使用不同生产厂家的设备。 c i t e c t 和w o n d e r w a r e 是在s c a d a 系统市场中能够获取的两种开放性协议。 他们的一些协议包已经集成在s c a d a 系统内部。典型的s c a d a 系统有如下部 分组成： 1 ) 用户接口 2 ) 图形显示 3 ) 报警 4 )