城市轨道交通标准技术委员会魏晓东

中国电子信息产业集团有限公司第六研究所赵云飞

接口技术是系统集成的关键,在信息化集成系统内部，各子系统通过接口连接成一个整体、通过接口进行相互作用；在信息化集成系统边界，各类接口设备与外部环境建立起联系，感知和影响外部环境。本讲讨论的接口技术，重点针对工业信息化集成系统第1、2、3层系统集成中的接口，特别是现场设备接入的数据采集接口、控制子系统集成的接口和横向集成的信息交换接口。将阐述与之相关的共性技术，分为接口形式、接口协议、接口可靠性、接口软件、接口管理等五方面。

5.1　系统集成接口形式

系统集成接口形式会受限于应用环境和架构设计。接口必须满足应用功能要求，如果它用在工业环境中，必须要达到工业应用要求的质量水平；此外，接口还要满足许多架构原则，以实现灵活性和标准化。用在集成系统、特别是工业环境中的接口，通常须通用、成熟，符合工业标准。满足条件的有两种基本形式：硬接线接口和网络通信接口。其中，硬接线是用标准电压/电流来传输信号；网络通信则还有多种形式，如串行通信、现场总线、TCP/IP通信、分布组件和服务接口等。

5.1.1　硬接线形式

硬接线是相对于通信方式而言的，是指使用电缆将信号端子点对点连接起来，通过该电缆电压或电流变化来传输模拟量和数字量状态和控制信号。硬接线方式信号传输反应快,几乎不需要响应时间，而且与使用通信方式相对，采用纯硬件会更加可靠。所以，对于信号品质要求非常高的场合都可以考虑使用硬接线形式。但使用硬接线时，一根电缆只能传输一个信号，当需要传输许多信号的时候，敷设的电缆就会非常多，这不仅导致空间布局紧张和使用困难，还因接头数量激增，反而降低接口的可靠性。硬接线常用作重要信号传输，或提供备用控制信号。安全级系统互联常会使用硬接线，来传输一些重要的连锁、报警和控制信号；硬接线也常被用作备用接口，实现安全级要求的备用手动控制功能。

5.1.2　串行通信

计算机系统与外设或其它计算机之间的通信，通常有两种方式：并行通信和串行通信。串行通信需要的通信线少、成本低、传输距离远，是集成系统通信接口的主要形式。

从接受端和发送端的行为耦合度看，串行通信可分为两种方式：同步方式和异步方式。从串行通信收发行为的同时性看，串行通信可分为三种传输方式：单工方式、半双工方式、全双工方式。

串行通信速率用波特率衡量，波特率指每秒内传送二进制数据的位数，以位每秒（b/s或bps）为单位，常用的波特率有110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、115200bps等。

受线路质量、电磁干扰等因素影响，串行通信不可避免地会受到不同程度的干扰，导致传输数据错误。因此，串行通信中不可缺少数据校验。校验时，可视编码条件进行适度纠错，通常采用奇偶校验来进行检错、采用重发的方式来进行纠错，或采用循环冗余码（CRC）来检错和自动纠错。串行通信的电气标准有RS-232、RS-422、RS-485、USB、载波等。RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议；USB是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域；载波是一种传统的通信方式，近年来也有所发展。

RS-232接口：RS-232是一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准，它采取点对点不平衡传输方式，即所谓单端通信，其发送电平与接收电平的差值小，共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，致使其传送距离短、速率低，仅适合本地设备间的接口通信。RS232接线可按三线方式（只连接收、发、地三根线），也可采用简易接口方式（除连接收、发、地外，另增加一对握手信号DSR和DTR），或采用完全串口线方式（两端设备的串口9线全接）。

RS-422接口：RS-422是一种单机发送、多机接收的单向平衡传输规范，克服了RS-232通信距离短、速度低的缺点，允许在一条平衡总线上连接多个接收器，支持点对多的双向通信,支持挂接多台设备组网等。RS-422四线接口采用单独的发送和接收通道。接口各方间信号交换可按软件方式（XON/XOFF握手）实现，也可以按硬件方式实现。用RS422总线接入多设备时，具有不同的地址，在接口主设备控制下通信。

RS-485接口：为扩展应用范围，EIA在RS-422的基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，它采用平衡发送和差分接收机制，可抑制共模干扰，接收灵敏度高，数据传输可达千米以外。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信；而在采用四线连接时，RS-485与RS-422一样，只能实现点对多的通信，即只能有一个主设备，其余为从设备，但连接的设备数量有所增加。RS-485总线上的设备具有相同的通信协议，地址各不相同，不通信时所有设备均处于接收状态，需要发送数据时串口翻转为发送状态，以此来避免冲突。

USB接口：USB全称是Universal Serial Bus（通用串行总线），近年来被广泛应用。自1994年发表USB V0.7，已经历了六年的发展。USB接口的特点是：传输速率高、传输可靠；菊花链形式可同时挂接多个设备；USB接口能为设备供电，低功耗设备可以直接取电；USB支持热插拔，能够即插即用。

5.1.3　现场总线

现场总线使得自控设备与系统步入了信息网络的行列，使工业信息化集成系统朝着“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的方向进一步迈进，被誉为自动化领域的计算机局域网。

现场总线多采用一对多双向传输信号，可在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多点通信，传输信号精度高、可靠。使用现场总线，不仅能使设备终处于用户的监视和控制状态，真正实现集成系统的价值，还能使用户和集成商在不同品牌设备中自由选择，通过使用智能仪表，简化集成系统的控制和运算处理。

现场总线技术有两个发展趋势：一是寻求统一标准；一是发展工业以太网。

1999年12月国际标准组织经过十多年努力，最终通过现场总线标准，可惜它包括8种类型现场总线,它们是：（1）Type 1 IEC61158技术规范；（2）Type 2 Contro1Net 现场总线；（3）Type 3 Profibus现场总线；（4）Type 4 P_Net现场总线 ；（5）Type 5 FF HSE（High Speed Ether-net）；（6）Type 6 SwiftNet现场总线；（7）Type 7 WorldFIP现场总线；（8）Type 8 Interbus现场总线。此后，被并列入标准的愈来愈多，8+3；8+7；8+11，目前已超过8+17。很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了追求共存的动向；

统一、开放的以太网是发展最成功的网络技术 ，过去一直认为以太网是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等方面的要求存在差距，在工业自动化中只能有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，EPA技术（Ethernet for Process Automation）已在国内外得到广泛应用，随着FF HSE和PROFInet等新型总线的成功开发和推广应用，以太网正在迅速地进入工业控制系统的各级网络。

5.1.4　TCP/IP通信

网络通信的基本结构是七层OSI开放系统互联参考模型。而以太网是目前最流行的网络标准之一，具有传播速率高、网络资源丰富、系统功能强、安装简单和使用维护方便等很多优点。基于以太网的TCP/IP已被广泛使用在全世界的网络上,在PC、UNIX工作站、小型机、Macintosh计算机、大型机以及用于连接客户机和主机的网络设备上都可以使用TCP/IP。在信息化系统和工业自动化系统集成中，TCP/IP有非常广泛的应用。

TCP/IP是一个协议族，它的核心协议主要有传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）和网际协议（IP）。在TCP/IP中，与OSI模型的网络层等价的部分为IP，另外一个兼容的协议层为传输层，TCP和UDP都运行在这一层。OSI模型的高层与TCP/IP的应用层协议是对应的。对主要协议起补充作用的协议有五个，它们是通过TCP/IP提供的五个应用服务：文件传输协议（FTP）、远程登录协议（TELNET）、 简单邮件传输协议（SMTP）、域名服务（DNS）、简单网络管理协议（SNMP）和远程网络监测（RMON）等。

TCP/IP地址是网络设备和主机的标识，网络中存在两种寻址方法：MAC地址和IP地址，两种寻址方法既有联系又有区别。MAC地址是设备的物理地址，位于OSI参考模型的第2层，全网唯一标识，无级地址结构（一维地址空间），固化在硬件中，寻址能力仅限在一个物理子网中。IP地址是设备的逻辑地址，位于OSI参考模型的第3层，全网唯一标识，分级地址结构（多维地址空间），由软件设定，具有很大的灵活性，可在全网范围内寻址。

5.1.5　分布组件和服务

实施企业信息系统集成时，需建立不同应用之间的接口，以实现应用系统间的互联互通互操作。信息系统接口要能适应和屏蔽异构网络、异构数据库和信息格式，也要支持标准化和提供开放性，并特别要求在软件能直接体现标准和开放的特性。基于这些要求，分布组件和服务应运而生。组件和服务分别应用在不同的场合，区别是用系统间的耦合程度不同：组件通常用于企业内的紧密集成，服务则用于企业间的松散集成。如图1所示：

图1 组件和服务的应用场合

组件集成是一种同步集成方式，可实现应用间紧密的配合。在组件集成方式，通过使用公共对象请求代理程序结构体系CORBA、组件对象模型COM等组件，能实现跨语言、进程和计算机间的远程过程调用，从而构建起企业内分布式计算环境。

基于服务的集成方式属于异步方式，有基于消息的中间件服务和基于WebService等多种形式。在基于消息中间件服务的集成中，使用类似MSMQ、MQSeries等消息中间件实现互操作；在基于WebService的集成中，通过SOAP消息交换协议来实现Internet环境下的分布式计算。由于Web服务的方式具有良好的松散耦合服务集成结构，因此它更适合于实现企业间的应用的集成。

除前述常见的接口形式外，还有一些不太常见的、或新生的接口形式，如载波通信、HART网络、云服务接口等。载波通信是传统电力系统远程调度的通信方式，它将电力线和信号线合二为一,以电力线为物理媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输。载波通信的最大特点是无须单独布线，只要有电力线，就能进行数据传递。HART是由艾默生提出的一个总线标准，主要特征是在4~20毫安电流信号上面叠加数字信号。HART通信速率低、组网困难，协议也还未完全开放。在企业信息系统集成领域，体现智能时代特征的云计算、大数据等应用形式也在快速发展，后续，随着云接口、特别是应用编程接口技术标准的统一，和云计算服务的安全性增强，信息系统集成会呈现出更新形式。

作者简介：

魏晓东，1967年毕业于天津大学精仪系。1984~1991年任安徽工业大学自动化系副教授。1991年出版《分散型控制系统》（ 上海科技文献出版社） 。2000~2012年任北京和利时系统工程公司副总工、事业部总设计师，北京地铁13号线、深圳地铁一期工程、广州地铁3号线综合监控系统工程技术总负责人。2006、2010年出版《城市轨道交通自动化系统与技术》初版与第二版（电自工业出版社）；2010年主编国家标准《城市轨道交通综合监控系统工程设计规范》（GB50636-2010）《城市轨道交通综合监控系统施工与质量验收规范》（GB/T50732-2011）；2010年主编关于两化融合的国家标准《工业企业信息化集成系统规范》（GB/T26335-2010）。2013年至今任清华同方数字城市工程中心技术专家，住建部城市轨道交通标注技术网Eu委员会委员，全国自动化系统与集成标准技术委员会委员。

摘自《自动化博览》2017年7月刊