一種基于RS485的多點(diǎn)安全通信的研究與應(yīng)用

方博倫 羅欽洋

【摘 ?要】RS485總線通信憑借其成本低、可靠性高、分布范圍廣、組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著軌道交通行業(yè)面向信息化和高速化發(fā)展，列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃砸蟛粩嗵嵘?。傳統(tǒng)的單個(gè)節(jié)點(diǎn)單條RS485總線通信的方案在安全性和可靠性上已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求。本文提出的一全RS485總線通信協(xié)議，用于解決RS485通信組網(wǎng)的兼容性和安全性問(wèn)題。同時(shí)提出了節(jié)點(diǎn)冗余和傳輸通道冗余的RS485通信架構(gòu)，避免單點(diǎn)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸異常的問(wèn)題。提高了列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

【關(guān)鍵詞】RS485;安全;冗余

引言

列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)作為列車(chē)的“大腦”與“神經(jīng)”，承載著列車(chē)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集、安全控制、車(chē)載信息服務(wù)等重要使命，是保證列車(chē)安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)。近年來(lái)，軌道交通行業(yè)飛速發(fā)展，信息化服務(wù)日益完善，列車(chē)運(yùn)行速度不斷攀升，這使得列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)數(shù)據(jù)的安全性和可靠性提出了更為嚴(yán)格的要求。在列車(chē)控制領(lǐng)域，提高系統(tǒng)可靠性最有效的方法之一是使用冗余技術(shù)，當(dāng)某一單點(diǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，冗余部件可接替其繼續(xù)工作，消除因單個(gè)設(shè)備異常導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。RS485總線通信技術(shù)憑借其組網(wǎng)成本低、可靠性高、分布范圍廣、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域，但是行業(yè)內(nèi)并沒(méi)有統(tǒng)一的RS485通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并且傳統(tǒng)的RS485總線架構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全性和冗余度的要求。因此，有必要提出一種安全、高效的RS485通信協(xié)議，輔以冗余、穩(wěn)定的通信架構(gòu)提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

本文設(shè)計(jì)一種關(guān)于列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)中主控板和IO網(wǎng)關(guān)板之間的基于RS485總線的安全通信架構(gòu)，其采取的安全防護(hù)措施符合EN50159-2010對(duì)封閉網(wǎng)絡(luò)的安全性要求，并針對(duì)行業(yè)內(nèi)RS485總線架構(gòu)冗余度低的問(wèn)題，提出了節(jié)點(diǎn)冗余和通道冗余的通信架構(gòu)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1.RS485通信冗余架構(gòu)

該架構(gòu)主要應(yīng)用于列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)主控板與IO網(wǎng)關(guān)板之間的數(shù)據(jù)通信，每塊IO網(wǎng)關(guān)板由從節(jié)點(diǎn)和熱備從節(jié)點(diǎn)組成，其總體架構(gòu)如圖1所示：

圖1中冗余架構(gòu)包括RS485主節(jié)點(diǎn)冗余、各從節(jié)點(diǎn)冗余及RS485通信通道冗余三個(gè)部分。該架構(gòu)滿(mǎn)足以下要求：

1）RS485總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的設(shè)備地址。設(shè)備地址在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)中需由軟件按以上架構(gòu)分配。

2）設(shè)備地址的bit4-bit7=0x5時(shí)表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為總線主，而bit4-bit7=0xA時(shí)表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為總線從（其它的任何值都為非法值）;設(shè)備地址的bit0-bit3表示主或從節(jié)點(diǎn)的Node編號(hào)，且編號(hào)越小，在總線上的優(yōu)先級(jí)越高?？偩€主目前為固定編號(hào)為0x51的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先主，而設(shè)備地址為0x52的節(jié)點(diǎn)為熱備總線主。

3）每塊IO網(wǎng)關(guān)板有從節(jié)點(diǎn)和熱備從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，正常情況下從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與主控進(jìn)行通信，熱備從節(jié)點(diǎn)監(jiān)視從節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)通信故障時(shí)，熱備從節(jié)點(diǎn)可接管IO網(wǎng)關(guān)與主控的通信，實(shí)現(xiàn)安全冗余切換。

4）RS485網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備掛接在通過(guò)兩條相互獨(dú)立、完全一致的RS485總線上。正常情況下，RS485總線1優(yōu)先級(jí)高于RS485總線2，即默認(rèn)情況下，在RS485總線1上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)該總線異常時(shí)，通信切換至RS485總線2上。

2.RS485通信幀格式設(shè)計(jì)及通信過(guò)程

主控與IO網(wǎng)關(guān)的RS485通信需滿(mǎn)足以下要求：

1）主控與IO網(wǎng)關(guān)的通信采用主從應(yīng)答交互式通信，即“請(qǐng)求->應(yīng)答”式交互。主要性能參數(shù)如下：

其中：

FrameStart固定占一個(gè)字節(jié)，固定為0x7E;

FrameHead為RS485幀頭，固定為7字節(jié)，幀頭具體含義見(jiàn)表2;

DATA為數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度支持0-255字節(jié)，為傳輸?shù)腎O數(shù)據(jù);

FCS為校驗(yàn)區(qū)，采用CRC-16的校驗(yàn)方式，校驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍包括幀頭和數(shù)據(jù)區(qū)，固定為2字節(jié)。

3.RS485主設(shè)備通信流程

主/熱備主設(shè)備工作流程如圖2所示，主設(shè)備實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）主設(shè)備在上電后首先確定自身身份，是為主設(shè)備還是熱備冗余主設(shè)備。然后由主設(shè)備發(fā)起總線初始化及從設(shè)備掃描，從設(shè)備根據(jù)幀目的ID進(jìn)行響應(yīng)。

2）初始化完成后，主設(shè)備周期性地發(fā)送IO數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀，并等待接收IO數(shù)據(jù)響應(yīng)幀，接收到數(shù)據(jù)幀后需根據(jù)時(shí)間戳信息進(jìn)行判斷該幀數(shù)據(jù)是否超時(shí)，若超時(shí)，則該數(shù)據(jù)無(wú)效。

3）主設(shè)備周期性地診斷當(dāng)前RS485通道是否故障，若當(dāng)前通道異常，則切換至另一條RS485總線，繼續(xù)與IO網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4）備用主設(shè)備周期性地監(jiān)視主設(shè)備通信狀態(tài)，若主設(shè)備通信異常，則熱備主設(shè)備升級(jí)為主設(shè)備，繼續(xù)與IO網(wǎng)關(guān)板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。否則，保持該設(shè)備熱備主身份，繼續(xù)監(jiān)視主設(shè)備的通信。

4.RS485從設(shè)備通信流程

從/熱備從設(shè)備工作流程如圖3所示，主設(shè)備實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）從設(shè)備在上電后通過(guò)外部硬件信號(hào)確定自身身份，是為從設(shè)備或熱備從設(shè)備，根據(jù)不同身份分配對(duì)應(yīng)的通信ID。

2）初始化完成后，從設(shè)備周期性等待接收主設(shè)備的請(qǐng)求幀，接收到RS485主設(shè)備請(qǐng)求幀后，首先需要判斷該數(shù)據(jù)幀目的ID是否與自身一致，如果是，則根據(jù)不同類(lèi)型的請(qǐng)求幀響應(yīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。否則，不回復(fù)，繼續(xù)等待主設(shè)備請(qǐng)求幀。

3）為了避免總線沖突和數(shù)據(jù)超時(shí)，從設(shè)備在收到主設(shè)備請(qǐng)求幀后需盡快回復(fù)主設(shè)備。

4）熱備從設(shè)備周期性地監(jiān)視從設(shè)備的通信狀態(tài)，如果從設(shè)備通信異常，則熱備從設(shè)備接管從設(shè)備的RS485通信。否則，維持原來(lái)身份，繼續(xù)監(jiān)視從設(shè)備通信狀態(tài)。

5.總結(jié)

本文基于RS485的多點(diǎn)安全通信協(xié)議，通過(guò)主從應(yīng)答及時(shí)間戳的方法避免總線沖突，提高傳輸?shù)陌踩院蛯?shí)時(shí)性。該節(jié)點(diǎn)冗余的RS485通信架構(gòu)，總線上所有節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了冗余，具備冗余切換功能，可有效解決單節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致通信中斷的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通道冗余的通信架構(gòu)，總線上所有設(shè)備都掛接在兩條獨(dú)立的RS485總線上，具備通道診斷及切換功能，可避免單個(gè)通道故障導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信異常的嚴(yán)重后果，具備更強(qiáng)的安全性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

方博倫（1991-），男，籍貫：江西南昌，職稱(chēng)：助理工程師，學(xué)歷：碩士，研究方向：列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，單位名稱(chēng)：株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南省株洲市，412001