一種基于RS485的多點安全通信的研究與應(yīng)用獲獎科研報告

一種基于RS485的多點安全通信的研究與應(yīng)用獲獎科研報告

【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，列車控制網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃砸蟛粩嗵嵘?。傳統(tǒng)的單個節(jié)點單條RS485總線通信的方案在安全性和可靠性上已經(jīng)無法滿足需求。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題。同時提出了節(jié)點冗余和傳輸通道冗余的RS485通信架構(gòu)，避免單點故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸異常的問題。提高了列車控制網(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

列車網(wǎng)絡(luò)控制平臺作為列車的“大腦”與“神經(jīng)”，承載著列車數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集、安全控制、車載信息服務(wù)等重要使命，是保證列車安全運行的重要系統(tǒng)。近年來，軌道交通行業(yè)飛速發(fā)展，信息化服務(wù)日益完善，列車運行速度不斷攀升，這使得列車網(wǎng)絡(luò)控制對數(shù)據(jù)的安全性和可靠性提出了更為嚴格的要求。在列車控制領(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)某一單點設(shè)備出現(xiàn)故障時，冗余部件可接替其繼續(xù)工作，消除因單個設(shè)備異常導(dǎo)致整個系統(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、開發(fā)周期短等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域，但是行業(yè)內(nèi)并沒有統(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)無法滿足列車控制網(wǎng)絡(luò)對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)計一種關(guān)于列車網(wǎng)絡(luò)控制平臺中主控板和IO網(wǎng)關(guān)板之間的基于RS485總線的安全通信架構(gòu)，其采取的安全防護措施符合EN50159-2010對封閉網(wǎng)絡(luò)的安全性要求，并針對行業(yè)內(nèi)RS485總線架構(gòu)冗余度低的問題，提出了節(jié)點冗余和通道冗余的通信架構(gòu)，提高了整個系統(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)點和熱備從節(jié)點組成，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)點冗余、各從節(jié)點冗余及RS485通信通道冗余三個部分。該架構(gòu)滿足以下要求：

1）RS485總線上每個節(jié)點都有唯一的設(shè)備地址。設(shè)備地址在列車網(wǎng)絡(luò)控制平臺中需由軟件按以上架構(gòu)分配。

2）設(shè)備地址的bit4-bit7=0x5時表示當(dāng)前節(jié)點為總線主，而bit4-bit7=0xA時表示當(dāng)前節(jié)點為總線從（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)點的Node編號，且編號越小，在總線上的優(yōu)先級越高?？偩€主目前為固定編號為0x51的節(jié)點優(yōu)先主，而設(shè)備地址為0x52的節(jié)點為熱備總線主。

3）每塊IO網(wǎng)關(guān)板有從節(jié)點和熱備從節(jié)點構(gòu)成，正常情況下從節(jié)點負責(zé)與主控進行通信，熱備從節(jié)點監(jiān)視從節(jié)點的通信狀態(tài)，當(dāng)從節(jié)點通信故障時，熱備從節(jié)點可接管IO網(wǎng)關(guān)與主控的通信，實現(xiàn)安全冗余切換。

4）RS485網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備掛接在通過兩條相互獨立、完全一致的RS485總線上。正常情況下，RS485總線1優(yōu)先級高于RS485總線2，即默認情況下，在RS485總線1上進行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)該總線異常時，通信切換至RS485總線2上。

2.RS485通信幀格式設(shè)計及通信過程

主控與IO網(wǎng)關(guān)的RS485通信需滿足以下要求：

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“請求->應(yīng)答”式交互。主要性能參數(shù)如下：

其中：

FrameStart固定占一個字節(jié)，固定為0x7E;

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

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

FCS為校驗區(qū)，采用CRC-16的校驗方式，校驗數(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)時間戳信息進行判斷該幀數(shù)據(jù)是否超時，若超時，則該數(shù)據(jù)無效。

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)備升級為主設(shè)備，繼續(xù)與IO網(wǎng)關(guān)板進行數(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)備實現(xiàn)以下功能：

1）從設(shè)備在上電后通過外部硬件信號確定自身身份，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)備的請求幀，接收到RS485主設(shè)備請求幀后，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)不同類型的請求幀響應(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)備請求幀。

3）為了避免總線沖突和數(shù)據(jù)超時，從設(shè)備在收到主設(shè)備請求幀后需盡快回復(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的多點安全通信協(xié)議，通過主從應(yīng)答及時間戳的方法避免總線沖突，提高傳輸?shù)陌踩院蛯崟r性。該節(jié)點冗余的RS485通信架構(gòu)，總線上所有節(jié)點都進行了冗余，具備