一种基于RS485的多点安全通信的研究与应用

方博伦 罗钦洋

【摘  要】RS485总线通信凭借其成本低、可靠性高、分布范围广、组网方便等优点被广泛应用于工业控制领域。随着轨道交通行业面向信息化和高速化发展，列车控制网络对数据传输的安全性和可靠性要求不断提升。传统的单个节点单条RS485总线通信的方案在安全性和可靠性上已经无法满足需求。本文提出的一全RS485总线通信协议，用于解决RS485通信组网的兼容性和安全性问题。同时提出了节点冗余和传输通道冗余的RS485通信架构，避免单点故障导致数据传输异常的问题。提高了列车控制网络关键数据传输的安全性和可靠性。

【关键词】RS485;安全;冗余

引言

列车网络控制平台作为列车的“大脑”与“神经”，承载着列车数据通信、数据采集、安全控制、车载信息服务等重要使命，是保证列车安全运行的重要系统。近年来，轨道交通行业飞速发展，信息化服务日益完善，列车运行速度不断攀升，这使得列车网络控制对数据的安全性和可靠性提出了更为严格的要求。在列车控制领域，提高系统可靠性最有效的方法之一是使用冗余技术，当某一单点设备出现故障时，冗余部件可接替其继续工作，消除因单个设备异常导致整个系统瘫痪。RS485总线通信技术凭借其组网成本低、可靠性高、分布范围广、开发周期短等优点被广泛应用于列车网络控制领域，但是行业内并没有统一的RS485通信协议标准，并且传统的RS485总线架构无法满足列车控制网络对安全性和冗余度的要求。因此，有必要提出一种安全、高效的RS485通信协议，辅以冗余、稳定的通信架构提高系统的安全性和可靠性。

本文设计一种关于列车网络控制平台中主控板和IO网关板之间的基于RS485总线的安全通信架构，其采取的安全防护措施符合EN50159-2010对封闭网络的安全性要求，并针对行业内RS485总线架构冗余度低的问题，提出了节点冗余和通道冗余的通信架构，提高了整个系统的安全性和可靠性。

1.RS485通信冗余架构

该架构主要应用于列车控制网络主控板与IO网关板之间的数据通信，每块IO网关板由从节点和热备从节点组成，其总体架构如图1所示：

图1中冗余架构包括RS485主节点冗余、各从节点冗余及RS485通信通道冗余三个部分。该架构满足以下要求：

1）RS485总线上每个节点都有唯一的设备地址。设备地址在列车网络控制平台中需由软件按以上架构分配。

2）设备地址的bit4-bit7=0x5时表示当前节点为总线主，而bit4-bit7=0xA时表示当前节点为总线从（其它的任何值都为非法值）;设备地址的bit0-bit3表示主或從节点的Node编号，且编号越小，在总线上的优先级越高。总线主目前为固定编号为0x51的节点优先主，而设备地址为0x52的节点为热备总线主。

3）每块IO网关板有从节点和热备从节点构成，正常情况下从节点负责与主控进行通信，热备从节点监视从节点的通信状态，当从节点通信故障时，热备从节点可接管IO网关与主控的通信，实现安全冗余切换。

4）RS485网络中所有设备挂接在通过两条相互独立、完全一致的RS485总线上。正常情况下，RS485总线1优先级高于RS485总线2，即默认情况下，在RS485总线1上进行数据通信，当该总线异常时，通信切换至RS485总线2上。

2.RS485通信帧格式设计及通信过程

主控与IO网关的RS485通信需满足以下要求：

1）主控与IO网关的通信采用主从应答交互式通信，即“请求->应答”式交互。主要性能参数如下：

其中：

FrameStart固定占一个字节，固定为0x7E;

FrameHead为RS485帧头，固定为7字节，帧头具体含义见表2;

DATA为数据区，数据长度支持0-255字节，为传输的IO数据;

FCS为校验区，采用CRC-16的校验方式，校验数据范围包括帧头和数据区，固定为2字节。

3.RS485主设备通信流程

主/热备主设备工作流程如图2所示，主设备实现以下功能：

1）主设备在上电后首先确定自身身份，是为主设备还是热备冗余主设备。然后由主设备发起总线初始化及从设备扫描，从设备根据帧目的ID进行响应。

2）初始化完成后，主设备周期性地发送IO数据请求帧，并等待接收IO数据响应帧，接收到数据帧后需根据时间戳信息进行判断该帧数据是否超时，若超时，则该数据无效。

3）主设备周期性地诊断当前RS485通道是否故障，若当前通道异常，则切换至另一条RS485总线，继续与IO网关进行数据交互。

4）备用主设备周期性地监视主设备通信状态，若主设备通信异常，则热备主设备升级为主设备，继续与IO网关板进行数据通信。否则，保持该设备热备主身份，继续监视主设备的通信。

4.RS485从设备通信流程

从/热备从设备工作流程如图3所示，主设备实现以下功能：

1）从设备在上电后通过外部硬件信号确定自身身份，是为从设备或热备从设备，根据不同身份分配对应的通信ID。

2）初始化完成后，从设备周期性等待接收主设备的请求帧，接收到RS485主设备请求帧后，首先需要判断该数据帧目的ID是否与自身一致，如果是，则根据不同类型的请求帧响应相应的数据内容。否则，不回复，继续等待主设备请求帧。

3）为了避免总线冲突和数据超时，从设备在收到主设备请求帧后需尽快回复主设备。

4）热备从设备周期性地监视从设备的通信状态，如果从设备通信异常，则热备从设备接管从设备的RS485通信。否则，维持原来身份，继续监视从设备通信状态。

5.总结

本文基于RS485的多点安全通信协议，通过主从应答及时间戳的方法避免总线冲突，提高传输的安全性和实时性。该节点冗余的RS485通信架构，总线上所有节点都进行了冗余，具备冗余切换功能，可有效解决单节点故障导致通信中断的问题，提高了系统的稳定性和可靠性。通道冗余的通信架构，总线上所有设备都挂接在两条独立的RS485总线上，具备通道诊断及切换功能，可避免单个通道故障导致整个网络通信异常的严重后果，具备更强的安全性和可靠性。

参考文献：

[1]CENELEC.EN50128，Railway application——communications，signalling and processing systems——software for railway control and protection system [S]，2001.

[2]周夏芳.基于二乘二取二平台的通信设计[J].铁路通信信号工程技术，2014（11）59-61.

作者简介：

方博伦（1991-），男，籍贯：江西南昌，职称：助理工程师，学历：硕士，研究方向：列车网络控制系统，单位名称：株洲中车时代电气股份有限公司，湖南省株洲市，412001