现场总线及其安全技术在铁路通信系统中的应用.pdf

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1、高 新 技 术2014 NO.04SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION科技资讯现场总线及其安全技术在铁路通信系统中的应用李雪梅夏伦月(中铁四局集团电气化工程有限公司安徽蚌埠233040)摘 要:针对目前我国高速铁路快速发展的现状,分析了CAN总线和ProfiBus总线等现场总线及其安全技术在铁路通信系统中的应用情况,对提高我国铁路通信的安全性具有一定的现实指导意义。关键词:现场总线安全技术铁路通信应用中图分类号:TM621文献标识码:A文章编号:1672-3791(2014)02(a)-0013-02铁路系统需要各种工业技术的支持,几乎所有工业技术在铁路系统中都有所应用。

2、 目前随着我国高速铁路大规模建设,列车运行速度不断提高,必然对信息的安全、可靠传输提出更严格的要求。 因此,为了提高铁路通信系统的安全通信能力,对铁路安全数据传输的理论和技术进行研究,已经成为世界各国铁路关注和加大投入力度的共同趋势,尤其是现场总线通信技术,已经成为保障铁路系统特别是高速铁路系统安全运行的基础。完成,可釆用IP加密传输信道技术实现网络节点 间透明 的安全 加密信 道。 由传输层负责实 现端到 端进程 通信, 可采用安 全套接字层SSL (Secure Sockets Layer)技术保障进程 间的信 息安全 。 利用 各种中 间件技术, 应用层可以实现数据保密、身份鉴别 、访问

3、控 制和数 据完整 性等 安全服 务, 从而保障通信 安全。不具备故障-安全特性,因此,C AN 总线不适合现 代高速 铁路通 信要求 。 如果 要在对于数据传输率和安全性要求不是特别高的铁路通信系统中采用CAN总线构建通信网络, 必须进行以下的安全改进设计。(1)采用冗余网络结构。如 果 采 用 C A N 构 建 一 个 要 求 具 备 故障-安全性能的通信网络,可以将网络结构设计成 冗余结 构。 采用这样 的冗余 网络结构,当一个回路出现通信故障时,另一个回路的使 用不会 受到干 扰和影 响, 通信数据传输的 可靠性 、 稳定 性和实 时性从 而得到有效的 保障。(2)报文传输安全设计。

4、为 了 保 障 安 全 传 输 报 文 数 据 , 对 于CAN总线构 建的故 障-安全通 信网 络,可以采用以下设计方案:报 文按顺序编号: 对每 一个运算周期内的 报文进 行顺序 编号, 不同周期 内的报文编 号不同 。 假如 本周期 内收到 的报文编号和上周期的不同,则证明网络正常;反之, 如果在 规定时 间内接 收不 到报文 或连续收到 编号相 同的报 文, 则证明网 络出现问题, 系统应转入故障-安全状态。报文周期传输: 发送方 在固定 周期 内连续 向接收方传 输报文 数据,接收方 对接收 到的 报文反复进行对比、 检查,发现问题自动抛弃。 报文按周 期传输 可以有 效地减 少报文

5、延误和丢 失, 从而保 证通信 网络报 文数据传输的安全性和实时性。 报文冗余校验:目前通常采用CRC循环码对报文安全数据传输进行校验,CRC循环码具有检错率高、编码简 单等优 点。 报文添加 校验码 后进行发送,接 收方对收到的报文采用CR C进 行校验, 如果添 加在报 文中 的校验 码和 新产生的校验码相同,则证明报文内容无误;如果不同,就应该对报文做相应的故障-安全处置。 报文冗余编码:把所有的报文数据的位信 息都扩 展到 字节信 息进行 发送,采用码距最大的两个字节来表示 “0” 和 “1” 两个位信息。报文冗余编码的应用,极大地提高了报 文数据 传输的 抗干扰 性能。报文正、 反码

6、发送:正、 反码编码规则如下2 铁路系统中应用的现场总线及其安全技术在铁 路通信领域, 目前 应用最广泛的现场总线是CA N总线。 随着铁路的发展,ProfiBus等总线逐渐在我国铁路中得以应用。 下面针对CAN总线和ProfiBus总线在铁路系统中的应用及其釆用的安全技术进行讨论研究。2.1 CAN 总线CAN(ControllerAreaNetwork)总线是串 行通 信总 线,基于CS -MA /CD (载波侦听多路访问/ 冲突检测) 机制, 是目前国际上应 用最 广泛 的现 场总 线系 统3 ,且早在1993年就成为国际标准。 其突出特征可概括如下:41 现场总线及安全技术的相关标准1

7、. 1 现场总线的定义所谓现场总线就是指利用一根总线把各种仪 器设备 联接在 一起, 构成一个 完整的控制网络。 因此,现场总线属于系统技术,它综合了信息技术、 电子技术以及计算1. 2 目前主要的现场总线及安全技术标准国际电工委员会制定的IEC61158标准是目前 主要的 现场总 线及安 全技术 标准。IEC61158主要包括:IEC/TR61158-1总论与导则、IEC/TR61158-2物理层规范和服务定义、IEC/TR61158-3数据链路层服务定义、IEC/TR61158-4数据链据层协议规范、 IEC/TR61158-5应用层服务定义、IEC/其中,现场TR61158-6应用层协议

8、规范1。总线物理层采取的本质安全(简称本安)技术在IEC61158-2中做 了详 细的 解释 和规定。 本安技术己经获得世界大部分国家的认可,其国际标准化程度很高。 利用本质安全技术,可以对现场总线进行带电调整和在线测量,允许系统运转时进行设备拆换2,能够防止电气设备与易燃易爆气体接触后可能发生的危险。为了保障安全服务,必须采取具体的安全措施。 针对可能受到的威胁,系统必须具备鉴别功能、 访问控制、数据完整性和数据保密性等相应的安全保障机制,即在系统模型的各个层次上,采取对应的安全 服务和 安全措 施, 以满足不 同层次的安全需求。建立点-点通信是链路层的功能之一,为了保障通信安全,可采用链路

9、加密措施 实现。而流量 的路由 控制由 网络层机技术等各种现代工程技术。. All Rights Reserved.(1)CAN网络任意时刻任意节点都可任意向网 络上其 它节点 传输数 据, 可实现点对点、一点对 多点以 及全局 广播等 方式收发数据;(2)CAN网络节点在报文标识符上分成不同的优先级,当网络出现冲突时,优先级较 低的节 点会 主动退 出, 最高优先 级的节点可继续传输数据,不受任何影响;(3)CA N网 络数据传输率可达1 Mb /s ,直接 通信距离可达10km;(4)CAN网络数据帧为短帧结构,抗干扰强,数据传输每帧信息都采用CR C校 验,检 错效果好,数 据出错率低。

10、由于CAN总线具有上述优点,因此,已经广泛应 用 于 我国 的 铁 路 系统 中, 比如 基于CAN总线的铁路信号微机监控系统、 基于CAN总线的铁路变电站远程监控系统以及基于CA N总线的铁路车站电气火灾监控系统等等 。 现代 高速铁 路需要 大容量 的数据传输,而 CA N总 线的数据传输速率最高仅能达到1 Mb/ s,另 外由于CAN 总线本身并作者简介:李雪梅(1970),女,主要从事铁路通信技术及管理方面的工作。科技资讯SCI EN CE&TEC HNO LO GYINF OR MA TI ON13科技资讯2014 NO.04SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION

11、高 新 技 术订 了 国 家 标 准 GB/ Z2083 0-200 7(基于PROFIBUSDP和PROFINETIO的功能安全通信行规PROFIsafe)。按照IEC61508标准,PROFIsafe是唯一达到SIL3级的安全系统拥有安全技术解决方案V1.30,通过了BGIA、 UL、 TV等权 威安 全 机构 的 认证, 能够满足 过程工 业和制 造业自 动化故障-安全要求。PROFIsafe的主要特征表现为6:(1)PROFIsafe采用同一根电缆可以实现两个 信道 通信 安全通信和 标准通信,由于在 单信道 通信系 统上可 以实现 故障-安全性,因此,不 需要设置冗余电缆;( 2)P

12、ROFIsafe采用了具有高安全性的专利SIL监视器,而且故障-安全措施和技术被用在F-Master、F-Slave等终端模块上,因此,故障-安全等级最高能够达到SIL3级。通信 系统中的故障包括硬件故障、 软件故障以及由于电磁干扰所引起的传输信道上的随机失效等,PROFIsafe的安全功能能够及时发现可能进入正常传输系统的所有危险,使通信系统的故障概率降至最低。总之, 面对 我国 “十二五 ” 高速 铁路规划的宏伟 蓝图, 铁路人 必将迎 来大规 模开工建设 的伟大 时刻。要保证 现代高 速铁路安全运行,利用现代工业技术,特别是先进的信息技术和计算机技术建立安全可靠的通信网 络势在 必行,现

13、场总 线及其 安全 技术必将在高速铁路建设工程中有着广阔的用武之地。车载设 备和自 动防护 系统方 面, 权威机构对于国产铁路通信系统进行的安全技术认证严重缺 乏, 远远满 足不了 当前高 速铁路快速发展的需求。因此, 在研 究相关的安全评估认证体系和国 际安全 标准 的基础 上, 结合中国 高速铁路 发展的 现状,建立中 国自己 的铁 路通信信号系统的国家安全标准己经刻不容缓。 基于现场 总线在 铁路系 统中广 泛应用的现状,进一步研究、 讨论现场总线的安全通信技 术及相 关标 准, 对于采用 现场总线构建高 速铁路 安全 数据传 输网 络, 实现故障-安全通信,保障当前和今后我国高速铁路交

14、通安全具有重大的现实意义。当信息位有奇数个 “1” 时,冗余校验位重复信息位;当信息位有偶数个“1”时,冗余校验位是 信息位 的反码 。 在每 一帧报 文数据中都设置正、反码,收到报文数据后进行解码对比,如果发现正反码校验不相同,则认为报文有误,应转入故障-安全状态。如果接收到的报文数据能够通过以上检验要求,则 可认为基于CA N构 建的通信系统符合 故障-安全的需求。2.2 ProfiBus总线目前ProfiBus总线己经被纳入国际标准IEC61158和IEC61784中,在此基础上进行消 化 吸 收 , 我 国 制 定 了 行 业 标 准 J B /T10308.3-2001(测量和控制数

15、字数据通信工业控制系统用现场总线第3部分:Profibus规范)。 在所有的现场总线中,ProfiBus总线是一 种 不 依赖 于 设 备生 产 商 的、 国 际 化的、 开放的现场总线,而且在欧洲工业界得到了广泛应用,ProfiBus的基本特征简述如下5:(1)ProfiBus总线由OSI标准模型中的物理层、数据链路层、 应用层构成, 采用主从通信方式,采用故障-安全模式通信接口;(2)ProfiBus总线以EN50170标准为基础,分为通用性自动化(FMS)、 工厂自动化(DP)和过程 控制自动 化(PA )三个 部分;其中FM SIEC1158-2接口标准;(3)ProfiBus总线采用

16、中继器 连接不 同的区 段, 每一区段 最多可以连接32个设备;(4)ProfiBus数据传输率最高可以达到12Mb/s,报文格式为244B。由于 链路 层基 于IEEE802标准 的令牌控制方式,ProfiBus是目前现场总线中唯一 通 过 权威 安 全 机 构认 证 的 总 线,因此, ProfiBus在铁路系统特别是高速铁路系统中得到了广泛的应用。 目前ProfiBus总线在铁路通信领域中的应用具体体现在ProfiBus-DP模块上,而且 据此 我国 制参考文献1 李开成. 现代铁路信号中的通信技术M.北京:中国铁道出版社,2010.2 狄利明.基金会现场总线的本质安全技术J.化工自动化

17、及仪表,2001,28(6).3 陈洁, 李哲英. 现场总线技术及其在铁路系 统中 的应 用第一 讲现 场总线 技术的基本概念与内容J.铁道通信信号,1997(7).4 陈洁, 李哲英. 现场总线技术及其在铁路系 统中 的应 用第二 讲总 线与系 统简介J.铁道通信信号,1999(8).5 杨景蓝.ProfiBus安全协议的研究D.北京交通大学,2007.6 孙向群.高 铁通信系统CTC S列 控安全数据传输研究D.西南交通大学,2011.和 D P 采 用 R S 4 8 5 接 口 标 准 , P A 采 用. All Rights Reserved.3 结语目前, 我国 铁路通信系统的研

18、究开发工作在如何保证通信信号系统的高安全性方面缺 乏一个 完善、规范的 标准和 评估体系, 在铁路 通信系 统安全 数据 传输方 面的研究工 作力度 很不 足, 对发达国 家的先进铁路安全技术的引进、 消化、 吸收多集中在(上接 12 页)8831118R的供电电源一致。 ECP3-70在内嵌千兆网MAC-IP核的情况下,完全能控制88E1118R,形成千兆网链路。参考文献1 任志 健, 万智萍,朱俊 南, 等.A RM 嵌入式远程视频监控数据采集系统设计J.计算技术与自动化J.2013,2:100-110.2 Lattice Semiconductor Corporation.Lattice

19、 ECP3 Family Data SheetEBOL.http:/.3 ElpidaMemoryInc.1GbitsDDR2SDRAMEBOL.http:/www.elpida.co m.4 WinbondInc.3V64M-BITSERIALFLASHMEMEORYWITHDUAL/QUADSPI&QPIEBOL.http:/www.w inb on d.c om.5 ATMELCorporation.3-WireSerialEEPR O.6 AptinaImagingCorporation.1/2.5-Inch 5Mp CMOS Digital Image SensorEBOL.http

20、:/.7 MARVELLCorporation. Alaska88e1118r Technical Product BriefEBOL.http:/www.marvell.E BOL.h ttp:/w ww.4 结论基于ECP 3的视频采集系统设计完成后,PCB面积不大于75 mm75 mm。 若是把MT9P031和ECP3电路分开制成2块PCB,则每块PC B不 大于50 mm 50 mm ,完全 可以用在 对空间 要求苛 刻、 数据传输 率要求高的场合。基于ECP3的视频采集系统设计具有很 强的实 用性,同时也 具有一 定的 参考意义。14科技资讯SC IEN CE&TE CHN OLO GYINF ORMA TIO N