维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与开发 Ｋｉ Ｉ’、ｉ“ｌｌ、Ｎｌｊｌｊ｝、｝ｌ（，ｌ，、Ｉｌ、 ｌ ｌ ６ ０ ｌ ？ ＶＯＩ．１ｌ’ Ｎｏ．７ ：一，编 ：１００５－８４５１（２００７）０７－０００４—０２ 基于过程现场总线的安全通信的研究与实现 杨景蓝，宁滨，李开成 （北京交通大学 电子信息工程学院，北京 ｌ０００４４） 摘 嘤：介绍ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ的通信原理。在此基础上，介绍研究安全通信的系统硬件连接以及其实 现安全通信的方法。 父赴洲：现场总线；安全通信；通信原理；硬件 Ｉｌ— 分炎‘ Ｕ２８ 殳献ｆ，Ｊ 订 ５：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎ（１ ｍｐｌｅｍｅｎｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｆｅｆ、ｃｏｒｎｍｉ１ｎｉｃａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＲ０ ’ｌＢ Ｓ Ａ、 、 ＮＩＮ（ｉ ｆ１．Ｉ ｔ Ｋａｉ—ｔｈｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ） ｌ｝ ｎ ａｃｔ：Ｉｔ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ，ｉｔ ｗａｓ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ． Ａ ・｝＂ｏｒｄｓ：ＰＲＯＦＩＢＵＳ；ｓａｆｅｔｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｈａｒｄｗａｒｅ 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控 ３种类型组成。ＰＲＯＦＩＢＵＳ协议结构只使用第１层（物 制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统， 理层）、第２层（数据链路层ＦＤＬ）和第７层（应 也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网 用层）。 络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的 自动化系统中具有广泛的应用前景。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ（ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｂｕｓ，过程现场总线） ＰＲＯＦＩＢｕｓ—ＤＰ用于现场层的高速数据传送。 主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发 送输出信息．。除周期性用户数据传输外，ＰＲＯＦＩ． 是成功的开放式工业现场总线之一，已经广泛用于 ＢＵＳ—ＤＰ还提供智能化现场设备所需的非周期性通 过程控制和制造业的分布式控制，既适合有高速要 信以进行组态、诊断和报警处理，允许构成单主站 求的数据传输，也可用于大范围的复杂通讯场合。 或多主站的系统，在同一条总线上最多可连接ｌ ２６ 在轨道交通控制系统中，ＰＲＯＦＩＢＵＳ用于安全控制 个设备（主站或从站）。 设备之间的数据传输。 ２层采用常规手段或者通过专用总线分散地加以解 在单一主站系统中，总线系统运行时只有一个 主站连接。此主站按固定的顺序向从站发送报文或 从这些从站那里接收报文。 在多主站系统中，总线上可以连接若干个主 长期以来，安全通信技术方面的任务只能在第 主站在总线上活动。从站通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ分散地与 决。这使得应用于制造业和过程工业自动化的分布 式现场总线ＰＲＯＦＩＢＵＳ的生存空间受到限制。因 重要。 此如何实现ＰＲＯＦＩＢＵＳ中的安全通信就显得十分 站。所有ＤＰ主站均可以读取从站的输入和输出映 象。主站之间是通过令牌循环来进行通信的。取两 个主站作为例子：持有令牌的主站按固定的顺序向 从站发送报文或者从这些从站那里接收报文，直到 最终它完成了与当前从站表中最后一个从站的通信 为止。然后，它把令牌传送给另一个主站。这时， Ｉ ＰＲＯＦＩＢＵＳ ｊ！亘ｆ，，Ｉｇｓｑ！ ＰＲＯＦＩＢＵＳ是一种国际性的开放式现场总线。 ＤＰ（分散外围设备）和ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＰＡ（过程自动化） 收稿日期：２００６－１０．２４ 它由ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＦＭＳ（现场总线报文规范），ＲＯＦＩＢＵＳ． 这个主站就可以使用已规划的循环的剩余可用时 间与任一从站建立非循环的连接来进行交换记录。 在当前循环时间结束时，它将令牌返回给第１个 作者简介：杨景蓝，在读硕士研究生；宁滨，教授。 主站。 ｏ— 面鬲 谪 维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与开发 』 ｊ ’Ｉ！｛ 、的 友个越价的吱现 及顺序号等。 ２．２ Ｊ 流 程序流程图如图３所示。 ＰＲＯＦＩＢＵＳ的通信平台如图１所示，ＰＬＣ作为 ＰＲＯＦＩＢＵＳ系统的主站、ＰＢ－Ｂ－ＲＳ２３２作为系统的从 站，主站和从站通过ＲＳ－２３２与设备连接。 Ｓ７．３００．ＣＰＵ３１５．２ＤＰ ＰＣ１ ｉ… 、 ｍ ……串ｒ…］测试程序 ｛．． 【二＝ 蒜ＰＣ２ 一—— 图Ｉ ＰＲＯＦＩＢＵＳ通信平台 ＰＢ－Ｂ－ＲＳ２３２是标准的ＲＳ－２３２驱动电路，由光隔、 及ＲＳ－２３２驱动芯片组成。ＣＰＵ通过对ＳＰＣ３控制实 现ＰＲＯＦＩＢＵＳ的通信，并在ＲＡＭ中建立ＰＲＯＦＩＢＵＳ 通信数据缓冲区。另一方面，通过ＲＳ－２３２实现和外 部现场设备的通信，同样在ＲＡＭ中建立ＲＳ－２３２通 信缓冲区。ＣＰＵ通过２个通信缓冲区的数据交换，实 现ＰＲＯＦＩＢＵＳ到ＲＳ－２３２／４８５的通信。 ２．１ 艇什 使用ＳＩＭＡＴＩＣ Ｍａｎａｇｅｒ配置以后的硬件配置如 图２所示。 ｆ； 曩 ：一！“。－－， ： 一■ 一 一 ｆ ｌ ＿ 譬 ＊ ！ ；． 兰 一…．＿＿＿＿．一 图２硬件配置 根据ＥＮ５０１５９标准，数据在传输过程中会引发 一系列的错误，如报文丢失、重复、添加、顺序错、 延迟以及伪数据，等等。在故障安全通信中还会出 现寻址错，即一个标准报文错误地出现在一个故障 安全站点中，且被当作故障安全报文输出。此外，传 输速率的不同还可能对存储器产生不良后果。因 此，采用加密技术、时间戳、ＣＲＣ循环冗余校验以 ＰＢ－Ｂ－ＲＳ２３设置成主设备 １…～……＾…一．………～…ｈ，＾ ＰＲＯＦＩＢＵＳ主站启动发送ｓｔａｒｔ＿ｔｒ由０变１ ＰＢ－Ｂ－ＲＳ２３２／４８５启动ＲＳ－２３２／４８５ ＰＲＯＦＢＵＳ主站的启动发送ｓｔａｒｔ ｔｒ￣１应该保持，直 发送，ｒｅｏｋ＿ｔｒｅｎ￣０，￣ｉｎｇ＝ｌ 到检攮Ｉ到ｒｅｏｋ Ｕｅｎ￣Ｏ，说明启动发送ｓｔａ 订＝ｌ已 Ｄ２Ｄ１１３０＝０１０．ＰＢ－Ｂ－ＲＳ２３２／４８５ 启动ＰＢ－Ｂ－ＲＳ２３２／４８５开始发送ＲＳ２３２／４８５数据，这 正在发送报文状态 时ＰＲＯＦＩＢＵＳ主站可以将启动发送ｓｔａｒｔ ｔｒ＝０，为 下一次启动准备 ＋ ＰＢ－Ｂ－ＲＳ２３２发送完毕，通信状态字Ｄ２ＤＩＤ０＝０００，等待接收状态。 ＲＳ－２３２／４８５设备发送回答报文，ＰＢ－Ｂ－ＲＳ２３２／４８５正在接收报文． 通信状态字Ｄ２ＤＩＤＯ＝－ＩＯ０ ‘ Ｉ ＰＢ－Ｂ－ＲＳ２３２／４８５接收报文完Ｉ Ｉ 图３程序流程图 ３ 结术 目前，ＰＲＯＦＩＢＵＳ过程现场总线已经广泛的应 用在过程控制系统中，它真正的可互操作性和开放 性等特征已经使其具有更广阔的发展前景。本文在 基于ＥＮ５０１５９安全协议的基础上使用了ＰＢ－Ｂ－ＲＳ２３２ 作为仿真的从站，从过程现场总线安全通信的角度 进行了分析和研究。通过仿真测试，使用了一系列 的安全措施达到了过程现场总线通信的安全，使过 程现场总线技术和故障安全技术合为了一个系统。 这也将使得过程现场总线的应用得到更广泛的应用 和发展。 参学之｝｝ｉＩ＝： 【ｌ】阳宪惠．现场总线技术及其应用【Ｍ】，北京：清华大学出 版社．１９９９， 【２】Ｊｏｎａｓ Ｂｅｒｇｅ．ＦｉｅｌｄＢｕｓｅｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ：Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ［Ｍ】．北京：清华大学出版社， ２００３． 【３】邬宽民．现场总线技术应用选编【Ｍ】．北京：北京航空航 天大学出版社，２００３．
