CN101557278A - 用于失效保护地传输的方法、安全开关装置和控制单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在发送器(1)和接收器(2)之间失效保护地传输信息(22)的方法,其中将至少两个涉及信息(22)的电报(20,21)作为第一电报(20)通过第一信道以及第二电报(21)通过第二信道从发送器(1)传输至接收器(2),提高了传输安全性,并由此降低了剩余差错概率,即:为了识别出在传输期间对信息(22)产生影响的差错,至少从第一电报(20)的第一子集中生成第一识别码(23,31)用于第二电报(21),将该第一识别码在接收器(2)中应用以识别包含在第一电报(20)中的信息(22)。在从安全开关装置(11)向控制单元(10)通信的情况下应用该方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在发送器和接收器之间失效保护地(sicherheitsgerichtete)传输信息的方法,其中将至少两个涉及信息的电报作为第一电报通过第一信道和作为第二电报通过第二信道从发送器传输至接收器。本发明还涉及一种用于操纵在控制单元上的安全开关装置的方法。本发明也涉及一种安全开关装置,适合用于失效保护地将信息传输至控制单元及进行相反的传输,该安全开关装置具有用于第一信道的第一数据线和用于第二信道的第二数据线,该安全开关装置还具有用于在第一信道上发送/接收涉及信息的第一电报和在第二信道上发送/接收第二电报的第一装置。与该安全开关装置相对应地,本发明还涉及一种控制单元,适合用于失效保护地将信息传输至安全开关装置及进行相反的传输,该控制单元具有用于第一信道的第一数据线和用于第二信道的第二数据线,该控制单元还具有用于在第一信道上发送/接收涉及信息的第一电报和在第二信道上发送/接收第二电报的第三装置。
背景技术
例如,为了在过程自动化中实现安全的现场总线通信,使用了安全开关装置,如失效保护的传感器,其具有光栅、激光扫描仪、双手键控器、脚踏垫等的功能。
根据现有技术,在失效保护系统中或者在将安全开关装置的数据失效保护地传输至上一级的控制单元的情况下,根据IEC 61784-3附录A,Model(模板)B和C,双重发送了具有差错检测后缀(Sicherungsanhang)的电报。因为此处将冗余地在两个电报中的信息内容在两个不同的数据信道上或者在时间上滞后地一个接一个地在一个数据信道上传输至接收器或者传输至控制单元,所以该传输方法的缺点在于相对于数据量的较低的差错检测。
由此需要进一步的措施用来识别被干扰的数据。这可能借助于循环冗余校验的校验和而得以实现。该校验和越长,则差错检测越高。然而长的校验和延长了电报,以至于可能对控制系统的反应时间造成不利影响。
在根据CAN-Bus(Can open Safety)的解决办法中,同样地将失效保护的信息双重地传输(符合Model C)。
发明内容
由此就将信息冗余地在两条数据线上发送至接收器。本发明的目的在于,提出一种在发送器和接收器之间失效保护地传输信息时具有提高的数据安全性的方法。
在开头所述方法中,该目的由此实现,即为了识别出在传输期间对信息产生影响的差错,至少从第一电报的第一子集中生成第一识别码用于第二电报,该第一识别码在接收器中应用于测定包含在第一电报中的信息的完整性。根据本发明,不像在现有技术中那样在分开的数据线上再次传输需要保护的数据,而是生成第一识别码,将需要保护的数据的一个所谓的散列值(Hash-Wert)通过第二数据线来传输。在此有利的是,在不提高每个信道或者说每条导线的数据量的情况下达到足够高的数据安全性。此外可以通过该方法以有利的方式来满足这样的要求,即从发送器到接收器以及相反操作的电报响应的反应时间很短。在小数据量,例如16比特信息的情况下和在低波特率(小于1兆波特)的情况下该优点特别明显。
在一个有利的设计方案中,从第一电报的与第一子集(Teilmenge)不同的第二子集中生成第二识别码用于第二电报。该识别码通常是CRC值。CRC是Cyclic Redundancy Check(循环冗余校验)的缩写。该循环冗余校验是一种来自信息技术的方法,用于确定用于数据的校验值,以能够在传输数据时来识别出差错。通过在第二电报中生成第二识别码,也就是另一个CRC校验值,再次进一步提高了数据安全性。所以为了验证无差错性(Fehlerfreiheit)而延长该CRC校验值。
为了在接收器中简化地和更快速地分配(Zuordnung)电报,如果生成连续的数字用于第二电报,则这是有利的。如果附加地生成连续的数字用于第一电报以用来在接收器中分配电报,则使分配进一步得以简化。
优选地,使用前述的方法用于操作在控制单元上的安全开关装置,其中把用于第一信道的第一数据线和用于第二信道的第二数据线用于控制单元和安全开关装置的通信及进行相反的通信。在根据现有技术的安全开关装置中,这种安全开关装置通过三条导线被连通:数据线C/Q,第一电源导线和第二电源导线。为了以有利的方式在安全开关装置中使用根据本发明的方法,使用一个之前未占用的Pin以实现第二数据线。
优选地,根据本发明可以当操纵在控制单元上的安全开关装置时将第一和第二数据线作为未屏蔽的数据线使用。在传输差错是随机的(也就是说偶然的)情况下,例如由EMV(电磁电容)对数据线的影响,该差错可以通过根据本发明的方法来识别和控制。特别是在未屏蔽的数据线的情况下,由于EMV的干扰而使差错概率变得很高。但尽管存在着可能的EMV的干扰影响,通过该数据传输方法还是可以应用未屏蔽的数据线来用于例如在过程自动化工业中进行布线。这具有特别的优点,因为未屏蔽的数据线比屏蔽的数据线成本低廉地多。另一个优点在于利用现有的装置,它们通常配备有未屏蔽的电缆/数据线。
在开头所述的安全开关装置中该目的由此实现,即该安全开关装置具有第二装置,该第二装置用于至少从第一电报的第一子集中生成第一识别码用于第二电报用以识别在传输期间对信息产生影响的差错。除了通过例如通信模块来设计的第一装置之外,这种第二装置还可能通过特定用途的编码模块,例如可自由编程的ASIC的编码模块来设计。
此外,如果第二装置设计为用于从第一电报的与第一子集不同的第二子集中生成第二识别码用于第二电报,则这是有利的。
同样地,在通常是与安全开关装置相对应形成的,开头所述的控制单元中,开头所述的目的由此实现,即在该控制单元中,设有第四装置用于至少从第一电报的第一子集中生成第一识别码用于第二电报,用以识别在传输期间对信息产生影响的差错。
为了提高数据安全性,在该控制单元中也这样来设计该第四装置,即第四装置能够从第一电报的与第一子集不同的第二子集中生成第二识别码。
当信息的识别码长于该信息时,有利的是,将识别码的一部分安置在第一电报中和将识别码的剩余部分安置在第二电报中,从而使两个电报具有相同的长度。
附图说明
附图示出了多个该用于在发送器和接收器之间失效保护地传输信息的方法的实施例,其中:
图1示出具有安全开关装置的控制单元;
图2至图5分别示出具有不同的电报组成结构的第一和第二电报;和
图6示出在两种不同的传输方法中剩余差错率(Restfehlerwahrscheinlichkeit)的对比。
具体实施方式
根据图1示出了连接到控制单元10上的安全开关装置11。该控制单元10主要具有发送器1。在此没有限制该发送器1仅具有用于发送的功能,该发送器同样可以切换到接收工作模式。对于控制单元10利用其发送器1在发送工作模式中工作的情况,为此在安全开关装置11中准备有接收器2,以接收在控制单元10中的发送器1所发送的信息。发送器1通过四条导线/电线与接收器2连接。第一导线3(其与导线5一起组成数据线),以及第二导线4(其与导线6一起组成第二数据线)能够实现在发送器1和接收器2之间的通信。通过电源导线5,6来为安全开关装置11供给工作电压。控制单元10设计为利用第三装置53来发送和接收信息。该第三装置53能够实现将第一电报20和第二电报21(此处见图1至图5)发送至安全开关装置11。此外,除了第三装置53之外控制单元10还具有第四装置54用于至少从第一电报20的第一子集(Teilmenge)中生成第一识别码。该第一识别码在接收器2中或者说在安全开关装置11中应用于识别包含在第一电报20中的信息22。优选地,在这个所谓的点对点传输中使用特别合适的电报框架结构(Telegrammrahmen)或者说合适的电报组成结构。通过优化地分配循环冗余校验(CRC),优选地在第二电报21中安全识别码可以将汉明距提高到10,也就是说利用这种以安全为导向的传输找出所有想象得到的、可能的9比特差错。此外可能的是:例如在建立在电容的、磁的、变压器的(transformatorischen)、声响的(sonoren)和其它效应的基础上的数字式传感器中,不仅在控制单元10和安全开关装置11之间交换例如数字式的开关信号或状态信号,而且还可能交换用于安全开关装置11的必需的安全参数数据。也可能的是通过控制单元10来从安全开关装置11调出诊断数据。在安全开关装置11第一起动(或者说加速Hochlauf)时也可以通过数据导线3和4来将参数化电报发送至安全开关装置11。为了进一步的通信可能性,例如OSSD接口(OSSD=输出信号开关装置,在此处是安全开关输出端,也就是说在传感器部分在适当的工作期间响应时,无接触地起作用的保护装置的与机器控制装置连接并转入“关”状态的部分)的扩展性也提供了可能性:从安全开关装置11中来提供多路的断开信号或测量值。因此可能通过用于安全开关装置的OSSD接口的应用范围来实现具有集成安全的组合的传感器/执行器-设备。
相对于传统的用于可靠的现场总线通信的接口来说,这种新技术显示出下列优点:
-根据IEC 61131/2,简单的和兼容的接口扩展性,
-现有远程I/O组件的线性扩展,
-点对点通信,
-不依赖于现场总线的特性,
-用于安全的执行机构的分开的电源,
-使用标准微控制器,和
-型谱(Typenspektrums)不具有扩展性。
有利地,根据本发明的以安全为导向的数据传输方法可以用于控制单元10和安全开关装置11之间未屏蔽的和未扭绞的电缆连接。另一个未示出的设计方案是通过现场总线连接的门电路I/O连接模块,该模块构成了用于多个安全开关装置的主机(Master)。该主机具有例如带有1至n个接口的I/O链路接口。1至n个安全开关装置连接到该1至n个接口上,并作为辅机(Slaves)来参数化。
根据图2示出了第一电报20和第二电报21。在现有技术中第一电报20和第二电报21包含仅仅为冗余形式的相同信息,而与现有技术相比,该第二电报21现在具有与第一电报20不同的信息内容。从左至右读出,第一电报20具有信息22、状态字段24和校验总和25。信息22是16比特数据信息,状态24设计为2比特状态,以及校验总和25是6比特校验总和。同样以从左至右这种读取方式,第二电报21开始示出了第一识别码23,随后是2比特宽的连续数字27,紧接着是校验总和26。通过产生第一识别码23提高了数据安全性,该识别码在这种情况下作为CRC16值,例如作为139B7多项式实施,该CRC16值由信息的除以CRC16多项式的多项式除法算出。作为散列值产生的第一识别码23造成了第一电报20与第二电报21的分集性由于在不同的信道上传输这些电报20,21,因此利用这种方法工作的系统是双信道的分集系统(System)。分集性可理解为一种用于控制具有共同起因的差错的策略。从而把系统设计为冗余类型的,当然有意识地应用了不同的实现手段,并且没有应用相同结构的单独系统。在这种策略背后的构思是,同样完成(leisten)但以不同手段来实现的系统针对相同的干扰是不敏感的,因此不会同时失灵。
根据图3,第一电报20的和第二电报21的电报组成结构包含了分配到这两个电报21,22上的24比特长的CRC值。该24比特长的CRC24校验值分配如下:
CRC24(比特21-24)标号为30,CRC24(比特0-15)标号为31。CRC24(比特16-20)标号为32。该24比特长的CRC24校验值现在分配到第一电报20和第二电报21上。分配到这两个电报上的优点在于,现在提高了差错安全性,但未增加数据量。在标号为22的16比特有效数据和标号为30的CRC24校验值的4比特分量或者说4比特部分之间设有标号为24的2比特状态信息。第一电报20结束于2比特填充信息28。第二电报21在其组成结构中除了CRC24校验值之外还包含连续的数字27和再次包含两个填充比特28。
图4示出了用于第一电报20和第二电报21的电报组成结构的另一个替换方案。在第一电报20中,再次从左至右读出,16比特数据作为信息22,两个状态比特24在24比特长的CRC24校验值上的一个分量(Anteil)之前。该分量包括24比特长的CRC24校验值的比特21-24,并以标号30标出。第一电报20结束于2比特宽的连续数字27。第二电报21具有以标号31标出的24比特长的CRC24校验值的另一个分量。该分量包括CRC24校验值的比特0-15,并以标号31标出。其后是2比特空(freie)的信息40。跟随在该空比特(frei Informationen)之后的是CRC24校验值的另一个分量,也就是标号为32的比特16-20,CRC24(比特16-20)。第二电报21又结束于2比特宽的连续数字27。
根据图5示出了电报组成结构的另一个替换方案,其中供使用的比特得到了最优化应用。两个状态比特24在第一电报20中紧跟在16比特宽的信息22后。这里的特别之处在于,后面跟随的是26比特长的CRC24校验值的一个分量。该CRC24(比特23-26)分量以标号33标出。在该CRC24(比特23-26)分量33之后跟随的是连续的数字27。26比特宽的CRC24校验值的另一个分量在第二电报21中。第二电报21开始于26比特长的CRC24校验值的另一个分量,该分量具有标号为31的比特0-15CRC24(比特0-15)。其后是26比特长的CRC24校验值的最后的分量,标号为33的CRC24(比特16-22)。第二电报21结束于2比特宽的连续的数字27。
根据图6示出了根据本发明的方法的剩余差错概率与根据现有技术的数据传输方法的剩余差错概率的曲线走向的比较,在现有技术中在两条信道上传输了相同的信息。图表60利用第一曲线61示出了在这两种方法的同样工作特性的边界条件下在根据传统方法的数据传输中的剩余差错概率的曲线走向。利用第二过程曲线62示出了在根据本发明的以安全为导向传输数据的方法中的改进的剩余差错概率。对于根据SIL2和SIL3的安全性要求来说,不能超过处于剩余差错率为10-9每小时的边界线63。在比特差错率(BER)为0.01的范围中,根据本发明的方法示出了相对于传统解决方案的差错大于因数107的改进,该传统解决方案借助于第一过程曲线61示出。
总体上而言,通过第一信道传输了有效数据和循环冗余检验的一部分。在第二信道上与第一信道同时地传输循环冗余检验的剩余部分或者说分量。因此在相同的电报持续时间的情况下使安全值从12比特增大到24比特。其优点在于:遵循了如对于安全性应用所规定的差错检测,而不会对系统的反应时间产生不利影响,并且是在保持了由标准所规定的传输速度的情况下。此外实现了两个至少在功能上彼此独立的传输路径->分集性。(24比特CRC实现了与例如通过其它可能的冗余电报传输方法相比明显较高的差错检测)。
Claims (10)
1.一种用于在发送器(1)和接收器(2)之间失效保护地传输信息(22)的方法,其中将至少两个涉及所述信息(22)的电报(20,21)作为第一电报(20)通过第一信道和作为第二电报(21)通过第二信道从所述发送器(1)传输至所述接收器(2),其特征在于,至少从所述第一电报(20)的第一子集中生成第一识别码(23,31)用于所述第二电报(21,31),用以识别出在传输期间对所述信息(22)产生影响的差错,所述第一识别码在所述接收器(2)中应用以测定包含在所述第一电报(20)中的所述信息(22)的完整性。
2.根据权利要求1所述的方法,其中从所述第一电报(20)的与所述第一子集不同的第二子集中生成第二识别码(32)用于所述第二电报(21)。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中生成连续的数字(27)用于所述第二电报(21)。
4.根据权利要求3所述的方法,其中另外为所述第一电报(20)生成连续的数字(27)以用于在所述接收器中分配所述电报(20,21)。
5.一种根据前述权利要求中任一项所述的方法,其用于操纵在控制单元(10)上的安全开关装置(11),其中应用用于所述第一信道的第一数据线(3)和用于所述第二信道的第二数据线(4)以用于所述控制单元(10)与所述安全开关装置(11)的通信以及反过来用于所述安全开关装置(11)与所述控制单元(10)的通信。
6.根据权利要求5所述的方法,其中应用未屏蔽的数据线用于所述第一和所述第二数据线(3,4)。
7.一种安全开关装置(11),适合用于失效保护地将信息(22)传输至控制单元(10)及进行相反的传输,所述安全开关装置具有用于第一信道的第一数据线(3)和用于第二信道的第二数据线(4),以及具有用于在所述第一信道上发送/接收涉及所述信息(22)的第一电报(20)和在所述第二信道上发送/接收第二电报(21)的第一装置(51),其特征在于,第二装置(52),用于至少从所述第一电报(20)的第一子集中生成第一识别码(23,31)用于所述第二电报(21),用以识别出在传输期间对所述信息(22)产生影响的差错。
8.根据权利要求7所述的安全开关装置(11),其中所述第二装置(52)设计为用于从所述第一电报(20)的与所述第一子集不同的第二子集中生成第二识别码(32)用于所述第二电报(21)。
9.一种控制单元(10),适合用于将信息(22)失效保护地传输至安全开关装置(11)及进行相反的传输,所述控制单元具有用于第一信道的第一数据线(3)和用于第二信道的第二数据线(4),以及具有用于在所述第一信道上发送/接收涉及所述信息(22)的第一电报(20)和在所述第二信道上发送/接收第二电报(21)的第三装置(53),其特征在于,第四装置(54),用于至少从所述第一电报,(20)的第一子集中生成第一识别码(23,31)用于所述第二电报(21)用以识别出在传输期间对所述信息(22)产生影响的差错。
10.根据权利要求9所述的控制单元(10),其中所述第四装置(54)设计为用于从所述第一电报(20)的与所述第一子集不同的第二子集中生成第二识别码(32)。
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