冗余光纤通信质量监测（通用6篇）
冗余光纤通信质量监测 篇1
0 引言
电力系统的主要目的是产生电能并将其通过一个合适的电压传输给终端用户。随着现代社会的发展,电力需求增加,对电能质量PQ(Power Quality)扰动进行监测势在必行,也得到了越来越多的关注[1,2]。
基于微处理器ARM(Advanced RISC Machines)和数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的双核结构设计的电能质量监测系统成本低廉,控制性能和数据处理性能也都能满足监测系统的需要。同时采用电力线载波技术进行数据传输,不需另外布线,在满足系统要求的前提下减少了设计成本[5,6,7]。以色列Yitran公司的IT800D载波芯片采用差分混沌键移DCSK(Differential Code Shift Keying)扩频调制解调技术,在实时性、抗干扰性、可靠性、稳定性及价格等多方面具有较大优势。
因此,采用IT800D实现电能质量监测系统的通信模块具有较好的应用前景。
1 电能质量监测系统的总体设计
电能质量监测系统要处理的任务种类繁多,主要包括:数据采样、数据处理、数据通信和人机交互[8]。为能实时监测,不仅要求设备具有很强的处理能力,还需有实时任务调度能力。ARM微处理器的优势在于速度快、功耗低、性能好,且外围接口丰富,从而能极大缩短系统的开发周期。运用有强大数据处理能力的DSP能快速处理系统所采集到的数据,同时采用HPI(Host Port Interface)高速接口与ARM进行数据通信,保证了实时性的要求[9,10,11]。为实现系统的远程监测和管理功能,同时考虑系统成本,设计了基于IT800D的电力线载波通信模块。系统的远程监测和管理是对电能质量重要参数指标的管理,每个指标约占1~6个字节,需要的常用指标约有20多个,因此每次发送约100个字节。考虑到少量的报警信息和每次1 s之内发送完成,最大通信速度需求略大于1 Kbit/s,理论通信速度为7.5 Kbit/s的IT800D芯片完全能满足该电能质量监测的需求。如果对通信量还有更高的要求,可以选取更高速的载波芯片。
电能监测系统整体方案如图1所示。主要包括数据采集模块、TMS320C6713数据处理模块、S3c2410X控制模块、IT800D通信模块和上位机智能管理模块。
数据采集模块主要是对谐波、三相不对称、陷波、电压闪变、电压暂升暂降及噪声等数据测量与采集[12]。对采集到的数据由DSP模块处理,主要的电能质量指标计算包括三相电压和电流的有效值、系统频率、功率因数、电压偏差、总谐波畸变率及各次谐波含量、电压波动及闪变和三相不平衡率。为满足系统性能需要,选用带有HPI接口的TMS320C6713。HPI接口是DSP与主机相连接的一个并行通信口,是构建主/从式系统,实现主机与从机通信的重要接口,主机通过HPI可以访问DSP内全部的存储空间及地址空间映射的外设,进而控制DSP,实现数据交换[13,14]。
在系统中,将由DSP处理过的数据通过HPI接口传输给ARM。ARM控制模块主要是数据的可视化观测、数据的简单处理和存储,同时利用自身丰富的外设和较强的多线程功能实现多种功能的控制。系统选用三星的S3c2410X开发板,因它有丰富的外设,如触摸屏、SD卡、声卡、网卡、RS-232、USB等,从而容易实现外设扩展、声音报警和数据存储等功能。IT800D通信模块主要实现数据的远程传输,它是实现S3c2410X和上位机通信的桥梁。
2 IT800D通信模块的工作原理
2.1 IT800D主要优点
IT800D是一款低压电力线载波通信专用芯片。它整合了高性能的数据链路层DLL(Data Link Layer)和强大的物理层PHY(PHYsical layer),使电力载波通信更稳定、高速,使用更简便。它还有硬件级的自动重发机制,确保数据准确送达;它设计的网络自适应技术基于IEEE802.11标准,最大限度优化电力线;采用的DCSK调制方式提供最大的传输可靠性,有效抵抗信号衰减、干扰噪声、阻抗调制、波形失真等情况。仅需搭配价格低廉的外围滤波放大电路和耦合器就可实现系统的电力线通信模块。
2.2 通信模块结构图
图2给出了IT800D通信模块的结构示意图,它主要包括外围接口电路、ROM、RAM、数据链路层、物理层、模拟前端、滤波器和耦合器。在该系统结构中,外围接口电路主要由RS-232、电平转换芯片MAX232和高压保护芯片ESDA25B1组成,串口通信所使用的TxD、RxD和n Reset 3根数据线能够与S3c2410X实现数据通信。
RAM存放着IT800D的可变参数,如硬件配置包、网络节点地址、芯片工作模式等;ROM存储着IT800D的默认参数,这些参数在IT800D上电时自动加载到RAM中;EEPROM能暂时存储通信数据。
模拟前端包括A/D、D/A转换和预放大模块。线路耦合器的耦合电路由中频变压器、浪涌保护二极管和起限幅作用的二极管等组成,是信号传输的通道,载波信号经它耦合到220 V交流电路上。线路耦合器主要有3个功能:内部的高频耦合线圈实现强电侧和弱电侧的物理分离;内部的高通滤波器保证导通高频信号而阻断电网工频;实现阻抗匹配。
2.3 通信模块的工作过程
在电能质量监测系统中,IT800D提供通信中的数据链路层和物理层协议服务,主处理器S3c2410X负责与IT800D的通信。
当S3c2410X将数据通过RS-232传输给IT800D后,通过MAX232电平转换后,发送给IT800D物理层,经载波芯片的调制后,将数字信号通过10位DAC电路转换成模拟信号,再传给输出滤波器、线路驱动器,最后由线路耦合器将模拟信号耦合到电力线上。
当模拟信号耦合到低压电力线上,并远距离的数据传输后,其他相应的IT800D通信模块可以通过解耦得到此信号。同样,模拟信号被线路耦合器解耦后送到输入滤波器,滤除电力线上的干扰信号,再经预放大电路对线路传输的衰减补偿,放大后的信号输出至中心频率分别为120、200、400 kHz的片外3通道带通滤波器,滤波信号分3路进入IT800D片内的3个A/D转换器转换为数字信号,以便对信号数字化处理。通信数据最后通过RS-232传输给上位机,以满足上位机的智能监测和数据管理需求。
3 IT800D通信模块的软件实现
为测试该系统通信模块的性能,笔者设计了一个基于ARM和PC机的通信测试平台。测试平台的通信软件用C#编写,图3给出了主程序流程框图。
主程序主要完成串口和IT800D的初始化、数据计算和通信处理功能。当系统进行数据通信时,首先,S3c2410X和PC机判断串口是否打开,当串口打开后再对串口参数进行配置,一般设置为:波特率38 400 bit/s,数据位是8位,无校验位,1位停止位。之后,是IT800D初始化,主要包括选择通信模式和分配网络节点地址,其他可选默认参数,图4给出了IT800D初始化流程。最后,进行通信数据处理,包括等待接收数据和发送数据,程序流程如图5所示。
在发送数据时,程序自动添加包头(见表1)。其中,长度的参数N在小包模式下是1~129,大包模式是1~1 912;通信方式包括应答式和重发式2种。在测试实验中,为保证通信的可靠性优先选用小包发送模式,并且每次发送N=100字节。当传输的数据个数大于100字节时,需分次传输,直到剩余数据小于100字节,再将其一次全部发送。在接收端接收数据时,应将接收到的数据剔除19个字节的包头,包头含有电力线通信的调制模式、信道质量、网络地址和收发的节点地址、数据个数等参数信息。
信道质量参数由IT800D的DLL根据公式(1)确定:
其中,PITQ表示信息传输质量,Mi、Qi、Li分别表示第i个信息包的M值、信道质量Q值和包长度L。IT800D的调制方式分为3种:DCSK6(标准模式,Mode=6,简称M),速度可以达到7.5 Kbit/s;DCSK4(鲁棒模式,M=4),速度可以达到5.0 Kbit/s;ERM(超鲁棒模式,M=2),速度可以达到1.5 Kbit/s。针对每一种调制模式将信道质量Q分为8个等级(0~7)。
IT800D信道质量动态监测自适应算法是:根据PITQ值大小,动态调节均衡和调制方式,使PITQ值最大,从而使接收达到最优状态。这种动态调整方式,可以克服低压电力线上的突变干扰,实现稳定和可靠传输目的。
4 试验分析
为测试电力线通信模块的性能及电力线环境对通信效果的影响,设计了一个测试平台,如图6所示。测试地点选择在学校实验大楼,大楼里有电脑、打印机、电灯、电话、空调等用电设备。当远程监测点有数据上传给上位机时,S3c2410X先将数据加上包头后通过串口发送给IT800D通信模块,该模块再将其耦合到电力线,上位机控制系统的通信模块将信号解耦后发送给PC机。
考虑在不同时间段监测点附近接入电力网的电器会有所不同,各个监测点在实际应用中的通信距离也是互不相同的,从而导致电力线通信效果会有较大差异。因此,本文分别在不同时间段和不等传输距离利用图6所示的测试平台进行了实际测量,结果如表2所示。表中信道质量参数是一个时间段内的平均Q值,Error是接收数据错误字节数与所发送数据个数1 M字节的比值。
结果表明以下2点。
a.该通信模块的通信效果受时间段和距离的影响。在3:00~6:00和24:00~3:00的时间段,Error值相对较小,这主要是因为这个时间段接入电网的电器相对较少,电力线通信环境较好。另外,通信距离的远近意味着电力线信道对数据传输的衰减和干扰程度不同。在实际应用中,为满足系统的通信速度需求,两点间的通信距离尽量保证400~500 m范围内,当距离增加时,可以考虑采用载波芯片之间的中继转发来实现可靠通信。
在100 m监测点处,测得信道质量值的平均值为5.686,明显优于200 m的4.935和400 m的4.118,测得Error平均为0.0016‰,也低于200 m的0.003‰和400 m的0.0036‰。可以看出,一般情况2个通信节点之间的距离越远,受信道的衰减和干扰影响越大,通信效果越差。但在400 m的范围内,最差情况的Error也只达到0.007‰,这足以满足电能质量监测系统的上位机通信要求。
b.通信速率与信道质量近似成正比。随机地取12:00~15:00时间段测试为例,随着监测点通信距离的增加,Q值由4.996减小到3.018,而Rate值也由2.194 Kbit/s减小到1.395 Kbit/s。从200 m处测量结果也可以看出Q值越小,Rate值越小。这是因为当通信信道较差时,通信错误率会增加,但得益于IT800D硬件级的自动重发机制,以牺牲传输速率来提高通信的可靠性,这足以证明IT800D通信模块的强抗干扰能力。
实际运行表明,该通信模块速率在1~3 Kbit/s的范围内,能满足监测系统重要指标和数据的上位机保存与管理。
5 结语
从实际的运行效果看,采用ARM和DSP双核基本结构的电能质量监测系统实时性强、稳定性高。基于IT800D电力线载波芯片设计的通信模块通信效果良好、误码率低、抗干扰能力强,而且它的成本低廉,完全适用于电能质量监测系统通信模块的开发。此外,该模块也可用于电力抄表、电网管理、楼宇管理、路灯监测等领域。
冗余光纤通信质量监测 篇2
Control Area Network(CAN)总线是一种采用异步串行方式工作的现场总线,最早由德国BOSCH公司提出用于实现汽车内部控制[1],由于其传输速率高,抗电磁干扰性能强,同时配置灵活,使用方便,所以被越来越多地应用于航天领域,近年来我国发射成功的多颗小卫星都采用了CAN总线通信系统[2]。星上设备长时间在高低温、真空和辐射等恶劣条件下工作,且故障后不可维护,因此对总线可靠性提出了更高的要求。
在传统的CAN总线通信系统中,通常采用单片机作为总线节点的处理器,但是单片机处理速度慢、抗干扰能力差的缺点使其在航天领域应用中受到很大限制。本文针对航天应用的特点,提出了一种基于FPGA作为处理器的总线节点设计方案,同时为了进一步提高系统可靠性,对节点进行了控制器级的冗余设计,使总线通信链路由1条变为互为热备份的2条,在保证系统实时性不受影响的同时,极大地提高了系统的可靠性。
1 总体设计
1.1 冗余方式选择
CAN总线的冗余设计分为驱动器冗余、控制器冗余和处理器冗余3种方案[3]。驱动器冗余方案中通信节点包括:1个处理器、1个CAN控制器、2个CAN驱动器和1个切换电路,工作时由处理器控制切换电路进行2个CAN驱动器间的选择,该方案实现较为简单,但如果控制器出现故障会导致系统无法工作,对节点可靠性的提升相对较小。控制器冗余方案中通信节点由1个处理器、2个CAN控制器和2个CAN驱动器来实现,此时2条CAN链路独立,对节点可靠性有很大提高。处理器冗余方案中通信节点包括2个处理器、2个CAN控制器和2个CAN驱动器,该方案实现了硬件上的完全独立,冗余度最高,但处理器的增加会使节点软硬件复杂度极大提高。航天应用中对节点的体积、功耗等指标要求较为严格,并且处理器芯片等级一般为军品级或宇航级,成本较高,因此不适宜采用处理器冗余方案,而驱动器冗余方案对系统可靠性的提升有限,同样不适用于高可靠性要求的场合。本文设计选择使用控制器冗余方案,2条链路热备份,即处理器同时通过2条链路收发数据,与冷备份相比,热备份方案虽然使系统功耗有所增加,但其可靠性更高、实时性更好。采用控制器冗余方案的CAN总线系统结构框图如图1所示[4]。
1.2 节点硬件设计
CAN总线节点硬件包括总线驱动器、协议控制器和处理器[5]。总线驱动器提供协议控制器与物理总线之间的接口,完成信号电平控制,协议控制器执行CAN总线协议,实现报文收发缓冲、总线错误处理等功能[6]。处理器对协议控制器操作,完成CAN总线工作模式选择、工作参数设置以及报文的发送和接收。CAN通信节点硬件组成框图如图2所示。
本设计中协议控制器和总线驱动器分别选择Philips公司的SJA1000和PCA82C250[7]。同时为提高节点的抗干扰能力,在SJA1000与PCA82C250之间增加光耦6N137,以实现CAN节点与总线通道的电气隔离。节点处理器FPGA选择XILINX公司的XQ4VSX55,由于FPGA与SJA1000之间接口电平不匹配,因此在二者之间增加双向总线收发器54AC164245,实现3.3 V TTL电平与5 V TTL电平之间的转换[8]。
1.3 SJA1000工作方式
1.3.1 SJA1000初始化
系统上电后首先需要对SJA1000进行初始化,通过设置模式寄存器、中断使能寄存器、验收代码寄存器、验收屏蔽寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器和时钟分频寄存器完成SJA1000工作模式的选择、各类中断的使能、报文滤波的设置、波特率的设置以及输出特性的选择[9]。SJA1000的初始化必须在复位模式中进行,系统上电后,FPGA给SJA1000的RST管脚输出一个负脉冲,脉冲结束后通过读取模式寄存器RM位的值判断SJA1000是否进入复位模式,如果成功进入复位模式则依次给各个寄存器赋值,赋值完毕后,将模式寄存器的RM位写0,退出复位模式,进入工作模式。
1.3.2 报文发送
报文发送过程可以通过SJA1000的中断请求或查询状态标志控制实现,本设计中选择使用查询状态标志的方式发送数据。在发送数据之前,需要通过读取状态寄存器的接收状态位、发送完毕状态位以及发送缓冲区状态位值判断当前SJA1000是否具备发送条件,只有当接收状态位为0(空闲),发送完毕状态位为1(完毕),发送缓冲区状态位为1(非锁定)时,才可以进行发送。发送报文时,FPGA将报文内容、帧信息和标识符写到SJA1000的发送缓冲区,之后将命令寄存器的发送请求位写1,启动SJA1000发送。
1.3.3 报文接收
与发送报文过程相同,接收报文也可以通过中断或查询2种方式实现。接收数据过程是被动的,如果采用查询方式,程序需要不断读取SJA1000的接收缓冲区状态来确认是否接收到了数据,实时性较差。因此,本设计中采用中断请求的接收方式[10]。设计中使用3种类型的中断:接收中断、数据溢出中断和错误中断,程序接收到中断后,通过读取中断寄存器判断中断类型,如果为接收中断,则读取接收缓冲区内容并释放接收缓冲区;如果为数据溢出中断,则清数据溢出状态并释放接收缓冲区,否则中断类型为错误中断,进行相应的处理。
1.3.4 错误处理
本设计中SJA1000工作于Peli CAN模式,此时总线上出现错误的次数会在发送错误计数寄存器和接收错误计数寄存器的值上体现,如果错误计数器的值大于255,则总线会进入关闭状态,从而导致通信中断,该状态不会自主恢复,必须由程序进行处理[11]。程序接收到中断并通过中断寄存器的值判断类型为错误中断后,读取模式寄存器的值,如果其RM位为1则说明总线关闭,SJA1000进入复位状态,此时需重新进行SJA1000初始化流程,使SJA1000恢复工作状态。
1.3.5 SJA1000控制流程
SJA1000控制程序工作流程如图3所示。程序运行后首先进行SJA1000初始化,初始化完成后进入空闲等待状态,如果在等待状态中有中断到来则进行中断类型判断并进行相应的处理,如果有数据需要发送则在确认发送条件满足后进行发送。
2 冗余处理
冗余处理是节点设计中的关键部分。在其他相关文章中,基本都是采用冷冗余方案,2条CAN总线链路中同时只有一条链路工作,当判断当前链路工作异常后,进行链路切换和数据重发。冷冗余方案虽然保证了冗余链路的增加不会提高节点功耗,但链路切换、数据重发机制会导致系统的实时性大大降低。本设计中采用了热冗余方案,2条CAN总线链路同时工作,互为热备份。发送报文时,数据通过2条链路同时发送,当一条链路出现故障时,另一条链路工作不受影响,保证了系统的实时性。接收报文时,节点需要对2条链路上的数据进行甄别、选择,避免同一条报文的重复接收,具体选择策略为:节点在一条链路上接收到一帧数据帧后,记录其帧类型码,如果在小于T的时间间隔内在另一条链路上收到了一帧具有同样类型码的数据帧,则认为该帧与之前接收的数据帧为同一帧,将其丢弃,其中时间间隔T根据不同类型报文的发送频率等条件灵活设置。与冷冗余方案相比,本设计中采用的热冗余方案实时性更好,判决策略简单,可靠性更高。
3 FPGA顶层模块设计
FPGA顶层模块如图4所示。
其中SJA1000_CTRL为SJA1000控制模块,负责完成SJA1000初始化、报文发送、报文接收以及SJA1000的错误处理[12]。SEND_FIFO为发送数据缓存FIFO,用于缓存待发送数据,实现前后端数据速率匹配,当FIFO中存储数据量大于预置的发送门限后,SEND_FIFO通过将其使能标志S_EN置1,告知SJA1000_CTRL模块有数据需要发送。RECIE-VE_FIFO为接收数据缓存FIFO,用于存储从SJA1000读取到的数据,当FIFO接收完一帧数据帧后,RECIEVE_FIFO读使能标志R_EN置1,告知REDUNDANT_SEL模块将数据读出并进行处理。REDUNDANT_SEL模块负责冗余数据处理,完成2条链路数据的冗余判断和选择接收。
4 仿真验证
FPGA程序设计通过ISE和Modelsim软件进行了综合以及功能仿真,并通过Chip Scope软件进行FPGA程序的在线调试,主要对SJA1000控制模块收发数据时的信号时序进行了验证。发送数据内容为固定0x AA,接收数据内容为0x06、0x07、0x08、0x09、0x0A、0x0B、0x0C和0x0D,Chip Scope中截取发送、接收数据时的相关信号波形如图5和图6所示。
5 测试结果
利用周立功公司的USB-CAN II调试器和配套的CANtest软件进行了节点软硬件性能测试验证。首先对硬件性能进行了测试,测试内容为不同波特率、高低温条件下时的总线传输性能。测试中计算机通过调试器以5 ms为间隔给CAN节点发送固定内容数据帧,CAN节点收到数据帧后给将收到的帧内容发送回计算机,并且每隔1 s查询一次SJA1000总线错误寄存器值发送给计算机,计算机通过CAN-test软件监测CAN节点发送帧数、帧内容以及SJA1000错误寄存器值,分析节点硬件性能,测试结果如表1所示。通过表1的测试结果可见,在高低温条件下,节点硬件工作均稳定可靠。
硬件性能测试完成后对冗余功能进行了测试验证。测试中计算机以20 ms间隔分别通过2条链路给CAN节点发送固定内容数据帧,CAN节点收到一帧数据帧后程序中的接收帧计数加1,同时将帧计数通过2条链路发送回计算机,计算机通过CAN-test软件监测CAN节点返回的帧内容。分别测试2条链路之间发送时延小于T和大于T的情况,并测试2条链路发送同样帧类型码和不同帧类型码的情况,测试结果如表2所示。
从表2的测试结果可见,当2条链路上发送数据帧的帧类型码一致并且发送时延小于T,则节点将收到的2帧作为一帧处理,否则将2条链路上的数据帧认为是不同的2帧接收,测试结果与程序设计预期一致。
6 结束语
采用FPGA作为CAN总线节点处理器,可靠性高,实时性好,接口灵活,并且应用层扩展方便,除航天应用外,在航空和高性能要求的工业控制等领域等都具有很好的适用性。通过在高低温条件下针对不同波特率进行总线传输性能测试,验证了节点在恶劣工作环境下的可靠性。
与大多数采用冷冗余方案的系统不同,本文采用的热冗余方案中,2条CAN总线链路同时工作互为热备份,当一条链路出现故障时另一条链路工作完全不受影响,不存在总线切换数据重发过程,系统实时性得到保证。
本设计经过测试验证后已成功应用于系统中,在轨工作稳定,为航空航天领域中的CAN总线系统设计提供了一种高可靠性的设计方案。
参考文献
[1]廉保旺,李勇,张怡.CAN总线系统设计与实现[J].无线电工程,2000,30(1):12-15.
[2]周新发,尚志,刘群.工业现场CAN总线技术在航天领域的应用[J].现场总线与网络技术,2006(1):60-63,96.
[3]禹春来,许化龙,刘根旺,等.CAN总线冗余方法研究[J].测控技术,2003,22(10):28-30.
[4]杨亮,贾庆轩,孙汉旭.冗余CAN总线系统设计[J].机电产品开发与创新,2007,20(5):4-5,8.
[5]邹志慧.CAN总线分析、实现及应用实例[J].无线电工程,2006,36(1):51-54.
[6]张培坤,高伟,宋宗喜,等.基于FPGA的CAN总线通信节点设计[J].仪表技术与传感器,2010(12):68-70.
[7]吴坎.基于SJA1000和PCA82C250的CAN总线接口设计[J].机械设计与制造,2010(7):55-57.
[8]苏虎平,沈三民,刘文怡,等.基于冗余CAN总线的实时通信系统设计[J].总线与网络,2013(1):26-29,55.
[9]杜尚丰,曹晓钟,徐津.CAN总线测控技术及其应用[M].北京:电子工业出版社,2007.
[10]贾长春.基于SJA1000的CAN总线智能节点设计[J].工业控制计算机,2015,28(2):5-6.
[11]杜倩倩.双冗余CAN总线模块研制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.
冗余光纤通信质量监测 篇3
电动执行机构作为过程控制系统基本驱动装置,通过驱动阀门、挡板等机械设备对介质流量、温度、压力等调节和控制,在火力发电过程中扮演着重要角色。因此研究和开发符合《Slave Redundancy V1.2》的Profibus-DP电动执行机构,并应用于火力发电行业,提高Profibus-DP电动执行机构与控制系统之间通信的可靠性。
1 系统总体结构
Profibus-DP冗余电动执行机构通信系统分为主站和从站两类,主站又分为一类主站和二类主站。
(1)主站冗余。
一类主站是指PLC、PC或可做一类主站的控制器。一类主站与从站交换数据并控制整个DP通信网络。一旦一类主站出现故障,则会使其控制的所有从站和整个DP通信网络无法工作,因此对一类主站采用冗余配置方式。冗余配置的2个通信主站执行同样的应用程序。该项目采用西门子S7-414H冗余主站系统。
二类主站是指操作员工作站(如PC机加图形监控软件)、编程器、操作员接口等,完成各类站点数据读写、系统配置、故障诊断等。该项目采用装有西门子WinCC组态软件的PC机作为二类主站。
(2)从站冗余。
Profibus国际组织在2004年底提出了《Specification Slave Redundancy V1.2》,该标准的制订确立了Profibus-DP的从站冗余规范。项目中以扬修2SA8冗余现场总线电动执行机构作为从站。
Profibus-DP冗余电动执行机构通信系统总体结构图如图1所示。
2 冗余从站
冗余从站是指带有两个Profibus-DP通信接口的从站,而且两个接口之间具有特殊的冗余通信通道实现二者信息交互,工作时其中一个作为主从站通信接口,另一个作为备用从站通信接口。因此,冗余从站必须具有:至少2个连接;2个独立的通信接口;1个冗余通信信道(RedCom);独立的线路冗余连接。
冗余从站具有2个独立的Profibus-DP协议通信栈,对应于2个Profibus-DP总线接口。2个互为冗余的通信接口在系统组态和参数化过程中都需要被正确组态和参数化,需要给它们分配站点地址,2个接口的站点地址可以相同也可以不同,这依赖于冗余系统的构成方式。
冗余通道专门用来在冗余从站内部交换2个协议栈之间的组态信息、总线参数信息以及输入输出过程数据,同时完成冗余从站的主、备用通信接口的切换。冗余从站构架如图2所示。
2.1 冗余从站的初始化
在主从站的通信中,从站一般只能被动地等待主站的请求,然后才能执行数据交换,而进入此状态之前,必须由主站对其赋参数、配置初始化并诊断。
从站在上电后,即处于诊断状态,判断主站发来的Set_Slave_Add指令,以改变本身的默认地址,如不需要改变地址,从站将直接接受参数赋值指令。
2.2 冗余从站故障自动切换
当执行机构使用了Profibus总线接口之后,为了提高可靠性,可以采用双通道(冗余型)的Profibus总线通信板。2SA8电动执行机构具有双通道(冗余)的Profibus总线通信板,由执行机构决定哪个通道为工作通道(第一通道),控制电动执行机构运行操作。第二通道为被动通道(备用通道),只能将数据从电动执行机构传送到总线系统,因此,总线系统只能通过备用通道查看电动执行机构运行状态,而不能操作电动执行机构。
当工作通道发生故障,且备用通道可以进行用户数据通信,则自动切换到该备用通道。
报文和总线地址:2个通道可以被配置成使用不同的用户数据报文,2个通道的站地址可以自由选择。
切换准则:当不再能通过工作通道进行数据交换时,就必须切换到另一个通,如主站发生故障、DP连接发生中断(电缆断线)、ASIC损坏、RedCom故障。
从站在通过Profibus-DP通信网络进行通信时,启动看门狗定时器TWD对通信过程进行监视。TWD溢出,表示主从站通信接口发生故障,将故障通信接口模块输出至失效安全模式下,同时启动从站冗余切换操作。首先启动TOH,如果在TOH溢出前收到主站的传递数据请求则停止TOH,否则TOH溢出从站进入失效安全模式。因此,在发生故障后,将故障发生前从站的最后一次输出值作为从站有效输出的最长时间(TWD十TOH)。
3 Profibus-DP电动执行机构实现
3.1 硬件方案
选用一款高度集成的Profibus从站芯片,它可以用于Profibus-DPV1,可连接电动执行机构的主处理器,SPI接口可扩展E2PROM,掉电时存储用户参数;冗余通道采用FPGA实现,可以针对冗余从站的冗余信息交换需要随时定制接口,提高交换效率,避免使用双口RAM等昂贵器件,并可以大集成冗余从站中其他数字逻辑,节省电路板空间。
电动执行机构本体是公司目前正常生产的执行机构,与Profibus-DP冗余通信板之间通过串行通信方式交换数据。由于Profibus-DP物理层是RS-485接口,因此在驱动电路部分按照Profibus规范进行设计,采用光电隔离芯片实现底层信号传输,通过设置终端电阻,保证信号阻抗匹配。
3.2 软件设计
软件主要分为3个部分:数据链路层控制器的初始化及中断处理、Profibus-DP站状态机、冗余协议栈实现。数据链路层控制器在上电复位后即进行初始化,配置各个寄存器。中断处理程序处理发生的各种事件,包括参数化、全局控制命令、进入/退出数据交换状态事件、配置下载、设置从站地址、检测到波特率、看门狗溢出等。Profibus-DP从站状态机严格按照Profibus-DP协议要求实现。
冗余协议栈软件实现主要考虑冗余状态机跳转及冗余通道设计。冗余状态跳转同Profibus-DPJ、X站状态机及冗余通道数据交换联系紧密,在系统设计时采用单CPU方案,用软件实现冗余通道,可以保证冗余数据交换的实时性。试验证明,冗余数据交换的实时性及冗余状态机的及时切换是冗余电动执行机构可靠运行的前提。
3.3 GSD文件设计要点
GSD用来描述DP设备的特性数据文件。GSD文件包含了设备所有的参数定义,包括设备所支持的波特率及DP功能、参数说明、诊断数据的含义、模块定义等。数据对象的指定由GSD文件中的模块预先定义。协议实现符合冗余从站规范要求,在GSD中需要增加一些关键字:
这样冗余DP主站才能配合从站的切换,及时发出切换报文PRM—CMD。
4 PLC组态
采用西门子STEP7 V5.4组态软件对PLC编程,首先,要对软件进行硬件组态。在硬件组态之前,还需建立PLC和STEP7的通信,因为PLC组件具有2个CPU,所以,需使用路由器,并在CP443-1和路由器中设置正确的IP地址以保证通信的正常。
4.1 PLC硬件组态
根据客户要求的不同,PLC的硬件组态分为2种:模块不同地址(见图3)和模块相同地址(见图4)。如果客户要求相同的地址,则采用2种方式都可以,如果要求2个模块具有不同的地址,则必须采用第一种组态方式。
第2种组态方式,必须在GSD版本5中才能实现,需增加一些关键命令:
4.2 PLC软件编程
程序中几个重要信号定义:
M2.0//读非周期数据
M2.1//写非周期数据
MW3//槽号
MB5//索引
MW6//故障记录
(1)电动执行机构控制程序。
电动执行机构开向运行逻辑(关向同理):
(2)非周期性数据读写。
非周期数据的读写需调用SFC59和SFC58数据块。
读程序:
//非周期数据存放在MB100以后的39个字节里面
写程序:
(3)读取诊断数据:
PLC编程完后,和硬件组态一起下载进入PLC组件中,如果PLC组件没有报故障,说明系统正常,已经建立PLC和从站的通信。
5 结语
介绍了一种基于Profibus-DPV1协议的电动执行通信模块的设计与实现,给出一种基于数据对象映射的现场总线协议转换方法。PI-china测试认证及实际运行结果表明该通信模块工作稳定,可靠性高,符合智能断路器实时监控与联网通信的要求。
摘要：针对扬州电力设备修造厂的Profibus-DP冗余电动执行机构进行智能通信设计,实现冗余电动执行机构在典型电厂现场总线控制系统中的应用。
关键词：现场总线,冗余,电动执行机构,PLC
参考文献
[1]孙鹤旭,梁涛,云利军.现场总线控制系统的设计与开发[M].北京:国防工业出版社,2007
[2]阳宪惠,徐用懋.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2008
冗余光纤通信质量监测 篇4
由图1可见, 网关网元GNE的Q接口通过局域网与网管系统相连, 整个网络只有一个网管, 其它网元的网管数据也通过GNE传到网管。这样的好处是整个网络由一个统一的网管管理, 只需要一级网管。对于西北环来说, 就是只在北京通信中心设网管, 其它省份 (路局) 可以设置X终端, 利用马可尼公司网管的远端登录功能通过广域网登录网管, 利用UNIX操作系统的分时操作特性, 这些省份 (路局) 可以同时登录网管进行操作。根据网管的设定, 在网管上不同省份只管理本省的网元, 并对网元进行给定权限的操作。这种方式的缺点是所有的网管数据都通过网关网元GNE, 而且网元NE5的网管数据要通过半数以上的网元才能到达网管。对于象西北环这样规模较大及拓扑结构复杂的网络来说, 每个网元上处理网管信息的通信盘都要花费相当的时间去处理网管数据的路由信息, 造成网管数据的更新缓慢, 这对于需要适时性很强的告警信息来说有时是很难容忍的。如果NE2或NE7通信盘有故障或这两个网元间的光纤中断, 网管就会管理不到区域2中的所有网元, 另外当网管系统出现故障后会导致所有的网元无法管理。因而这种网管只适合于较小网络 (如省内网络) 或厂家只有一级网管的情形, 对于西北环这样的省际网络是不适用的。
由图2可见, 这种采用分散再集中的管理方式, 各省管理各自的区域内的网元, 优点是便于各省的管理, 分担了网络上网管信息的负载及网络管理员的管理负担, 也使各省作为相对的经济实体在业务管理上有充分的自主性。而且不论是哪一个网管出现问题都不会导致整个网络的不可管理, 最多只影响一个省内的网元管理, 也就分担了网管的风险。由于网络级的网管和网元级的网管通过广域网连接, 可以不依赖于所管理的通信网络, 充分利用网络的路由功能, 设置多个传输路由, 使数据传输更加可靠。
2 铁路西北环传输网络管理现状
由于兰州铁路局管辖内的实际情况是几千公里的铁路线上都分布着西北环传输网络的通信站点, 各站点的人员素质参差不齐, 有些站点甚至无人值守, 网络的故障判断都是靠网管的信息来源进行的。当网络中间光缆中断其它故障导致网管管理不到网元时就无法进行故障定位, 也就给现场维护造成了很大的困难, 使维护人员难以准备维护工具及备品备件, 势必造成时间上的延误。解决的办法就是提供网管数据的冗余路由。
3 常见故障案例分析
在实际网络中兰州到平凉的中间是三个无人值守的光放站, 在此只画出两个, 分别以站点B、C来代表。
我们假设站点A与B之间的光缆因故中断, 但网络管理人员事先并不知道是光缆中断。这时在A站的网管MV36就管理不到网元B、C、D。此故障是否为网管数据传输问题还是线路中断很容易判断, 看业务有无中断或切换就知道了。如果业务未中断或未发生故障切换, 就说时线路未断, 仅仅是设备上的通信盘有故障;反之则是线路中断。
线路中断的原因有很多, 从网元A的线路盘到网元B对A方向的线路盘之间很多环节都值得怀疑。这中间有线路盘、光纤跳线、线路光纤以及各个连接接头, 另外站点B停电也会造成此故障。从网管上可以看到网元A, 而且在站点A的情况很容易确定。因为站点B是无人值守站, 是否停电也无法确认。这样对于维护造成很大困难。
如果我们为这段的网管数据建立冗余路由, 并将无人站点的电源情况 (是否停电) 等环境量通过马可尼光放设备上提供的监测端口也传到网管, 对上述故障的判断就容易多了。如图3所示, 站点B、C、D的网管数据的传达室送除了通过原来的DCC及OSC通道外, 还可以通过广域网来传送, 这样网管数据的传送通道形成了环形网络, 不再受A、B、C、D之间的线路中断的影响了。
现在再回头来分析前面所说的故障。由于采用了冗余路由, 当站点A、B之间的线路中断后, 我们通过备份路由仍然可以管理到所有的网元, 通过对网元参数及告警的查询, 我们很容易判断是线路问题还是设备问题。
如果这时发生管理不到网元B的问题, 除了网元B的通信盘的故障就只有可能是电问题了。通过前述的方法从业务情况可以判断是否是通信盘故障。如果是交流停电后电池长时间放电而进入低电压保护而断电, 由于站点的电源情况已通过设备受网管的监视, 这时只要看历史记录中该站点有无交流停电记录就知道了。
4 网管数据冗余路由的应用
对于其它的网络都有可以采取相同的方法来建立网管数据的环形路由。建立这样的路由很简单, 可以利用现有的传输线路重新建立。设备的投资只是一个低端路由器, 如果利用已有的广域网则路由器都可以不用, 而只用一只集线器。图五给出了利用路由器新建冗余路由的方案。2M的通道可以由本站的通信传输设备来提供, 为了达到数据通道备份的目的, 这个通道所经过的光纤线路应与西北环的光纤不在同一光缆里, 甚至不应在同一光缆埋沟里, 以免因光缆中断而同时中断网管数据的主通道和备份通道, 达到真正冗余的目的。
5 结束语
总之, 网管系统为通信网络提供了良好的配置、操作及管理平台, 一、两个人就可以在网管中心完成一个或几个大型通信网络的日常操作及维护, 网络的日常操作和维护越来越依赖于网管。对于非环形网络和象西北环这样的分成很多子网来管理的大型网络, 网管的有效性极其重要。为了让网管在各种可能情况下都能有效地对网络进行管理, 充分发挥网管的作用, 利用现有的条件, 建立网管数据的冗余通道是非常必要的。
参考文献
[1]于小红, 曾文方, 严鹏, 等.网络管理软件的选择和应用[J].计算机应用研究, 2001, 18 (2) :84-87.
[2]郭军.网络管理[M].北京:北京邮电大学出版社, 2001.
[3]贤道, 安常青.网络管理协议及应用开发[M].北京:清华大学出版社, 1998.
[4]李家才.铁路通信信息系统的几个环境问题[J].铁道通信信号, 2008 (, 7) :58-59.
冗余光纤通信质量监测 篇5
IEC61850标准统一了数据结构,SCL语言和统一的数据结构一起为实现数据的高度共享和高效传输奠定了基础[1]。
IEC61850标准采用交换机组成的数据传输网络代替硬接线数据网络,以最大化实现数据共享,减少接线复杂度。由于继电保护本身的速动性和可靠性要求,数据传输网的可靠性就显得尤为重要。鉴于速动性要求,数字化变电站中重要的2种报文,采样值报文(SAV)和GOOSE报文在传输过程中放弃了OSI系统中的第3和第4层结构,采取直接映射到链路层的方式[1]。文献[2-4]研究了采用双网互备组网,以及使用总线型、环形和星形组网方式的优劣。文献[5-6]指出在实际应用中,对采样值到合并单元之间采取硬接线,从而使合并单元成为实时数据源。文献[7]研究了GOOSE报文的过滤方法,指出划分VLAN可以更加有效地传输组播报文,减轻网络负担。
IEC62439高实用性自动网络标准[8]的发布为工业网络的冗余提供了标准化支持。它给出了4种冗余协议:基于环网的媒介冗余协议MRP(Media Redundancy Protocol based on a ring topology),并行冗余协议PRP(Parallel Redundancy Protocol),交叉冗余协议CRP(Cross-network Redundancy Protocol)以及信号冗余协议BRP(Beacon Redundancy Protocol)。
1 高实用性自动网络IEC62439标准
1.1概述
MRP帮助数字化变电站中站控层与间隔层之间采用环网结构实现冗余[2,5,6]。
PRP可以实现双网冗余,可以帮助实现组播GOOSE报文的双网同时发送[9,10]。CRP在物理接线上连接了PRP顶层交换机,从而使本来独立的双网有了联系,在连接到双网的物理装置之间提供了更充足的物理通道。BRP在物理接线上在CRP连接的基础上在双网顶层交换机上连接信号节点,来进行网络拓扑的沟通。但是CRP和BRP需要经过的交换机跳数较多,维护网络拓扑的背景流量也较大。因此PRP比较适合在现有技术条件下在数字化变电站应用。
1.2 PRP
1.2.1 PRP网络结构和节点结构
PRP在设备上进行冗余。终端节点接入与2个拓扑结构类似,并且各自独立运行的局域网中,2个并行的局域网之间没有直接物理连接。该局域网可以是树状、环网,或者网状。采用并行冗余组网的拓扑示例如图1所示。
终端节点的接入有双连接和单连接2种方式。
双连接的终端节点DANP(Double Attached Node implementing PRP)与2个局域网都有直接物理连接。单连接的终端节点SAN(Singly Attached Node)有直接与一个局域网相连接入方式,仅可以与连接到该局域网的节点交换数据,如图1中的SAN A1节点只能与SAN A2节点交换数据,而不能与SAN B1或SAN B2交换数据;或通过冗余盒(redundancy box)与2个局域网相连,此时可以与2个局域网中所有的节点交换数据,例如SAN A1可以与SAN B3交换数据。
运行PRP的终端节点结构如图2所示。每个双连接节点有使用相同MAC地址和IP地址的2个并行以太网适配器。这2个以太网适配器通过链路冗余控制模块LRE(Link Redundancy Entity)连接到上层协议。由于有了链路冗余控制模块,从上层协议向下看,实际具有冗余的网口呈现非冗余的特性。
1.2.2重复报文处理
终端节点在发送报文时是通过2个网络适配器同时发送的。因此在2个独立局域网中会有相同的报文被转发,这样在一个局域网失效时,另一个局域网也会将报文送达。所以在接收端就需要处理2个局域网都正常工作时产生的重复报文。
处理重复报文有2种方式:重复报文接收和重复报文丢弃。重复报文接收的处理方式是指在链路层,LRE将接收到的报文直接上传给高层协议处理。具有TCP/IP层的报文,TCP本身是可以处理重复报文的。而对于采用发布者/订阅者模式的GOOSE报文和SAV报文,理论上也不受重复报文的影响,因为该模式下仅保存最新的数据。但是,如果2个互为冗余的局域网之间的传输延时过大,可能造成延迟到达的过期数据替换了正常数据,此时这种处理方式就是不可接受的。鉴于数字化变电站对数据传输可靠、迅速的要求,可以采用在链路层将重复报文丢弃的处理方式。
PRP重复报文丢弃模式下采用发送端在每个数据帧(frame)后增加4字节的冗余控制跟踪位来处理重复报文。冗余控制位的功能分配如图3所示。
发送端为每个单播、组播和广播目的地址都保留对应的序列号表(sequence number table)。在发送报文之前,发送端将每个目的地址对应的序列号加1,并将加1后的序列号填入冗余控制跟踪位的序列号部分,占16位。接下来的4位用以区分该报文是经过2个并行局域网中的哪个发送的,这部分也是一对PRP数据帧对唯一不同的部分。再接下来的12位是来确定链路服务数据单元LSDU(Link Service Data Unit)的大小的。由于在VLAN内经过交换机传输数据帧时,可能会添加或者移除标签,因此只有LSDU和RCT部分是计入链路服务数据单元大小的。
由于冗余控制跟踪位的加入,为满足IEEE802.3的要求,链路服务数据单元的有效负载(payload)最大为1496字节。虽然目前有些计算机和交换机可以处理最大有效负载为1536字节的数据帧,但为保证向下的兼容性,有效负载不应超过1496字节。
通过冗余控制跟踪位配合重复丢弃算法即可实现在链路层处理冗余报文。重复丢弃算法如图4所示。采用3个变量组成的窗口来判定是否丢弃报文。这3个变量是:当前序列号(currentseq,c),起始序列号(startseq,s),期望序列号(expectedseq,e)。当前序列号即是保存在数据帧RCT的sequence number部分中的发送序列号。期望序列号和起始序列号是保存在接收端的。起始序列号是本局域网发生数据帧丢弃的最小序列号。期望序列号是根据当前接收数据帧的序列号对下一个到来数据帧的序列号进行的预测。每当接收一个数据帧,会比较c与e,无论结果如何,都使
由s、c、e这3个变量可以形成丢弃窗。当并行的另一个局域网数据帧序列号落入本局域网丢弃窗内时,该数据帧是重复的,将其丢弃。同时,每个局域网的丢弃窗要进行调整。若局域网B的数据帧被丢弃,此时使
若局域网B的数据帧被保留,此时使
这时局域网B的丢弃窗长度为1,意味着只有从局域网A传来的一个具有相同序列号的数据帧会被丢弃;局域网A的丢弃窗长度为0,意味着本局域网传来的报文都不会被丢弃。
2 PRP应用于数字化变电站通信网络
继电保护的速动性和可靠性要求是对传统协议下传输网络的一个挑战。对于重要的跳闸报文,不仅不允许发生接收失败,而且必须在3 ms内送达。同时,传输网节点的失效也不应对保护功能产生影响。PRP使交换机传输网络能够更好地满足数字化变电站的通信要求。PRP的制定,促进了并行双网同时发送GOOSE报文的实现。这极大提高了GOOSE报文传输的可靠性。同时,PRP对于应用进程是透明的,且不依赖链路层之上的高层规约,因此它的应用是比较方便的。另外,PRP与RSTP和MRP兼容,可以提高传输效率和可靠性,同时也使传输网故障恢复更加方便。
根据实际需要,可以采用在站控层和间隔层之间采用环网,在间隔层和过程层之间采用星形网络的组网方式,组网图如图5所示。图5中以点划线划分整个网络的逻辑层次。在一个间隔内的IED如果需要相互通信且对通信服务质量要求较高,可以在本间隔内的过程层增加运行PRP的交换机,在图5中以单线连接表示实际物理连接;如果间隔内IED之间通信对服务质量要求不高,则可以将本间隔内过程层IED直接接入间隔层交换机,在图5中以双线表示多条物理连接的集合。全站与控制中心及其他变电站之间的通信可以通过代理或者网关出口[11]。
传统的双星形以及双环网冗余机制下,有一套后备网络处于热备用状态,只接收各类报文而不进行转发。仅当处于转发状态的网络中出现故障时,热备用交换机的相应端口才切换到转发状态,并且该端口会通知网络中其他交换机网络拓扑发生了改变。这会增加网络负担,同时造成已处于故障转发端口缓存中的报文丢失。
与传统的双网互备结构不同,本文论述的双网不是互为热备用的关系,而是同时运行PRP,网内交换机都处于正常转发状态。由于并行冗余的双网之间没有联系,因此即使单一网络出现故障,通知网络拓扑改变的报文也不会对另一个网络造成冲击;只要另一个网络同时正常运行,就不会造成报文的丢失。这样的组网方式实现了重要的GOOSE报文双网发送,也减少了维持网络拓扑信息的背景流量对传输功能的影响,减少了交换机的负担,增加了报文传输的可靠性。
3 结语
利用并行冗余协议构架通信网络可以实现报文的双网同时传送。该协议提供的冗余方式也使数字化变电站通信网络可以更好地克服单点失效对终端之间通信的影响,提高了交换机传输网的可靠性,使重要的GOOSE报文传输理论上可以满足保护装置的速动性以及交换机网络传输可靠性的要求。同时,该协议不依赖链路层以上的通信协议,对其他链路层通信协议也有很好的兼容性,方便工程应用。
摘要：为适应采用交换机网络进行通信对传输网本身可靠性提出的要求,介绍了IEC62439标准描述的高实用性自动网络通信协议。采用并行冗余协议进行网络构架。在站控层和间隔层之间采用环形双网,在间隔层和过程层之间采用星形双网。互备的双网同时运行,并在链路层实现冗余数据帧的处理。与传统互备组网方式所用规约进行了对比,指出了并行冗余方式的优越性。
关键词：IEC61850,IEC62439,数字化变电站,并行冗余
参考文献
[1]International Electrotechnical Commission.IEC61850 TC57 Com-munication networks and systems in substations[S].Geneva,Switzerland:IEC,2002.
[2]ALI I,THOMAS M S.Substation communication networks archi-tecture[C]∥Power System Technology and IEEE Power IndiaConference,2008.New Delhi,India:IEEE,2008:1-8.
[3]朱炳铨,王松,李慧,等.基于IEC61850 GOOSE技术的继电保护工程应用[J].电力系统自动化,2009,33(8):104-107.ZHU Bingquan,WANG Song,LI Hui,et al.Application of IEC61850 GOOSE technology on protective relaying[J].Automationof Electric Power Systems,2009,33(8):104-107.
[4]王松,陆承宇.数字化变电站继电保护的GOOSE网络方案[J].电力系统自动化,2009,33(3):51-54.WANG Song,LU Chengyu.A GOOSE network scheme of relayprotection in digitized substations[J].Automation of ElectricPower Systems,2009,33(3):51-54.
[5]HOGA C.New Ethernet technologies for substation automation[C]∥Power Tech,2007.Lausanne,Switzerland:IEEE,2007:707-712.
[6]MIDENCE R,IADONISI D.Ethernet networks redundancy withfocus on IEC61850 applications[C]∥20th International Confe-rence on Electricity Distribution,2009.Prague,Czech Republic:IET,2009:1-4.
[7]王松,黄晓明.GOOSE报文过滤方法研究[J].电力系统自动化,2008,32(19):54-57.WANG Song,HUANG Xiaoming.Filtering methods of GOOSEmessages[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(19):54-57.
[8]International Electrotechnical Commission.IEC62439 SC 65CHigh availability automation networks[S].Geneva,Switzerland:IEC,2008.
[9]KIRRMANN H,HANSSON M,MUERI P.IEC62439 PRP:bum-pless recovery for highly available,hard real-time industrial net-works[C]∥Emerging Technologies and Factory Automation,2007.Patras,Greece:IEEE,2007:1396-1399.
[10]王海峰,丁杰,徐伟.数字化变电站中双网控制策略[J].电力系统自动化,2009,33(8):48-50.WANG Haifeng,DING Jie,XU Wei.A dual-networking controlstrategy for digitized substations[J].Automation of Electric PowerSystems,2009,33(8):48-50.
冗余光纤通信质量监测 篇6
PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准,而且是一种高速(数据传输速率为9.6kbit/s~12Mbit/s)的、经济的设备级别网络,因为被广泛应用于工业自动化,在水质监测系统中,基于上述原因,采用PROFIBUS用于水质监测现场设备的高速数据传输[1]。
PROFIBUS-DP是一种高速且优化的通信方案,在水质监测中,用于实现的是现场控制系统于分布式I/O及其他现场设备之间的通信,总线周期一般小于10ms。主站即上位机,通过标准的专用电缆与分散的现场设备(远程I/O、驱动器、阀门、智能传感器和下层网络等)进行通信,对整个DP网络进行管理和控制。PROFIBUS-DP用于传感器和执行器的高速数据传输[2,3]。
在水质监测系统中,由于水质信息的重要性,对PROFIBUS-DP总线还要求其具有冗余功能,即双总线的工作模式,有备份的PROFIBUS-DP总线确保通信功能的重要性。冗余是系统资源备份的意思,当主设备出现故障,不能正常工作时,可以切换到从设备,用来保证系统的运行不受到影响,在水质监测中,有3种冗余技术:主站冗余、从站冗余和总线冗余[4]。在系统中,当PROFIBUS-DP总线网络出现故障时,可以转换到从PROFIBUS-DP总线运行,避免因为总线故障从而影响通信,保证通信功能正常。
在总线的切换逻辑设计中,采用了FPGA来实现,FPGA可以用来监测主PROFIBUS-DP总线网络,当其出现故障,如:短路或者断线等其他原因时,可以切换到从PROFIBUS-DP中。采用FPGA来实现逻辑切换,可以快速、可靠的切换,因为通信速率范围之大,切换时间间隙较短,可以大大提高系统的可靠性。
1 总线冗余切换的原理
图1为总线双网冗余的原理图,TXD1和RXD1是DP1(主总线)的发送和接收数据线,TXD2和RXD2是DP2(从总线)的发送和接收数据线,DP_F是双网共用的发送接收控制信号线。在这个系统中,FPGA完成逻辑转换控制功能。因为DP在接收电路中都有上位电阻,当总线上没有数据时,则接收数据线为高电平。DP接收总线上的数据有两种可能:一种是DP总站发送给DP从站的数据;一种是DP从站以外的DP从站发送给DP主站的DP数据。所以,总线上存在高低电平变化的波形,当双网在正常工作时,数据线中存在低电平,在这个过程中,FPGA通过检测DP接收数据线上的低电平是否存在来判断网络是否存在故障,如果存在,则完成双网的切换控制,以保证水质监测数据的正常传输。
各功能模块如图2所示。
由图2可知,功能模块划分有故障监测模块,接收数据滤波状态监测模块和FPGA逻辑控制模块。当1网工作时,接收数据滤波状态监测模块作用是当1网故障时,即当1网接收线RXD1的电平一直为低电平且持续时间超过预定值的时候,可设为10ms,控制接收数据线滤波转台监测功能模块放弃对1网的监测,当滤波转台监测功能模块对数据接收线的RXD1低电平进行截止频率为1.5MHz的低通滤波时,监测RXD1网的低电平,在预定时间是否满足条件,即在10ms内低电平累计时间超过某设定值,则说明1网工作正常。2网与1网的工作原理是一致的。图3为10 s监视计时器的仿真图。
2 FPGA的逻辑切换模块设计
FPGA的逻辑切换模块设计如上文所述,即:当双网中主网发生故障时,在预定监测时间内,电平没有按照预定规律变化,则切换到从网,从而确保通信可以正常传输,是水质监测不会因为通信而带来错误与损失。
FPGA时钟频率根据水质监测系统的现场设备来设置,利用FPGA进行分频设计,产生周期为1ms的脉冲和方波信号给功能块使用[5]。
分频代码如下所示:
ENTITY FRIDIV IS
GENERIC (N:integer:=4);
PORT
( clk: IN STD_LOGIC ;
outclk: OUT STD_LOGIC);
END FRIDIV;
ARCHITECTURE BHF OF FRIDIV IS
Signal count:integer range 0 to N-1;
BEGIN
PROCESS(clk)
BEGIN
IF( clk’EVENT AND clk=’1’ ) THEN
IF(count=N-1) then count<=0;
ELSE count<=count+1;
IF count<(integer(N/2)) THEN outclk<=’0’;
ElSE outclk<=’1’;
…
2.1 接收数据线故障监测模块
接收数据线故障监测模块的硬件结构见图4。
由图4可知,1ms窄脉冲作为故障监测模块计数器的时钟输入端,1网接收数据线RXD1为计数器的异步清零端。当RXD1网为低电平时,计数器开始工作,当RXD1工作为低电平持续时间为10ms时,输出高电平,计数器异步置位,在RXD1持续为低电平时,J1输出一直保持高电平输出。
2.2 接收数据线滤波状态监测功能模块
在接收数据线滤波状态监测功能模块中,当1网的高电平即J1输出为高电平时,且持续低电平超过10ms之后,接收数据线滤波状态监测功能模块停止监测。当RXD1和J1都为低电平且RXD1存在DP信号时,此模块才开始工作。系统的时钟频率作为系统CLK输入,分频一般输出1.5MHz的方波信号,这是为保证RXD1网的电平持续时间。在1网中,计数器2作为计数器3和计数器4的时钟输入信号,对其二次分频之后输入。当2网同1网一致。在图5中,计数器3作为计数器8的异步清零端,计数器7作为计数器4的异步清零端。为保证当1网出现故障时,计数器3输出低电平,计数器8可以正常工作,计数器4和计数器8作为双网的切换控制功能模块的输入,从而选择DP网接收数据。
功能模块图如图5所示。
2.3 双网切换控制功能模块
图6为双网逻辑控制的模块图,JK触发器的真值表如表1所示。
如图6所示,逻辑表达式为
如果JK触发器的输出为1时,则式(1)简化为
如果JK触发器的输出为0时,则式(1)简化为
根据模块图及JK触发器的真值表可得,1网和2网的选择取决于JK触发器的输出即由J,K的输入电平状态决定。由上一个模块分析得,当1网正常,2网发生故障时,计数器8输出为0,选择1网进行DP数据接收,相反亦然。当双网都正常时,计数器3和计数器8都输出0,不做切换。
3 结论
在水质监测系统中,经过测试,当主PROFIBUS-DP总线出现故障时,总线切换逻辑模块设计,可以切换到从PROFIBUS-DP总线当中,确保了水质监测信息的正常通信。
摘要：PROFIBUS-DP广泛应用于工业控制系统当中。在水质在线监测中,PROFIBUS因为其传输速率较快而被运用,为保证数据通信正常传输,通常采用双网数据通信,当一条总线出现问题时,可以利用冗余总线切换设计。在切换设计中运用了FPGA,使得数据可以正常及时的传输,利用FPGA实现了双网逻辑切换,保证数据可以正常传输,不会因为一方总线故障而丢失信息。仿真实验证明可以达到预定目标,具有可行性。
关键词：PROFIBUS-DP,冗余双网,现场可编程逻辑门阵列,水质监测
参考文献
[1]孙鹤旭,梁涛,云利军.现场总线控制系统的设计与开发[M].北京:国防工业出版社,2007.
[2]阳宪惠,徐用懋.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2008.
[3]李国刚.环境在线自动监测技术与仪器设备的发展动态[J].生命科学仪器,2003,1(2):21-24.
[4]Altera.Cyclone Device Handbook[Z].2005.