通信冗余（共6篇）
通信冗余 篇1
0 引言
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
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数字化变电站通信网络冗余技术 篇2
关键词：数字化变电站,通信,冗余,跨网冗余协议,分布冗余协议,媒介冗余协议,信标冗余协议,并行冗余协议,高可用性无缝冗余协议
数字化变电站的技术主要在于其网络通信,变电站自动化系统更要求通信网络具有高可靠性和可用性。由于IEC61850标准没有限制通信网络的拓扑和冗余方式,目前国内外厂家的实现方式并不统一,制约了不同厂家产品接入到同一个通信网络。数字化变电站需要一种统一的网络冗余标准和实现方式。
1 IEC62439网络冗余模型
根据IEC62439标准[1],网络冗余模型主要分3个部分。
1.1 拓扑结构
网络冗余要求网络任意2个节点间具有不止一条物理连接。IEC61918(工业通信网络)标准定义了多种拓扑结构。
a.非冗余拓扑:包括树形拓扑和线形拓扑。
b.冗余拓扑:包括环形拓扑和网格拓扑。
1.2 网络基本元素
网络的基本元素:
a.终端节点(end nodes);
b.网络连接包括叶连接(leaf link)和交换机连接(inter-switch link);
c.交换设备包括交换机(switch)、交换式终端(switching end nodes)。
包含各种网络元素的通信网络结构如图1所示(图中,实线为主设备的连线,虚线为备用设备的连线;下同)。
1.3 冗余处理
a.备用模式:正常情况只有一个连接在服务,服务连接失效后切换到备用连接工作,切换过程中可能丢失信息。
b.交替模式:2个连接同时有效并交替使用,当一个连接失效,停止交替由另一个连接继续通信,切换过程更短。
c.并行模式:消息在2个连接上同时发送,由接收端保证接收信息的唯一性,无需切换。
2 IEC62439标准处理方式
IEC62439标准[1]考虑了2种冗余处理方式以及网络冗余功能的维护。
2.1 基于网络设备的冗余处理
基于网络设备包括交换设备和网络连接的冗余处理已经应用在广域网或是一些现场总线相关应用中,基本原理是检测到连接故障后通过3层路由计算和切换到备用路由。相关协议的切换时间根据网络拓扑的不同从十几秒到几分钟不等,对于一些不苛刻的应用可以满足需求。
自动化网络通常运行在单一的局域网内,报文通过一层中继器或二层交换机传输而不通过路由器,如果需要和外界交换数据可以使用路由器或防火墙,但这不是关键需求。局域网中的冗余协议通常是针对连接和交换机故障利用冗余通道和交换机重构局域网,例如快速生成树协议RSTP(Rapid Spaning Tree Protocol)。
环网基于RSTP改进的二层冗余协议可以实现更快的网络恢复,网络节点可以是普通的自动化装置。
2.2 基于网络终端的冗余处理
如果需要进一步减小网络恢复时间,需要为网络终端配置冗余连接并在网络终端上进行冗余处理。双端口是通常的方案,这种方式对局域网交换机没有特殊要求。对一些实时性要求比较高的应用,使用双端口网络终端和2个独立的网络可以实现非常小的网络恢复时间即无缝切换。
2.3 网络冗余功能的维护
网络冗余的功能会被一些故障所影响,因此如何检测这些潜在的故障就成为冗余协议必须考虑的内容。所有IEC62439标准收录的冗余协议必须提供方法定时检测冗余或者空闲设备的状态从而保证网络冗余的可用。
3 IEC62439冗余方案的比较
IEC62439标准要求冗余协议实现可确定的网络恢复时间,冗余功能对于高层应用透明,双端口终端和单端口终端都可以接入冗余网络正常通信。
3.1 5种重要的冗余方案
IEC62439重点采纳了5种冗余方案,下面说明其原理。
3.1.1 跨网冗余协议
跨网冗余协议CRP(Cross-network Redundancy Protocol)支持单网和双网冗余,通过2个端口跨接到1个或2个独立的网络中来实现冗余[2]。
CRP节点会定期地从2个端口发出诊断报文,内容包括端口状态以及检测到的网络状态。如果一个节点收不到报文或是一个端口已经收到了诊断报文而另一个端口收不到,这个节点将会记录下一个故障。基于这些诊断报文的收发状态,每个节点可以点对点地选择从哪个端口发送工作报文。
3.1.2 分布冗余协议
分布冗余协议DRP(Distributed Redundancy Protocol)是基于环网拓扑的冗余模式,在交换设备上实现[3]。DRP可以检测到单网故障并在确定时间内恢复网络通信。在DRP网中,每个节点都是平等的管理者,可以轮流收发环网测试报文和连接测试报文,从而检测和控制环网的连接或是交换节点故障。
DRP冗余机制对网络进行了时间槽划分,从而在限定的时间内做测试报文收发,不影响正常应用的实时性能,但是准确的分时需要网络节点都以IEEE1588同步。
3.1.3 媒介冗余协议
媒介冗余协议MRP(Media Redundancy Protocol)也是基于环网拓扑的冗余模式,在交换设备上实现。MRP可以在网络连接或是交换设备单点故障的时候以确定性时间恢复环网通信。MRP基于IEEE802.3和包括FDB(Filtering Data Base)的IEEE802.1D(STP)功能,处于链路层和应用层之间[4]。
一个MRP环网由1个媒体冗余管理(MRM)节点和多个媒体冗余客户(MRC)节点构成。初始化后,MRM设定一个端口为转发状态,另一个端口为阻塞状态,转发口定期向外发出测试报文,如果阻塞口在规定时间内收到该测试报文,则说明环网正常,MRM保持该状态;如果没有在规定时间内收到测试报文,说明环网断线,则设定2个端口都为转发态从而恢复网络工作。另外MRM和MRC之间通过状态报文同步网络状态信息,监测网络状态并自愈网络故障。
3.1.4 信标冗余协议
信标冗余协议BRP(Beacon Redundancy Protocol)冗余网络架构可以看成2个互连的顶层交换机,各级连1个星形、线形或是环形子网。另外各有1个信标节点跨接到2个顶层交换机上,信标节点有2个端口,不过采用1个MAC地址[5]。
除了信标报文和故障通报报文,BRP节点正常只有一个端口工作,另一个端口阻塞。信标节点定期发送信标报文,常规节电通过信标报文的接收来监测接收路径状态。在收不到网络报文的时候,故障通报报文和路径检查报文被用来监测发送路径状态。另外因为平时节点的备用端口是阻塞不工作的,每次节点在切换端口以后需要广播一个短报文来通知交换机更新MAC地址表,从而加快通信连路的恢复。
3.1.5 并行冗余协议和高可用性无缝冗余协议
并行冗余协议PRP(Parallel Redundancy Protocol)和高可用性无缝冗余协议HSR(High-availability Seamless Ring)在终端节点内的链路层冗余单元LRE(Link Redundancy Entity)层实现了报文的双发双收,LRE收到发送节点上层应用传来的发送报文,将报文加上标识后复制成2份同时从A和B 2个物理层发出,接收节点从A和B 2个物理层先后收到该报文,LRE对标识判别后丢弃后到的报文,而先到的报文去除标识后传送给上层应用[6,7]。
PRP和HSR在网络故障时无需切换,而且可以适应多种网络拓扑,冗余功能对上层应用透明,通过硬件的LRE可实现,达到非常理想的冗余性能。
符合PRP和HSR协议的节点内部功能结构如图2和图3所示。
3.2 冗余方案的比较
根据冗余的工作原理,可以从性能上比较各种冗余方案的性能,按照网络故障恢复时间大小顺序排列结果如表1所示,不论是应用的难度或是网络拓扑的适应性和故障恢复性能,PRP/HSR都是理想的通信网络冗余方案。
4 国内外厂家实现比较
国内的变电站计算机监控系统技术规范中仅规定了主从服务器的切换时间不大于30 s,而没有规定冗余双网的切换时间,因此冗余网络的实现方式有了比较大的发挥空间。目前国内主要厂家不管是MMS还是GOOSE网的冗余方式都采用了网络应用层冗余,采用双星形独立子网架构。独立子网架构意味着智能电子设备(IED)2个独立的以太网MAC地址及IP地址,网络应用层冗余实现模式有双网双工模式和双网热备模式[8]。
双网双工模式由于2个通道都建立数据传输,IED侧从2个通道同时提供服务,而站控层设备作为客户端需要对2个通道送上来的数据加以区分防止重复处理,此实现关键在如何判别不同通道送上来的报文是否是同一数据,这种算法在应用层实现对于GOOSE比较容易实现[9,10],有事件序号和报文序号的处理,而对于MMS比较复杂[11]。因此MMS的双网热备模式被大多数国内厂家采用,这种模式下客户端保持2个通道的连接,但只有一个通道激活了数据传输,另一个备用通道不传递数据仅检测通道质量,这样在客户端检测到激活通道发生故障的时候可以切换到备用通道上并且不丢失重要数据。不过这种方式依旧会有短暂的数据通信中断,因为TCP/IP通信故障的应用层判别时间是秒级,通常厂家基于此原理能实现的网络切换时间是5~20 s,只要不丢失重要数据,这个时间对于变电站监控系统是可以接受的,所以这个方案也一直被国内厂家沿用下来,而且IEC60870-5-104国际标准也接受了这种冗余方案。
不过考虑到数字化变电站IEC61850通信网络的特殊性,如同步对时协议SNTP,IEEE1588[12]在冗余网上的处理会影响到冗余方案的实施。另外一方面国外的厂家对通信网络的冗余着重在物理层的冗余,在链路层处理冗余算法,从而实现对网络层及更上层协议栈的透明服务,这样应用得到的是一个已经冗余处理过的网络,编程无需建立2个连接并监视连接状态。毫无疑问这种方法技术关键在于对IED的网络接口和客户端网卡设计有特殊要求,需要算法处理,而且由于是链路层算法,对算法速度要求也较高。这种方案也有快速切换和双发双收2种实现方式。
物理层快速切换,通过网络芯片的连接状态检测快速判别网络状态完成切换,由于切换速度快,上层应用感觉不到切换的过程,因此达到无缝切换[13,14,15]。不过如果终端节点中间有级联交换机,那么2级交换机之间的连接如果断开,或是后台服务器和交换机之间的连接断开,IED侧检测不到故障从而也无法切换到健康的网络连接上。所以这种实现方式通常用于环网并且IED和IED之间直连,无需交换机。有些交换机环网冗余也用这种方案。
双发双收方式就是IED 2个口上同时发出报文,也同时接收报文,重复的报文由链路层判别是否重复,如果已有则丢弃。这种方式下网路故障后无需切换,只要有一个通道好,报文就会被送到目的地,这种方式需要对以太网链路层作少许改动从而提高重复报文的判别速度。
图4显示了一个双发双收的PRP和HSR混合网络结构。PRP和HSR标准定义了明确的重复报文丢弃算法,通过记录报文接收时间刷新时间窗,对已收到过的相同标识的报文丢弃,该算法和协议栈链路层相关处理可以通过驱动层软件、应用层软件或是硬件实现。其中硬件实现可以采用现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)或是网络交换芯片,初始化后将2个端口的MAC地址设定为一个,该方案占用主CPU负荷较小,处理速度比较快。在一些特殊情况下,厂家也可以提供冗余盒(redundancy box)来兼容其他没有实现冗余方案的第三方厂家产品。
5 结语
由于国内厂家和相关通信设备厂家合作较少,采用了比较保守的网络冗余方案,根据以往经验在接收端的应用层作冗余报文的处理。国外厂家则对链路层报文做了扩展,在不影响其他网络标准协议的前提下提高网络冗余的性能。
通信冗余 篇3
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
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[2]郭军.网络管理[M].北京:北京邮电大学出版社, 2001.
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[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.
通信冗余 篇4
在CAN总线网络的硬件方案中, 包括32位的ARM控制器 (STM32F105VC) 、CAN总线隔离驱动器 (ADM3053) 和CAN总线传输接口电路。
1、系统冗余设计。
针对硬件电路设计, 原理上包括局部冗余和系统冗余。局部冗余设计一般只实现了物理传输介质和物理层协议的冗余。而系统冗余方案从物理传输介质和CAN总线通信的物理层、数据链路层及应用层都进行了系统冗余, 因而全面提高了船舶通信集成系统的实时性和可靠性。另一方面, 系统冗余不需要故障检测、故障判断及附加的冗余部分切换电路。本篇技术分析报告设计了双冗余CAN总线通信硬件电路方案, 其原理框图如图1所示。
2、硬件电路冗余设计。
硬件原理方案中, 采用32位的ARM控制器 (STM32F105VC) 。由于STM32F105VC芯片内部集成了两个和CAN2.0B标准兼容的CAN总线模块, 支持CAN协议的CAN2.0A、CAN2.0B的主动和被动版本, 这些突出的特点使得STM32F105VC非常适合双冗余CAN总线通信系统的硬件设计。另外选用CAN总线隔离驱动器 (ADM3053) 作为总线的驱动单元, 对CAN的传输总线提供差动驱动功能。
3、硬件电路可靠性设计。
ADM3053可以提供电源和信号双隔离功能。该器件采用3.3 V或5 V的单电源在VDD1引脚供电, 总线侧仅在VDD2采用5 V单电源。总线侧 (VDD2) 的功率损耗可以采用集成VDD2SENSE信号通过微控制器检测。同时, 该驱动器在总线引脚集成了+/-36V的故障保护CANH和CANL, 可以防止12V和24V系统中电源/接地的短路。该器件还具有限流和热关断特性, 可防止发生输出短路以及总线短接至地或电源引脚的情况。
二、双冗余CAN总线通信系统软件协议设计
1、船舶通信系统中CAN总线应用层协议。
在船舶通信系统中, 研发人员可依据IEC61162标准的要求, 定义CAN总线通信的应用层协议。其设备数量因船舶吨位不同有所区别, 总数量一般在20左右。所以系统中选择了Basic CAN的帧格式, 标识码是静态分配的, 采用11位报文标识码。信息标识符结构如:数据输出设备编号、数据类型、数据接受设备编号。
2、应用层协议通信的格式。
应用层通信协议是通过应用层信息帧在CAN总线物理链路中的数据传输来实现的。应用层协议将各信息帧解析之后, 传输给用户应用程序显示界面使用;同时, 用户程序通过应用层协议将需要发送的信息进行封装, 然后发送给CAN总线网络中的接收设备。
3、双冗余CAN总线通信流程。
在双冗余CAN总线系统中, 对于冗余设计的两路CAN总线要求内部寄存器的参数设置, 如通信波特率、滤波器必须统一, 保障冗余电路的一致性;同时, 要注意双路中的初始化程序、报文发送程序、报文接收程序的切换。双冗余CAN总线是同时工作的。一旦某节点中的CANH、CANL断开或只有一个发送链路在总线上, 将会造成STM32F105VC中发送/接收错误计数器不断增加到128, 从而触发节点处于忽略错误态, 并启动纠错程序。通过以上设计, 双冗余CAN总线网络在物理层、数据链路层和应用层都获得了冗余, 全面提高船舶通信系统的可靠性。
4、双冗余CAN总线中容错纠错机制。
为防止系统中数据漏包和误包等情况的出现, 造成系统检测信息误操作, 我们在系统中设计了节点应答机制, 对于检测到得错包和漏包, 在总线空闲时发送请求, 要求重发, 从而提高系统的容错能力。另外, 为防止CAN总线应数据冲突等原因造成总线死锁, 在系统设计了错误检测重启机制, 从而达到纠错的目的。
三、结论
为了保障船舶在远洋航行中的通信导航系统可靠性, 本技术报告论述了基于双冗余CAN总线网络原理及优势, 并研发了基于STM32F105VC和ADM3053的CAN总线应用层协议, 编制了相应的通信程序和容错纠错程序, 保障通信过程中的可靠性。
参考文献
[1]土幸之, 土雷, 翟成等.单片机应用系统抗干扰技术.北京航空航天大学出版社, 2001.
通信冗余 篇5
随着非常规互感器、IEC61850标准、网络通信技术、智能断路器技术等相关支撑技术的发展,使数字化变电站技术成为变电站自动化系统的一个新的发展平台[1,2]。变电站自动化系统所涉及的监控、远动、继电保护的可靠性、实时性、经济性得以迅速提高。数字化变电站成为了传统电网升级换代和电网运行控制改革的基础[3]。而如何设计一种可靠性高、经济性好的变电站体系结构,是数字化变电站可靠性研究的一个重要问题,也是数字化变电站能否大规模应用的关键[4,5,6,7,8]。
本文分析比较了工程上应用较多的冗余体系结构,双环网结构。并对其提出了两种改进方案,集中备用改进模式和交叉备用改进模式,分析比较了各种冗余结构的实时性、经济性。并利用故障树分析法定量的分析了系统可靠性。
1 数字化变电站典型冗余结构
一个先进的变电站自动化系统,必须要有可靠的自动化控制元件、执行元件。同时,它们之间的信息传输也必须满足高速性和高可靠性。目前,变电站电压等级越来越高,可靠性的要求也随之更高,并且保护双重化系统的大规模应用,导致基于以太网交换机的单通信网络冗余方案已难以满足其要求。故双通信网络的冗余方案在变电站通信冗余设计中得到了较多的应用。双环网冗余结构能允许双重故障甚至多重故障时的正常通信,并且组网简单,已成为数字化变电站系统采用较多的双网冗余结构。
双环网结构具有两个相对独立的环形链路[9],如图1所示。与人机接口或网关连接的交换机处于变电站层,作为环网内主交换机。通过网关可与控制中心或其他变电站通信。与各个间隔连接的间隔交换机处于间隔层。一个间隔内IED需要相互通信时,可在间隔内增加相应交换机,如不需要相互通信,则将本间隔内IED直接接入间隔层交换机。
注:HMI人机接口;GW网关;SW交换机;BU间隔单元
双环网结构的优点是组网较简单,可靠性较高,允许多重故障。是站控层和间隔层之间采用较多的组网方式。
2 改进的冗余结构
虽然双环网冗余结构拥有上述优点,但其所需交换机数目较多。因为每个交换机都有自己本身固有延时(约100μs),在报文传输过程中通过的交换机数目越多,网络延迟也随之积累,并且系统投资成本也随交换机数目的增多而增加。所以,从系统实时性角度和经济角度综合考虑,减少通信冗余结构所需交换机数目有一定的现实意义。但同时应当注意,交换机数量的减少不能以牺牲系统可靠性为代价。综上所述,本文对双环网冗余结构提出了两种改进方案,双环网集中备用改进模式和双环网交叉备用改进模式。
2.1 双环网集中备用改进模式
在双环网结构中并不为每个间隔设置专用备用交换机,而是由集中备用交换机同时做多个间隔的备用。每个间隔内IED配置和普通双环网结构一致,不再赘述。如图2所示,本文设间隔1与间隔2,间隔3与间隔4共用集中备用交换机。这样的集中备用模式可以减少环网内交换机使用数目。
注:HMI人机接口;GW网关;SW交换机;BU间隔单元
基于IEC61850的双通信模式具有多种可行的方案(双网双工、双网热备用、网络层冷备用等),文献[10]对其进行了分析探讨,并认为IEC61850双网热备用技术由于在可靠性,实时性,互操作性等方面的优势,已成为数字化变电站主要采用的双网技术。故本文针对双环网的集中备用改进也采用该技术。此时,集中备用交换机所处环网处于热备用状态,只接受各类报文而不进行转发。
双环网集中备用改进模式的具体切换冗余流程是:在工作链路上,根据标准的生成树系列协议[11](如RSTP、快速生成树、IEEE802.1W等)将工作环网中交换机的两个端口分别设定为转发态和阻塞态(避免信息循环传输)。环网中主交换机循环发送一帧检测报文。一旦检测到发生故障,立刻将交换机阻塞端口切换成转发端口,并告知其他交换机改变转发路径,实现网络冗余。此时主交换机仍然继续循环发送检测报文。如果改变链路后,故障仍然没有解除。说明工作环网内至少出现两处链路故障或间隔交换机出现故障,故障交换机所处间隔内报文并不能通过改变转发阻塞端口发送至控制中心,需要启动热备用环路。此时集中备用交换机端口迅速切换到转发状态,并发送报文通知其他交换机完成相应切换。
2.2 双环网交叉备用改进
在双环网结构中,间隔1的工作交换机同时作为间隔2的备用交换机,反之,间隔2的工作交换机也同时作为间隔1的备用交换机。间隔3和间隔4也是如此,以实现交换机的交叉备用。同样能减少冗余结构所需交换机数目。如图3所示。
由于环网中的间隔交换机除了作本间隔的工作交换机外,还需作为其他间隔的备用交换机,两个环网都必须处在工作状态。不能像集中备用改进模式那样选取一条环网链路作为热备用链路,只能采用双网双工通信方案。在此种通信方案中,将间隔内IED的2个网口分配不同的MAC/IP地址,同步向工作交换机和备用交换机发送相同的报文。如果链路或交换机出现故障,不需做出端口切换或网络重构就能实现报文有效传输。当然这种通信方案因为报文的重复发送势必将增加间隔内IED负担。可在检测出故障后,不再向失效链路或故障交换机发送报文,以降低IED负担。值得注意的是,一个间隔的工作交换机和备用交换机必须处在不同的环网中,否则信息将在单环网内重复传输,增加了网络负担的同时,并没有达到冗余效果。
注:HMI人机接口;GW网关;SW交换机;BU间隔单元
3 实时性分析
双环网热备用模式有其固有的缺陷,那就是处于热备用的交换机由只接受报文切换到转发报文时并不能达到零时间切换,存在切换延时。而且前文已提到,交换机本身有其固有延时(约100μs)。切换延时和固有延时都随环网内交换机数目的增加而累积。此外,如果冗余结构所用交换机较多,冗余切换时通知其他交换机的切换报文也可能对网络造成冲击。
本文针对双环网冗余结构的改进能有效地减少环网内交换机数目,有效地降低累积的交换机切换延时和固有延时,并减少切换报文对网络的冲击作用(交叉备用改进模式采用的双网双工通信方案无切换延时和网络冲击影响)。所以,改进方案比普通双环网冗余方案在实时性方面更具优势。
4 经济性比较
本文针对双环网冗余结构提出的集中备用改进模式和交叉备用改进模式,都使间隔交换机承担的数据流量增加,需要交换机具有更强大的功能。文献[12]设计的ZYJ-860F型智能工业以太网交换机具有较好的工业品质(环网自愈,动态环技术)、较高的可靠性(防浪涌,抗电磁)和较高的信价比,是比较合适的选择。本文以此种交换机为例,对各种冗余结构进行经济性评估。
因为交换机的重要性和承担报文流量不同,其端口数目和端口型号也不同。本文以4个间隔的变电站系统为例,针对上文介绍的各种冗余方案,选取所需交换机数目和型号如表1所示(为适应变电站自动化系统的扩展,所用交换机应为新增设备预留若干个端口)。
不同端口数的交换机,其市场报价也不尽相同,表2为不同型号的ZYJ-860F型智能工业以太网交换机报价。
根据表1和表2,可求出系统各网络冗余结构的投资成本估算,见表3。
由表3可知,针对双环网结构的集中备用改进和交叉备用改进分别比普通双环网结构投资减少4.8万元和6.8万元,减少比重为25%和35.5%,由此可见,本文提出的两种改进模式在经济上的优势还是比较明显的,并且随着变电站自动化系统规模的扩大,这种优势还将进一步增大。
5 可靠性评估
前文对普通双环网结构及其改进方案进行了实时性和经济性分析,证明改进方案优于目前传统方案。但改进方案系统可靠性是否满足变电站自动化系统可靠性要求还需要对其进行定量的计算和评估。本文利用故障树分析法对各种冗余结构进行可靠性的评估。
5.1 故障树分析法简介
故障树分析法最早是由美国贝尔实验室的H.A.walson提出的,它是一种系统可靠性分析方法。利用故障树可以寻找潜在故障或进行故障诊断,还可以进一步预测系统故障发生的概率,其基本理论见文献[13]。
5.2 不同网络冗余结构的定量分析
以一变电站为例,假设该变电站有30套主保护装置和30套后备保护装置通过以太网接口接入变电站自动化系统,若干交换机、一台服务器提供人机接口和一台路由器。根据厂商提供的元件失效度(表4)[4]。并按照故障树分析法进行逻辑运算可求得系统的总失效度。
将上述各种网络冗余结构建立故障树失效模型。主保护中保护装置内部故障或保护装置与交换机接口故障将造成主保护功能失效,而主保护和备用保护同时失效才导致保护故障。系统失效的因素有保护故障、交换机故障、路由器和服务器故障。
在双环网结构中每个环网任一交换机接口回路故障可通过网络重构实现信息正常交互,而只有在两个环网同时故障时系统才故障。以交叉备用改进模式为例,其故障树如图4所示。可计算得系统的总失效度为964.7310-6,有效度为1-964.7310-6(28)99.9035%。
采用上述同样方法可求得各种网络冗余结构的有效度。因篇幅有限,不再累述。有效度计算结果见表5。其中,双环网集中备用改进中每二个间隔共享一个集中备用交换机。
表5数据表明,三种冗余结构都具有相当高的可靠性,而对双环网结构的改进并没有使可靠性明显下降。事实上,无论是集中备用改进方案还是交叉备用改进方案,双环网冗余结构并没有改变,系统可靠性并不会有明显降低,并且环网中只用较少的交换机,减少了交换机故障概率,使可靠性略有提高。但值得注意的是,使用故障树法分析系统可靠性是以元件为单位考虑,并没有考虑元件在系统中的重要性程度。而本文提出的改进方案中,间隔交换机可能需要处理一个或多个间隔中的报文,要比普通双环网结构中交换机的重要性程度高。这在系统可靠性分析中是不能忽视的。
6 结论
本文对数字化变电站的冗余体系接口提出了改进方案,并从实时性、经济性和可靠性三方面进行的分析。研究结果表明,所提的改进方案要优于传统的双环网结构,有一定的竞争优势,对数字化变电站体系结构设计具有一定参考价值。
摘要：网络体系结构的冗余设计对提高数字化变电站系统可靠性有重要意义。从变电站自动化系统整体出发,分析了现阶段基于IEC61850数字化变电站的典型冗余结构,提出了可行的改进方案,集中备用改进模式和交叉备用改进模式。对各种冗余方案进行了实时性分析和经济性比较,并用故障树分析法进行可靠性定量评估。研究结果表明,改进方案在实时性和经济性上优于目前应用的典型方案,且不以牺牲系统可靠性为代价,有较高的应用前景,对于建设高效、可靠、经济的数字化变电站有一定意义。
通信冗余 篇6
Ethernet Powerlink (以下简称EPL) 是一种高实时性的工业以太网现场总线协议。它基于标准以太网硬件, 定义了一个精简的、实时性极高的数据链路层协议, 是一个易于实现、高性能、不被任何人垄断、真正的互连互通的平台[1]。
相对于其他已经很成熟的总线协议来说, EPL是一项“年轻”、高性能的网络协议方案, 现代工厂对效率和自动化程度的要求越来越高, 工厂仅能容忍自动化系统短时 的失效[2~3]。一个可靠的冗余方案是提升网络可用性的有效手段之一, EPL基于标准以太网硬件, 因此EPL可采用标准以太网冗余技术:双环网、环网、多主冗余等[4]。但是 , 它们的可 靠性并不 高 ,比如说, 当传统双网出现故障时选择器根据网络状态来切换网络, 这必然就会有选择和切换时间, 可能造成系 统延迟 ,甚至于可能丢帧, 大大降低网络传输的可靠性[5]。
基于以上讨论, 主要研究基于并行冗余协议 (PRP) 在EPL中实现冗余功能的方案 , 特点是同时运行两个互不干扰的网络, 无需网络切换, 实现无扰通信, 提升EPL网络的可用性; 另外, 它可支持任意的拓扑结构, 树形、星形等。
2 并行冗余协议原理
并行冗余协议将连接网络的节点分为两大类: 双连节点DAN ( Double Attached Nodes) 和单连节 点SAN ( Single Attached Nodes); 此外 , 若SAN要连接到双网则可以通过冗余盒子Red Box (Redundancy Box)。
PRP协议是通过DAN节点实现的 , 在数据链路层实现了一个链路冗余实体 (Link Redundancy Entity, LRE), 上层应用与网络接口通过LRE连接[6], 如图1所示。
EPL是一种建立在标准802.3MAC层之上的协议 , 为了独立于下层 协议从而 定义了自 己的报文 格式 , 并将之封 装在EthernetⅡ帧中来进行传输。EPL基本帧包含5个字段 , 并定义了5种帧, 分别是周期起始帧So C、轮询请求帧PReq、轮询响应帧PRes, 具体的帧格式如图2所示。
为了有效识别节点冗余信息, 每个发送的数据帧会被添加冗余控制尾 (Redundancy Control Trailer, RCT): 16位的序列号、4位的网络标识符、12位的帧长度。以太网帧也包含5个字段, 帧长度范围是64~1518字节, 除去EPL帧头和RCT后还有39~1493字节, 有足够空间用来存放数据, 所以这种方式既有助于冗余功能的实现又能够很好地兼容EPL各种帧。经过LRE处理过后的帧格式如图3所示[7]。
3 冗余实现方案
在纷繁的总线协议中, EPL将是实时以太网的未来, 在Windows系统平台下 , 基于PRP来研究EPL冗余实现 方法 ,开发环境是Visual Studio。
本方案是在数据链路层实现了LRE, 具体的功能设计与实现方案如下:
(1) 发送帧
当要发送帧时, LRE将上层传下来的帧进行复制并填充,经A网发送的帧RCT的LAN=1010, 经B网发送的帧RCT的LAN=1011, RCT的其余部分相同 , 经由2个端口发出。
(2) 接收帧
假定帧序列是连续的, 且收到的帧号是增加的, LRE会把收到的帧序列号提出来存在变量里, 并根据序列号及网络标识符分别维持一个独立窗口, 窗口的下边沿是起始序列号s(start Seq), 是检测帧是否重复的序列片段的开始序数 , 上边沿是期望序列号e (expectedSeq), 当前序列号是c (currentSeq)。
如图4所示, 假设某节点接收到来自某一个网的帧, 则系统会根据该帧的网络标识符去判断该网的窗口状态, 若该网的窗口是非空的, 则该帧被保留, 若该网窗口是零, 则判断c是否落在另一个网的窗口内, 落在窗口内说明该节点已收到过该帧了, 丢弃该帧, 否则保留该帧并转发给上层[8]。丢包算法流程图如图5所示。
(3) 网络状态诊断
LRE还可以检查每个网络数据的接收情况 , 出现线路故障时会将错误信息通知应用程序, 以帮助用户维护网络。对于从站节点, 该信息包含在Poll Response, Status Response, Ident Response这3种数据桢里 ; 对于主站节点 , 将该信息包含在Poll Reques数据桢里发给相应的从站[9]。网络信息标志位在数据帧中的位置如表1所示。
其中, 数据帧第5个字节的第6个和第7个比特位分别代表了两网的状态, 0代表该网连接良好, 1代表该网络故障。
LRE检查网络状态的方法如下 : (1) 假设某个选择器有两个网口, 分别称为A网和B网。对于B网来说, 若cB=eA一直成立则说明数据接收一直都是连续的, 没有问题; 若一旦出现cB! =eA则说明在当下时刻有出现丢帧情况, 由此我们对B网建立一个间隙窗口gap_window=cB-eA。 (2) 若gap_window=0则说明数据传输良好 , 网络运行正常 ; 若gap_window! =0则说明出现丢帧 , 将eA~cB-1之间的帧 号存到gap_trace里面, 之后每接收到一帧将该帧号与gap_trace相比较, 若有相同则将该帧号擦除。对于A网也建立间隙窗口和间隙检测变量来检测A网的运行状态。 (3) 若gap_trace里擦除帧号不连续或出现跳跃, 则说明该网出现故障, 并将故障信息上报给与其相连的EPL节点。
4 结语
本方案使得网络出现故障时系统可以及时检测到并上报该故障信息, 此外两个网络的并行传输保证了通信的不延迟、不丢帧, 实现了无扰通信。这种方式实现了Ethernet Powerlink网络的无 扰通信 , 增强了Ethernet Powerlink网络的可 靠性 ,满足了应用的要求。
摘要：基于并行冗余协议(PRP)完成了Ethernet Powerlink冗余的实现方案研究。方案针对EPL网络冗余通信的延迟和通信干扰问题设计了一个可行的冗余方案,建立了两个同时运行的网络,互不干扰地传输,在数据链路层建立冗余实体(LRE)来实施收发管理和网络监视。