專利名稱：采用雙環(huán)冗余的風場通信網(wǎng)絡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及涉及風力發(fā)電的風場通信網(wǎng)絡中各風機間通信的結構和策略領域，特別是一種采用雙環(huán)冗余的風場通信網(wǎng)絡。
背景技術：
風場通信網(wǎng)絡是遠程監(jiān)控風機運行狀態(tài)的物理途徑，也是與分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System，即DCS系統(tǒng))連接的紐帶，通信網(wǎng)絡是否正常工作直接整個風場的運行效率。
由于風場通常處于環(huán)境比較惡劣的地理位置，通信設備和線路受自然條件影響發(fā)生故障的幾率相對較高。如果采用單一通信線路，一旦某個節(jié)點或一段線路發(fā)生故障則會造成大量風機與風場監(jiān)控系統(tǒng)失去聯(lián)系；如果采用備用線路和設備，雖然能夠在一定程度上提高通信的可靠性，但又會造成設備閑置。目前還沒有一種可以在正常情況下高效地傳輸數(shù)據(jù)，同時在發(fā)生鼓掌的時候可以自動重建環(huán)網(wǎng)，確保風機正常通信的風場通信網(wǎng)絡。

發(fā)明內容
本發(fā)明為解決上述技術問題提供了一種采用雙環(huán)冗余結構的自愈網(wǎng)絡，增加了環(huán)網(wǎng)通信的可靠性，與同類型的風場通訊網(wǎng)絡相比較，不僅可以在正常情況下雙線同時傳輸數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸率，而且在局部發(fā)生故障時自動重建新的環(huán)網(wǎng)，最大限度確保各風機的正常通信。
本發(fā)明的技術方案如下采用雙環(huán)冗余的風場通信網(wǎng)絡，包括有風機的控制器通訊和監(jiān)控站，風機之間組成風場環(huán)網(wǎng)，其特征在于該風場環(huán)網(wǎng)采用拓撲結構的雙環(huán)自愈策略的光纖環(huán)網(wǎng)，包括光纖通道數(shù)據(jù)編碼、通信協(xié)議、MCU模塊、以太網(wǎng)硬件模塊、光纖接口模塊、CAN模塊、其他通訊接口模塊、電源模塊；監(jiān)控站通過以太網(wǎng)硬件模塊直接遠程訪問每個風機的運行狀態(tài)；每個風機的通訊控制器通過光纖接口模塊連入風場的光纖環(huán)網(wǎng)，與其他的風機和主通訊控制器通訊；CAN模塊通過MCU模塊內部提供的雙CAN與風機的其他控制器通訊；MCU模塊把收到的通訊數(shù)據(jù)以及傳感器數(shù)據(jù)進行運算和判斷后，將數(shù)據(jù)和命令按照相應的通信協(xié)議由光纖接口模塊發(fā)送到風場環(huán)網(wǎng)中或者通過CAN模塊發(fā)送給本風機中的其他控制器。
所述MCU(Micro Controller Unit)模塊是多點控制單元，俗稱單片機。
所述CAN(Controller Area Network)模塊是控制器局域網(wǎng)。
因為風場所處的自然環(huán)境通常比較惡劣，所以采用了光纖通訊避免電磁干擾，同時采用了雙環(huán)冗余增強通訊的安全性。
當風場網(wǎng)絡發(fā)生故障或增刪節(jié)點時，所述MCU模塊采用雙環(huán)自愈策略構成新的環(huán)網(wǎng)，最大限度的保證風場網(wǎng)絡可用并發(fā)出報警信號；所述雙環(huán)自愈策略的運行機制分為兩種一種是單環(huán)運行，另一環(huán)處于備份狀態(tài)，僅在網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時構成自愈環(huán)；另一種是雙環(huán)同時運行。MCU模塊包括有MCU硬件模塊和MCU軟件模塊。
當風場中某段通信線路發(fā)生故障時，采用雙環(huán)自愈策略使位于故障段以外的節(jié)點能夠自動構成新的環(huán)路，使風場通訊網(wǎng)絡在一個甚至多個節(jié)點發(fā)生故障時保證無故障網(wǎng)段的正常工作，同時還支持動態(tài)添加和刪除通訊節(jié)點。
其他通訊接口模塊提供了按照RS232/RS422/RS485這三種串行通訊標準的常用的通訊接口，采集傳感器的數(shù)據(jù)并完成其他的通訊功能。
所述MCU硬件模塊采用FPGA模塊擴展兩路串口，并通過串口異步通信傳輸器件與光纖接口模塊相連。
所述FPGA(Field Programming Gate Array)模塊是現(xiàn)場可編程門陣列，用于提供擴展兩個串口以及處理傳感器采集的數(shù)據(jù)。
所述MCU硬件模塊包括下載電路、EEPROM電路、靜態(tài)RAM電路和實時時鐘電路；下載電路支持OCDS(On Chip Debug System，片上調試系統(tǒng))和MEMTOOL(內存工具，一種用于英飛凌單片機的下載軟件)下載，EEPROM(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，電可擦可編輯只讀存儲器)電路用于擴展MCU的數(shù)據(jù)存儲空間，靜態(tài)RAM(Random Access Memory，隨機存儲器)用于擴展存儲程序所需的參數(shù)，實時時鐘電路設置有連接電池的外部引腳。
部分傳感器的采集數(shù)據(jù)還以RS485等形式通過其他通訊模塊再傳給MCU模塊處理。
所述光纖通道數(shù)據(jù)編碼使各節(jié)點收發(fā)的數(shù)據(jù)被正確識別。
所述通信協(xié)議采用DNP3.0(Distributed Network protocol，分布式網(wǎng)絡協(xié)議)規(guī)范和生成樹算法。
所述以太網(wǎng)硬件模塊通過CP2200(一種以太網(wǎng)芯片)集成了IEEE 802.3(電氣和電子工程師協(xié)會制定的以太網(wǎng)技術標準)以太網(wǎng)媒體訪問控制器MAC、10Base-T物理層PHY和8KB非易失性FLASH存儲器。
所述雙環(huán)自愈策略的光纖環(huán)網(wǎng)由兩對光纖構成，通過光纖接口模塊實現(xiàn)異步串行信號與光纖傳輸信號的相互轉換。
所述電源模塊支持6.5V到10V的輸入電壓，并將輸入電壓轉換為MCU模塊和FPGA模塊的工作電壓，并具備系統(tǒng)電源復位。
本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明采用了環(huán)型拓撲結構網(wǎng)絡，具有電纜長度短、適用于光纖、差錯傳輸?shù)葍?yōu)點；以光纖作為網(wǎng)絡傳輸介質，傳輸速率高、距離遠、抗電磁干擾能力強的特點；為了保證通信的可靠性，防止由于某段光纖或某個光端設備的故障造成中斷整個網(wǎng)絡的通信，采用雙環(huán)網(wǎng)結構，實現(xiàn)網(wǎng)絡的自愈功能；在整個風場通信中采用DNP3.0規(guī)約，通過實現(xiàn)IEEE 802.1D協(xié)議中的生成樹(spanning tree)算法，使每個通信終端都將盡可能地選擇一條到根最近的路徑傳送數(shù)據(jù)，解決了廣播風暴問題；并且具備系統(tǒng)電源復位功能。


圖1為本發(fā)明的風場雙環(huán)自愈網(wǎng)絡結構示意2為本發(fā)明的雙環(huán)自愈示意3為本發(fā)明的雙環(huán)光纖網(wǎng)自愈策略示意4為本發(fā)明增加網(wǎng)絡節(jié)點的示意5為本發(fā)明的光纖通道幀編碼格式示意6為本發(fā)明的MCU模塊的示意7為本發(fā)明的FPGA模塊的示意8為本發(fā)明的電源模塊的示意9為本發(fā)明的光纖模塊的示意10為本發(fā)明的傳輸控制模塊的示意11為本發(fā)明的以太網(wǎng)模塊的示意12為本發(fā)明的CAN模塊的示意13為本發(fā)明的其他通訊模塊的示意圖具體實施方式
實施例1如圖1和6～13所示，采用雙環(huán)冗余的風場通信網(wǎng)絡，包括有風機的控制器通訊和監(jiān)控站，風機之間組成風場環(huán)網(wǎng)，其特征在于該風場環(huán)網(wǎng)采用拓撲結構的雙環(huán)自愈策略的光纖環(huán)網(wǎng)，包括光纖通道數(shù)據(jù)編碼、通信協(xié)議、MCU模塊、以太網(wǎng)硬件模塊、光纖接口模塊、CAN模塊、其他通訊接口模塊、電源模塊；監(jiān)控站通過以太網(wǎng)硬件模塊直接遠程訪問每個風機的運行狀態(tài)；每個風機的通訊控制器通過光纖接口模塊連入風場的光纖環(huán)網(wǎng)，與其他的風機和主通訊控制器通訊；CAN模塊通過MCU模塊內部提供的雙CAN與風機的其他控制器通訊；MCU模塊把收到的通訊數(shù)據(jù)以及傳感器數(shù)據(jù)進行運算和判斷后，將數(shù)據(jù)和命令按照相應的通信協(xié)議由光纖接口模塊發(fā)送到風場環(huán)網(wǎng)中或者通過CAN模塊發(fā)送給本風機中的其他控制器。
因為風場所處的自然環(huán)境通常比較惡劣，所以采用了光纖通訊避免電磁干擾，同時采用了雙環(huán)冗余增強通訊的安全性。
當風場網(wǎng)絡發(fā)生故障或增刪節(jié)點時，所述MCU模塊采用雙環(huán)自愈策略構成新的環(huán)網(wǎng)，最大限度的保證風場網(wǎng)絡可用并發(fā)出報警信號；所述雙環(huán)自愈策略的運行機制分為兩種一種是單環(huán)運行，另一環(huán)處于備份狀態(tài)，僅在網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時構成自愈環(huán)；另一種是雙環(huán)同時運行。
當風場中某段通信線路發(fā)生故障時，采用雙環(huán)自愈策略使位于故障段以外的節(jié)點能夠自動構成新的環(huán)路，使風場通訊網(wǎng)絡在一個甚至多個節(jié)點發(fā)生故障時保證無故障網(wǎng)段的正常工作，同時還支持動態(tài)添加和刪除通訊節(jié)點。如圖4所示，為增加網(wǎng)絡節(jié)點的示意圖。MCU模塊包括有MCU硬件模塊和MCU軟件模塊。
其他通訊接口模塊提供了RS232/RS422/RS485這幾種常用的通訊接口，采集傳感器的數(shù)據(jù)并完成其他的通訊功能。
所述MCU硬件模塊采用FPGA模塊擴展兩路串口，并通過串口異步通信傳輸器件與光纖接口模塊相連。
所述FPGA模塊用于提供擴展兩個串口以及處理傳感器采集的數(shù)據(jù)。
所述MCU硬件模塊包括下載電路、EEPROM電路、靜態(tài)RAM電路和實時時鐘電路；下載電路支持OCDS和MEMTOOL下載，EEPROM電路用于擴展MCU的數(shù)據(jù)存儲空間，靜態(tài)RAM用于擴展存儲程序所需的參數(shù)，實時時鐘電路設置有連接電池的外部引腳。
部分傳感器的采集數(shù)據(jù)還以RS485等形式通過其他通訊模塊再傳給MCU模塊處理。
所述光纖通道數(shù)據(jù)編碼使各節(jié)點收發(fā)的數(shù)據(jù)被正確識別。
所述通信協(xié)議采用DNP3.0規(guī)范和生成樹算法。
所述以太網(wǎng)硬件模塊通過CP2200集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)、10Base-T物理層(PHY)和8KB非易失性FLASH存儲器。
所述雙環(huán)自愈策略的光纖環(huán)網(wǎng)由兩對光纖構成，通過光纖接口模塊實現(xiàn)異步串行信號與光纖傳輸信號的相互轉換。
所述電源模塊支持6.5V到10V的輸入電壓，并將輸入電壓轉換為MCU模塊和FPGA模塊的工作電壓，并具備系統(tǒng)電源復位。
實施例2雙環(huán)的運行機制有兩種一種是單環(huán)運行，另一環(huán)處于備份狀態(tài)，僅在網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時構成自愈環(huán)；另一種是雙環(huán)同時運行，如圖2所示，信號在A、B兩環(huán)上單獨傳輸，正常運行時，由雙環(huán)切換控制器選擇其中一個環(huán)傳輸信息，如果環(huán)路出現(xiàn)故障(如在圖2中K點光纖網(wǎng)被切斷)，則子站自動把接收到的信號切換到另一個環(huán)的發(fā)送端，A、B兩環(huán)重新構成環(huán)網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸。
實施例3當網(wǎng)絡的雙環(huán)都正常時，正反兩個光纖通道的數(shù)據(jù)各自獨立傳輸，互不影響，如圖3(a)所示。當右側接收不到工作時鐘進(右側節(jié)點故障或光纖故障)，則將左側所接收的數(shù)據(jù)環(huán)繞從左側發(fā)送出去，構成左側自環(huán)，如圖3(b)所示。反之，如果左側節(jié)點故障，則將右側接收的信息從右側發(fā)送出去，構成右側自環(huán)，如圖3(c)所示，保證從節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)總線能夠傳輸?shù)街鞴?jié)點，此時網(wǎng)絡工作于單環(huán)運行狀態(tài)。當故障區(qū)段的故障消除后，節(jié)點將自動恢復到如圖3(a)所示的雙環(huán)運行狀態(tài)。節(jié)點單元的光纖自愈控制由光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)點電路自動完成，無需MCU控制。
靈活接入的光通信終端不區(qū)分主從關系，任何通信終端都能進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中雙向傳輸，兩根光纖都能得到充分利用。同時，數(shù)據(jù)選擇最近的路徑進行傳輸，網(wǎng)絡中不存在數(shù)據(jù)的副本，減輕了每個通信終端的負擔。
實施例4光纖通道設計為同步工作方式，在光纖通道中傳輸?shù)拿恳粠?位組成。信息編碼格式如圖5所示。首先是一個幀起始標志位(1)，依次是IRIG-B通道、主通道、輔助通道，接下來是連續(xù)4位“0”，然后是下一幀的起始標起位。IRIG-B通道用于進行廣播方式全網(wǎng)對時，IRIG-B信息由主控節(jié)點發(fā)送，從節(jié)點同時接收。主通道用于問答式通信，從主通道發(fā)送的數(shù)據(jù)，主節(jié)點及所有從節(jié)點均能接收到。輔助通道用于從節(jié)點向主節(jié)點主動傳輸緊急數(shù)據(jù)和突發(fā)事件信息，以彌補主通道問答式通信方式響應速度方面的不足，提高通信子系統(tǒng)的響應速度。從節(jié)點在輔助通道發(fā)送的數(shù)據(jù)，只有主節(jié)點才能接收到。
在整個風場通信中采用DNP3.0規(guī)約，通過實現(xiàn)IEEE 802.1D協(xié)議中的生成樹(spanning tree)算法，使每個通信終端都將盡可能地選擇一條到根最近的路徑傳送數(shù)據(jù)，解決了廣播風暴問題。
在硬件實現(xiàn)上采用了16位單片機XC164實現(xiàn)控制邏輯。由于需要多路異步串行數(shù)據(jù)接口，使用了FPGA來進行擴展，同時負擔起對采集的數(shù)據(jù)進行簡單處理的功能。
為了能夠在光纖環(huán)網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)，使用了光纖接口模塊對異步串行數(shù)據(jù)進行轉換。同時使用異步通訊傳輸器，利用其FIFO模式，傳輸和接收前數(shù)據(jù)緩沖為16字節(jié)數(shù)據(jù)包，減了CPU的中斷數(shù)量，使得串行I/O更加可靠。
通過電源模塊對通訊控制器的電源輸入電壓進行轉換，分別滿足MCU和FPGA的要求，并且設計了復位電路實現(xiàn)系統(tǒng)復位功能。
權利要求
1.采用雙環(huán)冗余的風場通信網(wǎng)絡，包括有風機的控制器通訊和監(jiān)控站，風機之間組成風場環(huán)網(wǎng)，其特征在于該風場環(huán)網(wǎng)采用拓撲結構的雙環(huán)自愈策略的光纖環(huán)網(wǎng)，包括光纖通道數(shù)據(jù)編碼、通信協(xié)議、MCU模塊、以太網(wǎng)硬件模塊、光纖接口模塊、CAN模塊、其他通訊接口模塊、電源模塊；監(jiān)控站通過以太網(wǎng)硬件模塊直接遠程訪問每個風機的運行狀態(tài)；每個風機的通訊控制器通過光纖接口模塊連入風場的光纖環(huán)網(wǎng)，與其他的風機和主通訊控制器通訊；CAN模塊通過MCU硬件模塊內部提供的雙CAN與風機的其他控制器通訊；MCU模塊把收到的通訊數(shù)據(jù)以及傳感器數(shù)據(jù)進行運算和判斷后，將數(shù)據(jù)和命令按照相應的通信協(xié)議由光纖接口模塊發(fā)送到風場環(huán)網(wǎng)中或者通過CAN模塊發(fā)送給本風機中的其他控制器。
2.根據(jù)權利要求1所述采用雙環(huán)冗余的風場通信，其特征在于當風場網(wǎng)絡發(fā)生故障或增刪節(jié)點時，所述MCU模塊采用雙環(huán)自愈策略構成新的環(huán)網(wǎng)，最大限度的保證風場網(wǎng)絡可用并發(fā)出報警信號；所述雙環(huán)自愈策略的運行機制分為兩種一種是單環(huán)運行，另一環(huán)處于備份狀態(tài)，僅在網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時構成自愈環(huán)；另一種是雙環(huán)同時運行。
3.根據(jù)權利要求1所述采用雙環(huán)冗余的風場通信，其特征在于所述MCU硬件模塊采用FPGA模塊擴展兩路串口，并通過串口異步通信傳輸器件與光纖接口模塊相連。
4.根據(jù)權利要求3所述采用雙環(huán)冗余的風場通信，其特征在于所述FPGA模塊用于提供擴展兩個串口以及處理傳感器采集的數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權利要求1所述采用雙環(huán)冗余的風場通信，其特征在于所述MCU模塊包括下載電路、EEPROM電路、靜態(tài)RAM電路和實時時鐘電路；下載電路支持OCDS和MEMTOOL下載，EEPROM電路用于擴展MCU的數(shù)據(jù)存儲空間，靜態(tài)RAM用于擴展存儲程序所需的參數(shù)，實時時鐘電路設置有連接電池的外部引腳。
6.根據(jù)權利要求1所述采用雙環(huán)冗余的風場通信，其特征在于所述光纖通道數(shù)據(jù)編碼使各節(jié)點收發(fā)的數(shù)據(jù)被正確識別。
7.根據(jù)權利要求1所述采用雙環(huán)冗余的風場通信，其特征在于所述通信協(xié)議采用DNP3.0規(guī)范和生成樹算法。
8.根據(jù)權利要求1所述采用雙環(huán)冗余的風場通信，其特征在于所述以太網(wǎng)硬件模塊通過CP2200集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器MAC、10Base-T物理層PHY和8KB非易失性FLASH存儲器。
9.根據(jù)權利要求1所述采用雙環(huán)冗余的風場通信，其特征在于所述雙環(huán)自愈策略的光纖環(huán)網(wǎng)由兩對光纖構成，通過光纖接口模塊實現(xiàn)異步串行信號與光纖傳輸信號的相互轉換。
10.根據(jù)權利要求1所述采用雙環(huán)冗余的風場通信，其特征在于所述電源模塊支持6.5V到10V的輸入電壓，并將輸入電壓轉換為MCU模塊和FPGA模塊的工作電壓，并具備系統(tǒng)電源復位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用雙環(huán)冗余的風場通信網(wǎng)絡，包括風機的控制器通訊和監(jiān)控站，風機之間組成風場環(huán)網(wǎng)，其特征在于該風場環(huán)網(wǎng)采用拓撲結構的雙環(huán)自愈策略的光纖環(huán)網(wǎng)，包括光纖通道數(shù)據(jù)編碼、通信協(xié)議、MCU硬件模塊、以太網(wǎng)硬件模塊、光纖接口模塊、CAN模塊、其他通訊接口模塊、電源模塊；監(jiān)控站通過以太網(wǎng)硬件模塊直接遠程訪問每個風機的運行狀態(tài)；每個風機的通訊控制器通過光纖接口模塊連入風場的光纖環(huán)網(wǎng)，與其他風機和主通訊控制器通訊；CAN模塊通過MCU硬件模塊內部提供的雙CAN與風機的其他控制器通訊；MCU硬件模塊把收到的通訊數(shù)據(jù)以及傳感器數(shù)據(jù)進行運算和判斷后，將數(shù)據(jù)和命令按照相應的通信協(xié)議由光纖接口模塊發(fā)送到風場環(huán)網(wǎng)中或者通過CAN模塊發(fā)送給本風機中的其他控制器；本發(fā)明采用環(huán)型拓撲結構網(wǎng)絡，具有電纜長度短、適用于光纖、差錯傳輸?shù)葍?yōu)點；以光纖作為網(wǎng)絡傳輸介質，傳輸速率高、距離遠、抗電磁干擾能力強的特點；采用雙環(huán)網(wǎng)結構，實現(xiàn)網(wǎng)絡的自愈功能；在整個風場通信中采用DNP3.0規(guī)約，解決了廣播風暴問題。
文檔編號H04L12/28GK101079782SQ20071004938
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權日2007年6月27日
發(fā)明者尚小林, 劉啟飛, 陳建國, 曾斌 申請人:四川東方電氣自動控制工程有限公司