CN107210944A - 风能设备、风能设备通信系统和用于运行总线系统的方法 - Google Patents

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CN107210944A CN201680006994.5A CN201680006994A CN107210944A CN 107210944 A CN107210944 A CN 107210944A CN 201680006994 A CN201680006994 A CN 201680006994A CN 107210944 A CN107210944 A CN 107210944A
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Abstract

提出一种具有控制器局域网络通信系统(1000)的风能设备。风能设备的电气的和/或电子的部件与CAN节点(1100)耦合。通信系统(1000)具有多个CAN节点(1100)和至少一个CAN分配单元(1200)，所述CAN分配单元经由第一通信部段(1300)与多个CAN节点(1100)中的一个CAN节点耦合并且经由第二通信部段(1400)与至少一个另外的CAN分配单元(1200)耦合。CAN分配单元(1200)构成为：用于经由第一通信部段(1300)基于第一CAN协议执行数据通信，所述第一CAN协议是标准CAN协议；并且用于经由第二通信部段(1400)基于第二CAN协议执行数据通信，所述第二CAN协议与标准CAN协议不同。

Description

风能设备、风能设备通信系统和用于运行总线系统的方法
技术领域
本发明涉及一种风能设备和一种风能设备通信系统。
背景技术
风能设备具有多个电气的和电子的部件，所述部件必须彼此通信。所述通信例如能够通过设置数据总线来改善，其中各个电气的或电子的部件与用于数据通信的数据总线连接。
这种数据总线可以是(控制器局域网络)CAN总线，所述CAN总线被开发以使用在汽车领域中，也就是说用于较短的距离。因此，CAN总线必须被调整以使用在风能设备中。CAN总线国际标准化为ISO 11898。在ISO 11898中，确定用于调节总线铺设(仲裁)的机制和传输顺序(优先级)。
US 2012/193917 A1示出一种具有内部通信总线的风能设备，所述通信总线实现为CAN总线。
在优先权所基于的德国专利申请中，德国专利商标局提到下述文件：DE 10 2007011 835 A1；US 2014/0133350 A1；DE 101 00 343 A1和DE 600 04 035 T2。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种风能设备，所述风能设备能够实现在风能设备之内电气的或电子的部件的改善的通信。
所述目的通过根据权利要求1的风能设备实现。
根据本发明，风能设备设有控制器局域网络(CAN)通信系统。通信系统具有多个CAN节点，所述CAN节点能够经由通信系统彼此通信。CAN节点能够与风能设备的电气的或电子的部件耦合，所述部件必须与其他部件通信。CAN通信系统具有多个CAN分配单元，所述CAN分配单元经由第一通信部段与CAN节点耦合并且经由第二通信部段与另一CAN分配单元耦合。经由第一通信部段基于第一CAN协议进行数据通信，所述第一CAN协议基于标准CAN协议。经由第二通信部段基于第二CAN协议进行数据通信，所述第二CAN协议与标准协议不同。
根据本发明，提出一种CAN通信系统，其在本来的意义下不能实现总线系统，而是实现点对点的连接或通信。由此，能够提供修改或扩展CAN协议的可能性。
根据本发明的一个方面，第二CAN协议允许延迟到达的应答信号。根据本发明，这通过根据本发明的系统确保点对点的连接的方式能够实现。CAN分配单元一方面与CAN节点耦合而另一方面与其他CAN分配单元耦合，其他CAN分配单元又与CAN节点耦合。因此，第一CAN节点与第二CAN节点的通信，从第一CAN节点到第一CAN分配单元，从所述第一CAN分配单元到第二CAN分配单元以及从第二CAN分配单元到第二CAN节点进行。通过所述点对点连接能够确保，多个CAN节点不会同时访问该连接，如在总线系统中能进行那样。
根据本发明，CAN节点和CAN分配节点之间的连接是直接的点对点连接。在通过第二通信部段彼此耦合的两个CAN分配单元之间的连接同样是点对点连接。通过点对点连接能够实现根据本发明的优点，尤其能够实现在两个CAN节点之间经过较大距离的通信。根据本发明的通信系统还是有利的，因为可单独检查在通信系统中的每个点对点连接或每个支路或部段，使得能够可靠地且准确地定位出现的错误。此外，根据本发明，能够单独地设定用于每个通信支路或每个点对点连接的数据通信的波特率。由于与风能设备的各个元件耦合的节点是CAN节点，所以能够将标准化的模块用于通信。由此，与在专用的通信模块的情况下相比，这种通信模块的价格更低。
分配单元用作接口并且能够基于第一CAN协议通信以及另一方面基于第二CAN协议通信。与CAN节点的通信能够基于第一CAN协议进行并且与其他分配单元的通信能够经由第二CAN协议进行。第二CAN协议经过更长距离且在速度比第一CAN协议更高的情况下进行数据通信。第一CAN协议能够基于根据ISO 11898的标准CAN协议。
根据本发明的一个方面，第一通信部段可选地可以构成为CAN总线。
根据本发明的一个方面，在风能设备中的通信总线或通信系统实现为CAN通信系统，并且进一步匹配于风能设备的情况。在此，例如必须考虑，风能设备的塔能够达到高于100m的高度。此外，风能设备的转子叶片的长度例如也能够超过50m。在根据本发明的通信系统中，必须保证也能够遵守总线仲裁和传输顺序。
由于风能设备的大的伸展尺寸和连接到CAN通信系统上的各个电气的和电子的单元的不同的设置方式，在多次访问CAN通信系统的情况下会造成产生错误帧的情形。这种情形可能由于在CAN通信系统的伸展尺寸大的情况下信号传播时间之间的不利的相互关系以及由于多个用户的非同步的访问而产生。这尤其在随机地分包(Bündelung)不同用户的帧时在包的第一帧之后会出现。通信系统的伸展尺寸越大，则产生的所述错误帧越多。错误帧的数量同样随着通信系统的负荷变大而升高。
根据本发明的一个方面，风能设备设有控制器局域网络CAN通信系统。所述系统将CAN通信系统的通信结构划分为各个点对点连接。对于短的通信部段而言，根据ISO 11898标准进行CAN通信。对于长的通信部段而言，使用与标准ISO 11898协议不同的协议。由于在长的通信部段上形成长的点对点连接，能够进行标准CAN协议(ISO 11898)的简单的调整。适配的协议在每个光学的点对点连接上向下兼容根据ISO 11898的标准协议。
根据本发明的一个方面，长的部段光学地构成。适配的协议与标准ISO 11898协议的不同之处在于，两个参与的CAN分配单元接收延迟到达的应答信号。预先可经由被对方站反射的CAN数据的传播时间确定允许的延迟。CAN数据的明确的反射在光学的传输时是有利的，因为在此与标准化的电连接相反，在发送和接收线路之间不存在耦合。由此，如果对方站支持协议扩展，那么所有可光学地达到CAN分配单元中的一个CAN分配单元的CAN通信部段能够构成为长的部段。然而，在对方站构成为典型的CAN节点时，这并不起作用。
因此，风能设备设有CAN通信系统，所述CAN通信系统具有多个CAN节点，所述CAN节点经由CAN通信系统彼此通信。CAN通信系统具有多个CAN分配单元，所述CAN分配单元经由第一通信部段与CAN节点耦合并且经由第二通信部段与其他CAN分配单元耦合。经由第一通信部段基于标准CAN协议进行数据通信。经由第二通信部段基于与标准CAN协议不同的协议进行数据通信。
根据本发明的一个方面，第二通信部段的长度明显大于第一通信部段的长度。
根据本发明的另一方面，第二通信部段构成为光学连接，也就是说经由第二通信部段光学地进行数据通信。
根据本发明的另一方面，第二CAN协议允许延迟到达的应答信号。经由被对方站反射的CAN数据的传播时间能够确定允许的延迟。
根据本发明，提出一种CAN通信系统，其能够实现“总线”伸展尺寸的虚拟减小，以便能够实现在数据传输时更大的波特率。此外，“总线”访问被去耦，以便避免错误帧。此外，能够优化CAN节点或CAN端子的容量。可选地，能够实现对于每个CAN节点允许有单独的波特率。另一优点是对各个总线区段隔离的错误分析。至今为止，布线错误总是对于整个总线而言可觉察，这使错误诊断变得困难并且使可用性变差。
为此，根据本发明能够提出一种CAN分配单元，其能够实现自动识别连接的CAN节点的波特率、对CAN帧解码、产生应答信号、将CAN帧编码以及实现具有至少一帧长度的接收和发送缓冲。
本发明涉及一种风能设备，其具有多个电气的或电子的单元，所述单元经由CAN通信系统彼此通信。CAN总线是串行的现场总线，其在ISO 11898中被定义。
根据本发明的一个方面，根据本发明的CAN总线构成为多主机总线，其中每个用户允许自主地根据确定的机制占用总线。传输只要其以电的方式进行则经由具有95至140欧姆的波阻的双绞线进行。通过仲裁对总线进行访问，所述仲裁根据CSMA/CR法(载波侦听多址访问/冲突解决)工作。通过所述方法，由优先级机制解决多重访问或潜在的冲突。比特传输速度并不被固定地定义，并且能够由总线伸展尺寸和由此得出的信号传播时间确定。在比特窗(acknowledge-slot)之内可以进行逐帧的接收确认(应答)。在CAN总线上的数据传输根据OSSI层1和2(开放系统互联参考模型)定义。由于在风能设备中的CAN节点之间的明显的电势差(由于空间的伸展尺寸、更强的干扰场造成)，CAN总线优选基本上构成为光学的CAN总线。由于更强的电的和磁的干扰场，可预期有更高的位错误率，只要以电的方式进行传输。为此还可以提出比特传输率的降低。
其他设计方案是从属权利要求的主题。
附图说明
下面，参照附图详细阐述本发明的优点和实施例。
图1示出根据本发明的风能设备的示意图；
图2示出根据第一实施例的风能设备中的CAN总线的示意图；
图3示出根据第一实施例的风能设备的系统结构的示意图；
图4示出根据第一实施例的CAN通信系统的局部的示意性的方框图；
图5示出根据第三实施例的CAN分配单元的示意性的方框图；
图6示出根据本发明的第四实施例的CAN分配单元中的结构数据和帧识别的方框图；
图7示出根据第四实施例的CAN分配单元中的帧识别的示意性的方框图；
图8示出根据第四实施例的CAN分配单元中的发送单元的示意性的方框图；
图9示出根据第四实施例的CAN分配单元中的错误识别单元的示意性的方框图；以及
图10示出根据第五实施例的CAN分配单元的一部分的方框图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的风能设备的示意图。风能设备100具有塔102和在塔102上的吊舱104。塔102能够具有多个塔区段，所述塔区段彼此上下安置，以便构成塔102。在吊舱104上，设有空气动力学的转子106，其带有三个转子叶片200和导流罩110。在风能设备运行中，空气动力学的转子106被风置于转动运动中并进而也使发电机的转子或电枢转动，所述发电机直接或间接地与空气动力学的转子耦合。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。通过在各个转子叶片的转子叶根上的俯仰电机能够改变转子叶片200的俯仰角。
图2示出根据第一实施例的风能设备的CAN通信系统的示意图。根据本发明的通信系统1000具有多个CAN节点1100，所述CAN节点经由第一通信部段1300分别与CAN分配单元1200耦合。CAN节点能够与风能设备100的电气的或电子的部件1001耦合。各个CAN分配单元1200经由第二通信部段1400耦合。第一通信部段1300是具有小距离的通信部段并且能够构成为电气的或光学的通信部段。在第一通信部段上，在CAN节点1100和CAN分配单元1200之间的通信能够经由第一CAN协议进行。第一CAN协议能够是根据ISO 11898的标准CAN协议。在优选构成为光学连接的第二通信部段1400上，能够根据第二CAN协议进行数据通信，所述第二CAN协议不对应于标准协议，而是对应于修改的标准CAN协议，以便尽管伸展尺寸大仍然能够使用提高的/高的数据传输率。
根据本发明的通信系统在以电方式传输的情况下经由不同的传输法在各个用户之间传输数据。在此，在半双工模式下工作，使得在线路上总是只能够沿一个方向发送。在光学方式传输的情况下，经由分开的发送线路(Tx)和接收线路(Rx)进行传输。发送器监控总线，以便验证发送的数据并且识别：具有更高的优先级的另一用户是否将帧置于总线上。一旦具有更高的优先级的帧位于总线上，那么想要发送的用户必须阻止其数据，并且接收另一用户的具有更高优先级的帧的数据。作为用户的每个CAN节点都可以阻止其数据，直至总线空闲并且没有用户将具有更高的优先级的帧置于总线上。这适用于在CAN节点和CAN分配单元之间的第一通信部段中的通信。第一通信部段能够构成为CAN总线。
图3示出根据第一实施例的风能设备的系统架构的示意图。在图3中示出用于风能设备的塔的CAN分配单元1201、用于风能设备的吊舱的CAN分配单元1202、作为风能设备的吊舱的光学分配器的CAN分配单元1203和作为用于风能设备的转子的光学分配器的CAN分配单元1204。在各个CAN分配单元1201-1204之间经由第二通信部段1400并进而根据第二CAN协议进行通信。在用于塔的CAN分配单元1201上能够经由第一通信部段1300耦合有用于塔的控制单元1102。在用于吊舱的CAN分配单元1202上经由第一通信部段1300能够耦合有用于吊舱的控制单元1101。在用于吊舱的CAN分配单元1202上能够经由第一通信部段1300耦合有整流器控制单元1103。根据本发明，将所有由连接到CAN通信系统上的单元发送的帧经由CAN分配单元中的一个转发。因此，CAN分配单元不仅负责与其他CAN分配单元的通信，而且负责与直接连接在各个CAN分配单元上的控制单元的通信。
图4示出根据第一实施例的CAN通信系统的局部的示意的方框图。CAN节点1100经由CAN通信部段1300与CAN分配单元1200耦合。第一通信部段1300能够具有发送线路Tx和接收线路Rx。CAN节点1100能够具有CAN节点控制器1110、电收发器1140或(光学的)发送器1120和(光学的)接收器1130。CAN分配单元1200能够具有接口单元1210，其例如具有电收发器1220或具有(光学的)接收器1240和(光学的)发送器1220。此外，CAN分配单元1200具有开关单元1230以及错误识别和处理单元1260。借助于根据本发明的能够用作输入级的CAN分配单元1210能够设有连接的CAN节点1100的波特率的自动识别、CAN帧的解码、应答信号的产生、CAN帧的编码以及具有至少一个帧长度的接收和发送缓冲。
CAN节点1100能够具有CAN节点控制器1110以及要么具有电收发器1140要么替选地具有光学发送器1120和光学接收器1130。因此，CAN节点1100能够要么具有光学发送/接收模块或电发送/接收模块。光学发送器1120和光学接收器1130与CAN分配单元1200的光学接收器1240和光学发送器1220通信。CAN节点1100的电收发器1140经由电线路1301、1302与在CAN分配单元1200中的电收发器1220通信。光学接收器1240和光学传感器1250经由电接收线路eRx和电发送线路eTx与接口单元1210通信。
相应地，电收发器1220经由电接收线路eRx和电发送线路eTx与接口单元1210通信。
根据本发明的一个方面，当在另一方同样设有CAN分配单元时，能够根据第二CAN协议进行通信，其中该CAN分配单元能够根据第二CAN协议实现通信。
图5示出根据第三实施例的CAN分配单元的示意性的方框图。根据本发明，发送器和接收器能够在CAN分配单元1200的输入端和/或输出端上也集成在接口单元1210中。相应的接口输入单元1210能够具有边沿探测器(edge detector)1211、帧探测器1212、发送缓冲器1213、波特率发生器1214、应答发生器1215、帧解码器1216和发送缓冲器1217。开关单元1230能够具有优先级控制单元1231、状态控制单元1232和流控制单元1233。
接口1210能够具有帧识别单元1212、波特率识别单元1214a、波特率发生器1214、仲裁单元1218以及发送缓冲器和发送控制单元1219。根据本发明的一个方面，提出接口的管理的分散方式。由帧识别单元1212识别出的输入帧被直接复制到发送缓冲器1219中。在发送缓冲器1219中，能够确定帧的优先级并且能够将所述帧传送给相应地连接的用户。只有当应答信号被传送时，才发送随后发送的帧。作为输入缓冲器如下缓冲器是足够的，在所述缓冲器中能够接收完整的帧。由于将接收到的帧直接转发到发送缓冲器，输入单元能够更快地工作。在发送控制单元1219中，能够读取在帧中的标识符，以便确定帧的优先级。
图6示出根据本发明的第二实施例的CAN分配单元中的波特率和帧识别的方框图。在图6中，仅示出时钟脉冲处理(Taktaufbereitung)和时钟脉冲分配(Taktverteilung)。数据流被尽可能抽象化。将到来的信号在波特利率识别单元1214a中被分析。基于分析结果，在波特率发生器1214中合成新的时钟脉冲。借助于合成的时钟脉冲控制帧识别单元1212。将输入帧输送给仲裁单元1218。在帧识别单元1212中，识别输入帧。在波特率识别单元1214a中确定帧的波特率。在波特率识别单元1214a中，尤其能够确定在总线的第二部段即例如在光学连接上的波特率。在波特率发生器1212中，产生用于采样接收线路和发送线路的两个时钟脉冲。在已识别出波特率和产生时钟脉冲之后，能够进行帧识别单元1212的激活，以便根据波特时钟脉冲确定帧的有效数据。
如果成功地识别出帧，那么发送器能够传送应答信号，以便将帧标记为有效的帧。这些信息于是能够转发给连接的用户。
图7示出根据第二实施例的CAN分配单元中的帧识别的示意性的方框图。帧识别单元1212具有填充位滤波器1212a、第一状态机1212b和第二状态机1212c。经由输入线路Rx接收帧并且当成功地接收到帧时，经由发送线路Tx能够传送应答信号Ack。根据本发明的帧识别单元1212能够不仅识别根据CAN 2.0A的帧而且能够识别根据CAN2.0B的帧。填充位滤波器1212a设为用于位于数据流中的填充位。通过在开始帧识别之前移除这些填充位，帧识别能够设计得更简单。帧识别单元1212还构成为，用于将识别出的帧转送给其他端子。这通过第二状态机以及内部的总线进行，所述内部的总线设在帧识别单元1212和接收缓冲器1213之间。第一状态机1212b能够具有帧错误FE、活动的帧FA、帧数据FD和有效的帧FG，作为输出信号，这些帧从第一状态机传送给第二状态机。输出信号帧错误FF和帧活动FA能够被输出。
图8示出根据第三实施例的CAN分配单元中的发送单元的示意性的方框图。发送单元1219的状态自动装置FSM I接收由开关单元1230分配的帧并且能够将帧根据其优先级分类。接收到的帧能够缓存在缓冲器1217b中。先进先出存储器1217d用于管理在存储器1217b中的帧。状态自动装置FSM II 1217c检查：哪个帧具有最高的优先级，并且将具有最高优先级的帧发送给输出状态自动装置FSM III 1216a。状态自动装置FSM IV监控发送过程并且在成功的过程中将帧从缓冲器1217d中删除。否则，能够重复发送过程。
状态机1219a接收来自帧识别单元1212的数据并且能够将数据缓存在缓冲器1219b中。另一状态机1219c确定在缓冲器1219b中存储的帧的优先级并且从缓冲器1219b中读取具有最高优先级的帧。状态机1219d负责发送从缓冲器中提取的帧。
图9示出根据第四实施例的CAN分配单元中的错误识别单元的方框图。随后尤其要阐述在CAN分配单元中的错误的识别和处理。仲裁单元1218接收来自接收线路Rx的帧。将这些数据转发给帧识别单元1212，所述帧识别单元将应答信号Ack向回传送给仲裁单元1218。在帧识别单元1212中，识别帧并且如果存在错误F，将这传送给错误单元1218a。错误单元1218a于是将无应答信号kAck传送给帧识别单元1212，由此防止应答信号Ack的发送。错误单元1218a于是将信息“没有用户”kT传送给波特率识别部，所述波特率识别部将端口断开信号PA作为输出信号传送给帧识别单元1212并且传送给发送单元1219。错误单元1218k还传送发送停止SS信号或发送重复信号SW。作为可能的错误可以考虑位错误、填充位错误、CRC错误、形式错误或应答错误。在仲裁期间出现的位错误在仲裁单元1218中被识别出并且将这个信息转发给错误单元1218a。这导致，错误单元1218a中断发送过程。当刚好接收到帧时，错误单元1218a用于将无应答信号kAck发回。当在CRD和中出现错误时，这能够由帧识别单元1212转发给错误单元1218。
图10示出根据第五实施例的CAN分配单元的一部分的方框图。根据本发明的一个实施例，设有帧识别单元1212、波特率识别单元1214a、波特率发生器1214、仲裁单元1218和发送控制单元1219。此外，可以设有错误单元1218a和LED控制单元1218b。

Claims (9)

1.一种风能设备，其具有：
电气的和/或电子的部件(1001)；
控制器局域网络CAN通信系统(1000)，所述控制器局域网络CAN通信系统具有多个CAN节点(1100)和多个CAN分配单元(1200)，所述CAN分配单元经由第一通信部段(1300)与多个所述CAN节点(1100)中的一个CAN节点耦合并且经由第二通信部段(1400)与至少一个另外的CAN分配单元(1200)耦合，
其中所述CAN节点(1100)与所述电气的或电子的部件(1001)耦合，
其中所述CAN分配单元(1200)构成为，经由所述第一通信部段(1300)基于第一CAN协议执行数据通信，所述第一CAN协议是标准CAN协议，
其中所述CAN分配单元(1200)构成为，经由所述第二通信部段(1400)基于第二CAN协议执行数据通信，所述第二CAN协议与标准CAN协议不同。
2.根据权利要求1所述的风能设备，其中
至少所述第二通信部段(1400)构成为光学线路。
3.根据权利要求1或2所述的风能设备，其中
至少所述第二通信部段(1400)构成为点对点连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的风能设备，其中
在所述第二通信部段(1400)的两个端部上设有CAN分配单元(1200)。
5.根据权利要求1所述的风能设备，其中
所述第二通信部段(1400)的长度明显大于所述第一通信部段(1300)的长度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的风能设备，其中
所述CAN分配单元(1200)分别具有用于与所述CAN节点(1100)通信的CAN接口(1210)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的风能设备，其中
所述CAN接口(1210)分别具有帧识别单元(1212)、波特率识别单元(1214a)、波特率发生器(1214)和仲裁单元(1218)。
8.一种风能设备通信系统，其具有：
多个CAN节点(1100)，其与风能设备的电气的和/或电子的部件耦合；和
多个CAN分配单元(1200)，其经由第一通信部段(1300)与所述CAN节点(1100)耦合并且经由第二通信部段(1400)与另外的CAN分配单元(1200)耦合，
其中经由所述第一通信部段(1300)基于第一CAN协议进行数据通信，所述第一CAN协议是标准CAN协议，
其中经由所述第二通信部段(1400)基于第二CAN协议进行数据通信，所述第二CAN协议与标准CAN协议不同。
9.一种用于风能设备的电气的和/或电子的部件(1001)彼此间通信的方法，其中所述风能设备具有通信系统(1000)，所述通信系统具有多个CAN节点(1100)和多个CAN分配单元(1200)，所述方法具有如下步骤：
将所述电气的和/或电子的部件(1001)与CAN节点(1100)耦合；
将所述CAN分配单元(1200)经由第一通信部段(1300)与多个所述CAN节点(1100)中的一个CAN节点通信；
将所述CAN分配单元(1200)经由第二通信部段(1400)与至少一个另外的CAN分配单元(1200)通信，
其中经由所述第一通信部段基于第一CAN协议进行数据通信，所述第一CAN协议对应于CAN标准协议，并且
其中经由所述第二通信部段基于第二CAN协议进行数据通信，所述第二CAN协议与标准CAN协议不同。
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