CN110647127B - 一种模块组合的电力过程控制装置及其初始化配置方法 - Google Patents

一种模块组合的电力过程控制装置及其初始化配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块组合的电力过程控制装置及其初始化配置方法，通过菊花链信号机制将电力过程控制装置中的电源模块、通信模块和各输入输出模块手拉手连接，从而逐一完成各模块的初始化和健康自检，并通过独立的同步信号实现各模块间的时间同步和CAN通信同步，从而实现按需配置的电力过程控制装置的自动开通配置，实现各输入输出模块的即插即用；同时实现了各模块间的无冲突CAN通信和各模块健康状态的实时监测，满足电力过程控制装置的高实时性和高可靠性的要求。

Description

一种模块组合的电力过程控制装置及其初始化配置方法
技术领域
本发明涉及电力过程控制装置领域，尤其涉及一种模块组合的电力过程控制装置。
背景技术
为便于业务配置，在电力过程控制单元中采用模块化组合结构，在电力过程控制单元中按需配置开入量模块、开出量模块和模拟量模块，各模块都是带CPU的独立的嵌入式系统，各模块之间通过CAN总线进行数据交互。
在CAN组网中，每个模块需要配置有唯一性的模块地址CAN ID作为通信的目标地址，由于是按需配置，开入量模块、开出量模块和模拟量模块在电力过程控制单元的槽位是不固定的，因此在生产过程中不能指定各模块的用于CAN通信的CAN ID，因此，在开通时需要手工配置开入量模块、开出量模块和模拟量模块的地址以实现模块间的通信。这给电力过程控制单元的开通配置带来不便。
同时由于电力过程控制单元涉及电网安全，要求高实时性和高可靠性，各模块需要进行CAN通信同步以避免出现通信冲突，同时需要实时监测电力过程控制单元的健康状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模块组合的电力过程控制装置及其初始化配置方法，可对各模块的模块地址CAN ID进行自动配置，实现各模块间的CAN通信同步，同时实现各模块健康状态的实时监测，以满足电力过程控制装置的高实时性和高可靠性的要求。
实现本发明目的的技术方案为：
一种模块组合的电力过程控制装置的初始化配置方法，所述电力过程控制装置包括电源模块、通信模块，并可配置多个输入输出模块，电源模块、通信模块和多个输入输出模块通过菊花链接口依次连接；
S1，在上电状态，电源模块产生菊花链信号，并发送给通信模块；
S2，当通信模块接收到菊花链信号时，进行初始化和健康自检；
S3，当通信模块的初始化和健康自检完成后，通信模块输出菊花链信号给与之手拉手连接的输入输出模块；进入S4；
S4，输入输出模块接收到菊花链信号和同步信号后，通过CAN总线与通信模块交互，从而被配置具有唯一性的模块地址；
S5，在输入输出模块完成模块地址的配置后，通信模块命令输入输出模块输出菊花链信号；
S6，输入输出模块接输出菊花链信号给与之连接的下一个输入输出模块；
S7，下一个输入输出模块执行步骤S4-S6，直至所有输入输出模块完成初始化和健康自检，各输入输出模块被配置具有唯一性的模块地址。
进一步的，所述S4包括步骤：
S41、从输入输出模块的内部存储器读取初始模块地址，并通过CAN总线将初始模块地址发送给通信模块；
S42、通信模块接收到该输入输出模块的信息，将该输入输出模块所对应的初始模块地址更新为具有唯一性的第二模块地址，并通过CAN总线将第二模块地址回送给输入输出模块；
S43、输入输出模块将第二模块地址写入输入输出模块的内部存储器，替代原初始模块地址；
S44，通信模块根据第二模块地址和输入输出模块通信，当输入输出模块的自检通过后，通信模块命令输入输出模块输出菊花链信号。
进一步的，在S3中，当通信模块的初始化和健康自检完成后，还输出同步信号给所有输入输出模块；在S4中，输入输出模块接收到同步信号，并通过同步信号实现和通信模块的CAN通信同步。
进一步的，所述同步信号被分割成多个时间片，包括通信模块时间片、输入输出模块时间片和初始化时间片；
所述通信模块配置有固定的模块地址和通信模块时间片；
所述输入输出模块在未配置第二模块地址前，通过初始化时间片和通信模块申请配置要求；
所述输入输出模块在初始化完成后，根据配置的第二模块地址绑定和通信模块进行CAN通信的输入输出模块时间片。
进一步的，所述通信模块时间片和输入输出模块时间片的长度大于CAN标准帧的长度；所述初始化时间片的长度大于申请配置要求的帧的长度。
一种模块组合的电力过程控制装置，包括电源模块、通信模块和多个输入输出模块；
所述电源模块设置有菊花链输出接口；所述通信模块和输入输出模块均设有控制器、同步接口、CAN总线接口和菊花链输入接口和菊花链输出接口；
所述通信模块和输入输出模块通过CAN总线进行数据通信，所述通信模块产生同步信号，所述同步信号用于通信模块和输入输出模块间的CAN通信同步及内部时钟同步；
所述电源模块、通信模块和输入输出模块通过菊花链结构手拉手连接；所述电源模块的菊花链输出接口和通信模块的菊花链输入接口连接，通信模块的菊花链输出接口和与之连接的输入输出模块的菊花链输入接口连接，所述输入输出模块的菊花链输出接口和与之连接的下一个输入输出模块的菊花链输入接口连接；所述电源模块产生菊花链信号，并发送给通信模块，通信模块在初始化和健康自检完成后输出菊花链信号给下一个的输入输出模块，各模块输出所述菊花链信号用于标识该模块已完成初始化和健康自检。
进一步的，所述电源模块输出的菊花链信号是通过硬件振荡电路产生PWM方波信号。
进一步的，所述通信模块或输入输出模块输出的菊花链信号是通过控制器通过定时器设定的自动运行的PWM方波信号。
进一步的，还包括有框体，所述框体的内部设置有背板，所述背板设置有CAN总线、同步连接线、菊花链连接线，所述电源模块、通信模块和输入输出模块通过背板实现各模块间的CAN总线连接、同步信号连接，和相邻模块间菊花链信号的手拉手连接。
本发明和现有技术相比，其显著特点为：
本发明的模块组合的电力过程控制装置及其初始化配置方法，通过增加菊花链机制和同步信号机制，实现电力过程控制装置的自动开通配置，实现各输入输出模块的即插即用，实现各模块间的CAN通信同步，同时实现各模块健康状态的实时监测，以满足电力过程控制装置的高实时性和高可靠性的要求。
附图说明
图1是本发明实施例的模块组合示意图；
图2是本发明实施例的菊花链连接示意图；
图3是本发明实施例的上电初始化流程图；
图4是本发明实施例的背板硬件接口示意图；
图5是CAN标准帧格式示意图；
图6是本发明实施例的同步信号时间片划分示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明公开了一种模块组合的电力过程控制装置的实施例，包括电源模块、通信模块、开入量模块、开出量模块和模拟量模块，其中的开入量模块、开出量模块和模拟量模块分别用于开入信号检测、开出信号控制和模拟信号(如电压、电流、温度等)检测。在该电力过程控制装置中，至少包括一个如开入量模块、开出量模块和模拟量模块等的输入输出模块。电力过程控制装置，是一种电力自动化设备，电力自动化设备对稳定性、可靠性要求非常高。针对不同应用，开入量模块、开出量模块和模拟量模块的参数规格不同，需要根据业务需求进行配置。在本实施例中，在电力过程控制装置采用模块化组合结构，按需配置开入量模块、开出量模块和模拟量模块。通信模块和输入输出模块均为带有CPU的嵌入式控制系统，模块间采用CAN总线数据通信，确切的说是通信模块通过CAN 2.0通信协议来采集各个模块，如开入量模块、开出量模块和模拟量模块的数据，CAN 2.0属于模块间的背板总线协议，通信模块、开入量模块、开出量模块和模拟量模块通过CAN总线连接。由于采用CAN总线通信，需要在本电力过程控制装置的初始化过程中对通信模块和各输入输出模块进行配置，给各输入输出模块配置具有唯一性的模块地址CAN ID。
因CAN半双工的，收发数据要分时进行。不管CAN网络上挂多少设备，在同一时刻只能有1个发送数据。如果有多个需要同时发送则只有优先级别高的先发送，其它等待。优选的，为保证CAN通信的实时性和高可靠性，需要避免各模块出现同时发送的情形，因此需要通过同步信号(SYNC)对各输入输出模块进行时间同步，将同步信号分割成多个时间片分配给各模块，从而保证在同一时刻只能有1个模块发送数据。
更明确的是，同步信号(SYNC)机制是更基础的信号，是各个输入输出模块和通信模块间的CAN通信的同步和协调规则，在此信号的指挥下，各个输入输出模块决定自己和通信模块的CAN通信的时间片。
菊花链(Daisy chain)通常用于设备的级联，在本实施例中，菊花链(Daisychain)信号是本电力过程控制装置的模块之间的握手信号，用于指示模块本身的健康状况，在本实施例中，菊花链信号还是通信模块、开入量模块、开出量模块和模拟量模块的启动初始化的输入信号。各模块通过各自的菊花链输入/输出接口依次连接(手拉手连接)，电源模块的菊花链输出接口和通信模块的菊花链输入接口连接，通信模块的菊花链输出接口和与之连接的输入输出模块的菊花链输入接口连接，当前输入输出模块的菊花链输出接口和下一个输入输出模块的菊花链输入接口连接。
上电初始化过程菊花链(Daisy chain)工作机理如图3所示。
如图1-3所示，本装置包括一模块组合，该模块组合由1个电源模块、1个通信模块和3个输入输出模块(具体包括1个开入量模块、1个开出量模块和1个模拟量模块)组成，组合配置描述文件(一个xml)存放在通信模块的内部flash中，描述文件xml里面包含有每个输入输出模块的模块地址CAN ID，通信模块会将模块地址CAN ID发给与之连接的每个输入输出模块，每个输入输出模块的内部Flash存储器存储有自身的模块地址CAN ID。
在本实施例中，本装置通过菊花链依次连接电源模块、通信模块、开入量模块、开出量模块和模拟量模块；本装置的上电初始化过程如图4所示，包括以下步骤：
1、电源模块上电后产生菊花链信号，发送给通信模块；
2、通信模块接收到菊花链信号，开始初始化和健康自检，当通信模块完成初始化及健康自检后，输出菊花链信号给与之连接的开入量模块；
3、开入量模块接收到菊花链信号，开始初始化和健康自检，在初始化过程中完成模块地址的更新，开入量模块的模块地址更新包括执行以下动作：
(1)开入量模块从内部Flash存储器中读取自己的CAN ID，并通过背板的CAN总线把自己的CAN ID传送给通信模块；
(2)通信模块更新设备库中的开入量模块的CAN ID，并通过背板CAN总线将CAN ID回送给开入量模块；
(3)开入量模块更新内部Flash存储器中的CAN ID。
通过该操作，开入量模块被配置了一个具有唯一性的模块地址CAN ID。
根据该具有唯一性的模块地址和同步信号，开入量模块实现和通信模块的时间同步，并在同步周期内，被绑定了一个具有唯一性的时间片，开入量模块仅在该时间片内发送数据。
4、开出量模块接收到开入量模块输出的菊花链信号，同理，通信模块更新设备库中的开出量模块的CAN ID，开出量模块更新内部Flash存储器中的CAN ID。
5、模拟量模块接收到开出量模块输出的菊花链信号，同理，通信模块更新设备库中的模拟量模块的CAN ID，模拟量模块更新内部Flash存储器中的CAN ID。
菊花链(Daisy chain)信号:
具体的说，该菊花链信号是PWM方波信号，电源模块通过硬件振荡电路产生PWM方波信号；通信模块或输入输出模块所释放的菊花链信号是在各模块初始化和自检成功后由各模块的CPU产生并输出，更具体的说，是由CPU设置好的定时器产生的自由运行PWM信号。
同时通过菊花链(Daisy chain)可以知道它的上一个模块的健康状况和配置情况。PWM方波信号为主动信号，当模块的CPU运行异常时，则无法稳定输出PWM方波信号，当一个模块接收到异常的菊花链信号时，即可判断上一个模块出现异常，该模块需要向通信模块上报前一模块状态异常信息。
模块地址的编址说明
在本实施例中，电力过程控制装置中模块组合的模块编址方法，以图1的组合为例，为了简单说明起见简化成表1
Figure BDA0002237551530000081
模块编址是以通信模块为参考，模块从左到右的组合中，通信模块被定义为第一个模块，它的地址是0，它左边的电源模块地址是-1，其它模块的地址如上表所示，一个组合一旦确定后，这些地址信息需要下载到通信模块，并存放到通信模块的文件系统，通信模块也会通过CAN总线对其它模块的CAN ID进行改写。这些CAN ID在整个组合上电初始化的时候均需要通过菊花链初始化过程跟通信模块进行校验，如果增加一个模块，需要更新该模块的CAN ID，不然新增加的模块不能正常工作。
同步信号(SYNC)：
同步信号(SYNC)由通信模块CPU产生，其它模块被动接受，在本实施例中，它是一个1kHz的脉冲方波(周期1毫秒ms)，脉冲方波的低电平宽度为100μs的。
CAN通信与同步信号(SYNC)：
在本实施例中，CAN通信使用的标准帧格式如图5所示，CAN总线的运行速率1Mbit/s,那么理论传输1bit(位)需要1微秒(μs)，一帧的长度为115位，传输一帧需要115μs,150μs为一个时间片可以满足传输要求。
为了避免通信CAN总线冲突，整个模块组合里面某个150μs时间片里面只能有一个模块在使用CAN总线进行传输数据。如上文中图1的模块组合，共包括一个通信模块和3个输入输出模块，所有模块完成CAN通信需要600μs<1ms(1000μs),在一个同步信号(SYNC)的周期内可以让所有模块一个接一个按顺序各传输一帧CAN报文，而且不会造成总线冲突。
把同步信号(SYNC)按150μs划成时间片如图6，图6中假设有5个输入输出模块，每个150μs内只能有一个模块使用CAN总线，模块1在0-150μs传输它的数据，模块2在151-300μs传输它的数据，以此类推。下一个1ms同步信号周期，又从模块1开始、模块2，如此循环。
其中，TSX(X＝1-5)为开入量模块、开出量模块、模拟量模块时间片；TSL为通信模块时间片；TSD为新增模块时间片，在新增模块没有配置分配模块编址(地址)前，新增模块只能以默认地址跟通信模块申请配置要求，那样通信模块就可以知道有新模块加入。同步信号的周期依本控制装置所支持的最大输入输出模块数而定，以保证每个输入输出模块均分配有独立的时间片。
通过菊花链信号机制和同步信号机制，本控制装置的CAN总线通信采用严格的时分复用的方式，无需进行总线仲裁，保证通信模块和其它输入输出模块的通信时间，避免通信CAN总线冲突，从而实现通信的高可靠性。
在本实施例中，为实现各模块间的连接，本电力过程控制装置采用机框式结构，包括框体、背板，从而形成多个安装槽位。电源模块、通信模块和输入输出模块是以模块化方式安装于框体内，通过背板连接。除电源模块和模块固定设置在框体的前两个槽位，各输入输出模块一个接一个地安装在通信模块之后，各模块和背板的硬件接口是一个统一的接口，模块与背板之间通过插针和插座对接，如图3所示，包括以下信号：
CAN_H:CAN 2.0总线控制器高信号线；
CAN_L:CAN 2.0总线控制器低信号线；
GND:电源地线；
VCC:电源直流12V；
Daisy in:菊花链输入信号线；
Daisy out:菊花链输出信号线；
SYNC:同步信号。
在背板上，相邻的两个模块，前一个模块(以电源模块为第一个模块)的Daisy out和后一个模块的Daisy in连接，其它同标记的信号线均为直连，如图2所示。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模块组合的电力过程控制装置的初始化配置方法，其特征在于：所述电力过程控制装置包括电源模块、通信模块，并配置多个输入输出模块，所述电源模块、通信模块和多个输入输出模块通过菊花链接口依次连接；
S1，在上电状态，电源模块产生菊花链信号，并发送给通信模块；
S2，当通信模块接收到菊花链信号时，进行初始化和健康自检；
S3，当通信模块的初始化和健康自检完成后，通信模块输出菊花链信号给与之手拉手连接的输入输出模块；进入S4；
S4，输入输出模块接收到菊花链信号后，通过CAN总线与通信模块交互，从而被配置具有唯一性的模块地址；
S5，在输入输出模块完成模块地址的配置后，通信模块命令输入输出模块输出菊花链信号；
S6，输入输出模块输出菊花链信号给与之连接的下一个输入输出模块；
S7，下一个输入输出模块执行步骤S4-S6，直至所有输入输出模块完成初始化和健康自检，各输入输出模块被配置具有唯一性的模块地址；
其中，所述S4包括步骤：
S41、从输入输出模块的内部存储器读取初始模块地址，并通过CAN总线将初始模块地址发送给通信模块；
S42、通信模块接收到该输入输出模块的信息，将该输入输出模块所对应的初始模块地址更新为具有唯一性的第二模块地址，并通过CAN总线将第二模块地址回送给输入输出模块；
S43、输入输出模块将第二模块地址写入输入输出模块的内部存储器，替代原初始模块地址；
S44，通信模块根据第二模块地址和输入输出模块通信，当输入输出模块的自检通过后，通信模块命令输入输出模块输出菊花链信号。
2.如权利要求1所述的模块组合的电力过程控制装置的初始化配置方法，其特征在于：在S3中，当通信模块的初始化和健康自检完成后，还输出同步信号给所有输入输出模块；在S4中，输入输出模块接收到同步信号，并通过同步信号实现和通信模块的CAN通信同步。
3.如权利要求2所述的模块组合的电力过程控制装置的初始化配置方法，其特征在于：所述同步信号被分割成多个时间片，包括通信模块时间片、输入输出模块时间片和初始化时间片；
所述通信模块配置有固定的模块地址和通信模块时间片；
所述输入输出模块在未配置第二模块地址前，通过初始化时间片和通信模块申请配置要求；
所述输入输出模块在初始化完成后，根据配置的第二模块地址绑定和通信模块进行CAN通信的输入输出模块时间片。
4.如权利要求3所述的模块组合的电力过程控制装置的初始化配置方法，其特征在于：所述通信模块时间片和输入输出模块时间片的长度大于CAN标准帧的长度；所述初始化时间片的长度大于申请配置要求的帧的长度。
5.一种模块组合的电力过程控制装置，其特征在于，包括电源模块、通信模块和多个输入输出模块；
所述电源模块设置有菊花链输出接口；所述通信模块和输入输出模块均设有控制器、同步接口、CAN总线接口和菊花链输入接口和菊花链输出接口；
所述通信模块和输入输出模块通过CAN总线进行数据通信；所述同步接口用于传送同步信号；所述通信模块产生同步信号，所述同步信号用于通信模块和输入输出模块间的CAN通信同步及内部时钟同步；
所述电源模块、通信模块和输入输出模块通过菊花链结构手拉手连接；所述电源模块的菊花链输出接口和通信模块的菊花链输入接口连接，通信模块的菊花链输出接口和与之连接的输入输出模块的菊花链输入接口连接，所述输入输出模块的菊花链输出接口和与之连接的下一个输入输出模块的菊花链输入接口连接；所述电源模块产生菊花链信号，并发送给通信模块，通信模块在初始化和健康自检完成后输出菊花链信号给下一个的输入输出模块，各模块输出所述菊花链信号用于标识该模块已完成初始化和健康自检；
所述模块组合的电力过程控制装置执行如权利要求1-4任一项所述的模块组合的电力过程控制装置的初始化配置方法。
6.如权利要求5所述的模块组合的电力过程控制装置，其特征在于：所述电源模块输出的菊花链信号是通过硬件振荡电路产生PWM方波信号。
7.如权利要求5所述的模块组合的电力过程控制装置，其特征在于：所述通信模块或输入输出模块输出的菊花链信号是通过控制器通过定时器设定的自动运行的PWM方波信号。
8.如权利要求5所述的模块组合的电力过程控制装置，其特征在于：还包括有框体，所述框体的内部设置有背板，所述背板设置有CAN总线、同步连接线、菊花链连接线，所述电源模块、通信模块和输入输出模块通过背板实现各模块间的CAN总线连接、同步信号连接，和相邻模块间菊花链信号的手拉手连接。
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Denomination of invention: A modular power process control device and its initialization configuration method

Effective date of registration: 20220713

Granted publication date: 20210511

Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Xiamen branch

Pledgor: XIAMEN GREATER ELECTRIC AUTOMATION Co.,Ltd.

Registration number: Y2022110000155

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