光纤环形通讯实现多机并机冗余系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤网络领域，具体涉及光纤环形通讯实现多机并机冗余系统及方法。

背景技术

大功率电力电子控制系统中，由于单台机器内部功率单元有限，导致输出功率有限，想要获取更大的功率，需要多台单机机器内部的功率单元组成并联或串联网络，则该系统就能输出更大的功率。

一般应用场合中，如果大功率电力电子控制系统中，任何一台设备发生故障，该故障信息将被汇总到系统中控制单元，控制系统将关闭系统中所有的功率单元，最终关闭系统的功率输出，之后只有系统中的故障设备的故障被解决了，该系统才能被正常使用。而在一些特殊的应用场合中，需要大功率电子控制系统具有较高的可靠性，因此要求该系统在运行过程中，在部分功率单元故障的情况下，该系统仍然具备持续输出的能力，也就是当某台或某几台机器故障时，故障设备会自动关闭功率输出，同时该系统能够识别到故障设备产生的故障，同时还需要系统中正常运行的设备能够及时将退出的关闭输出的机器的功率分摊到正常运行并正在输出的机器上，保证系统正常输出，减少系统停运次数和维护成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有双通道电源技术的不足，提供一种光纤环形通讯实现多机并机冗余系统及方法，相较于现有技术，本发明利用光纤网络将单机组成系统，网络中任何机器故障后，整个系统不关闭情况下，动态调整保证系统继续正常工作，系统中正常运行的机器，会根据总有效节点数，总的目标设定值和总共的电流，及时调整自己的输出，用以补足故障机器损失的部分。

本发明公开的光纤环形通讯实现多机并机冗余系统，包括主节点和从节点，所述的主节点和从节点通过光纤相互连接，组成光纤环形网络系统，系统中每个节点包括光纤接收单元、光纤发送单元和功率单元，当系统正常运行时，每个节点的功率单元输出的目标值=总设定值S/总节点数M，当系统中部分节点出现故障时，系统中正常节点立即重新分摊故障节点输出的功率部分，每个节点的功率单元输出的目标值=总设定值S/总有效节点数N，每个节点接收前一个节点发送有效节点数字段值x[n]叠加本节点有效节点数c[n]后发送有效节点数字段值x[n]+c[n]，获取总有效节点数N=x[n+1]-x[n]，x[n+1]为第n+1次接收的有效节点数字段值，x[n]为第n次接收的有效节点数字段值。

所述光纤环形网络系统，由所述的主节点的光纤发送接口连接一个从节点的光纤接收接口，所述的从节点之间的光纤收发接口依次连接，直至连接最后一个从节点的光纤接收接口，所述的最后一个从节点的光纤发送接口连接主节点的光纤接口，最终组成单向环形网络。

当所述单向环形网络系统正常运行时，每个节点功率单元正常输出，当节点发生故障时，该节点功率单元的故障将报给本节点的控制单元，控制单元关闭功率单元，故障节点控制单元立即更新本节点的数据到光纤网络中，故障节点的其他单元继续保持运行。

所述光纤环形网络不限于单向环形网络，还可以采用双环网络，分为外环和内环，两个环可以单独使用也可以同时使用。

光纤环形通讯实现多机并机冗余方法，由主节点和从节点构成，所述的主节点和从节点通过光纤相互连接，包括以下步骤：

步骤1，主节点定时发送光纤报文，所述的光纤报文包含主节点发送的目标设定值；

步骤2，主节点将本机有效节点数上传到光纤报文，光纤报文将上传的本机有效节点数叠加到当前接收报文的有效节点数字段数据中，作为最新有效节点数字段数据发送给下一个从节点；

步骤3，从节点接收报文，获取主节点发送的目标设定值，并上传更新本机有效节点数；

步骤4，光纤报文将上传的从节点的本机有效节点数叠加到当前接收报文的有效节点数字段数据中，更新并转发报文到下一个从节点，同时解析报文，将当前接收报文中的有效节点数字段数据减去本机前一次接收报文中的有效节点数字段数据，获取网络中总有效节点数；

步骤5，依次类推，最后一个从节点上传本机有效节点数，光纤报文将最后一个从节点的本机有效节点数叠加到当前接收报文的有效节点数字段数据中，更新并转发报文给主节点，主节点接收报文并解析报文，将当前接收报文中的有效节点数字段数据减去本机前一次接收报文中的有效节点数字段数据，计算总有效节点数，传输给控制单元，控制调整输出。

每个所述的节点控制单元实时监控功率单元的运行状态，功率单元运行正常时，本节点的有效节点数等于1，功率单元发生异常时，控制单元立刻关闭本节点的功率单元输出，再将故障信息报给控制单元，控制单元将本机的有效节点数由1变成0，更新到光纤报文中。

所述光纤报文中包含从节点只接收的设定值和ON/OFF数据，此部分数据从节点只接收转发并不更新，从节点使用设定值作控制使用，使用ON/OFF数据打开和关闭从节点的功率单元。

所述光纤报文还包括电流，报文将主节点上传的本机电流字段数据发送给下一个从节点，从节点接收报文并上传本机电流，光纤报文将上传的从节点的本机电流叠加到当前接收报文的电流字段数据中，并转发报文到下一个从节点，同时解析报文，将当前接收报文中的电流字段数据减去前一次接收报文中的电流字段数据以获取网络中总电流。

当采用双环网络系统时，外环的每个节点是内环的主控节点，外环中一个节点是外环的主控节点，内环和环同时使用时，处理方法与单向环形网络类似。

本发明技术方案带来的有益效果有：

1、本发明利用光纤网络将单机组成系统，网络中任何单机故障后，整个系统不关闭情况下，动态调整保证系统继续正常工作。

2、本发明系统中正常运行的机器，将根据总有效节点数、总的目标设定值和总共的电流，及时调整本机的输出，用以补足故障机器损失的部分。

附图说明

图1为本发明由单机组成的单向环形网络示意图。

图2为本发明的从节点功率单元发生故障时的单机工作示意图。

图3为本发明的主节点/从节点报文更新和发送示意图。

图4为本发明的节点故障时动态数据变化示意图。

图5为本发明的电流/有效节点数据处理示意图。

图6为本发明的汇总电流计算过程示意图。

图7为本发明的所有节点正常时总节点数计算(以3台机器为例)示意图。

图8为本发明的某一节点失效时总节点数计算（以3台机器为例，第2台机器出现故障）示意图。

图9为本发明的双环网络示意图。

实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1和2所示，本发明公开了光纤环形通讯实现多机并机冗余系统，该系统内部由主节点和多个从节点构成，主节点和从节点通过光纤互相连接，主节点的光纤发送接口连接从节点1的光纤接收接口，从节点1的光纤发送接口连接从节点2的光纤接收接口，依次类推，从节点n-1的光纤发送接口连接最后一个从节点n的光纤接收接口，从节点n的光纤发送接口连接主节点光纤接口，最终组成一个单向环形网络系统。

网络系统中每个节点为一个单机（在工程中，也可称单机为模块或模组），由控制单元、采样单元、光纤收发单元和功率单元组成。系统运行正常无故障情况下，每个节点功率单元正常输出，如果一台节点单机功率单元发生故障，该节点功率单元的故障将汇报给控制单元，控制单元关闭功率单元，但故障单机的控制单元、采样单元和光纤收发单元仍继续保持运行。故障单机控制单元需立即更新本机的数据到光纤网络中，以便系统中其它节点能实时地了解故障节点的变化，以便网络中正常节点根据系统变化及时调整，保证系统正常运行。

如图3和4所示，本发明公开的光纤环形通讯实现多机并机冗余方法，利用了光纤网络中的报文传输技术，将光纤报文设计为包含设定值、ON/OFF、电流和有效节点数，具体包括以下步骤：

步骤1，主节点定时发送光纤报文，所述的光纤报文包含主节点发送的目标设定值；

步骤2，主节点将本机电流和本机有效节点数上传到光纤报文，光纤报文将上传的本机电流和本机有效节点数叠加到当前接收报文的电流字段数据和有效节点数字段数据中，作为最新的电流字段数据和有效节点数字段数据发送给下一个从节点；

步骤3，从节点接收报文，获取主节点发送的目标设定值，并上传更新本机电流和本机有效节点数；

步骤4，光纤报文将上传的从节点的本机电流和本机有效节点数叠加到当前接收报文的电流字段数据和有效节点数字段数据中，更新并转发报文到下一个从节点，同时解析报文，将当前接收报文中的电流字段数据减去本机前一次接收报文中的电流字段数据以获取网路中总电流，将当前接收报文中的有效节点数字段数据减去本机前一次接收报文中的有效节点数字段数据以获取网络中总有效节点数；

步骤5，依次类推，最后一个从节点上传本机电流和本机有效节点数，光纤报文将最后一个从节点的本机电流和本机有效节点数叠加到当前接收报文的电流和有效节点数字段数据中，更新并转发报文给主节点，主节点接收并解析报文，同时将当前接收报文中的电流字段数据和有效节点数字段数据对应减去本机前一次接收报文中的电流字段数据和有效节点数字段数据，获取总电流和总有效节点数，传送给控制系统，控制调整输出。

本方案中，光纤报文包含从节点只接收的设定值和ON/OFF数据，此部分数据从节点只接收转发并不更新，从节点使用设定值作控制使用，使用ON/OFF数据打开和关闭从节点的功率单元，以保障与主机同步。而另一部分数据，即电流和有效节点数，主节点和从节点使用本机电流和本机有效节点数实时地叠加到当前接收报文的电流和有效节点数字段中，更新后再发送报文给下一节点，使每个节点都能获取网络中的任何节点变化。每个节点从光纤中获取系统的总电流及总有效节点数，送给控制系统，用于控制，调整输出。

如图4所示，每台单机的控制单元实时监控本机的功率单元运行状态，功率单元运行正常时，本节点的有效节点个数等于1，节点更新的本机电流为本机实际输出的电流值；如果功率单元发生异常，控制单元立刻关闭本节点的功率单元输出，再将故障信息报给控制单元，控制单元将本机的有效节点个数由1变成0，由于本节点的功率单元关闭，所以节点更新的本机电流也就变成了0，将其更新到光纤报文中。以系统中设有三台单机为例，图7示出了所有节点正常时总节点数计算过程示意图，图8示出了有一节点失效时总节点数计算过程示意图。光纤报文实时地反映网络中各节点的电流和有效节点数，以便于网络中任何一个节点也将实时地能监控到有效节点数的变化和总电流的变化。

如图5所示，本机电流c[n] 接收前一个节点发送电流字段值x[n] 后发送电流字段值x[n]+c[n]，本机电流c[n]可通过采样单元获得。以计算系统中的电流为例，图6示出了汇总电流计算过程，总电流=x[n+1]-x[n]，x[n+1]为第n+1次接收的电流字段值，x[n]为第n次接收的电流字段值。有效节点数在光纤中传输及总有效节点数的计算与电流机制相同，有效节点数c[n] 接收前一个节点发送有效节点数字段值x[n] 后发送有效节点数字段值x[n]+c[n]，如果本机正常运行，有效节点数c[n]等于1，如果本机出现故障，有效节点数c[n]等于0。结合图7，总有效节点数N=x[n+1]-x[n]，x[n+1]为第n+1次接收的有效节点数字段值，x[n]为第n次接收的有效节点数字段值。

本方案中，假设系统总节点数M，无节点故障，此时，系统中的总有效节点数即为总节点数M，系统的总设定值为S，那么每个节点功率单元需要输出的目标值=总设定值S/总节点数M，当系统中部分节点出现故障，导致部分节点功率单元退出关闭，那么系统中正常节点就需要立即重新分摊退出节点输出功率部分，相应地系统中有效节点数也会立即变化，任何节点获取的总有效节点数N，那么每个节点需要输出的功率数=总设定值S/总有效节点数N，这时每个节点输出的功率增加了，各个节点增加的和（即总输出增加量）就是故障节点需要输出的功率。计算公式推算：

节点故障前，每个节点输出量=S/M；

节点故障后，每个节点输出值=S/N；

节点故障后，每个节点输出增加量= S/N-S/M=S*(M-N)/[M*N]；

节点故障后，总输出增加量=[S/N-S/M]*[N]= S*(M-N)/M=（S/M）*（M-N）=节点故障前，该些故障节点的总数出量。

例如: 总设定值100，总节点数10，总有效节点9。

故障前，每个节点输出量=100/10=10；

一个节点故障后，每个节点输出值=100/9=11.111111；

一个节点故障后，每个节点输出增加量=100/9-100/10=11.111111-10=1.111111；

一个节点故障后，总输出增加量=[1.111111]*[10-1]= 9.999999≈故障前，故障节点总输出量=（100/10）*（10-9）=10。

如上可知，光纤报文给出总的设定值，总设定值可以是并机系统的总功率设定值或（和）总电流设定值或（和）总电压设定值。实现冗余机制时，每个节点输出值=S/N=（S/M）*（M/N），故障后每个节点输出值等于故障前每个节点输出值乘以系数K= M/N，各单机根据有效节点计算出来的设定值及各单机获得的设定值是变的，随着有效节点数变化，因此，各单机计算的设定值是动态的，其响应快，延迟少。

进一步地，由于数据传输通过光纤节点有延迟，报文数据处理也需要时间，再加上控制模块对从光纤报文中获得的数据也有时间要求，所以单向光纤网络的节点有一定的限制，也因此限制了单环网络节点的个数。为解决该问题，本系统还可以采用两个环组成，分别为外环和内环，两个环可以分别单独使用，也可以同时使用外环和内环，当内环和环同时使用时，每个内环节点数可以相同也可以不同，处理方法与单环类似，如图9所示。该系统由单机并网组成的网络，使用双环，外环的每个节点是内环的主控节点，外环中第一个节点(或者外环中的某一个节点)是外环的主控节点，每个外环的从节点需要汇总本外环节点对应内环的状态和信息，同时接收外环报文并将内环信息更新到外环报文中，并转发报文到下一个外环节点，直至外环最后一个节点接收，并更新报文之后再转发报文到外环主控节点，外环主控节点就获取的整个网络的信息，外环主节点更新报文再定时发送整个环路信息给外环从机节点，从机节点同时向下一个外环节点和自己对应的内环节点转发并更新信息，直至网络中所有节点动态地获取整个环路信息和更新环路信息。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。