一种用于发电机扭振保护的异构通信冗余转速采集装置的制作方法

本发明涉及一种用于发电机扭振保护的异构通信冗余转速采集装置，属于工业自动控制。

背景技术：

1、发电机轴系扭振保护装置（torsional shaft oscillation protection，tsr），依赖实时转速采样数据完成轴系扭振幅值计算、疲劳累积评估、超限跳闸保护逻辑，转速采集链路的连续性与完整性直接决定扭振保护动作可靠性。当前主流扭振保护装置普遍采用多点低压差分信号（multipoint low-voltage differential signaling，mlvds）总线完成板间转速数据交互，mlvds凭借差分抗干扰、多点挂载、中高速传输特性，适配工业强电磁现场长背板、多模块互联场景，已成为扭振保护子系统的标准板间通信介质之一。

2、现有成熟方案中，扭振保护装置的转速采集单元多采用单路mlvds总线主从问答架构：由主控处理器作为主站，转速采集模件作为从站，主控模件按固定周期下发问询帧，转速采集模件被动回传转速采样数据，数据经由单一内部总线，如外设组件互连高速（peripheral component interconnect express，pcie）或以太网上传至主控单元完成扭振判据运算。部分高安全等级机组会配置独立备用采集板卡，通过硬件切换开关实现主备板卡轮换，以此提升容错能力；也有方案采用单总线热备方式，为主总线增设同规格备份mlvds线路，故障后软件切换链路实现冗余传输。

3、现有技术客观存在的技术缺陷：

4、1.单主总线架构容错边界窄，轮询链路异常易造成转速数据断帧

5、传统单路mlvds问答式轮询总线，依赖主站周期性问询触发数据上传，若工业现场电磁干扰、背板接触扰动导致单次轮询应答超时、重复问询拥堵，采集模件无法自主补发转速数据；扭振保护属于时序敏感型保护，1ms周期内少量数据缺失即会造成扭应力计算失真，现有方案仅能通过软件告警闭锁保护，无法实时补全丢失采样报文。

6、2.传统冗余方案硬件成本高，无法复用系统既有高速总线资源

7、现有总线冗余多采用新增独立备用mlvds线路、专属备用采集通道的同构冗余模式，需要额外布线、端口芯片与协议适配硬件，硬件开销与印制电路板（printed circuitboard，pcb）布局占用量显著提升。

8、3.采集数据上传通道同路径耦合，链路单点故障引发整体数据上传失效

9、常规方案中，主总线采集的转速数据统一经由单一pcie或单一以太网接口上传主控现场可编程门阵列（field programmable gate array，fpga）与主控处理器之间仅配置一类物理上传链路；若该板级接口硬件故障、驱动异常，即便前端总线采集正常，转速数据也无法送达扭振保护主控，形成前端采集正常、后端保护无数据的链路断点。

10、综上，现有扭振保护转速采集方案存在总线冗余硬件复用率低、板级上传通道单一链路异常数据补传机制缺失问题，难以兼顾低成本硬件复用、双物理通道隔离上传等需求，无法适配高等级扭振保护装置的连续采样安全要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于发电机扭振保护的异构通信冗余转速采集装置，通过协议不同的双总线异构冗余、双硬件逻辑控制电路实现总线故障的硬件级自主判定与同源数据并发上传，并通过协议不同的双物理链路上传数据，由主控处理器根据时序标签进行数据配对校验，解决现有单总线断帧、冗余成本高及上传通道单点失效的问题，实现全链路高可靠转速采集，提升扭振保护动作可靠性。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的。

3、本发明提供一种用于发电机扭振保护的异构通信冗余转速采集装置，包括主控模件和采集模件；所述主控模件和采集模件之间通过至少两条通信协议不同的板间通信总线连接，所述板间通信总线包括用于常态数据传输的第一总线以及用于冗余数据传输的第二总线；

4、所述采集模件包括第一硬件逻辑控制电路；所述第一硬件逻辑控制电路用于接收转速脉冲信号和外部同步对时信号，根据所述转速脉冲信号生成转速采样数据，并根据所述外部同步对时信号生成用于标识采样时刻的时序标签；以及，通过所述第一总线向所述主控模件发送携带所述时序标签的转速采样数据；所述第一硬件逻辑控制电路还用于监测所述第一总线的通信状态，当判定所述第一总线异常时，通过所述第二总线向所述主控模件发送携带相同所述时序标签的转速采样数据；

5、所述主控模件包括主控处理器和第二硬件逻辑控制电路，所述第二硬件逻辑控制电路桥接于所述第一总线、所述第二总线与所述主控处理器之间，且通过协议不同的第一传输通道和第二传输通道分别将来自所述第一总线和所述第二总线的数据上传至所述主控处理器；所述主控处理器用于接收所述第一传输通道和/或所述第二传输通道上传的数据，根据所述时序标签对不同传输通道上传的转速采样数据进行时序一致性配对校验，并将配对校验通过的转速采样数据输出至发电机扭振保护运算单元。

6、进一步地，所述第一总线为mlvds 异步串行总线，所述第二总线包括四路mlvds同步编码总线和/或can总线。

7、进一步地，所述mlvds 异步串行总线通过起止位实现帧同步；所述四路mlvds同步编码总线采用5b/4b 编码方式实现时钟同步传输；所述can总线遵循can2.0b标准帧协议，故障触发冗余传输时，所述第一硬件逻辑控制电路通过所述can总线发送仲裁帧，所述仲裁帧的标识符配置为所述板间通信总线中的最高优先级，且所述仲裁帧的载荷中包含故障状态字和所述时序标签。

8、进一步地，所述第一硬件逻辑控制电路判定所述第一总线异常的条件包括：在预设的超时阈值内未收到所述主控模件下发的查询转速报文，或在收到所述查询转速报文并发送回复报文后的预设时间窗口内再次收到所述主控模件下发的查询转速报文；其中，所述预设的超时阈值为所述采集模件的采样周期与固定延时的和。

9、进一步地，所述时序标签由所述第一硬件逻辑控制电路将所述外部同步对时信号的时基均匀分频为固定等份后生成的循环时序计数值；其中，所述外部同步对时信号为irig-b标准时间信号，所述采集模件通过独立于所述第一总线和所述第二总线的mlvds差分总线接收所述irig-b标准时间信号。

10、进一步地，所述第一硬件逻辑控制电路判定所述第一总线异常后，维持所述第一总线上的通信，同时启用所述第二总线上的并发冗余数据传输，所述第一总线和所述第二总线在同一采样周期内同步上传携带相同时序标签的转速采样数据。

11、进一步地，所述主控处理器上电后分配非缓存存储空间，并通过所述第二硬件逻辑控制电路和所述第一总线向所述第一硬件逻辑控制电路下发所述非缓存存储空间的地址信息，作为上行数据的dma传输目标地址；所述主控处理器还用于根据所述第一传输通道和所述第二传输通道的数据接收状态输出分级告警信号，当双通道同时失效时触发就地硬接点告警并输出故障定位码。

12、进一步地，所述第一传输通道为pcie总线，所述第二传输通道为gmac以太网总线；

13、所述第二硬件逻辑控制电路通过所述pcie总线以dma方式将来自所述第一总线的转速采样数据上传至所述非缓存存储空间；

14、所述第二硬件逻辑控制电路还用于同步将来自所述第一总线的转速采样数据缓存至所述gmac以太网总线中，以作为所述pcie总线传输数据的备份数据；

15、并且，当所述第一总线异常时，所述第二硬件逻辑控制电路通过所述gmac以太网总线将来自所述第二总线的转速采样数据上传至所述主控处理器。

16、进一步地，所述主控处理器优先读取所述pcie总线上传的数据，当所述pcie总线上的数据校验失败时，所述主控处理器调取所述gmac以太网总线缓存区的备份数据用于扭振保护运算。

17、进一步地，所述第一硬件逻辑控制电路还用于在判定所述第一总线恢复正常且持续预设数量的完整采样周期后，自动停止通过所述第二总线传输冗余转速采样数据。

18、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

19、1.有扭振保护装置多采用单路mlvds总线出现通信异常时，采集模件无法自主补发转速数据，导致采样断帧，因此本发明采用第一总线和第二总线两条独立的板间通信总线，且两条总线的通信协议不同，由于不同协议的总线对电磁干扰的敏感度、信号传输机制和故障模式存在差异，当第一总线因某种特定干扰出现通信异常时，第二总线因其协议差异而不受同类型干扰影响，仍可维持正常通信，使得两条总线不会因相同故障原因而同时失效，从物理层和协议层双重消除了单总线架构下的通信链路单点故障风险；

20、2.本发明将总线通信状态的监测与异常判定任务完全交由第一硬件逻辑控制电路独立完成，不依赖主控处理器的软件指令或中断响应；硬件逻辑电路以纳秒级的时间分辨率持续监测第一总线的通信状态，一旦判定异常，无需等待软件切换指令，直接在硬件层面并行启用第二总线，将携带相同时序标签的同源转速数据通过第二总线上传；由于第一总线和第二总线传输的是同一采样时刻的数据，且第二总线的启用由硬件逻辑并行触发而非串行切换，主控处理器接收到的两路数据在时间轴上完全对齐，不存在传统主备切换中因切换时延导致的数据断档或时序错位；

21、3.现有方案中，采集数据通常经由单一pcie或单一以太网接口上传至主控处理器，该单一物理通道一旦因硬件故障、驱动异常或接口接触不良而失效，即使前端总线采集完全正常，转速数据也无法送达扭振保护运算单元；本发明在第二硬件逻辑控制电路内部设置第一传输通道和第二传输通道两条协议不同的物理链路，将来自第一总线和第二总线的数据分别通过不同协议的通道上传至主控处理器；两条传输通道在物理层和协议层均相互独立，一条通道的失效不会影响另一条通道的数据传输，实现了从前端采集到后端处理的全链路无单点故障覆盖。