MACH2系统CAN总线介绍及故障实例分析=胡多.doc

新职工转正技术报告MACH系统CAN总线介绍及故障实例分析实习指导 陈涛 宜昌超高压管理处 胡多【摘要】：MACH2系统中CAN总线用于数字信号量以及控制命令的传输，具有非常重要的作用。本文简要介绍了CAN总线，针对换流站现场CAN总线的连接方式以及几种类型CAN网的组成结构作了详细描述。介绍了hidraw软件中CAN网内信号查找方法，并通过现场故障实例的分析，介绍了CAN总线上节点（板卡）故障时故障查找及分析的基本方法。【关键词】：MACH2系统、CAN总线、hidraw1 引言电力系统二次设备之间传输的数据包括电压、电流等模拟信号以及开关量信号和控制保护信号，其中开关量信号以及控制保护信号通常流量不是很大（相对于模拟量信号），但需要保证很高的实时性和准确性，CAN总线可靠灵活高速的特点使其在这个领域上使用非常广泛。在MACH2系统中，CAN总线用于连接MACH2主机PCI板卡、I/O板卡并在这些板卡中实现数字信号量及控制命令的传输。了解MACH2系统CAN总线，对于换流站现场工作中控制系统方面故障的查找和分析有很大的帮助。2 CAN总线CAN（Controller Area Network）即控制器区域网络，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串口通信网络，是目前国际上应用最广泛的工业现场总线之一。与一般的总线相比，CAN总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性，同时也被认为是几种最有前途的现场总线之一。3 MACH2系统CAN总线现阶段换流站采用的控制保护系统（MACH2控制保护系统）由主机、分布式I/O、标准现场总线及标准LAN网接口组成，标准现场总线包括CAN总线和TDM总线。CAN总线在换流站中用于连接MACH2主机PCI板卡、I/O板卡并在这些板卡中实现数字信号量及控制命令的传输，它具有以下特点：(1)CAN总线冗余配置以实现控制保护系统的双重化。即CAN总线分为CAN1和CAN2，他们在软件和硬件上都是完全一样的，直流控制保护系统通过相互独立的CAN1和CAN2来实现其冗余结构；(2) 控制保护主机中PCI板卡与分布式I/O系统I/O板卡连接在一起组成CAN网，每个板卡均为CAN网中的一个节点。除PS873（RS870）和PS831板这些用于CAN总线扩展连接的板卡外，所有板卡均有一个固定唯一的CAN节点号。单个CAN网内节点号唯一，且节点号在1255之间，具体板卡的节点号可查看各换流站CAN总线Hidraw图或CAN总线表；(3) CAN总线可以实现点对点、一点对多点或广播式等几种通信方式；(4) CAN总线传输时间短，受干扰概率小。3.1 与CAN总线有关的几种主要板卡：(1) PS801(RS801)：高性能处理板，有2个CAN总线（CAN1和CAN2），用于MACH2系统中PCIA板（在极控制保护主机PCP中还用于PCIB和PCIC，由于PCP数据处理与总线的连接均较为复杂，故使用三块PS801板）；(2) PS820(RS820)：HDLC通讯管理板，有2个CAN总线，用于MACH2系统中PCIF板。PS820板用于HVDC远程控制，这种远程控制可以是系统A与系统B之间、极I与极II之间或站与站之间；(3) PS873(RS870)：总线扩展板，用于连接不同的RACK层的CAN节点或连接CAN节点至PCI板卡，使各RACK层板卡以及PCI板卡CAN总线连接在一起进行通讯；(4)PS831(RS831)：带HDLC通讯光纤接口的CAN/HDLC通讯桥，有2个CAN总线和2个HDLC通道，其中的2个HDLC控制器可以通过软件设置使之连接到CAN1或CAN2。屏柜之间CAN总线的连接就是通过PS831板实现的。3.2 CAN总线硬件连接的典型方式如图1所示，MACH2主机中的PCI板经过接口转换板与分布式I/O系统RACK1层首端PS873板相连，RACK1层末端PS873板与RACK2层末端PS873板相连，RACK2层首端PS873板再与RACK3层首端PS873板相连，由于每个RACK层各板卡CAN总线已经通过背板连接在一起，这样PCI板卡和I/O板卡CAN总线就全部连接在一起组成CAN网，在所有这些板卡之间均能实现数据的传输。图1 CAN总线硬件连接的典型方式若假设RACK3层有一块PS850板，PS850板是一块对开关进行监视和控制的板卡。此PS850板采集某一开关单相的分、合闸状态并经CAN总线传输给主机PCI板卡，再由PCI板卡传输给主CPU进行处理分析，同时开关的控制信号也可由主CPU传输给PCI板卡，再由PCI板卡经CAN总线传递给PS851板对开关进行分闸和合闸操作，这就是信号传递的一个最基本的过程。3.3 利用PS831板（RS831）实现不同系统之间的连接（以宜都换流站ACP1A、AFP1A/AFP1B和P1.PCP1A/P1.PCP1B为例）图2 ACP、AFP之间连接示意图如图2所示，RS831板有2个HDLC通道。交流控制保护主机ACP1A盘+1.H10.16位置的RS831板2个HDLC通道均连接至ACP1的CAN1总线上,其中HDLC1通过光纤接至交流滤波器主机AFP1A盘+1.H30.26位置的RS831板，HDLC2通过光纤接至P1.PCP1A盘+1.H5.4位置的RS831板（ACP1A与AFP1B、P1.PCP1B的连接与此类似）。这样通过RS831板的连接ACP、AFP以及PCP就能实现相互之间信号的传输。3.4 ACP CAN、AFP CAN、PCP CAN以及站CAN的介绍 宜都换流站CAN总线可分为ACP CAN、PCP CAN、BIPOLE CAN、STATION CAN和API and ASI CAN。其中不同的交流串有不同CAN总线接线方式，双极PCP的CAN总线接线方式一致。下面简要介绍ACP CAN、PCP CAN和站CAN这三种最主要的CAN网（以下三幅CAN总线图均对RACK层进行了简化，只画出了RACK层中用于CAN总线扩展的RS831板和RS870板，以便于对各系统之间的连接有更清晰的认识）。3.4.1 ACP CAN由于宜都换流站500kV交流场第一串分别接第一大组交流滤波器以及极I换流变，其CAN总线接线方式最具代表性（其他串的CAN总线只需要在第一串的CAN总线里删除其中AFP或PCP的部分即可），图3为第一串交流控制保护CAN总线图。图3 ACP1 CAN示意图如图3所示，ACP1A/1B与P1.PCP1A/1B、AFP1A/1B均为交叉连接，保证了单系统故障时另一系统能正常工作。ACP1A/1B的PCIA板和PCIF板虽然CAN总线未连接在一起，但由于PCI板卡本身可通过PCI总线进行数据通讯，故仍能实现相互的数据交换。以ACP和AFP为例，第一大组交流滤波器是由AFP1A/1B进行监视和控制的，而第一大组交流滤波器是挂在交流场第一串上，交流场第一串是由ACP1A/1B监视和控制的，因此AFP1A/1B必须通过ACP1A/1B来获取开关和刀闸的状态信量，AFP1A/1B的某些保护跳交流场开关也要通过ACP1A/1B来控制。所有这些数据的交换均是通过交叉连接的CAN总线来实现的。3.4.2 PCP CAN图4 PCP1 CAN示意图如图4所示，阀控单元VCA/VCB/VCC、ETCS、ERCS、CCP均交叉连接在PCP CAN上，ETCS、ERCS、CCP的A、B系统还通过RS832板互相监视。极I、极II直流场以及双极直流区域设备信息量通过DFT、BFT接入PCP CAN网。3.4.3 站CAN图5 STATION CAN示意图站CAN是较ACP CAN和PCP CAN更高一级的CAN总线，它将所有的ACP、AFP、PCP、LFL通过COM盘连接在一起。由于前面所述ETCS、ERCS等已接至PCP等CAN总线上，则相当于全站所有的控制保护系统CAN总线均通过站CAN连接在一起实现相互之间的数据交换和监视。3.5 HIDRAW软件图中CAN网内信号的查找方法 CAN总线是一种无主方式总线，任意节点均可在任意时刻主动向网络其他节点发送信息和接收CAN网内的信息，其传输方式分为点对点式和广播式。广播式是指以广播的方式发送，某一节点将信息传送到CAN网上而不指定信息传送目标节点，其他节点通过软件设置选择接收的CAN传输方式；点对点式是指指定数据源或目的节点的CAN传输方式。在HIDRAW软件图中查看CAN总线中传输的信号，若是同一系统内的信号传递，往往只需要点击HIDRAW图中的链接，一层一层向上查找即可；而不同控制系统之间通过CAN总线进行数据交换，在软件图中则是通过定义的功能块来实现，这时就必须了解各功能块的含义才能继续查找信号的来源。功能块上对下列信息进行了定义：(1) CAN bus：CAN总线类型，通常CAN1对应为A系统，CAN2对应为B系统；(2) Block no：数据块编号，是同一节点上发送和接收的不同信息的标识；(3) Source（数据源）或Dest（数据目的地）对应板卡的节点号。功能块分为以下三种：(1) 点对点式传输的功能块Binary send(receive) 2，其符号类型为2。它只在发送端标出数据目的地“Dest”，“Dest”对应为功能块上定义的CAN总线类型“CAN bus”为CAN1或CAN2上接收端板卡的节点号。 图6 点对点式发送端（ACP1PCIA内） 图7 点对点式接收端（AFP1PCIA内）如图6所示，右边功能块即为点对点式发送模块，它指明了信号接收端Dest为CAN1总线上节点号分别为8和9的板卡，数据块编号Block no为1。查看宜都换流站CAN节点表中ACP1 CAN部分，ACP1 CAN1总线上节点号为8和9的板卡分别是AFP2A +2.U24.PCIA和AFP1B +2.U24.PCIA。由于第一大组交流滤波器接在交流场第一串上，故AFP1A/1B必须获取交流场第一串开关和刀闸的状态（AFP本身只能获取交流滤波器场开关的状态），图6表明ACP1将第一串开关和刀闸的状态量IND_TO_AFP1（SSQ代表交流场开关的控制与监视软件页）通过ACP CAN1总线传送给AFP1A/1B主机PCIA板。查看AFP1 PCIA中软件页，其中ACP_IN 软件页描述为CAN Signals from the ACP,表明该软件页为AFP1在CAN总线从ACP1传送信号（具体各软件页描述可以参考CONT_i），打开该软件页我们看到图7所示接收端功能块，该功能块接收的数据块编号Block no为1，与发送端相对应，这样我们就顺利找到了信号的目的地。(2) 广播式传输的功能块Binary send(receive) 1，其符号类型为1。它只在接收端标出数据源“Source”，对应为功能块上定义的CAN总线类型上发送端板卡的节点号。 图8 广播式发送端（ACP1PCIA内） 图9 广播式接收端（AFP1PCIA内）如图9所示，广播接收功能块指明了信号的发送端节点号Source为1，数据块编号Block no为6。查看宜都换流站CAN节点表中ACP1 CAN部分，ACP1 CAN1总线上节点号为1的板卡是ACP1A +2.U24.PCIA，查看ACP1A PCIA软件页，在AFP_OUT页面我们找到图8所示广播式发送功能块，数据块编号Block no也为6。(3)跳闸信号传输功能块，PCI板和I/O板之间开关和刀闸跳闸信号的传输和点对点式传输方式类似，但使用的功能块不同。它只在发送端指明跳闸信号目的I/O板卡的节点号。 图10 跳闸信号发送端（ACP1PCIA内） 图11 跳闸信号接收端（ACP1 +1.H5.3 PS850E板）图10中跳闸信号发送功能块为ACP1PCIAW1Q1OUT软件页中5011开关A相的跳闸信号（具体软件页略），功能块中指明了跳闸信号传输目的地为ACP1 CAN1总线中21号节点，查看CAN节点表可知该节点为ACP1 +1.H5.3位置P850E板（5011开关A相控制和监视板）。查看该PS850E板中装载程序AppsoftwareInterfaceCOMMONABI200，可看到图11所示跳闸信号接收端功能块。MACH2系统中信号的传输不仅通过CAN总线，还通过TDM总线。Main_CPU与PIC板卡的通讯则是通过DPM双口存储器，Main_CPU内部还有CBA型数据通讯，要熟练掌握HIDRAW软件中信号的查找，需要对所有类型的通讯方式都有所了解。3.6 CAN总线的监视所有的CAN控制器均可以对同一CAN网内的所有节点进行监视，以宜都换流站HIDRAW软件MAINACPACP1PCIAACPH10.HGF软件页为例：图12 CAN总线节点监视示意图左边功能块中数字为CAN网内的节点号，此软件页表明ACP1A/1B的PCIA板PS801监视了CAN网中节点号为34-39的板卡（ACP1A/1B柜+1.H10层6块PS850板）。一旦其中某一块PS850板卡故障，便会有ACP1的CAN故障告警。4 故障实例分析2006年11月29日，龙泉换流站AFP712主机发“Cubicle Power Supply Faulty”、“Minor Fault Present”、“Severe Fault Present”和“Neutral current deadband 0 A from”报警,退出到Service状态运行，2006年12月16日，该故障再次发生。4.1 故障检查与分析查看事件记录，如图13所示：图13 现场事件记录截图由于AFP712报微小和严重故障报警，首先在Hidraw软件中使用Debug模式查看微小和严重故障软件页，如图14所示：图14 软件页AFP711_712MAIN_CPUINT_SUPSOL300SOL300.HAFPROT_IN.HGF 逐级向上级链接查找故障信号，发现AFP_POW_OK_A和AFP_POW_OK_B信号均为0，如图15所示：图15 软件页AFP711_712PCIBPCIB.HGFCUB_OK_1.HGF由于AFP712主机PCIB板PS801监视到AFP_POW_OK_A和AFP_POW_OK_B信号均异常，故发“Cubicle Power Supply Faulty”、“Minor Fault Present”（一个信号异常）和“Severe Fault Present”（两者均异常）报警。从上述检查可以分析得出，系统发严重故障告警是由于两块电源板均发电源故障的信号造成的，并且现场检查AFP712盘+1.B30层电源红色报警指示灯亮，表明该层I/O板卡出现了故障。进一步查看事件记录，我们发现还存在一个故障告警，即“Neutral current deadband 0 A from”（后来检查发现该告警是错误的告警，正确告警应该为“CAN ACP Faulty”，由于事件代码错误而产生了该告警）。 在OWS的Intouch事件列表中查知该信号软件页,进行Hibug如图16：图* 软件页AFP711_712PCIAPCIA.HAFACP_SUP.HGF从上述软件中可以看出， AFP712主机PCIA板PS801在CAN2总线上监视到26、27、28、30、31、32节点状态异常。由于龙泉换流站AFP712 CAN2总线与ACP42 CAN1总线相连，查看hidraw软件ACP42 CAN1总线如图17所示：图* ACP42 CAN1总线图由上图可知，该CAN网内26、27、28、30、31、32节点为ACP42盘+1.B5 RACK层的6块PS851板。从上述链路中分析可知，AFP712主机通过位于AFP712盘+1.B30.4位置的PS831板与ACP42通过CAN2总线进行通讯。由于AFP712主机监视到ACP42盘节点故障，而ACP42主机则没有任何故障告警，因此，我们可以初步判断AFP712盘+1.B30.4位置的PS831板运行异常。使用Loadps801登陆PCI板卡查看AFP和ACP板卡对CAN总线上节点的监视情况可以对此情况进一步分析，如图18所示： ACP42主机PCIA板（节点号4）在CAN1上不能正常获取AFP712盘节点状态信息（节点11）图* ACP42在CAN1总线上节点监视情况 AFP712主机PCIA板（节点号11）在CAN2上监视不到其它节点图19 AFP712在CAN2总线上节点监视情况4.2 故障处理在11月29日处理时，对AFP712盘+1.B30 RACK层的板卡进行了重启之后恢复正常运行。12月16日，由于同样的故障再次发生，对AFP712盘+1.B30.4位置的PS831板卡进行了更换。更换了PS831板后，AFP712主机PCIA板在CAN2上正常监视到节点26、27、28、30、31、32的状态，如图20所示：图20 更换板卡后AFP712在CAN2总线上节点监视情况4.3 故障原因分析在MACH2系统中，相互之间存在信息交换的主机之间或者主机与I/O板卡之间是相互监视的。以AFP711/712主机为例，由于第二大组滤波器挂在第7串上，而第7串是由ACP41/42来进行控制的，因此，AFP711/712需要获取ACP41/42的相关信息，尤其是需要对开关5071、5072进行监视和控制，而5071开关的状态是由节点号为30、31、32的三块PS850板监控的，而5072开关的状态是由节点号为26、27、28的三块PS850板监控的。因此，AFP711/712还需要监视26、27、28、30、31、32的节点状态。ACP41/42、AFP711/712之间CAN总线的连接如图21所示：图21 龙泉换流站ACP41/42与AFP711/712 CAN总线连接图从图中可以清晰的看出，当AFP712盘+1.B30.4位置的PS831板故障时， ACP42主机PCIA板在其CAN总线上不能正确监视到AFP712盘的节点状态，而AFP712主机PCIA板在其总线CAN2上只能监视到自身节点11，监视不到ACP42盘26、27、28节点（5071开关状态）和30、31、32节点（5071开关状态），符合现场实际情况。该故障为连接AFP和ACP CAN总线的PS831板故障导致AFP不能正常监视到ACP相应节点状态，于是AFP控制保护主机报CAN节点故障和AFP严重故障。由于PS831板用于CAN总线扩展，其本身没有节点号，控制保护系统也没有监视其工作状态，因此当PS831板故障时只能依靠相应系统对该板连接的其他系统的板卡的监视情况来判断，具有一定的典型性。4.4 CAN总线上节点（板卡）故障时基本分析方法MACH2系统PCI板卡或I/O板故障时，会伴随相应系统发“CAN A/B Faulty”或“Minor Fault Present”、“Severe Fault Present”、“Emergency Fault Present”等报警，会导致相应系统的切换甚至故障系统可能退至“Service”状态。首先在在Hidraw软件中使用Debug模式查看相应系统系统监视与切换软件页*INT_SUPSOL300PROT_IN.HGF，查看微小故障、严重故障和紧急故障信号，然后逐级向