分布式發(fā)電機勵磁監(jiān)控系統(tǒng)的設計

摘要：介紹了用分布式技術設計的發(fā)電機勵磁監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)中勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)的雙微機采用松耦合并行通信方式進行數(shù)據(jù)交換，調(diào)節(jié)器中的勵磁控制微機經(jīng)由通信控制微機實現(xiàn)與上位ＰＣ機的通信。介紹了系統(tǒng)的構成、通信方案、通信協(xié)議及軟件設計方法

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是采集發(fā)電機電壓和電流的變化及其它輸入信號，并根據(jù)控制準則控制勵磁功率單元輸出勵磁電流（供給發(fā)電機轉子線圈）的系統(tǒng)。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)對于維持電力系統(tǒng)的電壓水平、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的能力、改善電力系統(tǒng)及發(fā)電機的運行條件等起到重要的作用。微機勵磁調(diào)節(jié)器是勵磁系統(tǒng)的核心元件，除了完成控制功能外，還要實現(xiàn)人機交互、遠方通信等功能。單微機難以實現(xiàn)所有功能，故采用雙微機設計勵磁調(diào)節(jié)器，并通過通信網(wǎng)絡構建分布式發(fā)電機勵磁監(jiān)控系統(tǒng)。

１ 硬件結構

系統(tǒng)硬件結構如圖１所示，其中，勵磁控制微機實現(xiàn)人機交互和勵磁電流控制，通信控制微機協(xié)調(diào)上位監(jiān)控ＰＣ機和勵磁控制微機的數(shù)據(jù)交換。

勵磁控制微機采用51單片機的應用模式，由顯示、顯示召喚、按鍵、模擬量輸入、ＰＩＤ參數(shù)設置、看門狗電路、同步信號輸入、觸發(fā)脈沖輸出、滅磁接點輸入等單元組成。顯示單元采用外接６片串入并出移位寄存器芯片 74LS164驅動發(fā)光數(shù)碼管，顯示內(nèi)容由召喚顯示撥輪開關進行選擇，有巡回和召喚兩種顯示方式。外擴一片并行接口芯片８１５５，８１５５的Ａ口與面板上的撥輪開關相連，用于召喚顯示；Ｂ口與八位地址開關相連，用于設定ＰＩＤ參數(shù)；Ｃ口用于輸出觸發(fā)脈沖，脈沖經(jīng)達林頓管放大、脈沖變壓器隔離后接到主回路可控硅的觸發(fā)極。滅磁接點、按鍵接到單片機的Ｉ／Ｏ口線，按鍵主要有增勵、減勵、運行方式恒電壓／恒電流選擇等。同步信號經(jīng)隔離后接到單片機的ＩＮＴ１管腳。模擬量經(jīng)ＡＤＣ０８０９ Ａ／Ｄ轉換芯片接到單片機，采集的主要模擬量有發(fā)電機機端電壓、勵磁電流、發(fā)電機送出的無功電流、電壓給定值、勵磁電流給定值等。

通信控制微機由單片機、通信接口、波特率設置、地址編碼、ＲＡＭ等單元組成。波特率設置、地址編碼用地址開關來實現(xiàn)。地址編碼用于設置本子站的地址碼，共有２５６個編碼。波特率有１２００ｂｐｓ、２４００ｂｐｓ、４８００ｂｐｓ、９６００ｂｐｓ等可選。外擴一片６２６４ＲＡＭ用于存放通信中間數(shù)據(jù)。通信接口采用ＭＡＸ１４８７實現(xiàn)ＲＳ４８５電平的轉換。

上位監(jiān)控ＰＣ機可采用ＩＰＣ或ＰＣ機。操作系統(tǒng)為Ｗｉｎｄｏｗｓ９８。ＰＣ機外接***研華公司的ＡＤＡＭ４５２０實現(xiàn)ＲＳ２３２／ＲＳ４８５的轉換。

２ 雙微機通信方案的設計

雙微機數(shù)據(jù)交換有松耦合和緊耦合兩種方式。松耦合采用數(shù)據(jù)通信方式進行兩機數(shù)據(jù)交換，緊耦合采用共享數(shù)據(jù)存儲器方式進行兩機數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)中勵磁控制微機與通信控制微機的數(shù)據(jù)交換方式為松耦合方式，通信協(xié)議自定義。在松耦合方式中可用的數(shù)據(jù)通信方式有串行異步通信、串行外設接口（ＳＰＩ）、并行數(shù)據(jù)通信等，如圖２所示。

串行數(shù)據(jù)通信方式為一個字節(jié)的８個位（低位在前、高位在后）依次傳送，傳送速度慢。為了提高數(shù)據(jù)交換的速度，采用并行數(shù)據(jù)交換。并行數(shù)據(jù)交換與串行數(shù)據(jù)交換的一個區(qū)別是通信時雙微機要進行握手以保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。下面以圖２（ｃ）中的ＣＰＵ１向ＣＰＵ２傳送數(shù)據(jù)為例說明數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。Ｐ２．０為數(shù)據(jù)準備好控制線，由ＣＰＵ１控制；Ｐ２．１為數(shù)據(jù)已接收控制線，由ＣＰＵ２控制。

ＣＰＵ１發(fā)送數(shù)據(jù)的過程為：ＣＰＵ１送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線前應置Ｐ２．０為１，并判斷Ｐ２．１是否為１，為１則表示ＣＰＵ２已做好接收數(shù)據(jù)的準備，ＣＰＵ１可以送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線；否則ＣＰＵ１等待ＣＰＵ２接收數(shù)據(jù)。ＣＰＵ１送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線后置Ｐ２．０為０，這表示ＣＰＵ１已送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線。然后判斷Ｐ２．１是否為０，若為０則表示ＣＰＵ２已接收到ＣＰＵ１傳送的數(shù)據(jù)，ＣＰＵ１可進行下一個數(shù)據(jù)的傳送；否則ＣＰＵ１等待ＣＰＵ２接收數(shù)據(jù)。

    ＣＰＵ２接收數(shù)據(jù)的過程為：在ＣＰＵ２接收來自ＣＰＵ１的數(shù)據(jù)前置Ｐ２．１為１，并判斷Ｐ２．０是否為０，為０表示ＣＰＵ１已將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線上，ＣＰＵ２可從數(shù)據(jù)線上讀數(shù)；否則ＣＰＵ２等待ＣＰＵ１發(fā)送數(shù)據(jù)。ＣＰＵ２讀入數(shù)據(jù)后置Ｐ２．１為０，這表示ＣＰＵ２已接收到數(shù)據(jù)。然后判斷Ｐ２．０是否為１，若為１則ＣＰＵ２可準備接收下一個數(shù)據(jù)；否則ＣＰＵ２等待。程序采用Ｃ５１語言實現(xiàn)，流程圖如圖３所示。

３ 上位機與下位機之間的通信協(xié)議

通信控制微機與上位ＰＣ機之間的通信采用Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議。Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議是一種應用于電子控制器上的協(xié)議，通過該協(xié)議，控制器之間以及控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信，已成為一種通用的工業(yè)標準。Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議有兩種傳輸模式：ＡＳＣＩＩ模式和ＲＴＵ模式，本系統(tǒng)中采用ＲＴＵ模式，使用ＲＳ４８５總線。通信格式為：數(shù)據(jù)幀共１１位，１個起始位，８個數(shù)據(jù)位，兩個停止位，無奇偶校驗位；通信功能碼為：０３Ｈ（召測），１６Ｈ（設置）；通信時對數(shù)據(jù)域進行ＣＲＣ－１６校驗，校驗只針對數(shù)據(jù)位，不包括起始位、停止位；校驗多項式為Ｇ（Ｘ）＝Ｘ１６＋Ｘ１２＋Ｘ５＋１；命令行格式為：地址碼＋功能碼＋數(shù)據(jù)域＋ＣＲＣ校驗。

上位ＰＣ機要監(jiān)測勵磁調(diào)節(jié)器的信息時發(fā)送：地址碼＋功能碼（０３Ｈ）＋起始寄存器地址＋寄存器個數(shù)＋ＣＲＣ校驗碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗碼高字節(jié)。正常情況下，勵磁調(diào)節(jié)器回送：地址碼＋功能碼（０３Ｈ）＋數(shù)據(jù)域字節(jié)數(shù)＋第１個數(shù)據(jù)＋第２個數(shù)據(jù)＋．．．．．．＋第ｎ個數(shù)據(jù)＋ＣＲＣ校驗碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗碼高字節(jié)。出錯時，勵磁調(diào)節(jié)器回送：地址碼＋功能碼（８３Ｈ）＋錯誤代碼（０２Ｈ／０６Ｈ）＋ＣＲＣ校驗碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗碼高字節(jié)，其中，錯誤代碼“０２Ｈ”表示“非法數(shù)據(jù)位置”，“０６Ｈ”表示“調(diào)節(jié)器正忙”?？勺x取的勵磁調(diào)節(jié)器寄存器內(nèi)容如表１所示。

表1 可讀取的寄存器的內(nèi)容

上位ＰＣ機要遠方控制勵磁系統(tǒng)時，需通過設置命令１６Ｈ來實現(xiàn)，發(fā)送：地址碼＋功能碼（１６Ｈ）＋起始寄存器地址＋寄存器個數(shù)（０１Ｈ）＋數(shù)據(jù)（１字節(jié)）＋ＣＲＣ校驗碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗碼高字節(jié)，設置時一次只能設置一種參數(shù)。正常情況下，勵磁調(diào)節(jié)器回送：地址碼＋功能碼（１６Ｈ）＋起始寄存器地址＋寄存器個數(shù)（０１Ｈ）＋ ＣＲＣ校驗碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗碼高字節(jié)。出錯時，勵磁調(diào)節(jié)器回送：地址碼＋功能碼（９６Ｈ）＋錯誤代碼（０２Ｈ／０３Ｈ）＋ＣＲＣ校驗碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗碼高字節(jié)，其中，錯誤代碼“０２Ｈ”表示“非法數(shù)據(jù)位置”，“０３Ｈ”表示“非法數(shù)據(jù)值”?？稍O置的勵磁調(diào)節(jié)器寄存器內(nèi)容如表２所示。

表2 可設置的寄存器的內(nèi)容

若上位ＰＣ機發(fā)送除０３Ｈ和１６Ｈ外的其它命令，勵磁調(diào)節(jié)器則將收到的功能碼邏輯或“８０Ｈ”作為回送幀的功能碼，回送內(nèi)容為：地址碼＋功能碼＋錯誤代碼（０１Ｈ）＋ＣＲＣ校驗碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗碼高字節(jié)。

４ 上位機的軟件設計

上位ＰＣ機完成人機交互、與勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)的通信控制微機進行通信等任務。其軟件用Ｄｅｌｐｈｉ６．０設計，其中數(shù)據(jù)庫用Ｄｅｌｐｈｉ６．０自帶的Ｐａｒａｄｏｘ數(shù)據(jù)庫。人機交互功能主要有：對勵磁系統(tǒng)各重要參數(shù)（如勵磁電流、機端電壓、可控硅觸發(fā)角等）進行實時監(jiān)測，并可進行圖形化顯示、報表打印、事件順序記錄、越限報警；向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)送增勵、減勵等各種控制命令；操作人員可進行管理等。軟件的另一模塊為通信程序。利用Ｄｅｌｐｈｉ設計串口通信程序一般有三種方法：一是利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的通信ＡＰＩ函數(shù)；二是利用第三方提供的通信用動態(tài)鏈接庫；三是采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ或其它公司的通信ＯＣＸ控件。本系統(tǒng)采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司的ＭＳＣｏｍｍ通信ＯＣＸ控件來設計通信軟件。ＭＳＣｏｍｍ是ＶＢ中的ＯＣＸ控件，使用前要將其添加到Ｄｅｌｐｈｉ中，添加方法如下：選擇菜單“Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ”下的子菜單“Ｉｍｐｏｒｔ ＡｃｔｉｖｅＸ Ｃｏｎｔｒｏｌ”，在“Ｉｍｐｏｒｔ ＡｃｔｉｖｅＸ”頁內(nèi)選擇“Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｍｍ Ｃｏｎｔｒｏｌ”，點擊“Ｉｎｓｔａｌｌ”安裝。編程時應注意其Ｉｎｐｕｔ和Ｏｕｔｐｕｔ屬性的數(shù)據(jù)類型為ＯｌｅＶａｒｉａｎｔ，這與ＶＢ和ＶＣ不同。

    Ｍｏｄｂｕｓ通信協(xié)議的軟件設計主要為ＣＲＣ－１６校驗碼生成的實現(xiàn)方法。ＣＲＣ－１６校驗碼生成編寫程序有兩種方法：一種為計算法；另一種為查表法。上位機采用計算法。下面為ＣＲＣ－１６的計算過程：

（１）設置ＣＲＣ寄存器，并給其賦初值ＦＦＦＦ?ＨＥＸ?。

（２）將全部數(shù)據(jù)的第一個８ｂｉｔ數(shù)據(jù)與１６位ＣＲＣ寄存器的低８位進行異或，并把結果存入ＣＲＣ寄存器。

（３）ＣＲＣ寄存器整體向右移一位，ＭＳＢ補零，移出并檢查ＬＳＢ。

（４）如果ＬＳＢ為０，重復第三步；若ＬＳＢ為１，ＣＲＣ寄存器與多項式碼相異或。

（５）重復第（３）與第（４）步?直到８次移位全部完成。此時一個８ｂｉｔ數(shù)據(jù)處理完畢。

（６）重復第（２）至第（５）步?直到所有數(shù)據(jù)全部處理完畢。

（７）最終ＣＲＣ寄存器的內(nèi)容即為ＣＲＣ值。

Ｄｅｌｐｈｉ６．０環(huán)境下ＣＲＣ－１６實現(xiàn)的函數(shù)如下：

ｆｕｎｃｔｉｏｎ ＣＲＣ１６?ＣＲＣ＿Ｄａｔａ?ａｒｒａｙ ｏｆ Ｂｙｔｅ?ＤＡＴＡ＿Ｌｅｎ?ｉｎｔｅｇｅｒ?? ｗｏｒｄ?

ｖａｒ

ＣＲＣ１６Ｌｏ?ＣＲＣ１６Ｈｉ?ｂｙｔｅ? ／／ＣＲＣ 寄存器

ＳａｖｅＬｏ?ＳａｖｅＨｉ?ｂｙｔｅ? ／／ＣＲＣ 中間寄存器

ＧＬｏ?ＧＨｉ?ｂｙｔｅ? ／／生成多項式

ｉ?ｉｎｔｅｇｅｒ? ／／需校驗數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)

Ｆｌａｇ?ｉｎｔｅｇｅｒ? ／／移位的次數(shù)（８次）

ｂｅｇｉｎ

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ｂｙｔｅ?＄ｆｆ??

ＣＲＣ１６Ｈｉ?＝ｂｙｔｅ?＄ｆｆ?? ／／給ＣＲＣ寄存器賦初值

＄ｆｆｆｆ（ＨＥＸ）

ＧＬｏ?＝ｂｙｔｅ?＄０１??

ＧＨｉ?＝ｂｙｔｅ?＄ａ０?? ／／多項式碼＄ａ００１（ＨＥＸ）

ｆｏｒ ｉ?＝０ ｔｏ ＤＡＴＡ＿Ｌｅｎ－１ ｄｏ ／／各字節(jié)數(shù)據(jù)

ｂｅｇｉｎ

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｘｏｒ ＣＲＣ＿Ｄａｔａ?ｉ?? ／／各字節(jié)數(shù)據(jù)

與ＣＲＣ寄存器進行異或

ｆｏｒ Ｆｌａｇ?＝０ ｔｏ ７ ｄｏ

ｂｅｇｉｎ

ＳａｖｅＬｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ?

ＳａｖｅＨｉ?＝ＣＲＣ１６Ｈｉ?

ＣＲＣ１６Ｈｉ?＝ＣＲＣ１６Ｈｉ ｓｈｒ １? ／／高字節(jié)右移一位

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｓｈｒ １? ／／低字節(jié)右移一位

ｉｆ ?ＳａｖｅＨｉ ａｎｄ ｂｙｔｅ?＄０１??＝ｂｙｔｅ?＄０１? ｔｈｅｎ

／／若高字節(jié)ＬＳＢ為１，則低字節(jié)ＭＳＢ置１

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｏｒ ｂｙｔｅ?＄８０??

ｉｆ ?ＳａｖｅＬｏ ａｎｄ ｂｙｔｅ?＄０１??＝ｂｙｔｅ?＄０１? ｔｈｅｎ

／／若低字節(jié)ＬＳＢ為１，則與多項式碼進行異或

ｂｅｇｉｎ

ＣＲＣ１６Ｈｉ?＝ＣＲＣ１６Ｈｉ ｘｏｒ ＧＨｉ?

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｘｏｒ ＧＬｏ?

ｅｎｄ?

ｅｎｄ?

ｅｎｄ?

ＣＲＣ１６?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ?２５６＋ＣＲＣ１６Ｈｉ? ／／ＣＲＣ低字節(jié)在

前，高字節(jié)在后

ｅｎｄ?

用雙微機松耦合實現(xiàn)了勵磁控制微機與通信控制微機之間的數(shù)據(jù)交換，并通過通信控制微機完成與上位機之間的通信，將勵磁調(diào)節(jié)器的任務進行分散，增強了裝置的功能和可靠性。該系統(tǒng)已在國內(nèi)多個中、小型水電站投入運行，運行穩(wěn)定，得到用戶的好評。