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)中勵磁調節(jié)器內的雙微機采用松耦合并行通信方式進行數據交換，調節(jié)器中的勵磁控制微機經由通信控制微機實現與上位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，還要實現人機交互、遠方通信等功能。單微機難以實現所有功能，故采用雙微機設計勵磁調節(jié)器，并通過通信網絡構建分布式發(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，勵磁控制微機實現人機交互和勵磁電流控制，通信控制微機協(xié)調上位監(jiān)控ＰＣ機和勵磁控制微機的數據交換。

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)光數碼管，顯示內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；Ｃ口用于輸出觸發(fā)脈沖，脈沖經達林頓管放大、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。同步信號經隔離后接到單片機的ＩＮＴ１管腳。模擬量經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。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據。通信接口采用ＭＡＸ１４８７實現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機外接臺灣研華公司的ＡＤＡＭ４５２０實現ＲＳ２３２／ＲＳ４８５的轉換。

２ 雙微機通信方案的設計

雙微機數據交換有松耦合和緊耦合兩種方式。松耦合采用數據通信方式進行兩機數據交換，緊耦合采用共享數據存儲器方式進行兩機數據交換。本系統(tǒng)中勵磁控制微機與通信控制微機的數據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據通信方式有串行異步通信、串行外設接口（ＳＰＩ）、并行數據通信等，如圖２所示。

串行數據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。為了提高數據交換的速度，采用并行數據交換。并行數據交換與串行數據交換的一個區(qū)別是通信時雙微機要進行握手以保證數據可靠傳輸。下面以圖２（ｃ）中的ＣＰＵ１向ＣＰＵ２傳送數據為例說明數據傳輸的過程。Ｐ２．０為數據準備好控制線，由ＣＰＵ１控制；Ｐ２．１為數據已接收控制線，由ＣＰＵ２控制。

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

ＣＰＵ２接收數據的過程為：在ＣＰＵ２接收來自ＣＰＵ１的數據前置Ｐ２．１為１，并判斷Ｐ２．０是否為０，為０表示ＣＰＵ１已將數據送到數據線上，ＣＰＵ２可從數據線上讀數；否則ＣＰＵ２等待ＣＰＵ１發(fā)送數據。ＣＰＵ２讀入數據后置Ｐ２．１為０，這表示ＣＰＵ２已接收到數據。然后判斷Ｐ２．０是否為１，若為１則ＣＰＵ２可準備接收下一個數據；否則ＣＰＵ２等待。程序采用Ｃ５１語言實現，流程圖如圖３所示。 Ｍｏｄｂｕｓ通信協(xié)議的軟件設計主要為ＣＲＣ－１６校驗碼生成的實現方法。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：

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由網絡（例如以太網）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：數據幀共１１位，１個起始位，８個數據位，兩個停止位，無奇偶校驗位；通信功能碼為：０３Ｈ（召測），１６Ｈ（設置）；通信時對數據域進行ＣＲＣ－１６校驗，校驗只針對數據位，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＋數據域＋ＣＲＣ校驗。

上位ＰＣ機要監(jiān)測勵磁調節(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＋ＣＲＣ校驗碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗碼高字節(jié)。正常情況下，勵磁調節(jié)器回送：地址碼＋功能碼（０３Ｈ）＋數據域字節(jié)數＋第１個數據＋第２個數據＋．．．．．．＋第ｎ個數據＋ＣＲＣ校驗碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗碼高字節(jié)。出錯時，勵磁調節(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“非法數據位置”，“０６Ｈ”表示“調節(jié)器正忙”。可讀取的勵磁調節(jié)器寄存器內容如表１所示。

表1 可讀取的寄存器的內容

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，發(fā)送：地址碼＋功能碼（１６Ｈ）＋起始寄存器地址＋寄存器個數（０１Ｈ）＋數據（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。正常情況下，勵磁調節(jié)器回送：地址碼＋功能碼（１６Ｈ）＋起始寄存器地址＋寄存器個數（０１Ｈ）＋ ＣＲＣ校驗碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗碼高字節(jié)。出錯時，勵磁調節(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“非法數據位置”，“０３Ｈ”表示“非法數據值”。可設置的勵磁調節(jié)器寄存器內容如表２所示。

表2 可設置的寄存器的內容

若上位ＰＣ機發(fā)送除０３Ｈ和１６Ｈ外的其它命令，勵磁調節(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、與勵磁調節(jié)器內的通信控制微機進行通信等任務。其軟件用Ｄｅｌｐｈｉ６．０設計，其中數據庫用Ｄｅｌｐｈｉ６．０自帶的Ｐａｒａｄｏｘ數據庫。人機交互功能主要有：對勵磁系統(tǒng)各重要參數（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；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”頁內選擇“Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｍｍ Ｃｏｎｔｒｏｌ”，點擊“Ｉｎｓｔａｌｌ”安裝。編程時應注意其Ｉｎｐｕｔ和Ｏｕｔｐｕｔ屬性的數據類型為ＯｌｅＶａｒｉａｎｔ，這與ＶＢ和ＶＣ不同。