摘? 要: 介紹了用分布式技術設計的發(fā)電機勵磁" title="勵磁">勵磁監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)中勵磁調(diào)節(jié)器" title="勵磁調(diào)節(jié)器">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" title="數(shù)據(jù)交換">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" title="通信控制">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。

　　關鍵詞: 分布式? 發(fā)電機勵磁? 監(jiān)控系統(tǒng)

　　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。

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　　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(qū)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機外接臺灣研華公司的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。

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　　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。

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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" title="功能碼">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。

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　　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。

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　　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?觹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。

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參考文獻

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