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分布式發(fā)電機(jī)勵磁監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了用分布式技術(shù)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)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(jī)采用松耦合并行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，調(diào)節(jié)器中的勵磁控制微機(jī)經(jīng)由通信控制微機(jī)實(shí)現(xiàn)與上位ＰＣ機(jī)的通信。介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成、通信方案、通信協(xié)議及軟件設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電機(jī)勵磁監(jiān)控系統(tǒng)
發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)是采集發(fā)電機(jī)電壓和電流的變化及其它輸入信號，并根據(jù)控制準(zhǔn)則控制勵磁功率單元輸出勵磁電流（供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈）的系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)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(yùn)行的能力、改善電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)的運(yùn)行條件等起到重要的作用。微機(jī)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、遠(yuǎn)方通信等功能。單微機(jī)難以實(shí)現(xiàn)所有功能，故采用雙微機(jī)設(shè)計(jì)勵磁調(diào)節(jié)器，并通過通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分布式發(fā)電機(jī)勵磁監(jiān)控系統(tǒng)。
１硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖１所示，其中，勵磁控制微機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和勵磁電流控制，通信控制微機(jī)協(xié)調(diào)上位監(jiān)控ＰＣ機(jī)和勵磁控制微機(jī)的數(shù)據(jù)交換。
勵磁控制微機(jī)采用５１單片機(jī)的應(yīng)用模式，由顯示、顯示召喚、按鍵、模擬量輸入、ＰＩＤ參數(shù)設(shè)置、看門狗電路、同步信號輸入、觸發(fā)脈沖輸出、滅磁接點(diǎn)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(guān)進(jìn)行選擇，有巡回和召喚兩種顯示方式。外擴(kuò)一片并行接口芯片８１５５，８１５５的Ａ口與面板上的撥輪開關(guān)相連，用于召喚顯示；Ｂ口與八位地址開關(guān)相連，用于設(shè)定ＰＩＤ參數(shù)；Ｃ口用于輸出觸發(fā)脈沖，脈沖經(jīng)達(dá)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(diǎn)、按鍵接到單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口線，按鍵主要有增勵、減勵、運(yùn)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(jī)的ＩＮＴ１管腳。模擬量經(jīng)ＡＤＣ０８０９Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片接到單片機(jī)，采集的主要模擬量有發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、勵磁電流、發(fā)電機(jī)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(jī)由單片機(jī)、通信接口、波特率設(shè)置、地址編碼、ＲＡＭ等單元組成。波特率設(shè)置、地址編碼用地址開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。地址編碼用于設(shè)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(kuò)一片６２６４ＲＡＭ用于存放通信中間數(shù)據(jù)。通信接口采用ＭＡＸ１４８７實(shí)現(xiàn)ＲＳ４８５電平的轉(zhuǎn)換。
上位監(jiān)控ＰＣ機(jī)可采用ＩＰＣ或ＰＣ機(jī)。操作系統(tǒng)為Ｗｉｎｄｏｗｓ９８。ＰＣ機(jī)外接臺灣研華公司的ＡＤＡＭ４５２０實(shí)現(xiàn)ＲＳ２３２／ＲＳ４８５的轉(zhuǎn)換。
�。搽p微機(jī)通信方案的設(shè)計(jì)
雙微機(jī)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(jìn)行兩機(jī)數(shù)據(jù)交換，緊耦合采用共享數(shù)據(jù)存儲器方式進(jìn)行兩機(jī)數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)中勵磁控制微機(jī)與通信控制微機(jī)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(shè)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(jī)要進(jìn)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(zhǔn)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。
�。茫校眨卑l(fā)送數(shù)據(jù)的過程為：ＣＰＵ１送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線前應(yīng)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(zhǔn)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(jìn)行下一個數(shù)據(jù)的傳送；否則ＣＰＵ１等待ＣＰＵ２接收數(shù)據(jù)。
�。茫校眨步邮諗�(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(zhǔn)備接收下一個數(shù)據(jù)；否則ＣＰＵ２等待。程序采用Ｃ５１語言實(shí)現(xiàn)，流程圖如圖３所示。
�。成衔粰C(jī)與下位機(jī)之間的通信協(xié)議
通信控制微機(jī)與上位ＰＣ機(jī)之間的通信采用Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議。Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議是一種應(yīng)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(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信，已成為一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(yàn)位；通信功能碼為：０３Ｈ（召測），１６Ｈ（設(shè)置）；通信時對數(shù)據(jù)域進(jìn)行ＣＲＣ－１６校驗(yàn)，校驗(yàn)只針對數(shù)據(jù)位，不包括起始位、停止位；校驗(yàn)多項(xiàng)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(yàn)。
上位ＰＣ機(jī)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(yàn)碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗(yàn)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(yàn)碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗(yàn)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(yàn)碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗(yàn)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”。可讀取的勵磁調(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
數(shù)據(jù)地址內(nèi)容00H
01H
02H
03H
04H
05H
06H機(jī)端電壓（Uc）
變換電阻后的電壓（Ut）
勵磁電流實(shí)際值（ILc)
電壓給定值（Ug)
勵磁電流給定值（ILg)
可控硅觸發(fā)角（a)
勵磁電流額定值（ILe)
上位ＰＣ機(jī)要遠(yuǎn)方控制勵磁系統(tǒng)時，需通過設(shè)置命令１６Ｈ來實(shí)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(yàn)碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗(yàn)碼高字節(jié)，設(shè)置時一次只能設(shè)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(yàn)碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗(yàn)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(yàn)碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗(yàn)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”。可設(shè)置的勵磁調(diào)節(jié)器寄存器內(nèi)容如表２所示。
表2可設(shè)置的寄存器的內(nèi)容
數(shù)據(jù)地址內(nèi)容00H
01H
02H
03H
04H增勵
減勵
給定電壓
給定電流
恒電壓/電流控制
若上位ＰＣ機(jī)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(yàn)碼低字節(jié)＋ＣＲＣ校驗(yàn)碼高字節(jié)。
�。瓷衔粰C(jī)的軟件設(shè)計(jì)
上位ＰＣ機(jī)完成人機(jī)交互、與勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)的通信控制微機(jī)進(jìn)行通信等任務(wù)。其軟件用Ｄｅｌｐｈｉ６．０設(shè)計(jì)，其中數(shù)據(jù)庫用Ｄｅｌｐｈｉ６．０自帶的Ｐａｒａｄｏｘ數(shù)據(jù)庫。人機(jī)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(jī)端電壓、可控硅觸發(fā)角等）進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并可進(jìn)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(jìn)行管理等。軟件的另一模塊為通信程序。利用Ｄｅｌｐｈｉ設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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“ＩｍｐｏｒｔＡｃｔｉｖｅＸＣｏｎｔｒｏｌ”，在“ＩｍｐｏｒｔＡｃｔｉｖｅＸ”頁內(nèi)選擇“ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＣｏｍｍＣｏｎｔｒｏｌ”，點(diǎn)擊“Ｉｎｓｔａｌｌ”安裝。編程時應(yīng)注意其Ｉｎｐｕｔ和Ｏｕｔｐｕｔ屬性的數(shù)據(jù)類型為ＯｌｅＶａｒｉａｎｔ，這與ＶＢ和ＶＣ不同。
�。停铮洌猓酰笸ㄐ艆f(xié)議的軟件設(shè)計(jì)主要為ＣＲＣ－１６校驗(yàn)碼生成的實(shí)現(xiàn)方法。ＣＲＣ－１６校驗(yàn)碼生成編寫程序有兩種方法：一種為計(jì)算法；另一種為查表法。上位機(jī)采用計(jì)算法。下面為ＣＲＣ－１６的計(jì)算過程：
�。ǎ保┰O(shè)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(jìn)行異或，并把結(jié)果存入ＣＲＣ寄存器。
（３）ＣＲＣ寄存器整體向右移一位，ＭＳＢ補(bǔ)零，移出并檢查ＬＳＢ。
�。ǎ矗┤绻蹋樱聻椋�，重復(fù)第三步；若ＬＳＢ為１，ＣＲＣ寄存器與多項(xiàng)式碼相異或。
�。ǎ担┲貜�(fù)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(fù)第（２）至第（５）步?直到所有數(shù)據(jù)全部處理完畢。
�。ǎ罚┳罱KＣＲＣ寄存器的內(nèi)容即為ＣＲＣ值。
�。模澹欤穑瑁椋叮碍h(huán)境下ＣＲＣ－１６實(shí)現(xiàn)的函數(shù)如下：
�。妫酰睿悖簦椋铮睿茫遥茫保�?ＣＲＣ＿Ｄａｔａ?ａｒｒａｙｏｆＢｙｔｅ?ＤＡＴＡ＿Ｌｅｎ?ｉｎｔｅｇｅｒ??ｗｏｒｄ?
�。觯幔�
�。茫遥茫保叮蹋�?ＣＲＣ１６Ｈｉ?ｂｙｔｅ?／／ＣＲＣ寄存器
ＳａｖｅＬｏ?ＳａｖｅＨｉ?ｂｙｔｅ?／／ＣＲＣ中間寄存器
�。牵蹋�?ＧＨｉ?ｂｙｔｅ?／／生成多項(xiàng)式
ｉ?ｉｎｔｅｇｅｒ?／／需校驗(yàn)數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)
�。疲欤幔�?ｉｎｔｅｇｅｒ?／／移位的次數(shù)（８次）
ｂｅｇｉｎ
�。茫遥茫保叮蹋�?＝ｂｙｔｅ?＄ｆｆ??
�。茫遥茫保叮龋�?＝ｂｙｔｅ?＄ｆｆ??／／給ＣＲＣ寄存器賦初值
＄ｆｆｆｆ（ＨＥＸ）
ＧＬｏ?＝ｂｙｔｅ?＄０１??
�。牵龋�?＝ｂｙｔｅ?＄ａ０??／／多項(xiàng)式碼＄ａ００１（ＨＥＸ）
�。妫铮颍�?＝０ｔｏＤＡＴＡ＿Ｌｅｎ－１ｄｏ／／各字節(jié)數(shù)據(jù)
ｂｅｇｉｎ
�。茫遥茫保叮蹋�?＝ＣＲＣ１６ＬｏｘｏｒＣＲＣ＿Ｄａｔａ?ｉ??／／各字節(jié)數(shù)據(jù)
與ＣＲＣ寄存器進(jìn)行異或
�。妫铮颍疲欤幔�?＝０ｔｏ７ｄｏ
�。猓澹纾椋�
�。樱幔觯澹蹋�?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ?
ＳａｖｅＨｉ?＝ＣＲＣ１６Ｈｉ?
�。茫遥茫保叮龋�?＝ＣＲＣ１６Ｈｉｓｈｒ１?／／高字節(jié)右移一位
ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏｓｈｒ１?／／低字節(jié)右移一位
�。椋�?ＳａｖｅＨｉａｎｄｂｙｔｅ?＄０１??＝ｂｙｔｅ?＄０１?ｔｈｅｎ
／／若高字節(jié)ＬＳＢ為１，則低字節(jié)ＭＳＢ置１
�。茫遥茫保叮蹋�?＝ＣＲＣ１６Ｌｏｏｒｂｙｔｅ?＄８０??
�。椋�?ＳａｖｅＬｏａｎｄｂｙｔｅ?＄０１??＝ｂｙｔｅ?＄０１?ｔｈｅｎ
／／若低字節(jié)ＬＳＢ為１，則與多項(xiàng)式碼進(jìn)行異或
�。猓澹纾椋�
�。茫遥茫保叮龋�?＝ＣＲＣ１６ＨｉｘｏｒＧＨｉ?
�。茫遥茫保叮蹋�?＝ＣＲＣ１６ＬｏｘｏｒＧＬｏ?
ｅｎｄ?
�。澹睿�?
�。澹睿�?
�。茫遥茫保�?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ?２５６＋ＣＲＣ１６Ｈｉ?／／ＣＲＣ低字節(jié)在
前，高字節(jié)在后
�。澹睿�?
用雙微機(jī)松耦合實(shí)現(xiàn)了勵磁控制微機(jī)與通信控制微機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，并通過通信控制微機(jī)完成與上位機(jī)之間的通信，將勵磁調(diào)節(jié)器的任務(wù)進(jìn)行分散，增強(qiáng)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(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定，得到用戶的好評。
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