分布式發電機勵磁監控系統的設計

摘要：介紹了用分布式技術設計的發電機勵磁監控系統。系統中勵磁調節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。介紹了系統的構成、通信方案、通信協議及軟件設計方法

發電機勵磁系統是采集發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（供給發電機轉子線圈）的系統。發電機勵磁系統對于維持電力系統的電壓水平、提高電力系統穩定運行的能力、改善電力系統及發電機的運行條件等起到重要的作用。微機勵磁調節器是勵磁系統的核心元件，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器，并通過通信網絡構建分布式發電機勵磁監控系統。

１ 硬件結構

系統硬件結構如圖１所示，其中，勵磁控制微機實現人機交互和勵磁電流控制，通信控制微機協調上位監控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電機機端電壓、勵磁電流、發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。

上位監控ＰＣ機可采用ＩＰＣ或ＰＣ機。操作系統為Ｗｉｎｄｏｗｓ９８。ＰＣ機外接***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。

３ 上位機與下位機之間的通信協議

通信控制微機與上位ＰＣ機之間的通信采用Ｍｏｄｂｕｓ協議。Ｍｏｄｂｕｓ協議是一種應用于電子控制器上的協議，通過該協議，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標準。Ｍｏｄｂｕｓ協議有兩種傳輸模式：ＡＳＣＩＩ模式和ＲＴＵ模式，本系統中采用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機要監測勵磁調節器的信息時發送：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＋ＣＲＣ校驗碼高字節。正常情況下，勵磁調節器回送：地址碼＋功能碼（０３Ｈ）＋數據域字節數＋第１個數據＋第２個數據＋．．．．．．＋第ｎ個數據＋ＣＲＣ校驗碼低字節＋ＣＲＣ校驗碼高字節。出錯時，勵磁調節器回送：地址碼＋功能碼（８３Ｈ）＋錯誤代碼（０２Ｈ／０６Ｈ）＋ＣＲＣ校驗碼低字節＋ＣＲＣ校驗碼高字節，其中，錯誤代碼“０２Ｈ”表示“非法數據位置”，“０６Ｈ”表示“調節器正忙”?？勺x取的勵磁調節器寄存器內容如表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時，需通過設置命令１６Ｈ來實現，發送：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）＋ＣＲＣ校驗碼低字節＋ＣＲＣ校驗碼高字節，設置時一次只能設置一種參數。正常情況下，勵磁調節器回送：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＋ＣＲＣ校驗碼高字節。出錯時，勵磁調節器回送：地址碼＋功能碼（９６Ｈ）＋錯誤代碼（０２Ｈ／０３Ｈ）＋ＣＲＣ校驗碼低字節＋ＣＲＣ校驗碼高字節，其中，錯誤代碼“０２Ｈ”表示“非法數據位置”，“０３Ｈ”表示“非法數據值”?？稍O置的勵磁調節器寄存器內容如表２所示。

表2 可設置的寄存器的內容

若上位ＰＣ機發送除０３Ｈ和１６Ｈ外的其它命令，勵磁調節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＋ＣＲＣ校驗碼高字節。

４ 上位機的軟件設計

上位ＰＣ機完成人機交互、與勵磁調節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：對勵磁系統各重要參數（如勵磁電流、機端電壓、可控硅觸發角等）進行實時監測，并可進行圖形化顯示、報表打印、事件順序記錄、越限報警；向勵磁調節器發送增勵、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鏈接庫；三是采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ或其它公司的通信ＯＣＸ控件。本系統采用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。

    Ｍｏｄｂｕｓ通信協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：

（１）設置ＣＲＣ寄存器，并給其賦初值ＦＦＦＦ?ＨＥＸ?。

（２）將全部數據的第一個８ｂｉｔ數據與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數據處理完畢。

（６）重復第（２）至第（５）步?直到所有數據全部處理完畢。

（７）最終ＣＲＣ寄存器的內容即為ＣＲＣ值。

Ｄｅｌｐｈｉ６．０環境下ＣＲＣ－１６實現的函數如下：

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? ／／需校驗數據的字節數

Ｆｌａｇ?ｉｎｔｅｇｅｒ? ／／移位的次數（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 ／／各字節數據

ｂｅｇｉｎ

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｘｏｒ ＣＲＣ＿Ｄａｔａ?ｉ?? ／／各字節數據

與ＣＲＣ寄存器進行異或

ｆｏｒ Ｆｌａｇ?＝０ ｔｏ ７ ｄｏ

ｂｅｇｉｎ

ＳａｖｅＬｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ?

ＳａｖｅＨｉ?＝ＣＲＣ１６Ｈｉ?

ＣＲＣ１６Ｈｉ?＝ＣＲＣ１６Ｈｉ ｓｈｒ １? ／／高字節右移一位

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｓｈｒ １? ／／低字節右移一位

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

／／若高字節ＬＳＢ為１，則低字節ＭＳＢ置１

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｏｒ ｂｙｔｅ?＄８０??

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

／／若低字節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低字節在

前，高字節在后

ｅｎｄ?

用雙微機松耦合實現了勵磁控制微機與通信控制微機之間的數據交換，并通過通信控制微機完成與上位機之間的通信，將勵磁調節器的任務進行分散，增強了裝置的功能和可靠性。該系統已在國內多個中、小型水電站投入運行，運行穩定，得到用戶的好評。