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介紹了用分布式技術(shù)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁監(jiān)控系統(tǒng)｡系統(tǒng)中勵(lì)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(lì)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｡ 發(fā)電機(jī)勵(lì)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(hào),并根據(jù)控制準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元輸出勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)對(duì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器是勵(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器,并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分布式發(fā)電機(jī)勵(lì)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(lì)磁控制微機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和勵(lì)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(lì)磁控制微機(jī)的數(shù)據(jù)交換｡ 勵(lì)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､  ID參數(shù)設(shè)置､看門(mén)狗電路､同步信號(hào)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(dòng)發(fā)光數(shù)碼管,顯示內(nèi)容由召喚顯示撥輪開(kāi)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(kāi)關(guān)相連,用于召喚顯示;B口與八位地址開(kāi)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(lì)､減勵(lì)､運(yùn)行方式恒電壓/恒電流選擇等｡同步信號(hào)經(jīng)隔離后接到單片機(jī)的INT1管腳｡模擬量經(jīng)ADC0809 A/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(lì)磁電流､發(fā)電機(jī)送出的無(wú)功電流､電壓給定值､勵(lì)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(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)｡地址編碼用于設(shè)置本子站的地址碼,共有256個(gè)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｡ C機(jī)外接臺(tái)灣研華公司的ADAM4520實(shí)現(xiàn)RS232/RS485的轉(zhuǎn)換｡2 雙微機(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(chǔ)器方式進(jìn)行兩機(jī)數(shù)據(jù)交換｡本系統(tǒng)中勵(lì)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(gè)字節(jié)的8個(gè)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(gè)區(qū)別是通信時(shí)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(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程｡ 2.0為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好控制線,由CPU1控制2.1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(guò)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(gè)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(guò)程為:在CPU2接收來(lái)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(gè)數(shù)據(jù);否則CPU2等待｡程序采用C51語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),流程圖如圖3所示｡ 3 上位機(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(guò)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(gè)起始位,8個(gè)數(shù)據(jù)位,兩個(gè)停止位,無(wú)奇偶校驗(yàn)位;通信功能碼為:03H(召測(cè)),16H(設(shè)置);通信時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)域進(jìn)行CRC-16校驗(yàn),校驗(yàn)只針對(duì)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(cè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的信息時(shí)發(fā)送:地址碼+功能碼(03H)+起始寄存器地址+寄存器個(gè)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(lì)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(gè)數(shù)據(jù)+第2個(gè)數(shù)據(jù)+......+第n個(gè)數(shù)據(jù)+CRC校驗(yàn)碼低字節(jié)+CRC校驗(yàn)碼高字節(jié)｡出錯(cuò)時(shí),勵(lì)磁調(diào)節(jié)器回送:地址碼+功能碼(83H)+錯(cuò)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(cuò)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(lì)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(lì)磁電流實(shí)際值(ILc) 電壓給定值(Ug) 勵(lì)磁電流給定值(ILg) 可控硅觸發(fā)角(a) 勵(lì)磁電流額定值(ILe) 上位PC機(jī)要遠(yuǎn)方控制勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí),需通過(guò)設(shè)置命令16H來(lái)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(gè)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(shí)一次只能設(shè)置一種參數(shù)｡正常情況下,勵(lì)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(gè)數(shù)(01H)+ CRC校驗(yàn)碼低字節(jié)+CRC校驗(yàn)碼高字節(jié)｡出錯(cuò)時(shí),勵(lì)磁調(diào)節(jié)器回送:地址碼+功能碼(96H)+錯(cuò)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(cuò)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(lì)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(lì) 減勵(lì) 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(lì)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(cuò)誤代碼(01H)+CRC校驗(yàn)碼低字節(jié)+CRC校驗(yàn)碼高字節(jié)｡ 4 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 上位PC機(jī)完成人機(jī)交互､與勵(lì)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(kù)用Delphi6.0自帶的Paradox數(shù)據(jù)庫(kù)｡人機(jī)交互功能主要有:對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)各重要參數(shù)(如勵(lì)磁電流､機(jī)端電壓､可控硅觸發(fā)角等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并可進(jìn)行圖形化顯示､報(bào)表打印､事件順序記錄､越限報(bào)警;向勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)送增勵(lì)､減勵(lì)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù);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(lái)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“Import ActiveX Control”,在“Import ActiveX”頁(yè)內(nèi)選擇“Microsoft Comm Control”,點(diǎn)擊“Install”安裝｡編程時(shí)應(yīng)注意其Input和Output屬性的數(shù)據(jù)類(lèi)型為OleVariant,這與VB和VC不同｡ Modbus通信協(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(xiě)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(guò)程: (1)設(shè)置CRC寄存器,并給其賦初值FFFFHEX ｡ (2)將全部數(shù)據(jù)的第一個(gè)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L(zhǎng)SB｡ (4)如果LSB為0,重復(fù)第三步;若LSB為1,CRC寄存器與多項(xiàng)式碼相異或｡ (5)重復(fù)第(3)與第(4)步直到8次移位全部完成｡此時(shí)一個(gè)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｡ (7)最終CRC寄存器的內(nèi)容即為CRC值｡ Delphi6.0環(huán)境下CRC-16實(shí)現(xiàn)的函數(shù)如下: function CRC16 CRC_Data array of Byte DATA_Len integer word var CRC16LoCRC16Hi byte //CRC 寄存器 SaveLo SaveHi byte //CRC 中間寄存器 GLo GHi byte //生成多項(xiàng)式 i integer //需校驗(yàn)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 $a0 //多項(xiàng)式碼$a001(HEX) for i=0 to DATA_Len-1 do //各字節(jié)數(shù)據(jù) begin CRC16Lo=CRC16Lo xor CRC_Datai //各字節(jié)數(shù)據(jù) 與CRC寄存器進(jìn)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(xiàng)式碼進(jìn)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(jī)松耦合實(shí)現(xiàn)了勵(lì)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(guò)通信控制微機(jī)完成與上位機(jī)之間的通信,將勵(lì)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(guó)內(nèi)多個(gè)中､小型水電站投入運(yùn)行,運(yùn)行穩(wěn)定,得到用戶的好評(píng)｡ |
