分布式发电机励磁监控系统的设计

摘要：介绍了用分布式技术设计的发电机励磁监控系统。系统中励磁调节器内的双微机采用松耦合并行通信方式进行数据交换，调节器中的励磁控制微机经由通信控制微机实现与上位ＰＣ机的通信。介绍了系统的构成、通信方案、通信协议及软件设计方法

发电机励磁系统是采集发电机电压和电流的变化及其它输入信号，并根据控制准则控制励磁功率单元输出励磁电流（供给发电机转子线圈）的系统。发电机励磁系统对于维持电力系统的电压水平、提高电力系统稳定运行的能力、改善电力系统及发电机的运行条件等起到重要的作用。微机励磁调节器是励磁系统的核心元件，除了完成控制功能外，还要实现人机交互、远方通信等功能。单微机难以实现所有功能，故采用双微机设计励磁调节器，并通过通信网络构建分布式发电机励磁监控系统。

１ 硬件结构

系统硬件结构如图１所示，其中，励磁控制微机实现人机交互和励磁电流控制，通信控制微机协调上位监控ＰＣ机和励磁控制微机的数据交换。

励磁控制微机采用51单片机的应用模式，由显示、显示召唤、按键、模拟量输入、ＰＩＤ参数设置、看门狗电路、同步信号输入、触发脉冲输出、灭磁接点输入等单元组成。显示单元采用外接６片串入并出移位寄存器芯片 74LS164驱动发光数码管，显示内容由召唤显示拨轮开关进行选择，有巡回和召唤两种显示方式。外扩一片并行接口芯片８１５５，８１５５的Ａ口与面板上的拨轮开关相连，用于召唤显示；Ｂ口与八位地址开关相连，用于设定ＰＩＤ参数；Ｃ口用于输出触发脉冲，脉冲经达林顿管放大、脉冲变压器隔离后接到主回路可控硅的触发极。灭磁接点、按键接到单片机的Ｉ／Ｏ口线，按键主要有增励、减励、运行方式恒电压／恒电流选择等。同步信号经隔离后接到单片机的ＩＮＴ１管脚。模拟量经ＡＤＣ０８０９ Ａ／Ｄ转换芯片接到单片机，采集的主要模拟量有发电机机端电压、励磁电流、发电机送出的无功电流、电压给定值、励磁电流给定值等。

通信控制微机由单片机、通信接口、波特率设置、地址编码、ＲＡＭ等单元组成。波特率设置、地址编码用地址开关来实现。地址编码用于设置本子站的地址码，共有２５６个编码。波特率有１２００ｂｐｓ、２４００ｂｐｓ、４８００ｂｐｓ、９６００ｂｐｓ等可选。外扩一片６２６４ＲＡＭ用于存放通信中间数据。通信接口采用ＭＡＸ１４８７实现ＲＳ４８５电平的转换。

上位监控ＰＣ机可采用ＩＰＣ或ＰＣ机。操作系统为Ｗｉｎｄｏｗｓ９８。ＰＣ机外接***研华公司的ＡＤＡＭ４５２０实现ＲＳ２３２／ＲＳ４８５的转换。

２ 双微机通信方案的设计

双微机数据交换有松耦合和紧耦合两种方式。松耦合采用数据通信方式进行两机数据交换，紧耦合采用共享数据存储器方式进行两机数据交换。本系统中励磁控制微机与通信控制微机的数据交换方式为松耦合方式，通信协议自定义。在松耦合方式中可用的数据通信方式有串行异步通信、串行外设接口（ＳＰＩ）、并行数据通信等，如图２所示。

串行数据通信方式为一个字节的８个位（低位在前、高位在后）依次传送，传送速度慢。为了提高数据交换的速度，采用并行数据交换。并行数据交换与串行数据交换的一个区别是通信时双微机要进行握手以保证数据可靠传输。下面以图２（ｃ）中的ＣＰＵ１向ＣＰＵ２传送数据为例说明数据传输的过程。Ｐ２．０为数据准备好控制线，由ＣＰＵ１控制；Ｐ２．１为数据已接收控制线，由ＣＰＵ２控制。

ＣＰＵ１发送数据的过程为：ＣＰＵ１送数据到数据线前应置Ｐ２．０为１，并判断Ｐ２．１是否为１，为１则表示ＣＰＵ２已做好接收数据的准备，ＣＰＵ１可以送数据到数据线；否则ＣＰＵ１等待ＣＰＵ２接收数据。ＣＰＵ１送数据到数据线后置Ｐ２．０为０，这表示ＣＰＵ１已送数据到数据线。然后判断Ｐ２．１是否为０，若为０则表示ＣＰＵ２已接收到ＣＰＵ１传送的数据，ＣＰＵ１可进行下一个数据的传送；否则ＣＰＵ１等待ＣＰＵ２接收数据。

    ＣＰＵ２接收数据的过程为：在ＣＰＵ２接收来自ＣＰＵ１的数据前置Ｐ２．１为１，并判断Ｐ２．０是否为０，为０表示ＣＰＵ１已将数据送到数据线上，ＣＰＵ２可从数据线上读数；否则ＣＰＵ２等待ＣＰＵ１发送数据。ＣＰＵ２读入数据后置Ｐ２．１为０，这表示ＣＰＵ２已接收到数据。然后判断Ｐ２．０是否为１，若为１则ＣＰＵ２可准备接收下一个数据；否则ＣＰＵ２等待。程序采用Ｃ５１语言实现，流程图如图３所示。

３ 上位机与下位机之间的通信协议

通信控制微机与上位ＰＣ机之间的通信采用Ｍｏｄｂｕｓ协议。Ｍｏｄｂｕｓ协议是一种应用于电子控制器上的协议，通过该协议，控制器之间以及控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信，已成为一种通用的工业标准。Ｍｏｄｂｕｓ协议有两种传输模式：ＡＳＣＩＩ模式和ＲＴＵ模式，本系统中采用ＲＴＵ模式，使用ＲＳ４８５总线。通信格式为：数据帧共１１位，１个起始位，８个数据位，两个停止位，无奇偶校验位；通信功能码为：０３Ｈ（召测），１６Ｈ（设置）；通信时对数据域进行ＣＲＣ－１６校验，校验只针对数据位，不包括起始位、停止位；校验多项式为Ｇ（Ｘ）＝Ｘ１６＋Ｘ１２＋Ｘ５＋１；命令行格式为：地址码＋功能码＋数据域＋ＣＲＣ校验。

上位ＰＣ机要监测励磁调节器的信息时发送：地址码＋功能码（０３Ｈ）＋起始寄存器地址＋寄存器个数＋ＣＲＣ校验码低字节＋ＣＲＣ校验码高字节。正常情况下，励磁调节器回送：地址码＋功能码（０３Ｈ）＋数据域字节数＋第１个数据＋第２个数据＋．．．．．．＋第ｎ个数据＋ＣＲＣ校验码低字节＋ＣＲＣ校验码高字节。出错时，励磁调节器回送：地址码＋功能码（８３Ｈ）＋错误代码（０２Ｈ／０６Ｈ）＋ＣＲＣ校验码低字节＋ＣＲＣ校验码高字节，其中，错误代码“０２Ｈ”表示“非法数据位置”，“０６Ｈ”表示“调节器正忙”。可读取的励磁调节器寄存器内容如表１所示。

表1 可读取的寄存器的内容

上位ＰＣ机要远方控制励磁系统时，需通过设置命令１６Ｈ来实现，发送：地址码＋功能码（１６Ｈ）＋起始寄存器地址＋寄存器个数（０１Ｈ）＋数据（１字节）＋ＣＲＣ校验码低字节＋ＣＲＣ校验码高字节，设置时一次只能设置一种参数。正常情况下，励磁调节器回送：地址码＋功能码（１６Ｈ）＋起始寄存器地址＋寄存器个数（０１Ｈ）＋ ＣＲＣ校验码低字节＋ＣＲＣ校验码高字节。出错时，励磁调节器回送：地址码＋功能码（９６Ｈ）＋错误代码（０２Ｈ／０３Ｈ）＋ＣＲＣ校验码低字节＋ＣＲＣ校验码高字节，其中，错误代码“０２Ｈ”表示“非法数据位置”，“０３Ｈ”表示“非法数据值”。可设置的励磁调节器寄存器内容如表２所示。

表2 可设置的寄存器的内容

若上位ＰＣ机发送除０３Ｈ和１６Ｈ外的其它命令，励磁调节器则将收到的功能码逻辑或“８０Ｈ”作为回送帧的功能码，回送内容为：地址码＋功能码＋错误代码（０１Ｈ）＋ＣＲＣ校验码低字节＋ＣＲＣ校验码高字节。

４ 上位机的软件设计

上位ＰＣ机完成人机交互、与励磁调节器内的通信控制微机进行通信等任务。其软件用Ｄｅｌｐｈｉ６．０设计，其中数据库用Ｄｅｌｐｈｉ６．０自带的Ｐａｒａｄｏｘ数据库。人机交互功能主要有：对励磁系统各重要参数（如励磁电流、机端电压、可控硅触发角等）进行实时监测，并可进行图形化显示、报表打印、事件顺序记录、越限报警；向励磁调节器发送增励、减励等各种控制命令；操作人员可进行管理等。软件的另一模块为通信程序。利用Ｄｅｌｐｈｉ设计串口通信程序一般有三种方法：一是利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的通信ＡＰＩ函数；二是利用第三方提供的通信用动态链接库；三是采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ或其它公司的通信ＯＣＸ控件。本系统采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司的ＭＳＣｏｍｍ通信ＯＣＸ控件来设计通信软件。ＭＳＣｏｍｍ是ＶＢ中的ＯＣＸ控件，使用前要将其添加到Ｄｅｌｐｈｉ中，添加方法如下：选择菜单“Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ”下的子菜单“Ｉｍｐｏｒｔ ＡｃｔｉｖｅＸ Ｃｏｎｔｒｏｌ”，在“Ｉｍｐｏｒｔ ＡｃｔｉｖｅＸ”页内选择“Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｍｍ Ｃｏｎｔｒｏｌ”，点击“Ｉｎｓｔａｌｌ”安装。编程时应注意其Ｉｎｐｕｔ和Ｏｕｔｐｕｔ属性的数据类型为ＯｌｅＶａｒｉａｎｔ，这与ＶＢ和ＶＣ不同。

    Ｍｏｄｂｕｓ通信协议的软件设计主要为ＣＲＣ－１６校验码生成的实现方法。ＣＲＣ－１６校验码生成编写程序有两种方法：一种为计算法；另一种为查表法。上位机采用计算法。下面为ＣＲＣ－１６的计算过程：

（１）设置ＣＲＣ寄存器，并给其赋初值ＦＦＦＦ?ＨＥＸ?。

（２）将全部数据的第一个８ｂｉｔ数据与１６位ＣＲＣ寄存器的低８位进行异或，并把结果存入ＣＲＣ寄存器。

（３）ＣＲＣ寄存器整体向右移一位，ＭＳＢ补零，移出并检查ＬＳＢ。

（４）如果ＬＳＢ为０，重复第三步；若ＬＳＢ为１，ＣＲＣ寄存器与多项式码相异或。

（５）重复第（３）与第（４）步?直到８次移位全部完成。此时一个８ｂｉｔ数据处理完毕。

（６）重复第（２）至第（５）步?直到所有数据全部处理完毕。

（７）最终ＣＲＣ寄存器的内容即为ＣＲＣ值。

Ｄｅｌｐｈｉ６．０环境下ＣＲＣ－１６实现的函数如下：

ｆｕｎｃｔｉｏｎ ＣＲＣ１６?ＣＲＣ＿Ｄａｔａ?ａｒｒａｙ ｏｆ Ｂｙｔｅ?ＤＡＴＡ＿Ｌｅｎ?ｉｎｔｅｇｅｒ?? ｗｏｒｄ?

ｖａｒ

ＣＲＣ１６Ｌｏ?ＣＲＣ１６Ｈｉ?ｂｙｔｅ? ／／ＣＲＣ 寄存器

ＳａｖｅＬｏ?ＳａｖｅＨｉ?ｂｙｔｅ? ／／ＣＲＣ 中间寄存器

ＧＬｏ?ＧＨｉ?ｂｙｔｅ? ／／生成多项式

ｉ?ｉｎｔｅｇｅｒ? ／／需校验数据的字节数

Ｆｌａｇ?ｉｎｔｅｇｅｒ? ／／移位的次数（８次）

ｂｅｇｉｎ

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ｂｙｔｅ?＄ｆｆ??

ＣＲＣ１６Ｈｉ?＝ｂｙｔｅ?＄ｆｆ?? ／／给ＣＲＣ寄存器赋初值

＄ｆｆｆｆ（ＨＥＸ）

ＧＬｏ?＝ｂｙｔｅ?＄０１??

ＧＨｉ?＝ｂｙｔｅ?＄ａ０?? ／／多项式码＄ａ００１（ＨＥＸ）

ｆｏｒ ｉ?＝０ ｔｏ ＤＡＴＡ＿Ｌｅｎ－１ ｄｏ ／／各字节数据

ｂｅｇｉｎ

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｘｏｒ ＣＲＣ＿Ｄａｔａ?ｉ?? ／／各字节数据

与ＣＲＣ寄存器进行异或

ｆｏｒ Ｆｌａｇ?＝０ ｔｏ ７ ｄｏ

ｂｅｇｉｎ

ＳａｖｅＬｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ?

ＳａｖｅＨｉ?＝ＣＲＣ１６Ｈｉ?

ＣＲＣ１６Ｈｉ?＝ＣＲＣ１６Ｈｉ ｓｈｒ １? ／／高字节右移一位

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｓｈｒ １? ／／低字节右移一位

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

／／若高字节ＬＳＢ为１，则低字节ＭＳＢ置１

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｏｒ ｂｙｔｅ?＄８０??

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

／／若低字节ＬＳＢ为１，则与多项式码进行异或

ｂｅｇｉｎ

ＣＲＣ１６Ｈｉ?＝ＣＲＣ１６Ｈｉ ｘｏｒ ＧＨｉ?

ＣＲＣ１６Ｌｏ?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ ｘｏｒ ＧＬｏ?

ｅｎｄ?

ｅｎｄ?

ｅｎｄ?

ＣＲＣ１６?＝ＣＲＣ１６Ｌｏ?２５６＋ＣＲＣ１６Ｈｉ? ／／ＣＲＣ低字节在

前，高字节在后

ｅｎｄ?

用双微机松耦合实现了励磁控制微机与通信控制微机之间的数据交换，并通过通信控制微机完成与上位机之间的通信，将励磁调节器的任务进行分散，增强了装置的功能和可靠性。该系统已在国内多个中、小型水电站投入运行，运行稳定，得到用户的好评。