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分布式發(fā)電機(jī)勵磁監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
摘要：介紹了用分布式技術(shù)設(shè)計的發(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)計方法。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)定運行的能力、改善電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)的運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，還要實現(xiàn)人機(jī)交互、遠(yuǎn)方通信等功能。單微機(jī)難以實現(xiàn)所有功能，故采用雙微機(jī)設(shè)計勵磁調(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、按鍵接到單片機(jī)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(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實現(xiàn)ＲＳ２３２／ＲＳ４８５的轉(zhuǎn)換。
２ 雙微機(jī)通信方案的設(shè)計
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。
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(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)。
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(zhǔn)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。
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，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(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。
表1 可讀取的寄存器的內(nèi)容
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