電機勵磁監(jiān)控設計管理論文

導語：電機勵磁監(jiān)控設計管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹了用分布式技術設計的發(fā)電機勵磁監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)中勵磁調節(jié)器內的雙微機采用松耦合并行通信方式進行數(shù)據(jù)交換，調節(jié)器中的勵磁控制微機經(jīng)由通信控制微機實現(xiàn)與上位PC機的通信。介紹了系統(tǒng)的構成、通信方案、通信協(xié)議及軟件設計方法。

關鍵詞：分布式發(fā)電機勵磁監(jiān)控系統(tǒng)

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是采集發(fā)電機電壓和電流的變化及其它輸入信號，并根據(jù)控制準則控制勵磁功率單元輸出勵磁電流（供給發(fā)電機轉子線圈）的系統(tǒng)。發(fā)電機勵磁系統(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)電機的運行條件等起到重要的作用。微機勵磁調節(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)人機交互、遠方通信等功能。單微機難以實現(xiàn)所有功能，故采用雙微機設計勵磁調節(jié)器，并通過通信網(wǎng)絡構建分布式發(fā)電機勵磁監(jiān)控系統(tǒng)。

1硬件結構

系統(tǒng)硬件結構如圖1所示，其中，勵磁控制微機實現(xiàn)人機交互和勵磁電流控制，通信控制微機協(xié)調上位監(jiān)控PC機和勵磁控制微機的數(shù)據(jù)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(shù)設置、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驅動發(fā)光數(shù)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(shù)；C口用于輸出觸發(fā)脈沖，脈沖經(jīng)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(fā)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(jīng)隔離后接到單片機的INT1管腳。模擬量經(jīng)ADC0809A／D轉換芯片接到單片機，采集的主要模擬量有發(fā)電機機端電壓、勵磁電流、發(fā)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(xiàn)。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(shù)據(jù)。通信接口采用MAX1487實現(xiàn)RS485電平的轉換。

上位監(jiān)控PC機可采用IPC或PC機。操作系統(tǒng)為Windows98。PC機外接臺灣研華公司的ADAM4520實現(xiàn)RS232／RS485的轉換。

2雙微機通信方案的設計

雙微機數(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)通信方式進行兩機數(shù)據(jù)交換，緊耦合采用共享數(shù)據(jù)存儲器方式進行兩機數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)中勵磁控制微機與通信控制微機的數(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)別是通信時雙微機要進行握手以保證數(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上位機與下位機之間的通信協(xié)議

通信控制微機與上位PC機之間的通信采用Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議是一種應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（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信，已成為一種通用的工業(yè)標準。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（設置）；通信時對數(shù)據(jù)域進行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機要監(jiān)測勵磁調節(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“調節(jié)器正忙”。可讀取的勵磁調節(jié)器寄存器內容如表1所示。

表1可讀取的寄存器的內容

數(shù)據(jù)地址內容

00H

01H

02H

03H

04H

05H

06H機端電壓（Uc）

變換電阻后的電壓（Ut）

勵磁電流實際值（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機要遠方控制勵磁系統(tǒng)時，需通過設置命令16H來實現(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校驗碼低字節(jié)＋CRC校驗碼高字節(jié)，設置時一次只能設置一種參數(shù)。正常情況下，勵磁調節(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校驗碼低字節(jié)＋CRC校驗碼高字節(jié)。出錯時，勵磁調節(jié)器回送：地址碼＋功能碼（96H）＋錯誤代碼（02H／03H）＋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”，“03H”表示“非法數(shù)據(jù)值”。可設置的勵磁調節(jié)器寄存器內容如表2所示。

表2可設置的寄存器的內容

數(shù)據(jù)地址內容

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機發(fā)送除03H和16H外的其它命令，勵磁調節(jié)器則將收到的功能碼邏輯或“80H”作為回送幀的功能碼，回送內容為：地址碼＋功能碼＋錯誤代碼（01H）＋CRC校驗碼低字節(jié)＋CRC校驗碼高字節(jié)。

4上位機的軟件設計

上位PC機完成人機交互、與勵磁調節(jié)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(shù)據(jù)庫用Delphi6．0自帶的Paradox數(shù)據(jù)庫。人機交互功能主要有：對勵磁系統(tǒng)各重要參數(shù)（如勵磁電流、機端電壓、可控硅觸發(fā)角等）進行實時監(jiān)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(jié)器發(fā)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(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“ImportActiveXControl”，在“ImportActiveX”頁內選擇“MicrosoftCommControl”，點擊“Install”安裝。編程時應注意其Input和Output屬性的數(shù)據(jù)類型為OleVariant，這與VB和VC不同。

Modbus通信協(xié)議的軟件設計主要為CRC－16校驗碼生成的實現(xiàn)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(shù)據(jù)的第一個8bit數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理完畢。

（6）重復第（2）至第（5）步直到所有數(shù)據(jù)全部處理完畢。

（7）最終CRC寄存器的內容即為CRC值。

Delphi6．0環(huán)境下CRC－16實現(xiàn)的函數(shù)如下：

functionCRC16CRC＿DataarrayofByte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(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／／多項式碼＄a001（HEX）

fori＝0toDATA＿Len－1do／／各字節(jié)數(shù)據(jù)

begin

CRC16Lo＝CRC16LoxorCRC＿Datai／／各字節(jié)數(shù)據(jù)

與CRC寄存器進行異或

forFlag＝0to7do

begin

SaveLo＝CRC16Lo

SaveHi＝CRC16Hi

CRC16Hi＝CRC16Hishr1／／高字節(jié)右移一位

CRC16Lo＝CRC16Loshr1／／低字節(jié)右移一位

ifSaveHiandbyte＄01＝byte＄01then

／／若高字節(jié)LSB為1，則低字節(jié)MSB置1

CRC16Lo＝CRC16Loorbyte＄80

ifSaveLoandbyte＄01＝byte＄01then

／／若低字節(jié)LSB為1，則與多項式碼進行異或

begin

CRC16Hi＝CRC16HixorGHi

CRC16Lo＝CRC16LoxorGLo

end

end

end

CRC16＝CRC16Lo256＋CRC16Hi／／CRC低字節(jié)在

前，高字節(jié)在后

end

用雙微機松耦合實現(xiàn)了勵磁控制微機與通信控制微機之間的數(shù)據(jù)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(jié)器的任務進行分散，增強了裝置的功能和可靠性。該系統(tǒng)已在國內多個中、小型水電站投入運行，運行穩(wěn)定，得到用戶的好評。