基于CAN通信技術(shù)的火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究

賈愛靜

（河北燕山鋼鐵集團有限公司，河北 唐山 063000）

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件與通信方案設(shè)計

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1.1 處理器模塊

處理器模塊核心部分采用MOC555芯片，采用32位PowerPC結(jié)構(gòu)體系，浮點單元可有效提升芯片執(zhí)行速度。雙CAN總線2.0控制器可滿足16個8位發(fā)送和接入緩沖區(qū)的通信需要，4個可編程接口可為16類設(shè)備提供支持，兩個串行通信接口可提供全雙工或半雙工通信需要，16位寄存器緩沖區(qū)可用于奇偶校驗。芯片最高運行主頻為40 MHz，可勝任火電廠實時監(jiān)控任務(wù)。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

模擬量信號傳輸至INA2132芯片，通過內(nèi)部兩個運算放大進行緩沖處理，工作于射極跟隨模式下可增大輸入阻抗，有利于保證輸入信號的穩(wěn)定性。ADS8364芯片運行于5 V電壓環(huán)境下，內(nèi)置6個模擬量轉(zhuǎn)換器和微分放大器，集成高速并行通信接口，16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）可確保信號采集工作的同步運行，將模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)值存至寄存器，自由選擇單周期、單通道和先進先出隊列（First Input First Output，F(xiàn)IFO）模式。為達到更高的分辨率，可采用外設(shè)電源AD780，確保芯片基準電壓的準確性[1,2]。

1.1.3 開關(guān)量模塊

開關(guān)量模塊共設(shè)置80路開關(guān)量輸出、320路開關(guān)量輸入和1路頻率量輸入，配置4塊開出板、9塊開入板，采取插拔式接口來提升硬件配置的靈活性。通過EMP7128芯片對接口進行拓展，此芯片內(nèi)部設(shè)置有多個門電路、宏單元以及邏輯陣列塊，可編程互連陣列將不同單元進行連接，采用不同的邏輯模式來對不同使用功能進行設(shè)計。

1.1.4 開關(guān)控制模塊

繼電器由開關(guān)控制模塊輸出執(zhí)行指令，采用光電隔離方式來防止電磁干擾帶來的影響。采用EPM7128芯片的兩個串口來輸出電壓，OT1口輸出低電壓、OT2口輸出高電壓，OUT口從外部得到24 V直流電壓來驅(qū)動繼電器線圈。

1.1.5 頻率測量電路

火電廠電力系統(tǒng)運行頻率是重要的監(jiān)測指標，應(yīng)該實現(xiàn)對頻率信號的動態(tài)監(jiān)測，采用LM211過零比較器將采集到的頻率信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?，傳送給MPC555時間捕獲單元，可以得到兩個正向脈沖，再由定時器兩次翻轉(zhuǎn)間隔對頻率進行監(jiān)測[3]。

1.1.6 CAN總線接口電路

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線技術(shù)可以為監(jiān)控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交互的通道，采用MPC555芯片的內(nèi)置CAN總線電路，不再另外設(shè)置控制器即可對CAN總線通信協(xié)議進行開發(fā)。在總線輸出端上加設(shè)總線收發(fā)器和抗干擾光耦，光耦器件型號為6N137，切換時間為75 ns，可滿足CAN總線數(shù)據(jù)傳輸要求。收發(fā)器為PCA82C2550，可為CAN總線提供差動性能，具有良好的抗電磁干擾性能，總線接口電路如圖1所示。

圖1 總線接口電路

1.2 基于CAN總線通信技術(shù)策略設(shè)計

1.2.1 CAN總線技術(shù)

CAN總線是一種分布式、實時控制的串行通信網(wǎng)，通過CAN控制器可實現(xiàn)不同類型單片機間的數(shù)據(jù)共享。該總線技術(shù)具有較好的檢錯性能，在外部復(fù)雜電磁環(huán)境下仍具有1 Mb/s的通信速率，傳輸距離可高達10 km，在電力系統(tǒng)監(jiān)控領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)鏈路層和物理層可對數(shù)據(jù)進行打包處理，選用通信數(shù)據(jù)塊編碼，通信網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋更多的數(shù)據(jù)節(jié)點，采用11位或29位二進制數(shù)據(jù)作為標識碼，數(shù)據(jù)塊編碼可用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)信息的接收，具有很好的兼容性。數(shù)據(jù)信息長度為8 byte，可以滿足火電廠對設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控需求，還可以用于接收控制指令及數(shù)據(jù)信息測試，數(shù)據(jù)對總線空間占用較小，冗余校驗方式具有很高的糾錯性能，確保接收到準確無誤的數(shù)據(jù)信息，有著很高的實用性[4]。

1.2.2 協(xié)議分析

CAN總線節(jié)點目標層用于尋取已發(fā)送報文，并查詢傳輸層獲取的報文是否被應(yīng)用；物理層滿足差異電氣特征節(jié)點數(shù)據(jù)信息傳送要求；傳輸層用于定義數(shù)據(jù)信息傳輸規(guī)則，確定新數(shù)據(jù)信息發(fā)送任務(wù)是否及時接收。為總線提供報文的單元為發(fā)送器，總線為非運行狀態(tài)或單元沒有被仲裁可一直作為總線發(fā)送器，如果某單元不是發(fā)送器且總線存在數(shù)據(jù)傳送，則該單元為總線接收器。

在數(shù)據(jù)發(fā)送情況下，如果幀數(shù)據(jù)均準確無誤，則可認為報文已經(jīng)成功發(fā)送出去；如果沒有發(fā)送成功，則按優(yōu)先順序再次發(fā)送信息。若發(fā)送器識別出總線為空閑狀態(tài)，會及時發(fā)送數(shù)據(jù)；而如果接收到的數(shù)據(jù)信息均準確無誤，則認為報文已經(jīng)成功接收。報文發(fā)送以幀控制來描述，幀數(shù)據(jù)中含有多種有效信息，遠程幀可對標識符相同的數(shù)據(jù)幀發(fā)出請求，出錯幀可判斷出總線單元存在的錯誤，每個單元均可發(fā)送出錯幀，超載幀用于發(fā)送目前數(shù)據(jù)幀、以后數(shù)據(jù)幀、遠程幀相互間的延遲時間[5]。

1.2.3 傳輸規(guī)則

采用IEC60870-5-103傳輸規(guī)則對傳輸幀數(shù)據(jù)單元進行規(guī)定，監(jiān)控系統(tǒng)選用特定域，對服務(wù)數(shù)據(jù)單元進行定義。應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元包括單元標識符和信息體，每個標識符均相同，均由4個8位字符構(gòu)成。應(yīng)用服務(wù)單元根據(jù)IEC60870-5-4規(guī)則進行設(shè)計，信息元素編碼與定義不發(fā)生改變，火電廠監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)單元標識符中包含公共地址。

數(shù)據(jù)鏈路層把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息流打包處理為數(shù)據(jù)幀，按照規(guī)定好的協(xié)議對數(shù)據(jù)信息進行傳輸，將可靠性差的數(shù)據(jù)傳輸通道優(yōu)化為成熟的數(shù)據(jù)鏈路。可變長度幀格式以先低后高順序來發(fā)送數(shù)據(jù)，用于火電廠繼電保護設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)信息交互。固定長度幀格式中有啟動字符、鏈路地址等內(nèi)容，火電廠繼電保護與監(jiān)控系統(tǒng)間的確認幀和詢問幀滿足該格式要求。采用非平衡方式來傳送數(shù)據(jù)信息，如果監(jiān)控系統(tǒng)把服務(wù)命令發(fā)送至繼電保護裝置或檢測到報告含有錯誤，方可以進行其他數(shù)據(jù)服務(wù)。當發(fā)送確認與請求響應(yīng)在進行通信時存在干擾，應(yīng)該按等待、超時和重發(fā)順序來傳至下一幀。

1.2.4 CAN總線通信設(shè)計

國內(nèi)電力行業(yè)通信標準遵從《遠動設(shè)備及系統(tǒng)第5部分傳輸規(guī)約 第103篇 繼電保護設(shè)備信息接口配套標準》（DL/T 667—1999），電氣監(jiān)控系統(tǒng)每個單元均根據(jù)此規(guī)則進行數(shù)據(jù)信息傳輸，每個單元連接至相同通信線路。通過簡化監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減小信息傳輸時延，有利于控制投資成本和運行維護。該通信規(guī)約將RS485作為前提，CAN總線應(yīng)用該規(guī)約會存在鏈路層重疊問題，自身定義有鏈路層傳輸機制，鏈路層幀結(jié)構(gòu)存在多個部分，總線差錯監(jiān)測性能較好。

2 火電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 中斷程序設(shè)計

電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)控制程序結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用模塊化設(shè)計方式，對某模塊進行調(diào)試與修改時不會對其他模塊產(chǎn)生影響。結(jié)合MPC555芯片特性和功能，對監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)與中斷進行分割處理。任務(wù)模塊用于啟動NU_START，對數(shù)據(jù)信息進行采集處理，換算有效值，讀取開關(guān)狀態(tài)并實現(xiàn)硬件自檢。低級中斷模塊進行GPS對時中斷、AD中斷、定時監(jiān)測頻中斷以及CAN接收中斷，高級中斷模塊啟動CAN通信中斷程序。

2.2 通信設(shè)計

電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的測控程序應(yīng)該滿足人機界面與底層控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信需要，通信模塊應(yīng)該確保時間同步，對采集到的采樣值、有效值、開關(guān)量等數(shù)據(jù)信息進行傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，人機界面將時間同步信息傳送至繼電保護裝置，該過程不需要對應(yīng)答幀進行確認，而將復(fù)位信息傳送到繼電保護裝置時需要確認幀。人機界面獲取到繼電保護裝置信息讀取狀態(tài)時，需要形成響應(yīng)幀。人機界面沒有收到確認幀或響應(yīng)幀規(guī)定時間內(nèi)的響應(yīng)，要再次傳輸并滿足重傳次數(shù)要求。

2.3 軟件設(shè)計平臺

采用Nucleus PLUS平臺，該平臺為實時多任務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)用C語言及匯編語言開發(fā)，在平臺上可完成程序編譯，并完成庫函數(shù)鏈接調(diào)用。其有內(nèi)存管理和執(zhí)行線程兩種結(jié)構(gòu)，執(zhí)行線程通過中斷、任務(wù)、系統(tǒng)3種線程來實現(xiàn)。任務(wù)為線程結(jié)構(gòu)主要形式，通過該線程來實現(xiàn)用戶功能，要滿足優(yōu)先級要求，高優(yōu)先級先執(zhí)行，同時需要遵守時間原則。中斷線程中含有中斷、高級中斷兩類服務(wù)程序，用戶可自定義程序。此外，系統(tǒng)線程中含有信號處理、初始化、循環(huán)調(diào)度等。平臺支持分塊內(nèi)存池、動態(tài)內(nèi)存池，可對內(nèi)存進行有效管理與分配，還為用戶提供部分源代碼程序，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)。

3 調(diào)試存在問題與處理

電流傳感器主動發(fā)送數(shù)據(jù)信息至主控設(shè)備，通信系統(tǒng)中設(shè)置有A、B、C共3個節(jié)點。A、B節(jié)點運行過程中接入CAN通信分析儀，可識別波特率，抓捕數(shù)據(jù)包，但存在掉線問題。還可在CAN接收函數(shù)中實現(xiàn)接收郵箱數(shù)據(jù)功能，將函數(shù)編輯為CAN_Receive(CAN1, CAN_FIFO0, &RxMessage)。

啟動備用變壓器進行第一次受電時，差動保護無法正常動作，高壓側(cè)斷路器存在跳閘現(xiàn)象?？蓪⒍沃C波制動系數(shù)修改為0.14，備用變壓器再次受電時差動保護不動作。升壓站中線路保護電流互感器極性弄反或?qū)Χ司€路不一致是會導致備用變壓器受電時出現(xiàn)光纖縱保護誤動作，需要更改電流互感器極性。而當備用變壓器高壓側(cè)斷路器二次回路接線存在錯誤，對防跳繼電器電壓線圈進行保護設(shè)計沒考慮到電流線圈時，需要修改接線方式，確保防跳閘保護可正常動作。

4 結(jié) 論

很多火電廠的電氣監(jiān)控系統(tǒng)自控水平較低，還采用傳統(tǒng)的硬接線和表計方式?；贑AN總線的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可以采集設(shè)備運行狀態(tài)信息，將數(shù)據(jù)信息共享給軟硬件通信接口，結(jié)合采集到的信息對電廠設(shè)備進行控制。根據(jù)電廠監(jiān)控需要制定CAN通信策略，按照硬件和通信需要設(shè)計中斷程序、模塊化程序以及系統(tǒng)函數(shù)的調(diào)用，可為后續(xù)調(diào)試開發(fā)提供便利，確保電氣監(jiān)控系統(tǒng)正常運行。