基于MCGS與DSP28335通信的模塊化無功補償裝置人機接口設計

作者簡介：陳玲（1988—），女，講師，碩士；研究方向：無功補償裝置。

摘要：為了對模塊化無功補償裝置進行集中控制，文章基于Modbus通信協議，構建了單臺MCGS和多臺DSP28335構成的模塊化無功補償裝置人機接口，包括對接口電路進行設計、通信控制流程設計、上位機軟件配置等，成功實現通信。通過測試，該系統穩定可靠，可以實現對模塊化無功補償裝置的運行情況進行有效監控。

關鍵詞：DSP28335；MCGS；模塊化無功補償裝置

中圖分類號：TN91文獻標志碼：A

0引言

隨著社會的發展與進步，人們對電能質量的要求越來越高，而大量非線性負載的使用造成了電能功率因數的下降［1-2］。傳統的無功補償裝置一旦裝機，容量很難改變，不能根據現場實際負載情況進行調整。

本文設計了一種一主多從的模塊化無功補償裝置，可根據情況增減無功補償模塊數量。但是這種模塊化的無功補償裝置需要對各模塊進行集中管理。因此，實現模塊化無功補償裝置的運行參數及工作狀態的實時監控，控制參數輸入和運程參數操控也成為用戶的迫切需求。近年來，觸摸屏技術快速發展：運算能力強、存儲容量大、反應靈敏及具有豐富的數據通信接口；而DSP因其運算速度快、控制能力強，在控制領域得到廣泛應用［3-4］。本文基于modbus協議，設計了模塊化無功補償裝置的人機接口，詳細介紹了人機界面實現的功能。

1人機接口架構

該系統主站采用北京昆侖通泰觸摸屏，從站為多臺由DSP28335組成的下位機。主站統一發送控制命令，控制每個無功補償模塊的啟停；從站通過內部的A/D模塊采集系統的模擬量信息，將這些模擬量信息以及系統的運行狀態通過串行接口上傳給觸摸屏。該系統采用Modbus通信協議，實現了觸摸屏和DSP28335的人機交互。系統設計如圖1所示。

2通信接口設計

Modbus可以使用RS232、RS485以及RS422作為物理接口，實現一主多從的人機交互。本系統選用的TPC7062TX型號MCGS觸摸屏作為上位機，其提供通信接口是485接口。DSP28335作為下位機，采用SCI口作為通信接口，但是各節點之間存在很高的共模電壓，一旦系統共模電壓超過RS485接收器的極限接收電壓時，接收器將無法正常工作。本系統采用ADM257E芯片，將系統電源和RS485的收發器進行隔離，如圖2所示。DSP和ADM257E芯片工作電平不一致，DSP的輸出信號為33V，而ADM257E芯片的輸入信號的電壓為5V。為了解決這個問題，本設計采用74HCT245實現了33V到5V的轉變，如圖3所示。

3軟件設計

31Modbus通信協議

Modbus協議是由美國Modicon公司開發出來的串行現場總線通信協議，能夠實現不同控制設備之間、控制設備與其他功能設備之間的通信［5-6］。基于Modbus通信協議，不同廠家的設備都能夠連接在一個通信網絡中，從而通過上位機設備實現集中監控。

Modbus尋址空間由256個不同地址組成。Modbus主站沒有特定地址，只有從站有一個地址，在Modbus串行總線上，這個地址必須是唯一的。Modbus尋址范圍如圖1所示，地址0為廣播地址，所有從站必須識別廣播地址。

本系統采用Modbus一主多從的通信方式。觸摸屏作為上位機，即主站；DSP作為下位機，即從站。為實現模塊化無功補償裝置與不同廠家生產的HMI設備通信的兼容性，本系統通信支持的功能碼有：01H、02H、03H、04H、05H、06H、0FH、10H和17H。目前，采用的HMI設備是北京昆侖通態觸摸屏，該HMI設備支持的功能碼有：01H、02H、03H、04H、05H、06H、0FH和10H。標準MODBUS-RTU的部分功能碼及相應的說明如表2所示。

本系統采用03H、06H功能碼實現主站和從站的報文交互。本系統采用03H功能碼讀取模塊化無功補償裝置的狀態：主站按照一定的時間循環讀取從站的主控狀態，從站收到主站的請求，將所需要的數據上傳給主站。本系統采用06H功能碼向模塊化無功補償裝置發送控制命令：主站按照用戶的需要，對控制器執行相應的一次命令操作，從站收到命令后，執行操作。

32ModbusDSP程序

DSP28335串行通信SCI是一個雙向的異步串行接口，與觸摸屏實現人機交互。觸摸屏和DSP采用Modbus協議實現兩者數據的通信，分別為接收數據、數據處理以及發送數據。接收數據主要利用SCI接收中斷實現，SCI接收中斷的流程如圖5所示。

DSP接收到上位機的數據，按照上位機的需求對數據進行處理，數據處理函數流程如圖6所示。回復的報文存入DSPSCI模塊的發送器數據緩沖寄存器，通過發送引腳將報文發出，回復上位機。

4人機界面設計

MCGS組態軟件工程主要分為5個部分，即主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略，各部分分工明確，組合可共同完成用戶所需功能。

在該人機接口設計中，觸摸屏與DSP間的通信采用的是RS485串口通信。以觸摸屏作為串口父設備，同時在串口父設備屬性中配置多個模塊下位機（DSP28335），模塊的數量可以根據實際的應用場合進行增減。設備窗口配置如圖7所示。

然后，進行ModBusRTU子設備的參數設置，設置采集周期是2000ms，設備地址為1，通信等待時間為800ms，校驗方式選擇0，將DSP數據與觸摸屏數據通道進行連接設置，如圖8所示。在完成上述通信配置后，就實現了DSP和觸摸屏數據地址的規定，可進行觸摸屏和DSP兩端通信程序的設計。

開機后，直接進入主菜單界面，如圖9所示。

通過主菜單界面可以進入各子界面查看設備的運行情況，例如：可以通過點擊諧波柱狀圖了解諧波補償前后的對比，如圖10所示；也可以通過觸摸屏控制各個從模塊的啟停，如圖11所示。

5結語

運行結果證明，昆侖通態觸摸屏與TI公司的DSP28335能夠實現基于Modbus通信協議的一主多從的人機交互。觸摸屏能夠正確地顯示模塊化無功補償裝置的運行數據，能夠集中控制模塊化無功補償裝置的啟停。該系統運行安全可靠，穩定性好，可以實現對多個模塊化無功補償裝置的集中監控，具有一定的推廣價值。

參考文獻

［1］宋鐵城.配電網中基于DSP的動態無功補償裝置研究［J］.電氣時代，2023（9）：62-63.

［2］韋智文.配電網無功補償裝置在線檢測系統的設計與應用［D］.廣州：華南理工大學，2016.

［3］戴衛力，侯浩.基于MCGS的伺服電機驅動器人機接口設計［J］.新型工業化，2017（9）：7-11.

［4］錢進，陳暉，郭鵬，等.基于Modbus-TCP協議的智能電表與西門子PLC通信［J］.鍛壓裝備與制造技術，2021（5）：80-82.

［5］周舟.基于MODBUSTCP的全自動彎管生產線控制系統設計［J］.機械工程師，2021（9）：70-73.

［6］張彥軍，楊闖.嵌入式系統與MCGS的Modbus通信方法［J］.甘肅科學學報，2017（1）：34-37.

（編輯王永超）